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Nov 24, 2023

Standards und Eigenschaften: Metallurgie von Kupfer

Von William D. Nielsen, Jr. Western Reserve Manufacturing Co., Inc. Das Grundlegende

Von William D. Nielsen, Jr. Western Reserve Manufacturing Co., Inc.

Die grundlegenden Eigenschaften von Kupferlegierungen werden maßgeblich von den Eigenschaften des Kupfers selbst beeinflusst. Es ist bekannt, dass Kupfer bestimmte einzigartige Eigenschaften besitzt, die es zum besten technischen Material für Lageranwendungen machen. Diese sind:

Alle drei oben genannten Eigenschaften stehen in direktem Zusammenhang mit der Struktur und dem Verhalten der Kupferstruktur auf atomarer Ebene.

Massives Kupfer kann als die Anordnung von Kupferatomen in einer kubisch-flächenzentrierten (fcc) Konfiguration beschrieben werden. An jeder Ecke und in der Mitte jeder Seite eines Würfels befindet sich ein Kupferatom, wie in dargestelltAbbildung 1 . Dies ist die Elementarzelle, die sich im dreidimensionalen Raum wiederholt, um die Kristallstruktur des Metalls zu bilden.

Die Atome werden durch die Energie der atomaren Anziehungskräfte zwischen ihnen in der Struktur an ihrem Platz gehalten. Es ist diese besondere kubischflächenzentrierte Anordnung der Atome, die Kupfer seine hohe Duktilität und Zähigkeit verleiht. Alle Metalle verformen sich durch einen Mechanismus namens Schlupf. Beim Gleiten führt eine Kraft auf das Metall dazu, dass die Atome in Gruppen aneinander vorbeigleiten. In der Kupfer-Kfz-Struktur erfolgt diese Bewegung vorzugsweise in einer oder allen drei Richtungen entlang einer bestimmten geometrischen Ebene der Atome innerhalb des Gitters, wie in gezeigtFigur 2.

Die Kombination aus elektronischen und kristallografischen Strukturen verleiht Kupfer eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit. Die freie Elektronenwolke ist leicht verfügbar, um kohärente Filme auf der Metalloberfläche zu bilden, die das Gitter vor weiterer Korrosion schützen.

Die fcc-Struktur, die die Gleitebenen erzeugt, verleiht diesen ebenen eine weitere Eigenschaft. Die Atome auf den Gleitebenen sind so dicht zusammengepackt, wie es in jedem Metallsystem möglich ist (Figur 2 ). Diese effiziente Anordnung der Atome packt die meiste Materie in einen bestimmten Raum (was Honigbienen offenbar wissen, wenn sie Waben bauen). Außer in den aggressivsten Umgebungen ist es für Wasserstoffionen sehr schwierig, ihren Weg durch die kleinen Räume zwischen den Atomen zu finden und Spannungsrisskorrosion zu verursachen.

Wir haben gesehen, wie Kupfer, das Grundmetall für Gussbronze, auf atomarer Ebene betrachtet wichtige Eigenschaften für gute Lagermaterialien verleiht. Allerdings bestehen Lager nicht aus reinem Kupfer, sondern aus einer breiten Palette an Kupferlegierungen, die mittlerweile erhältlich sind. Jede dieser Legierungen verbessert die Leistung von reinem Kupfer und passt das neue Material zusätzlich an bestimmte Umgebungen an. Lassen Sie uns einige der gebräuchlicheren Legierungssysteme im Hinblick auf die Metallurgie des Materials und seinen Zweck bei der Lagerkonstruktion untersuchen.

Die Lagerqualitäten von Gussbronze können metallurgisch in drei Kategorien eingeteilt werden:

Um die Leistung verschiedener Legierungen zu verstehen, müssen wir zunächst verstehen, was mit der Grundstruktur des Kupfers passiert, wenn kleine Mengen an Legierungsmetallen hinzugefügt werden. Beim Erstarren und Abkühlen von Legierungen aus ihrem geschmolzenen Zustand treten Reaktionen auf.

Vereinfacht ausgedrückt bestimmt die endgültige Anordnung der Legierungsmetalle in Bezug auf das normale fcc-Kupfergitter die Eigenschaften des Legierungsmaterials.

Legierungsmetalle finden auf drei grundlegende Arten ihren Platz im Kupfergitter:

Die Forschung hat zu einer grafischen Darstellung der Reaktion einfacher binärer Legierungssysteme geführt. Diese Darstellung wird Phasendiagramm genannt. Die Phasendiagramme einiger für Bronze relevanter binärer Systeme zeigen das Verhalten von Legierungselementen, das typischerweise zu einem der drei zuvor genannten Fälle führt. Das Kupfer-Zinn-Gleichgewichtsphasendiagramm (Figur 3) veranschaulicht die Fälle (1) und (2).

Ein Beispiel für eine solche einphasige handelsübliche Legierung ist die Legierung C90300, deren Eigenschaften in der folgenden Tabelle mit denen von Kupfer verglichen werden.

Wenn der Zinngehalt auf 11 % oder mehr erhöht wird, wandelt sich ein Teil der Alpha-Phase um, wenn das Metall unter 400 °C abkühlt. Eine neue Phase erscheint, verteilt über die normalen fcc-Alpha-Kristalle. Diese Phase, Delta genannt, kann bei relativ schneller Abkühlung im Material erhalten bleiben (Abbildung 5).

Die Delta-Phase (obwohl im Wesentlichen immer noch fcc) enthält im Verhältnis zu Kupfer viel mehr Zinn als in der Alpha-Phase und ist sehr hart und fest, aber es mangelt ihr an großer Duktilität. Unter besten Bedingungen erscheint es als fein verteilte Inseln in der gesamten Mikrostruktur des Materials. Der Einfluss dieser zweiten Phase auf den Gleitmechanismus ist dramatisch und führt dazu, dass die Gleitebenen nach kleinen Bewegungsgraden fixiert werden. Aber auch die Verschleißfestigkeit des Werkstoffs wird durch die Delta-Phase deutlich erhöht, was sich in der deutlichen Erhöhung der Härte zeigt. Die beliebten Aluminium-Bronze-Legierungen (C95400 und C95500) und Mangan-Bronzen (C86300 und C86400) erlangen ihre hohe Festigkeit und Härte auf ähnliche Weise, allerdings mit unterschiedlichen Akteuren. Dennoch sind die Eigenschaften das Ergebnis der Dispersion einer anderen Phase (oder Phasen) im fcc-Grundgitter, wobei in fast allen Fällen die dispergierte Phase viel härter und fester ist als die Masse des umgebenden Matrixmaterials. Diese „konstruierten Diskontinuitäten“ im Material dienen dazu, die Gleitebenen zu verankern und ihre Bewegung einzuschränken.

Diese Materialien werden als Polyphasenlegierungen bezeichnet und zeichnen sich durch eine höhere Festigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit als Alpha-Legierungen aus; Sie weisen jedoch eine viel geringere Duktilität auf, wie in der folgenden Tabelle dargestellt. Daher eignen sie sich am besten für Steuerflächenteile, bei denen die Maßhaltigkeit am wichtigsten ist, sowie für schwere Lasten und Stoßbelastungen bei langsamen Geschwindigkeiten, beispielsweise für Flugzeugfahrwerkslager.

Ein weiteres Merkmal der mehrphasigen Legierungen besteht darin, dass ihre Eigenschaften im Vergleich zu den einphasigen Materialien mit der Temperatur erheblich variieren können. Solche Legierungen sind oft wärmebehandelbar. Durch die Manipulation der Mikrostruktur der Legierung, wie im Gleichgewichtsphasendiagramm dargestellt, durch „Kurzschließen“ des Gleichgewichts können bestimmte Eigenschaften erzielt werden, die im Gusszustand nicht vorhanden sind.

In jedem Fall sollten mehrphasige Materialien, die keine nennenswerten Mengen an Blei enthalten, nur als Lager für Gegenflächen aus Stahl verwendet werden, die ihrerseits durch Wärmebehandlung gehärtet wurden. Bei Aluminiumbronze- oder Manganbronzeanwendungen wird häufig empfohlen, die Welle zu verchromen oder aus einem Bimetallmaterial herzustellen, das dem für Walzen in Stahlwerken verwendeten Material ähnelt.

Heutzutage ist es möglich, Kupferbasismaterial mit einem Bleigehalt von über 30 % herzustellen, wobei die Größe der Bleipartikel mikroskopisch klein ist. Wenn andererseits die Lageranwendung darauf hindeutet, dass größere Bleipartikel wünschenswerter sind, ist es auch möglich, die Legierung in dieser Form herzustellen.

Blei erfüllt drei wichtige Lagerfunktionen, die alle dem Schutz der Welle und der Verbesserung der Leistung der Maschine dienen. Von größter Bedeutung ist die Fähigkeit der Bleipartikel, den Reibungskoeffizienten zwischen Lager und Welle zu verringern. Der Mechanismus, durch den dies erreicht wird, ist recht interessant. Bleipartikel können durch mikroskopisch kleine raue Kanten auf der Wellenoberfläche ungehindert von der Lageroberfläche abgeschert werden. Der Stahlschaft wird mit Blei bedeckt, das sich nach und nach neu verteilt, um die tiefen Stellen am Schaft auszufüllen. Sobald dies erreicht ist, steigt der Reibungskoeffizient nur noch geringfügig an, wie aus der folgenden Tabelle hervorgeht (Referenz 4). Dieses gleiche Phänomen hat einen weiteren Vorteil: Die an den Kontaktpunkten zwischen dem Lager und dem zusammengefügten Teil entstehende Temperatur wird durch die Schmelztemperatur von Blei (327 °C) begrenzt. Offensichtlich ist diese Eigenschaft der Bleilegierungen sehr wertvoll, wenn keine Schmierung (geplant oder versehentlich) vorhanden ist oder wenn die Betriebsumgebung der Maschine selbst großen Temperaturextremen ausgesetzt ist, beispielsweise in Flugzeugen oder bei Ausrüstung für arktische Ölfelder.

Die zweite wichtige Funktion von Blei besteht darin, Schmutz zu absorbieren, der in die Grenzfläche gelangt. Dieses Problem kann jedoch durch die Konstruktion ordnungsgemäß abgedichteter Lager vermieden werden, wann immer dies möglich ist.

Drittens weisen bleihaltige Legierungen, die eine etwas geringere Festigkeit als bleifreie Kupfer-Zinn-Legierungen und eine viel geringere Festigkeit als Kupfer-Aluminium- oder Kupfer-Zink-Legierungen haben, ein hohes Maß an Anpassungsfähigkeit auf. Das heißt, das Lager passt seine Form an, um eine schlechte Ausrichtung oder Vibrationen auszugleichen. Aufgrund dieser Eigenschaft und der zuvor beschriebenen kann man sagen, dass die Bleilegierungen sehr gut „einlaufen“ werden, eine besonders wünschenswerte Eigenschaft für Schneckengetriebe, um nur ein Beispiel zu nennen. Auch bleihaltige Bronzen sind gut bearbeitbar.

Der Ingenieur muss sich daran erinnern, dass diese Legierungen nicht so fest sind wie bleifreie Materialien und auch keine so hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Stößen und anschließender Ermüdung aufweisen, die zum Versagen führt. Eine beruhigende Überlegung ist jedoch, dass ein Totalausfall des Lagers aufgrund der „Weichheit“ dieser Legierungen wahrscheinlich nicht zur Zerstörung der Welle oder zum Blockieren der Maschine führt.

Durch Auswahl der richtigen Matrix, in die die Bleipartikel gegossen werden, kann der Ingenieur aus einem ziemlich breiten Spektrum an Materialstärken auswählen, die mit mittleren bis leichten Belastungen und hohen Geschwindigkeiten kompatibel sind, wie in der folgenden Tabelle dargestellt. Die Werte gelten für Stranggussstücke mit einem Durchmesser von weniger als 3 Zoll.

Sehen wir uns nun die Lagerbronzelegierungsfamilien anhand von zwei Tabellen an, in denen einige ihrer wichtigeren technischen Eigenschaften verglichen werden.Tabelle 1fasst die chemischen Zusammensetzungen und Anwendungseigenschaften zusammen.Tabelle 2gibt die häufigere Verwendung dieser Materialien und ihre Leistungsqualitäten in den Anwendungsumgebungen an, in denen sie am häufigsten verwendet werden.

Bei allen in den Tabellen aufgeführten Legierungen handelt es sich im Wesentlichen um Variationen der besprochenen Grundmaterialien. In einigen Fällen wurde möglicherweise Blei hinzugefügt, um die Bearbeitbarkeit zu verbessern (C92500 vs. C90700). Möglicherweise wurde Nickel hinzugefügt, um die Festigkeit oder Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen (C95500 vs. 95400). Der Mangan- und Eisengehalt kann variiert werden, um bestimmte Strukturen zu stabilisieren (C86300 vs. C86400). Aus wirtschaftlichen Gründen wurde möglicherweise Zinn durch Zink ersetzt (C90500 vs. C90700). Eine Legierung entstand aus der vorherrschenden Verfügbarkeit von Schrottmaterialien (C93200 aus C83600 und C93700) und ist heute vielleicht die am weitesten verbreitete Lagerlegierung. Es ist ein sehr guter Kompromiss. Dennoch verfügt jedes Material über einzigartige Eigenschaften, die am besten zu einer bestimmten Wertschätzung passen.

Ein paar Worte zur relativen Wirtschaftlichkeit der Legierungsmaterialien sind wichtig. Alle Legierungsbestandteile unterliegen dem Einfluss der Weltmärkte, deren Preisniveau durch Angebot, Nachfrage, staatliche Kontrollen und spekulatives Interesse bestimmt wird. Schwankungen auf dem Weltmarkt für diese Komponenten wirken sich letztendlich auf die Verbundmetallkosten für die Legierungen aus und beeinflussen auch den Schrottwert des Materials, wenn es außer Betrieb genommen wird.Tisch 3zeigt die ungefähren allgemeinen relativen Werte von Kupfer und den wichtigsten Legierungsmaterialien zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Dokuments.

Die Lagerlegierungen aus Kupfer sind in vielen Formen erhältlich, die durch verschiedene Herstellungsverfahren hergestellt werden. Die Methoden zur Gussherstellung sind in zusammengefasstTabelle 4.

Das Gießen in Sand- oder Kokillenformen ist eine ideale Produktionsmethode für Kleinstserien oder sehr kleine Teile und ist bei sehr großen Teilen wie Schiffspropellern manchmal zwingend erforderlich.

Alle besprochenen Legierungen sind in diesen Formen erhältlich, allerdings können Probleme mit starker Bleientmischung auftreten, wenn der Bleigehalt 16 % erreicht. Es kann eine große Auswahl an Größen und komplizierten Formen gegossen werden. Mit diesen Verfahren wird der als Sanitär-Hardware sehr beliebte Rotguss, vor allem in Form von Ventilkörpern und Armaturen, hergestellt.

Auch hier lassen sich alle betreffenden Legierungen problemlos im Schleudergussverfahren herstellen, mit Ausnahme von hochbleihaltigen Zinnbronzen, bei denen der Bleigehalt nahezu 20 % beträgt. Probleme mit der Bleiseigerung sind abhängig von der Größe des Gussteils. Mit dieser Methode werden sehr große Buchsen hergestellt. Es ist wahrscheinlich, dass die meisten Buchsen mit einem Außendurchmesser von mehr als 14 Zoll und bis zu einem Außendurchmesser von etwa 100 Zoll Schleudergussteile sind. Solche Gussteile können in Längen von mehr als 100 Zoll hergestellt werden. Dennoch handelt es sich bei kleinen Schleudergussteilen auch um Großserienartikel. Viele der größeren Flanschlager oder Zahnradrohlinge werden nach dieser Methode hergestellt. Auch wenn sie von der Produktionsmenge abhängig sind, können kleine Auflagen sehr wirtschaftlich sein. Lagerhändler führen Lagerbestände an halbfertigen Schleudergussteilen, hauptsächlich in Standardgrößen und insbesondere in den Legierungen C95400 und C93200.

Alle Legierungen sind als Strangguss-Stangenmaterial erhältlich; Bleiseigerung ist im Allgemeinen kein Problem. Bei bestimmten Gussteilen mit sehr dünnen Wänden kann es erforderlich sein, Spannungen zu entspannen, insbesondere wenn die Legierung C95400, C95500 oder C86300 ist, um einen Spiel- oder Toleranzverlust bei der Herstellung und Verwendung zu verhindern. Es ist eine große Auswahl an Stangenmaterial mit Voll-, Rohr- und Sonderquerschnitt erhältlich. Die Durchmesser reichen von weniger als 0,500 Zoll bis zu etwa 14 Zoll im Außendurchmesser, in Längen bis zu etwa 13 Fuß. Abhängig vom Außendurchmesser ist es möglich, sehr dünnwandige Stäbe herzustellen, manchmal weniger als 1/4 Zoll Diese Produkte eignen sich hervorragend für die Weiterverarbeitung auf automatischen Werkzeugmaschinen.

Größere Mengen an Stranggussprodukten sind deutlich wirtschaftlicher, aber auch hier übernehmen Lagerverteiler einen Großteil dieser Belastung, insbesondere bei den Legierungen C95400, C93200 und C90300.

Die Knetlegierungen aus Phosphorbronze (C51000, C52100, C52400, C54400) werden manchmal in Lageranwendungen verwendet. Diese Legierungen sind auch als Stranggussteile im geglühten Zustand erhältlich. Geschmiedete Phosphorbronze ist normalerweise auf einen Außendurchmesser von etwa 3 Zoll und darunter beschränkt. C54400 hat den höchsten verfügbaren Bleigehalt, etwa 4 %. Legierungen mit höherem Bleigehalt können nicht extrudiert oder gewalzt werden.

Zu den Aluminium- und Manganbronzelegierungen gibt es auch geknetete Äquivalente. Die Knetlegierungen verfügen über sehr starke mechanische Eigenschaften, da sie entweder durch Strangpressen, Ziehen, Walzen oder Schmieden stark bearbeitet wurden, und werden häufig in Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. Einige dieser Legierungen werden als Schweißwerkstoffe verwendet. Diese Legierungen sind auch in verschiedenen Strangpressformen erhältlich, wobei die verfügbare Vielfalt stark von der Menge abhängt. Die Wärmebehandlung von Gusslegierungen führt zu ähnlichen mechanischen Eigenschaften wie die von Knetwerkstoffen, ebenso wie das Stranggießen von Aluminiumbronzen. Im Allgemeinen sind große Produktionsmengen erforderlich, um die bearbeiteten Produkte wirtschaftlich zu machen, obwohl die Lagerhändler diese Belastung für den Endverbraucher kleinerer Mengen übernommen haben.

Einige Hersteller sowie viele Lagerhändler und Lagerhäuser führen Lagerbestände an standardmäßig fertigen Buchsen, insbesondere in der Legierung C93200. Diese Teile werden in Massenproduktion hergestellt und sind leicht verfügbar.

Eine Reihe von Maschinenwerkstätten ist auf die Herstellung von Lagern spezialisiert, insbesondere auf nicht standardmäßige Designs und kritische Sonderlegierungen. Diese Werkstätten betreiben hochentwickelte Bearbeitungszentren. Mithilfe der besten verfügbaren Ausrüstung sind sie in der Lage, ein Höchstmaß an Präzision bei der Teileproduktion zu erreichen und hohe Standards bei der Materialqualitätskontrolle einzuhalten. Solche Betriebe bedienen OEM-Betriebe und die Wartungsabteilungen größerer Unternehmen, die sich dafür entscheiden, ihre Lager nicht selbst herzustellen. Sie bieten kostengünstigen Service und sind mit der Technologie und den Quellen der Lagerlegierungen bestens vertraut, die für die Produktion eines bestimmten Lagers am besten geeignet sind.

Metallurgische Technik ist zwar eine Wissenschaft, aber auch eine Kunst. Forschung, umfassende Erfahrung und ein umfassendes Verständnis der Eigenschaften, die die Legierungselemente dem Kupfergrundmetall verleihen können, sind für ein gutes Materialdesign unerlässlich. Ebenso wichtig ist ein Verständnis der wirtschaftlichen Zusammenhänge mit den Materialien, der Teileproduktion und dem Betrieb der Endmaschinen. Die bemerkenswerten Eigenschaften von Kupfer, Messing und Bronze kommen Industrien auf der ganzen Welt aufgrund ihrer zuverlässigen Leistung, allgemeinen Verfügbarkeit und wirtschaftlichen Qualität zugute.