專利名稱：銅－鋅－鋁塑性材料及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種銅-鋅-鋁塑性材料及其在制造軸套，特別是內(nèi)燃發(fā)動機中的連桿和活塞時作為軸承材料的應(yīng)用。
對于優(yōu)良的滑動軸承材料來說，當(dāng)在發(fā)動機領(lǐng)域等使用時，除去優(yōu)良的滑動特性、耐磨性和優(yōu)良的耐腐蝕性外，還要求高的可負載性、高的動態(tài)和靜態(tài)耐用性和在使用溫度范圍內(nèi)的足夠的耐熱性。
為改進發(fā)動機效率而將點火壓力提高導(dǎo)致軸套的較高的負載。在約250℃的使用溫度范圍下，點火壓力可達200bar或更高，或軸套的單位面積負載達150MPa?；钊淄驳牡湫瓦\行溫度為180-200℃。
由通常的雙金屬作的軸套如鋼-復(fù)合-軸套或Pb-復(fù)合-軸套可承受的單位面積負載僅為130MPa。相反，由塑性合金CuZn31Si1(DIN 17.660)和CuA11ONi5Fe4(DIN 17.665)實體軸套能承受更高的壓力。塑性合金在用于薄壁軸套時，由于其細粒結(jié)構(gòu)與同樣化學(xué)組成的澆鑄合金相比表現(xiàn)出更高的動態(tài)可負載性。
此外，由一種合金制成的軸套在其應(yīng)用時不可從其支座中脫出，必須具有優(yōu)良的蠕變特性。因此，實體軸套以余量裝配，例如在發(fā)動機軸座中的使軸套以壓緊就位，以致徑過較長時間的溫度負載都不會在其支座中松脫，即其余量未失去。該軸套的蠕變特性由于在塑性變形中與溫度和時間有關(guān)的彈性變形轉(zhuǎn)化而與材料的應(yīng)力張弛特性相關(guān)聯(lián)。通過松弛有小的應(yīng)力損耗的材料比由于張弛有較大應(yīng)力損耗的材料有更好的蠕變特性。(“應(yīng)力張弛”的概念可參閱DE-OS19600864)。
目前，軸套通常由塑性材料CuAl10Ni5Fe4和CuZn31Si1制造。由CuAl10Ni5Fe4制造的軸套在高的機械強度下有非常好的蠕變特性，因此適于長期的最高負載。其缺點是多元-鋁-銅材料在連續(xù)的鑄錠法中難以澆鑄，并且在接著的加工步驟擠壓中難以熱變形。與由特種黃銅制造軸套的加工相比，上述兩點引起高的加工價格。此外，由多元鋁銅制成的軸套比由特種黃銅合金制成的軸套有更高的磨擦系數(shù)和較差的耐油性，比CuZn31Si1明顯地差。
在較低的機械強度的同時，由塑性特種黃銅合金CuZn31Si1制成的軸套由于其比較強的應(yīng)力張弛傾向，其蠕變較強，所以僅適于較小的發(fā)動機負載。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種銅材料，該材料具有特別適于上述應(yīng)用目的特性組合，同時兼有至今使用的材料CuAl10Ni5Fe4和CuZn31Si1的優(yōu)點。這種新的特別適于軸套的材料與CuZn31Si1型的塑性特種黃銅相比應(yīng)具有較小的應(yīng)力張弛傾向、較小的蠕變特性和較高的強度，同時與CuAl10Ni5Fe4型的多元鋁銅相比應(yīng)具有較好的可切削加工性以及對半成品加工有較好的可鑄性和熱加工性。此外，由這類材料制成的軸套比由塑性多元鋁銅制成的軸套在加工價格上更合適。
本發(fā)明的任務(wù)是通過銅-鋅-鋁-塑性材料解決的，該材料由63.5％-66.5％的銅、2.0-5.4％的鋁、4.1-4.9％的錳、2.6-3.4％的鐵、1.1-1.9％的鎳、其余為鋅和通常的雜質(zhì)所組成(百分數(shù)均為重量百分數(shù))。
第一方面的任務(wù)，即研制一種與多元鋁銅材料相比有更好的可澆鑄性及易于熱加工和冷加工的軸套材料，該材料有符合任務(wù)要求的較好的可切削加工性及耐油腐蝕性，該方面的任務(wù)是通過本發(fā)明的材料解決的；本發(fā)明材料的熔點為960℃，它比多元鋁銅材料的熔點低，這樣在較低的溫度下熔化及接著在較低溫度下澆鑄就可節(jié)省能量。連續(xù)鑄錠的可控性是由高含量的鋅來保證的。本發(fā)明材料在可澆鑄性方面與通常的易控制的特種黃銅材料相似。
由于本發(fā)明材料的較小的耐熱性，所以與多相鋁銅材料相比在約100-150℃的較低壓制溫度下可被壓塑。因此，可節(jié)省熱壓制前面的鑄錠爐的加熱能量。
第二方面任務(wù)，即研制一種與塑性特種黃銅CuZn31Si1相比有改進的應(yīng)力張弛性能并由此有較小的蠕變特性的軸套材料，該方面任務(wù)同樣是以本發(fā)明的塑性材料實現(xiàn)的。
盡管已知有類似組成的澆鑄合金(CuZn25Al15Mn4Fe3-C/EN1982 CuZn25Al5(舊DIN 1709))，但與此相比存在有目的的選擇。意外的表明，合適選擇用于澆鑄材料的組分，可在熱態(tài)和冷態(tài)下進行塑形加工，并可滿足對合金材料特別高的要求。此外，本發(fā)明的塑性材料與已知的澆鑄材料相比，有較好的蠕變特性。
權(quán)利要求2-4是本發(fā)明銅-塑性材料的優(yōu)選組成。
基于所描述的優(yōu)點，優(yōu)選應(yīng)用本發(fā)明的銅-塑性材料作為制造軸套，特別是內(nèi)燃發(fā)動機中的連桿和活塞的合金材料。
下面以實施例對本發(fā)明進行詳述表1中給出本發(fā)明的兩種銅-塑性材料(1、2)的組成表1試樣的組成(數(shù)據(jù)以重量％表示)
實施例中將試樣1的銅合金(表1)在圓柱體錠模中澆鑄成直徑為154mm、長280mm的圓形螺桿。在工藝過程中，采用有與爐無關(guān)的錠模的連續(xù)或半連續(xù)鑄錠技術(shù)。
該液相溫度為960℃，比已知的用于軸套的多元鋁銅材料CuAl10Ni5Fe4的液相溫度低97℃。由此，在工藝過程中就可在比用多元鋁銅材料更低的溫度下運行熔化爐，保溫爐或澆鑄爐，并且與熔化-澆鑄-工藝相比節(jié)省了能量。由于較小的熔化溫度和與組分相關(guān)的較低的鋁含量和鎳含量以及高的鋅含量，熔體吸收氫比在多元鋁銅材料情況下要小。因此，在凝固時幾乎不形成孔。在較高鋁含量的多元鋁銅材料連續(xù)或半連續(xù)澆鑄中，經(jīng)常有非常多有皺紋的和粗糙的含氧化鋁和含氧化錳的并由錠模復(fù)蓋熔劑夾雜物沾污的鑄件屑皮，在采用本實施例的合金組分時會顯示很平滑和無缺陷。
將本發(fā)明組成的280mm長的澆鑄螺桿進行粗切削以去除鑄件屑皮，并且直接有效的壓制機在720-770℃的螺桿溫度下壓制成內(nèi)徑為40mm和外徑為47mm(=40×47mm)以及內(nèi)徑為22mm和外徑為33mm(=22×33mm)的壓制管。其壓制溫度比用多元鋁銅材料壓制時要低約130-150℃。
本發(fā)明組成的40×47mm的壓制管的特性如下彈性限度Rp0.2為437-510MPa、最大抗拉強度Rm為773-817MPa、斷裂延伸率A5為15-20.9％、硬度HB 2.5/62.5為197-201(214-221HV10)，這些特性是意外的非常高。其冷加工有非常好的可鍛性。對于22×33mm的小尺寸壓制管，其彈性限度為369-412MPa、抗拉強度為746-788MPa、斷裂延伸率A5為22.5-25.8％、硬度HB2.5/62.5為185-194(201-213HV10)。用在實驗室制成的帶材同時完成張弛測定。在800℃熱軋制的帶材的機械參數(shù)如下RP0.2為408MPa、最大的抗拉強度為746MPa、斷裂延伸率A5為20.4％、硬度HB為197或HV為218，這些值與壓制管相當(dāng)。由此，為了比較，在這兩種情況下，采用通常用于制軸套的特種黃銅合金CuZn31Si1以同樣熱軋制成的帶試樣的機械特性如下彈性限度RP0.2僅為141MPa、抗拉強度為419MPa、硬度HV10為96，這些在熱加工后的制造階段的性能明顯地被本發(fā)明超過。
本實施例的壓制管的結(jié)構(gòu)特征是其針形結(jié)構(gòu)含40-75％β-相。
在進一步加工成尺寸精確的軸套中，壓制管被空心拉制成外徑45mm、壁厚3.5mm(45×3.5mm)或31×5.5mm，接著在300℃下經(jīng)1小時的熱消除應(yīng)力。由此，對較大管尺寸的情況，其彈性限度RP0.2為532-619MPa、最大抗拉強度Rm為795-892MPa、斷裂延伸率A5為12-17.9％、硬度HB2.5/62.5為211-233或HV10為241-261。對較小的軸套尺寸情況，其彈性限度為558-621MPa(帶芯棒拉伸甚至為642-672MPa)、最大抗拉強度為806-824(帶芯棒拉伸甚至為833-848MPa)、斷裂延伸率A5為15-17.7％(帶芯棒拉伸為15.7-16)、硬度HB為211-225(帶芯棒拉伸為214-218)或HV10為211-249(帶芯棒拉伸為246-248)。
在消除應(yīng)力狀態(tài)下，其結(jié)構(gòu)含20-70％β-相。
表2
*)機械特性文獻值在表2中比較了本發(fā)明的塑性材料(試樣1和2)和已知作為合金的塑性材料CuAl10Ni5Fe4和CuZn31Si1以及澆鑄材料CuZn25Al5(舊DIN1709)的機械特性。(對比材料的數(shù)據(jù)取自文獻。為研究蠕變特性，還制備標(biāo)準(zhǔn)組成CuZn25Al5 CuZn25Al5Mn4Fe3-C/EN1982的澆鑄試樣)。因此，在制造過程中以描述的本發(fā)明材料的實施例試樣1的強度明顯地超過由CuZn31Si1和CuAl10Ni5Fe4塑制成的適合作為軸套的管材的強度參數(shù)，但同時意外地具有相同的延伸性，其斷裂延伸率A5為10-18％。由按舊標(biāo)準(zhǔn)DIN 1709的標(biāo)準(zhǔn)澆鑄合金制成的管材同樣達不到這種強度，并且其延伸性明顯地低于本發(fā)明的塑性合金和CuZn31Si1。此外，實施例1的本發(fā)明的合金，在相同的強度時，在塑制狀態(tài)中其延伸性明顯超過澆鑄合金的延伸性。
在使用溫度和給定的起始檢驗應(yīng)力下長時間后的軋制帶材的應(yīng)力張弛性能可用以說明在余量下的溫度負載下收縮的軸套的蠕變特性的傾向。表2中給出由試樣1和2的本發(fā)明的材料制成的帶材在100h/200℃后的應(yīng)力損耗，并與由CuAl10Ni5Fe4和CuZn31Si1材料的比較(測量方法描述于DE-OS 19600864)。由此，多元鋁銅材料的最小起始應(yīng)力的張弛為23％，本發(fā)明的材料意外的有類似的值，其值為36.4％(試樣1)或24％(試樣2)，這些值明顯比CuZn31Si1的張弛值51％的要小。與試樣1相比，有較小Al含量(3.3重量％)的試樣2具有本發(fā)明材料的最低的應(yīng)力張弛。
蠕變特性在由所描述的拉伸和消除應(yīng)力的管材經(jīng)切削和研磨制成的尺寸為25.2×29.5×23mm或39×43.8×30mm的軸套來確定。為此，該軸套在55-125μm的余量下，在相應(yīng)活塞銷座的套管中收縮，并在200℃退火500小時。
試驗后，再將該經(jīng)熱和機械負載的軸套從套管中壓出，并進行重新測量?；谠跓釞C械承載下發(fā)生的塑性變形，該余量比軸套收縮前要小。所謂的蠕變特性通過剩余余量來描述。對于多元鋁銅制的軸套，該剩余余量以最大虧缺，其蠕變特性也是最差。例如，對于由CuAl10Ni5Fe4制成的較大的軸套，其起始余量為125μm，剩余余量還有55-75μm，對于CuZn31Si1材料，其剩余余量為0-16μm，具有最差的塑性材料的蠕變特性。
由組成為CuZn25Al5的材料的澆鑄合金切削制成的軸套在銅環(huán)的蠕變試驗中滑動，試驗結(jié)束后，其剩余余量為負值，即-20μm。
圖給出本發(fā)明材料和兩種對比材料的剩余余量的比(200℃下500小時后的剩余余量/室溫下的起始余量)與應(yīng)力張弛的關(guān)系。
在180℃下100小時的耐油腐蝕的試驗中，本發(fā)明材料的腐蝕深度比多元鋁銅材料腐蝕深度明顯地小2μm。一部分值小4μm-6μm。
作為切削材料的已知的CuZn39Pb3的可切削加工性約為30％，它比多元鋁銅材料的20％更有利。
由本發(fā)明材料制成的軸套的比重僅為7.78g/cm3，明顯地比由特種黃銅合金CuZn31Si1制成的軸套的比重8.4g/cm3要輕，并且與由通常的多元鋁銅材料制成的軸套的比重7.56g/cm3相當(dāng)。
機械特性即強度、張弛特性和蠕變特性都優(yōu)于塑性合金CuZn31Si1。按舊標(biāo)準(zhǔn)DIN1709的CuZn25Al5型的澆鑄合金未達到本發(fā)明組成材料的延伸性，因此不能通過熱變形(鍛造)和冷變形(鍛造)進行加工。
權(quán)利要求
1．一種高度耐應(yīng)力張弛和有小的蠕變特性的銅-鋅-鋁-塑性材料，其特征在于，其組成為63.5-66.5％的銅；2.0-5.4％的鋁；4.1-4.9％的錳；2.6-3.4％的鐵；1.1-1.9％的鎳；其余為鋅和通常的雜質(zhì)。
2．權(quán)利要求1的銅-塑性材料，其特征在于，其組成為65.5-66.5％的銅；3.1-5.4％的鋁；4.1-4.7％的錳；2.6-3.4％的鐵；1.1-1.9％的鎳；其余的鋅和通常的雜質(zhì)。
3．權(quán)利要求1或2的銅-塑性材料，其特征在于，其組成為65.6-66.5％的銅；3.1-3.9％的鋁；4.1-4.7％的錳；2.6-3.4的鐵；1.1-1.9％的鎳；其余為鋅和通常的雜質(zhì)。
4．權(quán)利要求1-3中之一或多項的銅-塑形材料，其特征在于，其組成為66.5-66.0％的銅；3.1-3.9％的鋁；4.1-4.7％的錳；2.6-3.4％的鐵；1.4-1.6％的鎳；其余為鋅和通常的雜質(zhì)。
5．權(quán)利要求1-4中之一或多項的銅-塑性材料在制造軸套，特別是內(nèi)燃發(fā)動機的連桿和活塞時作為軸承材料的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種銅－鋅－鋁塑性材料,其組成為:63.5－66.5%的銅;2.0－5.4%的鋁;4.1－4.9%的錳;2.6－3.4%的鐵;1.1－1.9的鎳;其余的鋅和通常的雜質(zhì)。該材料具有高度耐應(yīng)力張弛性和小的蠕變特性,因此宜適用于制造軸套,特別是內(nèi)燃發(fā)動機的連桿和活塞。
文檔編號F16J1/01GK1323957SQ0111952
公開日2001年11月28日 申請日期2001年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月17日
發(fā)明者A·貝格爾, R·科克, J·菲恩德, H·A·庫恩 申請人:維蘭－沃克有限公司