Auswirkungen von Aluminium und Zinn auf Bronzezahnräder
Zahnräder aus Kupferlegierungen (Bronze) haben einzigartige Eigenschaften, die dazu beitragen, den Verschleiß beim Kontakt von Bronze mit Stahl zu minimieren. Bronzezahnräder werden in Untersetzungsgetrieben verwendet und mit Schneckenrädern aus Stahl gepaart. Stirnräder aus Bronze werden in anderen Geräten verwendet, die mit Stirnrädern aus Stahl gepaart werden müssen.
In allen Fällen ist die Stahloberfläche härter als die Bronzeoberfläche. Die Auswahl von Bronze-auf-Stahl-Kombinationen basiert auf denselben Prinzipien wie bei Bronzegleitlagern, die mit härteren Stahlwellen verbunden sind.
Beim Verschleiß von Bronze auf Stahl kommt es zu einem Opferverschleiß der Bronze und kaum oder gar keinem Verschleiß des Stahls.
Die Reibung zwischen Bronze und Stahl ist viel geringer als die zwischen Stahl und Stahl.
Bei höheren relativen Oberflächengeschwindigkeiten trennt eine Vollfilm- oder hydrodynamische Schmierung die Stahl-auf-Stahl-Paarung, bei niedrigeren Geschwindigkeiten jedoch berühren sich die Unebenheiten (Oberflächenrauheit) der zusammenpassenden Komponenten. Dies führt zu starkem Verschleiß der beiden Stahlkomponenten. Bei Bronze-auf-Stahl-Paarungen scheren die stärkeren Stahlunebenheiten die schwächeren Bronzeunebenheiten.
Aufgrund dieser Überlegungen haben Metallurgie- und Maschinenbauingenieure eine Reihe von Bronzelegierungen entwickelt, die den Bronzeverschleiß minimieren und gleichzeitig alle Vorteile von Bronze-auf-Stahl-Paarungen bieten.
Die gewünschte Bronze hat folgende Eigenschaften:
Festigkeit, um die erforderlichen Lasten zu tragen.
Niedriger Reibungskoeffizient mit Stahl.
Minimaler Verschleiß der Bronze.
Viele Lagerbronzen enthalten Blei, um den Reibungskoeffizienten zu verringern. Das Blei trennt sich jedoch vom gefrorenen Gussstück und bleibt zwischen den Kupferlegierungskristallen. Dies schwächt das Material. Obwohl es für Gleitlager hilfreich ist, muss der Bleianteil auf ein Minimum beschränkt werden, um starke Zahnradbronzen zu gießen. Einige Zahnradbronzen enthalten kleine Mengen dieses intergranularen Bleis, um die Bearbeitbarkeit zu verbessern.
Die beste Kombination von Verschleißeigenschaften findet sich in zwei Kupferlegierungsgruppen:
Aluminium- und Manganbronzen sind robust und verschleißfest gegenüber Stahlpaarungsteilen. Diese Legierungen haben eine starke Matrix, in die eine sehr harte Phase eingebettet ist. Das Stahlpaarungsteil muss sehr hart sein und beide Teile müssen eine sehr feine Oberflächenbeschaffenheit aufweisen. Diese Bronzen bilden keine reibungsarme Bronzeschicht auf dem Stahl.
Zinnbronzen werden durch eine feste Lösung von Zinn in Kupfer (bis zu etwa 10 %) verstärkt. Das zusätzliche Zinn führt zu einer starken, harten intergranularen Phase, die reich an Zinn ist. Die Zinnatome verformen die Kupfermatrix ausreichend, um ein Verrutschen der Kristallschichten zu verhindern, und die intergranulare Phase trägt zur Erhöhung der Härte bei. Zinnbronze bildet auf dem Gegenstück aus Stahl eine reibungsarme Bronzeablagerung. Aus diesem Grund ist Zinnbronze die Legierung der Wahl für Nichteisenzahnräder.
Die Unebenheiten von Aluminium- und Manganbronze auf Stahl sind nicht so vorteilhaft wie die von Zinnbronze. Die Unebenheiten von Aluminiumbronze führen schließlich zu Aluminiumoxid, das sehr abrasiv ist. Manganbronze enthält Aluminium und (große Mengen) Zink. Zinkoxid ist abrasiv und das Zink in der Kupfermatrix fördert den Verschleiß bei der Verbindung mit Stahl. Zinn hat eine viel geringere Affinität zu Sauerstoff als Aluminium oder Zink.
„Verschleiß“ und die daraus resultierenden Randbedingungen sind es, die Zinnbronze so ideal für die Verbindung mit Stahl machen. Wenn ausreichende Mengen von Bronzerauhigkeiten in die Oberfläche eingebettet sind, wird der Verschleiß verringert und die Reibung reduziert.
Aus der grundlegenden Kupfer-Zinn-Legierung für Zahnräder hat sich eine Reihe von fünf beliebten Zahnradbronzen entwickelt. Diese Legierungen sind in der Spezifikation ASTM B 427-93A spezifiziert. Es gibt nur wenige Variationen. Die 12 % Zinnlegierung hat mehr harte Phasen. Die Kupferlegierung C92900 ist die vielseitigste, da sie einen Bleigehalt von 2,5 % hat. Dies ermöglicht eine gute Bearbeitbarkeit und die Bleipartikel setzen sich bei Verschleiß in jedem Schleifmittel fest. Der Nickelgehalt (3,5 %) in dieser Legierung ist sehr vorteilhaft. Er erhöht die Korrosionsbeständigkeit und fördert kleinere Kristallgrößen in Gussteilen. Je kleiner die Kristalle, desto weniger chemische Entmischung und desto höher die physikalische Qualität.
Diese Zahnradbronzen können nicht durch Schmiedeverfahren wie Strangpressen, Ziehen, Walzen oder Schmieden hergestellt werden. Sie müssen als Gussteile verwendet werden. Hohe Zinngehalte können zum Brechen von Strangpressbarren führen. Die mit 8 % Zinn können kontinuierlich gegossen und auf kleine Durchmesser gezogen werden. Geringere Zinngehalte können stranggepresst und auf kleine Durchmesser gezogen werden. (Kalt-)Ziehen erhöht zwar die physikalischen Eigenschaften über die des Gussmaterials hinaus. Die Reibungseigenschaften werden jedoch nicht verbessert.
Echte Zahnradbronzen können nur mit bestimmten Methoden gegossen werden. Sowohl beim Sandguss als auch beim Kaltguss können Schrumpfungshohlräume und nichtmetallische (abrasive) Einschlüsse entstehen. Beim Strangguss werden diese Probleme vermieden. Der Stranggussstab oder das Stranggussrohr wird aus einer Form entnommen, die an einen mit flüssigem Metall gefüllten Ofen angeschlossen ist. Der Einlass der Form ist tief unter der Oberfläche des flüssigen Metalls eingetaucht. In diesen Bereich kann keine Schlacke gelangen, und das flüssige Metall dient als Reservoir zur Versorgung des Gussstücks, wodurch Schrumpfungshohlräume vermieden werden.
Seit den frühen 1950er Jahren hat sich das Stranggießen von Zahnradbronze weiterentwickelt und viele Verbesserungen mit sich gebracht. Fortschritte in der Stranggusstechnologie haben zu gegossenen Stangen- und Rohrprodukten mit kleinen, gleichmäßigen Kristallgrößen geführt. Dadurch entsteht ein gleichmäßigeres, stärkeres Stranggussmaterial. Mit diesem Verfahren hergestellte Zahnradbronze ist Zahnradbronze, die mit jedem anderen Verfahren hergestellt wird, überlegen. Streckgrenze, Schlagfestigkeit und Härte sind erheblich verbessert. Auch die Verschleißfestigkeit ist verbessert.
