DE4040115A1

DE4040115A1 - Verbundwerkstoffe auf kupferlegierungsbasis

Info

Publication number: DE4040115A1
Application number: DE4040115A
Authority: DE
Inventors: Ryoichi Ishigane; Takayuki Tanaka; Ken Ichi Ichida; Kunio Nakashima
Original assignee: Chuetsu Metal Works Co Ltd
Current assignee: Chuetsu Metal Works Co Ltd
Priority date: 1990-12-11
Filing date: 1990-12-12
Publication date: 1992-06-17
Also published as: US5089354A

Description

Die Erfindung betrifft Verbundwerkstoffe auf Kupfer legierungsbasis, die eine gute Abnutzungsbeständigkeit und gute Eigenschaften gegen Festfressen besitzen.

Gegenwärtig werden in zunehmendem Maße Lagermaterialien für Maschinenteile erforderlich, die eine gute Abnutzungsbe ständigkeit und gute Eigenschaften gegen Festfressen be sitzen, so daß sie hoher Belastung widerstehen.

Materialien, wie etwa Graphitpulver, mit selbstschmierenden Eigenschaften und Materialien, wie etwa Oxide von Metallen, einschließlich Al, Cr und dergleichen, mit guter Abnutzungs beständigkeit sind auf diesem Gebiet der Technik bekannt. Wenn solche Zusatzmaterialien zu Kupferlegierungsgrund metallen oder -matrizen zugesetzt werden, um Kupfer legierungs-Verbundwerkstoffe zu erhalten, ergeben sich Schwierigkeiten aus dem Unterschied im Dichteverhältnis zwischen der Kupferlegierungsmatrix und dem Zusatzmaterial und aus der gegenseitigen Benetzbarkeit der Matrix und des Zusatzmaterials. Im Ergebnis hat es sich als schwierig her ausgestellt, das Zusatzmaterial in der Kupferlegierungs matrix gleichmäßig zu dispergieren. Wenn jedoch der gleich förmigen Dispersion eine zu große Aufmerksamkeit geschenkt wird, entwickeln sich Materialmängel in der Kupfer legierungsmatrix, wie etwa Hohlräume. Somit ist es nicht möglich, Verbundwerkstoffe auf Kupferlegierungsbasis zu erhalten, die die erforderlichen Eigenschaften besitzen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ver bundwerkstoff auf Kupferlegierungsbasis zur Verfügung zu stellen, der die Nachteile des Standes der Technik über windet. Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, einen Ver bundwerkstoff auf Kupferlegierungsbasis zur Verfügung zu stellen, der neben guten Materialeigenschaften, wie Zug festigkeit, Dehngrenze, Dehnung und Härte, eine gute Ab nutzungsbeständigkeit und gute Eigenschaften gegen Fest fressen besitzt.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen Verbund werkstoff auf Kupferlegierungsbasis zur Verfügung zu stellen, der von hoher Qualität, aber gleichzeitig preiswert ist.

Erfindungsgemäß können diese Aufgaben durch einem Verbund werkstoff auf Kupferlegierungsbasis gelöst werden, der eine Kupferlegierungsmatrix und wenigstens einen festen Zusatz stoff mit Selbstschmierfähigkeit und/oder wenigstens einen festen Zusatzstoff mit guter Abnutzungsbeständigkeit, je weils in Form von gleichmäßig in der Kupferlegierungsmatrix dispergiertem Pulver, umfaßt.

Die obigen und anderen Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlicher werden, die in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen zu sehen ist. Dabei zeigen

Fig. 1 bis 4 jeweils schematische Ansichten, welche die Heißextrusion eines Verbundwerkstoffes auf Kupferlegierungsbasis veranschaulichen, wobei Fig. 1 eine teilweise geschnittene perspek tivische Ansicht einer Abfüllkapsel für den Verbundwerkstoff, Fig. 2 einen Querschnitt, der eine Extrusionspresse für den Verbund werkstoff zeigt, Fig. 3 eine schematische perspektivische Ansicht eines Verbundwerk stoffes auf Kupferlegierungsbasis und Fig. 4 einen vergrößerten Querschnitt des Verbund werkstoffes, entlang der Linie A-A von Fig. 3 darstellt;

Fig. 5 bis 7 jeweils schematische Ansichten, die die Ver wendung des erfindungsgemäßen Verbundwerk stoffes auf Kupferlegierungsbasis bei Warm schmiedung zeigen, wobei Fig. 5 eine perspek tivische Ansicht entsprechend zu Fig. 1, Fig. 6 eine perspektivische Ansicht entsprechend zu Fig. 3 und Fig. 7 ein Querschnitt ent sprechend zu Fig. 4 ist; und

Fig. 8 und 9 jeweils Mikrofotografien der Mikrostrukturen der Verbundwerkstoffe (1) und (3), die in den im folgenden beschriebenen Beispielen der vorliegenden Erfindung erhalten wurden.

Die bei dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff verwendete Kupferlegierungsmatrix kann irgendeine Kupferlegierung sein. Spezielle und bevorzugte Beispiele schließen JIS-Hochfestig keitsmessing, Messing, Aluminiumbronze und dergleichen ein.

Die festen Materialien oder Zusatzstoffe mit Selbst schmierfähigkeit schließen z. B. Graphit, einschließlich künstlich hergestelltem Graphit, Blei, MoS₂, WS und der gleichen ein. Diese Materialien werden in Form eines Pulvers mit einer Größe von 0,1 bis 500 µm entweder allein oder in Kombination verwendet. Wenn das selbstschmierende feste Material sich im Zustand der Grenzflächenschmierung be findet, dient es als Schmiermittel, wodurch verhindert wird, daß gleitende Teile sich auf damit in Berührung stehenden Teilen festfressen. In diesem Sinn wird der Ausdruck "Selbstschmierfähigkeit" hier für Eigenschaften gegen Fest fressen verstanden.

Die festen Materialien, die in der Lage sind, der Kupfer legierung eine gute Abnutzungsbeständigkeit zu verleihen, schließen keramische Materialien in Form von Nitriden, Carbiden und Oxiden ein, wie etwa SiC, BN, SiN, Al₂O₃, Cr₂O₃, SiO₂ und dergleichen. Diese Materialien können allein oder in Kombination verwendet werden und werden der Legierungsmatrix in Form eines Pulvers mit einer Größe von 0,1 bis 500 µm zugesetzt.

Für die Herstellung der Kupferlegierungsmatrix werden sowohl das selbstschmierende Material und/oder die abnutzungsbe ständigen Materialien in Form von Pulver zu einem Kupfer legierungspulver mit einer Größe von 0,1 bis 500 µm zuge setzt. Das Gemisch wird dann einer Heißextrusion oder Warm schmiedung oder einem anderen Weiterverarbeitungsverfahren unterworfen, um Verbundwerkstoffe auf Kupferlegierungsbasis zu erhalten, in denen der Zusatzstoff oder die Zusatzstoffe gleichförmig verteilt sind. Die Herstellung wird in den folgenden Beispielen noch genauer beschrieben.

Die gesamte Menge der Zusatzstoffe liegt im allgemeinen im Bereich von 0,1 bis 10 Gew.-% des Verbundwerkstoffes. Wenn die Menge niedriger ist als 0,1 Gew.-%, wird keine nennens werte Wirkung des Zusatzes beobachtet. Oberhalb von 10 Gew.-% verschlechtert sich die Duktilität des resultierenden Verbundwerkstoffes beträchtlich.

Es ist anzumerken, daß, wenn ein Verbundwerkstoff, bei dem ein abnutzungsbeständiges Material in großen Mengen zuge setzt wird, als Lagermaterial verwendet wird, ein Nachteil dadurch erzeugt wird, daß das gegenüberliegende Teil ab nutzt. Um dies zu vermeiden, sollte das Mischungsverhältnis des selbstschmierenden Materials und des abnutzungsbe ständigen Materials in Abhängigkeit des Einsatzzweckes des resultierenden Verbundwerkstoffes richtig festgelegt werden.

Der Verbundwerkstoff auf Kupferlegierungsbasis, der durch Vermischen einer Kupferlegierung und wenigstens eines Zu satzstoffes erhalten wird, hat um 10 bis 30% verbesserte mechanische Eigenschaften, wie etwa Zugfestigkeit, Trag fähigkeitseigenschaften, Dehnung und Härte. Selbstverständ lich sind die Abnutzungsbeständigkeit und die Eigenschaften gegen Festfressen signifikant verbessert.

Die folgende Erfindung wird mit Hilfe der folgenden Bei spiele noch genauer beschrieben.

Beispiel 1

Es wurde ein Experiment unter Verwendung verschiedener Aus gangsmaterialien und verschiedener Mengen der in Tabelle 1 angegebenen Materialien durchgeführt. Bei diesem Experiment wurde Heißextrusion eingesetzt, um die Verbundwerkstoffe P auf Kupferlegierungsbasis herzustellen. Die Heizextrusion ist in den Fig. 1 bis 4 veranschaulicht und diese Figuren werden daher zuerst beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine blockförmige Abfüllkapsel 1 für den Ver bundwerkstoff, die in einen Extruder gegeben wird und in der ein Pulver 3 eines Verbundwerkstoffes auf Kupferlegierungs basis luftdicht in einer metallischen Kapsel 2 einge schlossen wird. Die Mischungsverhältnisse der entsprechenden Pulver 3, die in diesem Beispiel verwendet werden, sind in Tabelle 1 angegeben. Zwölf Pulver wurden für das Experiment verwendet.

Die metallische Kapsel 2 hat einen zylinderischen Behälter 4 mit einem Außendurchmesser von 140 mm und einen kreis förmigen Deckel 5, der in eine Öffnung des Behälters 4 hin einpaßt. Der Behälter 4 und der Deckel 5 sind jeweils aus Aluminiumbronze hergestellt und haben eine Dicke von 5 mm. Nach Einfüllen des Pulvers 3 des Verbundwerkstoffes in den Behälter wird der Deckel aufgelegt und mit einem Hammer verstemmt, gefolgt von einer Punktschweißung an drei Punkten, so daß der Deckel nicht entfernt werden kann.

Um die Entfernung des Deckels 5 zu verhindern, kann Elektronenstrahlschweißung verwendet werden, wobei diese nach Evakuierung der Kapsel durchgeführt wird.

Die Kapsel 1, in die das Pulver 3 des Verbundwerkstoffes eingefüllt worden ist, wird auf eine Temperatur von 800°C vorgeheizt. Nach Erreichen der Temperatur wird die Kapsel in einen Extruder 8 (Fig. 2) gegeben.

In Fig. 2 ist die Kapsel 1 dargestellt, die dort in einem Behälter 9 der Extrusionspresse 8 liegt und mit Hilfe einer Preßscheibe 11, die am vorderen Ende einer Stange 10 vor gesehen ist, auf eine Düse 12 zu extrudiert wird. Im Be hälter 9 befindet sich der Verbundwerkstoff 3a unter Druck und wird mit Hilfe der Düse 12 gestreckt. Als Folge wird der Zusatzstoff oder die Zusatzstoffe in der Kupferlegierung gleichförmig verteilt.

Die Fig. 8 und 9 zeigen Mikrofotografien der Mikro strukturen der Verbundwerkstoffe (1) und (3), die in diesem Beispiel erhalten werden. Der Verbundwerkstoff (1) enthält 1 Gew.-% eines künstlich hergestellten Graphitpulvers mit einer Größe von 30 µm und 5 Gew.-% Al₂O₃-Pulver mit einer Größe von 2 µm. In Fig. 8 sind die in der Matrix dis pergierten groben schwarzen Teilchen Teilchen aus dem künst lich hergestellten Graphit und die feinen schwarzen Teilchen sind solche aus Al₂O₃. Der Verbundwerkstoff (3) enthält 3 Gew.-% Al₂O₃-Pulver mit einer Größe von 2 µm. In Fig. 9 sind die feinen schwarzen Teilchen solche aus Al₂O₃.

Aus diesen Fotografien kann man sehen, daß die ent sprechenden Zusatzstoffe gleichförmig im Kupferlegierungs grundmetall oder in der Kupferlegierungsmatrix dispergiert sind.

Ein stangenförmiger Verbundwerkstoff P auf Kupferlegierungs basis mit einem Durchmesser von 30 mm wird aus der Düse 12 extrudiert. Wenn der Verbundwerkstoff zusammen mit der metallischen Kapsel 2 extrudiert wird, überzieht das Material der Kapsel das Verbundmaterial P als Oberflächen haut 13, wie in Fig. 4 dargestellt. Wenn der Verbundwerk stoff P auf Kupferlegierungsbasis verwendet wird, kann er so verwendet werden, wie er ist oder nach Entfernung der Ober flächenhaut 13. Die Oberflächenhaut kann ohne weiteres durch Schneiden entfernt werden.

Die Verbundmaterialien (1) bis (12) auf Kupferlegierungs basis wurden Messungen der mechanischen Eigenschaften und der Abnutzungsbeständigkeit unterworfen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.

In Tabelle 2 sind auch die Ergebnisse der herkömmlichen Produkte A und B dargestellt.

Wie aus diesen Ergebnissen deutlich wird, sind die er findungsgemäßen Verbundwerkstoffe auf Kupferlegierungsbasis in ihrer Festigkeit (Zugfestigkeit, Dehngrenze, Dehnung und Härte) um 10 bis 30% verbessert und ebenfalls in ihrer Ab nutzungsbeständigkeit und ihren Eigenschaften gegen Fest fressen signifikant verbessert.

In den obigen Beispielen besitzt der Behälter 4 der metallischen Kapsel 2 einen Boden. Es kann auch einen Hohl zylinder als Behälter verwendet werden, der an den beiden gegenüberliegenden Enden mit einem Deckel 5 verschlossen wird.

Beispiel 2

Die Fig. 5 bis 7 zeigen die Herstellung des Verbundwerk stoffes durch Warmschmieden. In diesem Fall hat die metallische Kapsel die Form eines Kastens, um leichtes Schmieden zu ermöglichen. Der Behälter 4 wird mit dem Pulver 3 des Verbundwerkstoffes gefüllt und der Deckel 5 wird ver stemmt und durch Elektronenstrahlschweißung befestigt.

Durch das Warmschmieden konnten die Zusatzstoffe durch Kom pressions- und Dehnungswirkungen gleichförmig in der Kupfer legierungsmatrix dispergiert werden. Demgemäß werden ähn liche Ergebnisse wie in Beispiel 1 erhalten. In diesem Fall wurde das Verbundmaterial P auf Kupferlegierungsbasis vom Material der metallischen Kapsel 2 überzogen und die Ober flächenhaut 13 konnte, falls erforderlich bei Verwendung weggeschnitten werden.

Die in der vorstehenden Beschreibung sowie in den Ansprüchen und der beiliegenden Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kom bination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren ver schiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Tabelle 1

Mischungsverhältnisse in Verbundwerkstoffen auf Kupferlegierungs basis (Gew.-%)

Tabelle 2

Testergebnisse

Claims

1. Verbundwerkstoff auf Kupferlegierungsbasis, gekenn zeichnet durch eine Kupferlegierungsmatrix und wenigstens ein Material, ausgewählt aus der Gruppe, die aus festen Materialien mit Selbstschmierfähigkeit und abnutzungsbe ständigen festen Materialien besteht, wobei wenigstens eine Komponente in Form eines gleichförmig in der Kupfer legierungsmatrix dispergierten Pulvers vorliegt.

2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Komponente ein festes Material mit Selbstschmierfähigkeit ist.

3. Verbundwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Material mit Selbstschmierfähigkeit eine Ver bindung ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Graphit, Blei, MoS₂, WS und Gemischen derselben besteht, und in einer Menge von 0,1 bis 10 Gew.-%, bezogen auf den Ver bundwerkstoff, eingesetzt ist.

4. Verbundwerkstoff nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß das feste Material mit Selbstschmierfähigkeit in Form eines Pulvers mit einer Größe von 0,1 bis 500 Mikro metern vorliegt.

5. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Komponente ein abnutzungsbeständiges festes Material ist und in einer Menge von 0,1 bis 10 Gew.-% des Verbundwerkstoffes enthalten ist.

6. Verbundwerkstoff nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß das abnutzungsbeständige feste Material ein keramisches Material in Form eines Pulvers mit einer Größe von 0,1 bis 500 Mikrometern ist.

7. Verbundmaterial nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material eine Verbindung ist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus SiC, BN, SiN, Al₂O₃, Cr₂O₃, SiO₂ und Gemischen derselben besteht.

8. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Komponente ein Gemisch eines festen Materials mit Selbstschmierfähigkeit und eines abnutzungsbe ständigen festen Materials ist und in einer Gesamtmenge von 0,1 bis 10 Gew.-% des Verbundwerkstoffes eingesetzt ist.

9. Verbundwerkstoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch in Form von Pulvern vorliegt, die jedes eine Größe von 0,1 bis 500 Mikrometern haben.

10. Verbundwerkstoff nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn zeichnet, daß das feste Material mit Selbstschmierfähigkeit eine Komponente ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Graphit, Blei, MoS₂, WS und Gemischen derselben besteht, und daß das abnutzungsbeständige Material ein keramisches Material ist.