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Lagermetall
Die Erfindung betrifft ein Lagermetall auf der Basis einer Aluminium-Zink-Legierung mit 27 - 79% Al, 0-. 5'% Cu und 0 -5'% Si.
Die Eignung einer Legierung als Lagermetall ist in den meisten Fällen durch einen heterogenen Gefügeaufbau bedingt. Heterogenität ist bei folgenden Legierungen vorhanden : bei Legierungen, die in einer weichen Grundmasse tragende härtere Kristalle enthalten (dazu gehören die meisten Lagermetalle auf Blei-Antimon-Zinn-Basis; Zinklegierungen mit primär kristallisierenden Aluminiden, Antimoniden u. ähnl.); bei Legierungen mit Primärkristallen im Eutektikum oder Monotektikum, wie Al- - Zn-Legierungen mit einem Geha1t bis zu 1í% Al, AI-Si-Legierungen und Bleibronzeni und bei Misch- kristallegierungen mit zoneartig aufgebauten Kristallen (infolge Kristallseigerung) oder solchen mit härteren Randzonen, z. B.
Kupfer-Zinn-Legierungen, AI-Zn-Legierungen mit hohen Al-Gehalten (letztere mit härteren Randzonen infolge von Zusätzen von Kupfer oder Silizium).
In Al-Zn-Legierungen erstreckt sich das Gebiet der festen Lösung (8-Mischkristalle) von 100% Al
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digkeit infolge zonigen Aufbaues der Mischkristalle heterogen. In der Praxis - also z. B. beim Giessen dieser Legierungen in eiserne Kokillen - ergeben sich aber gegenüber dem theoretischen Gleichgewicht Unterschiede, die in der folgenden Tabelle veranschaulicht sind. Hiebei ist mit "Fall A" der Gleichgewichtsfall, der einer unendlich langsamen Erstarrung oder einer homogenen Glühung entspricht, und mit"Fall B"der praktische Fall bezeichnet, der einer Kristallseigerung durch rasche Erstarrung entspricht. Das Erstarrungsintervall bedeutet die Temperaturdifferenz in OC zwischen dem Beginn und dem Ende der Erstarrung.
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<tb>
<tb>
Erstarrungsintervall <SEP> in <SEP> C <SEP> Gefüge <SEP> x) <SEP>
<tb> Al% <SEP> Zn <SEP> % <SEP> Fall <SEP> A <SEP> Fall <SEP> B <SEP> A <SEP> B
<tb> 100 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> H. <SEP> M. <SEP> H. <SEP> M. <SEP>
<tb>
80 <SEP> 20 <SEP> 55 <SEP> 95 <SEP> H. <SEP> M0 <SEP> Z. <SEP> M. <SEP> (Beginn) <SEP>
<tb> 70 <SEP> 30 <SEP> 68 <SEP> 115 <SEP> H. <SEP> M. <SEP> Z0M.
<tb>
50 <SEP> 50 <SEP> 77 <SEP> 120 <SEP> H. <SEP> M. <SEP> Z. <SEP> M. <SEP>
<tb>
30 <SEP> 70 <SEP> 69 <SEP> 104 <SEP> H. <SEP> M <SEP> Z. <SEP> M. <SEP>
<tb>
25 <SEP> 75 <SEP> 68 <SEP> 100 <SEP> H.M. <SEP> Z.M.+E.(1%Anteil)
<tb> 20 <SEP> 80 <SEP> 67 <SEP> 84 <SEP> H. <SEP> M. <SEP> Z. <SEP> M. <SEP> +E. <SEP> (20%Anteil)
<tb>
X) H. M. = homogene Mischkristalle
Z. M. = zonige Mischkristalle
E. = Eutektikum
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Aus der Tabelle ist somit ersichtlich, dass im Fall B bei allen Legierungen das Erstarrungsintervall gegenüber dem Gleichgewichtsfall erheblich vergrössert ist.
Während Al-Zn-Legierungen bis zu 27% Al ein zinkreiches Eutektikum enthalten, fehlt dieser Gefügebestandteil bei Legierungen mit mehr als 27% Al. Diese enthalten nur noch zonige Mischkristalle.
In Lagermetallen ist ein zinkreicher Eutektikum-Bestandteil zu vermeiden, weil er Ursache ungenügender Massbeständigkeit ist. Im Gebiet zwischen 27 und 70% AI liegt also für den definierten Aufbau zoniger Mischkristalle ein genügend grosses Erstarrungsintervall vor, ohne dass dabei das unerwünschte zinkreiche Eutektikum auftritt.
Bei praktischer Verwendung solcher Al-Zn-Legierungen ergaben sich oft insoferne Schwierigkeiten, als trotz gleicher Zusammensetzung des Lagermetalles unterschiedliche Reibungseffekte bei öllosem Lauf (Notlauf) festgestellt wurden. Die Untersuchung dieser Erscheinung ergab :
1) Um ein in allen Belastungsfällen gleich gutes Verhalten einer Al-Zn-Lagerlegierung im Bereich von 27 bis 70% Al zu erzielen, ist eine Voraussetzung, dass der Konstruktionsteil, also die Lagerschale, einen vollständig gleichmässigen Gefügeaufbau besitzt. Diese Voraussetzung ist derzeit bei den bekannten Legierungen nicht erfüllt. Weil die Abkühlungsgeschwindigkeit den Grad der Heterogenität durch Kristallseigerung bestimmt, ist der Gefügeaufbau von der Grösse des Gussstückes bzw. der Wandstärke in einem Gussstück abhängig.
Gefügeunterschiede treten zwischen Randzone und der Mitte des Gussstückes auf.
2) Eine starke Kristallseigerung in einer Randzone eines Gussstückes führt infolge Blockseigerung ebenfalls zu einem unterschiedlichen bzw. ungleichmässigen Gefüge in einer Lagerschale.
3) Knapp vor dem Ende der Erstarrung liegt neben zonigen Mischkristallen eine interkristalline Schmelze vor, die unter Schwund und Hinterlassung von Poren erstarren kann, wenn nicht ein genügender Flüssigkeitsdruck dies verhindert. Es entstehen so Mikroporen in der Oberfläche des Lagerkörpers bzw. der Lagerschale, die bei der Verwendung in der Praxis den Schmierfilm unterbrechen und zu starkem Verschleiss Anlass geben.
In der Literatur finden sich verschiedene Vorschläge zur Nutzbarmachung von hochaluminiumhaltigen Zinklegierungen als Lagerwerkstoff. Viele Vorschläge haben die definierte Heterogenisierung des Gefüges zum Ziel. So gibt es z. B. Verfahren, um bei gegebener Zusammensetzung durch Wärmebehandlung den Gefügeaufbau zu beeinflussen, wodurch die Lagereigenschaften verbessert wurden ; Methoden, um bei gegebener Grundzusammensetzung durch weitere Legierungskomponenten aufdenGefüge-
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lenstoff oder Zusätze, die Aluminide, Silizide, Boride, Phosphide bilden. Solche Zusätze verschlechtem aber meist die Lagereigenschaften und führen besonders bei öllosem Notlauf zum Verschleiss des Lagerteiles, z. B. eines Zapfens.
Erfindungsgemäss werden die geschilderten Nachteile und Schwierigkeiten bei einer Al-Zn-Legierung mit 27-70% Al, 0-5% Cu und 0-5% Si dadurch vermieden, dass sie als zusätzliche Komponenten 0, 1 - 30/0 Wismut und/oder Thallium bzw. einer Wismutlegierung mit 0-40% Cadmium oder 0 bis 24% Thallium oder 0-44% Blei und/oder einer Thalliumlegierung mit 0-17% Cadmium oder 0 bis 38% Blei enthält und der Rest aus Zink besteht. Die genannten zusätzlichen Komponenten liegen noch in flüssfger Form interkristallin vor, wenn die Erstarrung der Al-Zn-Legierung schon beendet ist, d. h. also, dass ihr Erstarrungspunkt unter dem Erstarrungspunkt des am niedrigsten schmelzenden Mischkristalles gelegen ist.
Die erfindungsgemässe Lagermetallegierung gewährleistet eine gleichmässige, von der Erstarrungsgeschwindigkeit und von jeder Glühbehandlung unabhängige Heterogenisierung.
Der Erstarrungspunkt der erfindungsgemässen Al-Zn-Legierungen liegt gemäss der folgenden Aufstellung bei :
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<tb>
<tb> Al <SEP> "/0 <SEP> Temperatur <SEP> bei <SEP> beendeter <SEP> Erstarrung <SEP> in <SEP> OC
<tb> 27 <SEP> 430
<tb> 40 <SEP> 460
<tb> 50 <SEP> 483
<tb> 60 <SEP> 510
<tb> 70 <SEP> 537
<tb>
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Lagerlaufversuche mit erfindungsgemässen Legierungen zeigten hervorragende Notlaufeigenschaften. Die beschriebenen Zusätze an Wismut und/oder Thallium bzw. deren Legierungen in einer Menge von 0, 1 bis 3% liegen in Form von monotektisch verteilten Phasen vor und besitzen eine ausreichende Verschleisshärte.
Im besonderen geeignet erwies sich eine Lagerlegierung, die aus 50% Al, 49% Zn, 0, 4% Cd und
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Die zusätzlichen Legierungskomponenten sind sowohl in flüssigem Aluminium als auch in flüssigem Zink nur beschränkt löslich ; schon Gehalte ab 0, 1% vergröbern bei den reinen Metallendas Gussgefüge. Überraschenderweise zeigte sich, dass die genannten Metallzusätze in Al-Zn-Legierungen mit einem grossen Erstarrungsintervall, also solchen mit 27-70% AI, in weiten Grenzen unabhängig von der Abkühlungsgeschwindigkeit, kornverfeinernd wirken. Als Folge der erfindungsgemässen Zusätze ergeben sich gegenüber den einleitend geschilderten Problemen : ad 1) unabhängig von der Grösse des Gussstückes, feinere Zonenmischkristalle ; ad 2) Rand und Mitte eines Gussstückes, z.
B. einer Welle, besitzen das gleiche Gefüge und die gleiche Zusammensetzung, weil das monotektisch ausgeschiedene flüssige Metall eine Blockseigerung weitestgehend verhindert.
So ergab z. B. eine aus 50% Al und 50% Zn bestehende Legierung in der Randzone von Kokillengussbolzen einen Al-Gehalt von 58% und in der Mitte von 41%. Eine Legierung aus 50% AI, 2% Bi, 48% Zn
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bis 2, 2% Bi. ad 3) Die nach beendeter Erstarrung der Mischkristalle verbleibende interkristalline Schmelze entspricht praktisch der gewünschten Zusammensetzung. Sie fördert die Kontraktion der letzten Erstarrung und trägt zur Verhinderung der Bildung von Mikroporen bei.
Eine Legierung mit 50% Al, 50% Zn hat als Vollmaterial ein spez. Gewicht von 3, 92 g/em'. Ein Kokillengussbolzen aus dieser Legierung ergab eine scheinbare Dichte von 3, 70 ; in Übereinstimmung mit der Gefügeuntersuchung also ein Porenvolumen von 6%.
Eine Legierung aus 50% Al mit einem Zusatz von 1, 5% Wismut oder Thallium bzw. deren Legierungen gemäss der Erfindung hat eine Volldichte von 3, 93 ; die an einem Kokillenbolzen gemessene Dichte betrug 3,91, was einem maximalen Porenvolumen von nur 0,5% entspricht.
Wie erwähnt, können die erfindungsgemässen Al-Zn-Legierungen Kupfer- oder Siliziumgehalte bis zu 5% aufweisen. Hiedurch werden die mechanischen Eigenschaften verbessert. Jedoch ist darauf zu achten, dass keine Primär-Kristalle der Elemente Si, Be, B, C oder Primärphasen aus Verbindungen des Al oder des Zn mit Fe, Co, Ni, Cr, Mn, Mo, W, Ti, As, Sb die Wirkung monotektischer Schmelzen stören. Das niedrig schmelzende Zinn ruft interkristalline Korrosion hervor und darf als Legierungselement nicht verwendet werden.
Die erfindungsgemässen Legierungen auf Basis Al-Zn erfüllen infolge ihrer definierten Heterogenität höchste Ansprüche im Lagerlaufversuch und bei Verwendung in der Praxis. Durch geeignete Wahl des Al-Gehaltes können die Eigenschaften der Legierungen ihrer Beanspruchung angepasst werden ; für spezifisch leichte Lager kommt z. B. eine erfindungsgemässe Legierung mit 70% Al in Betracht. Für hohe Beanspruchungen eignet sich eine erfindungsgemässe Legierung mit 50% Al, l% Cu oder l% Si und für die giesstechnische Verarbeitung bei niedrigeren Temperaturen und bei nicht zu hohen Anforderungen an die Massgenauigkeit eine erfindungsgemässe Legierung mit 30% AI, l% Cu oder Si.
Für den öllosen Notlauf erwiesen sich die erfindungsgemässen Zusatzmetalle als äusserst günstig, da der metallische Abrieb Welle-Lager mit zunehmender Reibungswärme zuerst das feinverteilte Zusatzmetall erfasst, das eine feinkörnige selbstschmierende Zwischenschicht zwischen Zapfen und Lager bildet. Da sich die Zusatzmetalle und ihre Legierungen untereinander mit Eisen nicht legieren, erfolgt kein Zapfenangriff. Für die spanabhebende Bearbeitung von Lagerhülsen und-schalen erweisen sich die erfindungsgemässen heterogenen Metallzusätze sehr günstig als Spanbrecher.