DE2818099C2 - Weißmetall-Legierung und deren Verwendung - Google Patents

Description

3. Verwendung der Legierungen nach Anspruch 1 oder 2 für Lager hoher Beanspruchung durch pulsierende Last und erhöhte Lagertemperaturen.

Die Erfindung betrifft eine WeißmetalJ-Leglerung auf Zlnnbasls und deren Verwendung für Lager mit hoher Beanspruchung durch pulsierende Last und erhöhte Lagertemperaturen.

4(i Die Verwendung der als Weißmetalle bekannten Legierungen auf Zinnbasis, welche als wichtigste Legierungselemente Antimon, Kupfer, Kadmium und Arsen enthalten und im Verbundguß auf eine Lagerstützschale aus Stahl aufgegossen werden, hat gegenwärtig z. B. Im Dieselmotorenbau eine Grenze erreicht. Mit der Steigerung der Motorenleistung, insbesondere bei großen Schiffsdieselmotoren, treten in den Haupt- und Schubstangenlagern Belastungen auf, die von Weißmetallen auf Zinnbasis oder auch von Legierungen auf Blelbasls nicht mehr ertragen werden können. Aus diesem Grunde muß oftmals auf den Einsatz von Weißmetallagern verzichtet werden, und es werden statt dessen höher belastbare Lagerwerkstoffe, wie z. B. Alumlnium-Zlnn, eingesetzt. Durch diesen Wechsel des Lagerwerkstoffes wird nun zwar eine höhere Tragfähigkeit und eine höhere Ermüdungsbeständigkeit der Lager erreicht, aber man muß gleichzeitig auch auf eine Reihe wertvoller Eigenschaften der Weißmetalle verzichten. So zeichnen sich die Weißmetalle aus durch gute Einbettfähigkeit für Schmutzpar-

5(i tlkel und durch gute Anpassungsfähigkeit an die Welle, wodurch geometrische Ungenaulgkelten, bedingt durch Fertlgungs- und Montagefehler, ausgeglichen werden. Außerdem erlauben Weißmetalle den Einsatz welcher, nicht gehärteter Wellen, da sie keine Verschweißneigung mit Stahl zeigen und hart tragende, mangelhaft geschmierte Stellen In einem Welßmetallager keine so hohen Temperaturen erreichen, daß die Stahlwelle bis zur Unbrauchbarkeit geschädigt wird. Die Weißmetalle beginnen nämlich wegen Ihres niedrigen Schmelzpunktes zu schmelzen, noch bevor eine extrem starke Erwärmung des Lagers eintritt. Diese vorteilhaften Eigenschaften der Welßmetallager kann man nicht In vollem Umfang beibehalten, wenn man wegen der Größe der Lagerbelastung auf andere Lagerwerkstoffe ausweichen muß. Es bestehen deshalb schon seit langem Bestrebungen, die Belastbarkelt der Weißmetallegierungen zu erhöhen.
Bei der Beurteilung der Belastbarkelt eines Lagerwerkstoffes 1st zu unterscheiden zwischen der Tragfähigkeit gegenüber einer statisch auf das Lager wirkenden Last und der dynamischen Ermüdungsfestigkeit bei der Einwirkung einer pulsierenden Last oder auch einzelner Schläge.

Die statische Tragfähigkeit eines Lagerwerkstoffes wird vor allem durch dessen Härte bestimmt, die Ermüdungsfestigkeit hingegen kann bei gleicher Härte gut oder schlecht sein und hängt vor allem von der Dehnung des Werkstoffes und der Ausbildung des Gefüges, Insbesondere von der Korngröße und der Kristallisationsform

Es sind bereits Maßnahmen bekannt, um die Tragfähigkeit und die Ermüdungsfestigkeit der herkömmlichen Weißmetalle auf Zinnbasis zu verbessern. Indem man metallurgisch auf die Krlstallltenform und -größe einwirkt. So hat man der Weißmetallschmelze als kornfeinend wirkende Elemente Chrom und Kobalt hlnzuee-

geben. Eine solche, chrom- und kobalthaltige Legierung ist z. B. das Super Metall »Hy« der Shichibo Metal Kogyo K.K., Japan. Nach einer Untersuchung weist dieses Weißmetall folgende Zusammensetzung auf:

3,5396 - Cu i

8,6196-Sb

0,9 96 - Cd

0,1596 - Ni

i),3896 - Co

0,1696-Cr '"

0,0896 - Fe

Rest Zinn.

Weiter ist bekannt, die kornfeinende Wirkung von Chrom durch einen Berylliumzusatz von 0,001 bis 0,1% bei einem Chromgehalt von 0,005 bis 0,296 und einem Cadmiumgehalt von 0,1 bis 1,596 noch zu verbessern ι<· (Deutsche Patentschriften 17 58 821 und 20 51 277).

Gegenstand der Erfindung sind Weißmetall-Legierungen auf Zinnbasis mit hoher Warmfestigkeit, hoher Ermüdungsfestigkeit bei erhöhten Temperaturen und guter Bindungsfestigkeit auf Stahl, gekennzeichnet durch die Zusammensetzung

5 -10 96 Antimon

2 - 5 96 Kupfer 0,1 - 1,596 Kadmium 0,1-1 96 Arsen

0,1 - 0,896 Nickel 2?

0,1 - 0,596 Kobalt

0,1 - 0,596 Chrom

0,01- 0,196 Bor

0,1 - 0,596 Zink

0,01- 0,196 Phosphor .«>

Rest Zinn und übliche Verunreinigungen.

Dabei sind alle Angaben in Gew.-96. Als übliche Verunreinigungen kommen Insbesondere In Betracht Elsen, Aluminium, Wismut.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine noch weitaus stärkere Kornfeinungswirkung zu errei- > chen Ist, wenn ein Zinnbasis-Weißmetall, welches die herkömmlichen Legierungselemente Antimon, Kupfer und Kadmium sowie die ebenfalls bekannten Kornfelnungselemente Chrom und Kobalt enthält, zusätzlich Bor und Zink enthält.

Durch die kombinierte Wirkung dieser Elemente werden Eigenschaften erzielt, die gegenüber denen der bisher bekannten Weißmetalle verbessert sind. vt

Die erfindungsgemäße Legierung weist in folgender Zusammensetzung optimale Eigenschaften auf:

7,1 -7,9 96 Sb

2,5 -3,5 96 Cu

0,5 -1,2 96 Cd 45

0,2 -0,4 96 As

0,1 -0,2 96 Nl

0,2 -0,4 96 Co

0,25-0,4 96 Cr

0,02-0,0896 B -■■)

0,1 -0,2 96 Zn

0,08-0,1 96 P

Rest Zinn und die üblichen Verunreinigungen. Besonders bewährt haben sich Legierungen folgender Zusammensetzung: s

7,5 96 Sb

3 96 Cu 1 96 Cd

0,3 % As du

0,1696 Ni

0,3 96 Co

0,3396 Cr

0,0596 B

0,1696 Zn i.$

0,1 96 P

Rest Zinn und übliche Verunreinigungen.

Als bekannte Grundlegierungselemente dieser Legierung gelten Zinn, Antimon, Kupfer, Kadmium, Nickel, Arsen und Phosphor. Ebenfalls bereits bekannte Zusatzelemente mit kornfeinender Wirkung sind Kobalt und Chrom. Zink und Bor werden erfindungsgemäß neu hinzugegeben. ^;

Das neben Bor erfindungsgemäß ebenfalls eingesetzte Zink galt bisher als schädliche Verunreinigung In Zinnbasis-Welßmetallen, da es die Dehnung verringert und die Bindung auf der Stahlstützschale verschlechtert. ..ι

Durch einen Zusatz von Bor werden diese Nachtelle von Zink jedoch aufgehoben und durch die gemeinsame Wirkung von Zink, Bor, Kobalt und Chrom eine wesentliche Verbesserung der Festigkeitseigenschaften, insbesondere der Festigkeitseigenschaften bei erhöhten Temperaturen erreicht. Diese Verbesserung der Warmfestigkeitseigenschaften Ist von entscheidender Bedeutung, da in den Gleitlagern von Dieselmotoren Temperaturen von 60 bis 120° C auftreten.

Die Erhöhung der Warmfestigkeit der erfindungsgemäßen Legierung in Verbindung mit der ebenfalls sehr guten Warmdehnung vermindert die Gefahr der Rißbildung In der Weißmetallaufschicht. ..:

Die Feinkörnigkeit des GefOges vermindert die Fortpflanzungsgeschwindigkeit von entstandenen Rissen. Insgesamt wird dadurch die Neigung des Weißmetalles zur sogenannten Pflastersteinbildung verringert. Diese Pflastersteinbildung ist eine für Weißmetalle typische Ermüdungserscheinung, die bei höheren Belastungen, Insbesondere bei pulsierenden Belastungen, auftritt. Durch Dauerbrüche, die von der Lageroberfläche ausgehen, entsteht ein Netzwerk von Rissen. Diese Risse verlaufen Im fortgeschrittenen Zustand auch parallel zur Bindungsebene Stahl/Weißmetall und führen schließlich zum Herausbrechen von größeren, plattenförmigen Weißmetallpartikeln.

Gegenstand der Erfindung Ist demnach welter die Verwendung der vorgenannten erfindungsgemäßen Legierungen, einschließlich der besonders bevorzugten Legierungen als Legierungen für Lager mit hoher Beanspruchung durch pulsierende Last und erhöhte Lagertemperatur.

Die kornfeinende Wirkung der erfindungsgemäßen Legierungszusätze, insbesondere die kornfeinende Wirkung von Bor zeigen die in Fig. 1 bis 3 wiedergegebenen Mlkrogefüge von Legierungen, die unter gleichen Abkühlungsbedingungen erhalten wurden und deren Zusammensetzung In der nachfolgenden Tabelle angegeben ist.

Sb Cu Cd As Zn B Co Cr Ni P Sn*)

herkömmliches 7,5 3,5 1,0 0,1 0,2 0,01 Rest

Weißmetall ohne
kornfeinende Legierungszusätze

herkömmliches 7,5 3,7 1,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,1 Rest

Weißmetall mit
konifeinenden Legierungszusätzen

erfindungsgemäßes 7,5 3 1 0,3 0,16 0,05 0,3 0,33 0,16 0,1 Rest

Weißmetall

Das Gefüge eines nicht korngefeinten Weißmetalles (Fig. 1) besteht aus einer weichen Zinngrundmasse mit J-" geringem Antimongehalt und der darin eingebetteten grob nadeiförmig auskristallisierten Intermetallischen Phase Cu₆Sn₅. Der bei Antimongehalten über 8* erscheinende würfelförmig kristallisierende Gefügebestandteil SnSb tritt hler noch nicht auf.

Durch den Zusatz von Kobalt und Chrom (F i g. 2) wird bereits eine deutliche Verfeinerung der Cu₆Sn₅-Kristallite erreicht, jedoch ist die Wirkung noch relativ schwach.

^?'i Wird zusätzlich zu Chrom und Kobalt noch Bor und Zink zugesetzt, so tritt sowohl bezüglich des Kristallhabitus wie auch Kristallgröße eine sehr starke Veränderung der Cu₆Sn₅-Phase ein, wie Fig. 3 zeigt.

Die Verbesserung der Warmhärte, der Warmzugfestigkeit und der Warmbruchdehnung des erfindungsgemäßen Weißmetalles gegenüber einem erstklassigen herkömmlichen Weißmetall zeigt Fig. 4.

Die Ermüdungsfestigkeit der erfindungsgemäßen Legierung wurde in einem Laststeigerungsversuch auf der Lagerprüfmaschine eines Großmotorenherstellers unter echten Motorenbetriebsbedingungen untersucht. Dabei werden Versuchslager mit einer Schichtdicke des Weißmetalles von 0,8 bis 1,0 mm verwendet. Das Lagermetall war im Schleudergußverfahren in Stahlstützschalen aus einem unlegierten Stahl mit 0,195 Kohlenstoff eingegossen worden. Es wurde eine Prüfwelle von 195 mm Durchmesser aus dem Stahl 42 CrMo 4 mit einer Mittenrauhigkeit Ra von 0,12 Mikrometern verwendet.

ft'' Die Temperatur im Lager wurde mit einem eingebauten Thermoelement gemessen und betrug 2 mm unter der Lagerlauffläche 75° C. Die Drehzahl der Welle lag bei 1100 U/min. Die Lagerbelastung wurde nach dem Einlauf zunächst 600 Stunden auf 24,5 N/mm² gehalten. Dieser Belastungswert stellt für herkömmliche Lagermetalle bereits die äußerste Belastungsgrenze dar.

Sodann wurde die Belastung auf 27,5 N/mm² gesteigert und 200 Stunden konstant gehalten. Anschließend wurde 150 Stunden lang mit 29,4 N/mm² belastet. Selbst nach dieser weit über der bisher für Weißmetalle zulässigen Belastungsgrenze liegenden Beanspruchung zeigte die Laufschicht keinerlei Ermüdungserscheinungen.

Dieses Ergebnis Ist besonders Im Zusammenhang mit der relativ dicken Weißmetallschicht von 0,8 bis 1 mm zu sehen, da die Pflasterstelnblldung als charakteristische Ermüdungserscheinung der Weißmetalle sehr stark von der Dicke der Weißmetallschicht abhängt. Je dünner die Weißmetallschicht, desto höher ist die Lagerbelastbarkelt bis zum Einsetzen von Pfiasterstelnbrüchen. Im durchgeführten Lagerlaufversuch wurde die Weißmetallschlchtdlcke mit 0,8 bis 1,0 mm dicker gewählt, als sie für diesen Lagertyp üblich Ist. Sie liegt bei herkömmlichen Weißmetallen bei 0,3 bis 0,8 mm.

Die wesentliche Erweiterung des Einsatzbereichs der Zinnbasls-Welßmetalle ergibt sich schon daraus, daß mit der erfindungsgemäßen Weißmetallegierung selbst bei einer Schichtdicke von 0,8 bis 1,0 mm eine Lagerbelastung von 29,4 N/mm² Im Dauerversuch durchgestanden wurde.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Weißmetall-Legierung auf Zinnbasis mit hoher Warmfestigkeit, hoher Ermüdungsfestigkeit bei erhöhten Temperaturen und guter Bindungsfestigkeit auf Stahl, gekennzeichnet durch die Zusammensetzung

5 bis 10 % Antimon Kobalt 2 bis 5 % Kupfer Chrom 0,1 bis 1,5% Cadmium Bor 0,1 bis 1 % Arsen Zink 0,1 bis 0,8% Nickel Phosphor 0,1 bis 0,5* 0,1 bis 0,5% 0,01 bis 0,1% 0,1 bis 0,5% 0,01 bis 0,1%

Rest Zinn und übliche Verunreinigungen.

2. Legierung nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch die Zusammensetzung:

7,1 bis 7,9 % Antimon

2,5 bis 3,5 % Kupfer

0,5 bis 1,2 % Cadmium

0,2 bis 0,4 % Arsen

0,1 bis0,2 »Nickel

0,2 bis 0,4 % Kobalt

0,25 bis 0,4 % Chrom

0,02 bis 0,08% Bor

0,1 bis 0,2 % Zink

0,08 bis 0,1 % Phosphor

Rest Zinn und die üblichen Verunreinigungen.