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Die Erfindung bezieht sich auf Gleitlager aus mindestens drei Schichten metallischer Werkstoffe, von welchen eine Schicht als dem Lagerzapfen zugewandte Lagerlaufschicht ausgebildet ist.
In Verbrennungsmotoren mit hoher spezifischer Leistung werden als Haupt-und Pleuellager im allgemeinen sogenannte Dreistofflager verwendet. Dreistofflager dieser Art (franz. Patentschrift Nr. 969. 705) bestehen aus drei Metallschichten, wobei von aussen nach innen, also zur Lauffläche hin, immer weichere Werkstoffe Verwendung finden. Bei den häufigsten Ausführungsformen solcher bekannten Lager sind eine Stützschale aus Stahl, darüber eine Notlaufschicht aus Blei-Bronze oder aus einer Aluminium-Silicium-Cadmium-Legierung und darauf eine dünne galvanisch aufgebrachte Laufschicht aus einer Blei-Zinn-oder Blei-Indium-Legierung vorgesehen. Die Notlaufschicht bzw. die Schicht aus Aluminium-Legierung oder Blei-Bronze weist im allgemeinen eine Dicke von 0, 2 bis 0, 7 mm auf.
Die darüberliegende, galvanisch aufgebrachte Weichmetallschicht (Laufschicht) hat im allgemeinen eine Dicke von zu Lediglich bei Gleitlagern für grössere Motoren sind die Schichtdicken entsprechend der vergrösserten Lagerdimensionen ebenfalls grösser.
Es sind auch Mehrschichten-Gleitlager bekannt (deutsche Patentschrift Nr. 61695), die aus einer Stützschale, einer Zwischenschicht aus Nichteisenmetall mit hoher Wärmeleitfähigkeit und einer galvanisch aufgebrachten Gleitschicht aus einem Metall von hoher Ermüdungs- und Korrosionsfestigkeit bestehen. Dieser Lageraufbau entspricht ebenfalls dem grundsätzlichen Lageraufbau, wie er aus der franz. Patentschrift Nr. 969. 705 bekannt ist, nämlich von der Stützschale zum Lagerzapfen hin abnehmende Härte der Schichten.
Ferner sind Gleitlager bekannt (deutsche Patentschrift Nr. 830269), bei denen der Schichtenaufbau des Lagers prinzipiell der gleiche ist wie bei den Lagern nach der franz. Patentschrift Nr. 969. 705. Es ist lediglich eine Verfeinerung dadurch geschaffen, dass zwischen der Notlaufschicht und der Lagerlaufschicht eine Diffusionssperrschicht eingelagert ist, die ungewollte gegenseitige Beeinflussungen der Notlaufschicht und der Lagerlaufschicht verhindert. Diese extrem dünne Schicht stellt lediglich eine Diffusionssperre dar und kann nicht als Laufschicht dienen. Der grundsätzliche Lageraufbau mit abnehmender Schichtenhärte von der Stützschale nach dem Lagerzapfen hin, ist aber auch bei Lagern dieser Art vorhanden.
Weiterhin sind Mehrschichten-Gleitlager bekanntgeworden (deutsche Offenlegungsschrift Nr. 1400966), bei denen auch'der grundsätzliche Lageraufbau mit harter Stützschale und weicher Lagerlaufschicht beibehalten ist.
Lediglich die Lagerlaufschicht soll bei Lagern dieser Art mit einem Mikroüberzug belegt sein, der selbst keine gute Lagereigenschaften aufweisen soll und so dünn ist, dass er tatsächlich im wesentlichen selbst keine unabhängige Eigenschaften besitzt. Dabei wird davon ausgegangen, dass eine solche dünne Mikroüberzugs-Schicht wahrscheinlich das Bestreben hat, in die Lagerschicht hineinzudiffundieren, um dabei mit dieser Schicht ein Mischsystem zu bilden.
Bei allen bisher bekanntgewordenen Gleitlagern im Verbrennungsmotorenbau bzw. auch im Maschinenbau werden die hochbelasteten Gleitlager, die bei Geschwindigkeiten von über 5 m/sec betrieben werden, immer so ausgeführt, dass zur Lauffläche hin immer weichere Werkstoffe Verwendung finden.
Die Werkstoffauswahl wird auf Grund der geforderten Notlaufeigenschaften der einzelnen Schichten getroffen und ausserdem bewirken die weichen Schichten eine gute Anpassung an den Zapfen. Bei den Dreistofflagern wurde eine Zwischenschicht aus einem Lagerwerkstoff gewählt, da angenommen wurde, dass bei hohen Druckbelastungen ohne Zerstören der dünnen aufgalvanisierten Laufschicht eine plastische Deformation der Bleibronze bzw. der Aluminiumlegierung stattfinden könne, um die Anpassung an den Zapfen zu erleichtern.
In der Praxis hat sich jedoch herausgestellt, dass diese Anpassung durch plastische Deformation der Zwischenschicht nicht eintritt, da der Verschleiss von der Oberfläche der Laufschicht bzw. der Oberfläche des Lagerzapfens her sehr viel rascher vor sich geht und damit die Anpassung nur über einen Verschleiss geschieht, der mit einer Vergrösserung des Lagerspiels verbunden ist. Eine Vergrösserung des Lagerspiels ist jedoch normalerweise unerwünscht. Die Zwischenschicht hat aber auch noch die Aufgabe, nach einem völligen Verschleiss der dünnen und sehr weichen Laufschicht ersatzweise als Laufschicht zu dienen. Dies ist allerdings nur in begrenztem Umfang möglich, da das Gleitverhalten dieser Zwischenschicht wesentlich schlechter als das der eigentlichen Laufschicht (Overlay) ist.
Versuche haben gezeigt, dass eine dickere Laufschicht noch schneller zur Zerstörung der Lager führt.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Gleitlager der beschriebenen Art zu schaffen, bei welchem eine Anpassung des Lagers an den Zapfen im wesentlichen oder doch zumindest weitgehend durch plastische Deformation einer unter der Laufschicht liegenden Werkstoffschicht erfolgt. Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass die Lagerlaufschicht (erstes Overlay) als harte Schicht geringer Dicke ausgebildet und an ihrer der Lagerlauffläche abgewandten Seite mit einer Schicht aus einem Werkstoff wesentlich geringerer Härte unterlegt sowie an ihrer der Lagerlauffläche zugewandten Seite mit einer Einlaufschicht (zweites Overlay) wesentlich geringerer Härte belegt ist.
Bei Verwendung spezieller Werkstoffe in den verschiedenen Schichten können eine oder mehrere Diffusionssperren-Schichten in Dicke von etwa l zusätzlich vorgesehen werden.
Im Rahmen der Erfindung kann die harte Laufschicht (erstes Overlay) eine Vickers-Härte bzw. eine vergleichbare Mikro-Härte von mindestens 200 kp/mm2, vorzugsweise zwischen etwa 600 und 900 kp/mm2 aufweisen. Die Dicke der harten Laufschicht kann im Rahmen der Erfindung maximal etwa 0, 1 mm,
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vorzugsweise etwa 0, 005 bis 0, 01 mm betragen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht beispielsweise die harte Laufschicht aus einer Nickel-Zinn-Legierung mit einem Zinngehalt zwischen etwa 30 und 90%, z. B. 35% Nickel und 65% Zinn.
Die der Laufschicht unterlegte Schicht kann im Rahmen der Erfindung eine Zwischenschicht aus einem Werkstoff mit einer Brinellhärte zwischen etwa 30 und 100 kp/mm2, beispielsweise aus Bleibronze, Zinnbronze, Blei-Zinn-Bronzen, Aluminiumlegierung oder Reinaluminium sein, doch im Rahmen der Erfindung ist es aber auch möglich, dass die der Laufschicht unterlegte Schicht eine Brinell-Härte zwischen etwa 100 und 250 kp/mm2 aufweist und vorzugsweise aus Stahl besteht bzw. die Stützschale des Lagers ist. Auch in solchem Fall ist die Laufschicht des Lagers noch wesentlich härter als die ihr unterlegte Schicht.
Zwischen der harten verschleissfesten Laufschicht und der ihr unterlegten Schicht kann im Rahmen der Erfindung eine galvanisch abgeschiedene Schicht aus Nickel mit einer Dicke von maximal 5 Jl vorgesehen sein.
Diese zusätzliche Schicht bildete eine Diffusionssperre, die im Rahmen der Erfindung zur Erhaltung der Laufeigenschaften der Laufschicht von besonderer Bedeutung ist.
Von besonderer Bedeutung für die Werkstoffauswahl der harten Schicht ist, dass wichtige Legierungskomponenten in der Lage sind, intermetallische Verbindungen zu bilden. Solche Verbindungen sind chemisch relativ stabil und die Gefahr einer Reaktion mit der Stahloberfläche des Zapfens ist deshalb entsprechend gering. Es ist dabei nicht erforderlich, dass bereits bei der Herstellung der Schicht intermetallische Verbindungen entstehen, sondern diese können sich auch durch eine nachfolgende Wärmebehandlung oder während des betriebswarmen Zustandes des Lagers bilden.
Beispielsweise entsteht bei der bereits angeführten galvanischen Abscheidung von Ni und Sn eine Schicht
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Temperaturen und Temperzeiten erreicht wird. Es ist jedoch auch möglich, Ni und Sn getrennt galvanisch abzuscheiden und durch eine nachfolgende Wärmebehandlung die Bildung von intermetallischen Verbindungen zu bewirken. Ein zusätzlicher Cu-Gehalt in der Ni-Sn-Legierung kann von Nutzen sein.
Untersuchungen über das Laufverhalten solcher Legierung haben gezeigt, dass eine zusätzliche dünne Einlaufschicht notwendig ist, um eine praktische Verwendung bei hohen Belastungen und Gleitgeschwindigkeiten über 5 m/sec zu ermöglichen.
Eine Einlaufschicht von 2 bis 3 Jl Dicke aus 87% Pb, 10% Sn und 3% Cu brachte bereits sehr gute Laufergebnisse. Für die Praxis erscheint eine Dicke von zirka 5 bis 15 Jl als zweckmässig.
Für diese Einlaufschicht können beispielsweise auch Blei- oder Zinn- oder Cadmiumlegierungen verwendet werden mit Zusätzen aus Zinn, Kupfer, Indium u. a.
Falls die Gleitlager gemäss der Erfindung in bekannter Weise für Lagerung und Transport zumindest teilweise mit einem Korrosionsschutzbelag aus einer galvanisch hergestellten Schicht aus Blei und bzw. oder Zinn oder einer Legierung davon versehen sein sollen, so ist im Rahmen der Erfindung dieser Korrosionsschutzbelag in einer Dicke von maximal etwa 3 Jl auszubilden.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen : Fig. l eine Gleitlagerschale gemäss der Erfindung in perspektivischer Darstellung ; Fig. 2 einen Ausschnitt A-B bei bevorzugter Ausführungsform der Lagerschale nach Fig. l, stark vergröert und im Schnitt und Fig. 3 den Ausschnitt A-B nach Fig. 1 bei einer andern möglichen Ausführungsform der Erfindung im Schnitt stark vergrössert.
Im Beispiel der Fig. 1 ist auf einer Stahlstützschale--5--eine Zwischenschicht--4--aus Bleibronze mit einer Schichtdicke von etwa 0, 2 bis 0, 7 mm aufgebracht. Diese Zwischenschicht--4--weist eine Brinell-Härte zwischen etwa 50 und 100 kp/mm2 auf. Die Zwischenschicht --4-- ist eine extrem dünne (Dicke 1 bis 2 jet) Schicht aus Nickel aufgebracht, die wie bei herkömmlichen Dreistofflagern als Diffusionssperre dienen soll. über der Diffusionssperrschicht--3-ist eine harte Laufschicht --2-- aus einer Nickel-Zinn-Legierung mit etwa 65% Zinn und 35% Nickel galvanisch aufgebracht.
Die Dicke dieser Laufschicht --2-- beträgt im dargestellten Beispiel 6 bis 8 je. Die Härte dieser Laufschicht --2-- liegt bei 600 bis 900 kp/mm2 Micro-Härte (vergleichbar mit Vickers-Härte). Auf der Laufschicht--2--ist ebenfalls galvanisch eine Einlaufschicht - l--aus einer Blei-Zinn-Kupfer-Legierung mit 10% Zinn, 3% Kupfer, Rest Blei mit einer Dicke von 6jU und Brinell-Härte zwischen 4 und 9 kp/mm2 aufgebracht.
Diese Lagerausführung wurde mit herkömmlichen Dreistofflagern in Versuchen bei Lagerbelastungen von 500 und 700 kp/cm2 und öltemperaturen von etwa 120 und 1500C erprobt. Bei diesen sich jeweils über 250 Betriebsstunden erstreckenden Versuchen haben die erfindungsgemässen Lager eine wesentliche Überlegenheit gegenüber den herkömmlichen Dreistofflagern klar gezeigt. Währen bei den herkömmlichen Dreistofflagern Ermüdungsrisse in der galvanischen Bleischicht sichtbar waren, konnten bei den oben beschriebenen Lagern gemäss der Erfindung keine derartigen Risse beobachtet werden. Auch der Verschleiss war bei den Lagern gemäss der Erfindung ausserordentlich gering. Ferner wurde festgestellt, dass das Nachlassen der Vorspannung und der Spreizung dieser Lager ganz wesentlich vermindert war gegenüber den herkömmlichen Dreistofflagern.
(Unter
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Spreizung ist dabei zu verstehen, dass Lager-Halbschalen mit grösserem Durchmesser über die Grenzflächen als über den Scheitel gemessen ausgebildet werden.) Beim Einlegen einer Halbschale ist daher eine gewisse Spannung vorhanden, so dass die Halbschalen durch das Einlegen bereits in der Aufnahmebohrung haften. (Dies sichert den eiwandfreien Einbau von Gleitlagern und ist deshalb ausserordentlich wichtig bei Reparaturen bzw. Revisionen der Lager, z.
B. nach Versuchsläufen.)
Zum Verständnis der oben angeführten, durch die Erfindung erzielten vorteilhaften Wirkungen wird vermutet, dass die harte Laufschicht aus der Nickel-Zinn-Legierung trotz ihrer geringen Dicke auf Grund ihrer sehr hohen Festigkeit Veränderungen in der Laufschicht verhindert, die zu einer Ermüdung und daher zu Ausbröckelungen bzw. andern Veränderungen in der Laufschicht führen.
Ferner haben die Untersuchungen mit extrem dünner Einlaufschicht --1-- (zirka 21l) gezeigt, dass der auf dem Zapfen hervorgerufene Verschleiss, nachdem die harte Laufschicht freigelegt ist, ausserordentlich gering ist, u. zw. geringer als bei den herkömmlichen Dreistofflagern. Ausserdem zeigen die im Ausführungsbeispiel genannten Lager einen sehr guten Widerstand gegen Korrosion und Kavitation, ebenfalls günstiger als bei herkömmlichen Dreistofflagern.
An Stelle der Nickel-Zinn-Legierung kann auch eine andere Legierung hoher Festigkeit verwendet werden, sofern diese geeignete Gleiteigenschaften aufweist. Die Vickers-Härte bzw. die damit vergleichbare Mikro-Härte der Laufschicht-2-sollte aber mindestens 200 kp/mm2 betragen. Die Dicke der Laufschicht --2-- wurde im oben erläuterten Beispiel aus Herstellungsgründen zwischen 6 und 8 Il gewählt. Es ist jedoch durchaus
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bestehen. Es ist also möglich, als Lagermaterial bekannte Legierungen, beispielsweise Zinnbronzen, Blei-Zinn-Bronzen, aber auch für Lagerzwecke bekannte Aluminiumlegierungen bzw. auch Reinaluminium für die Zwischenschieht --4-- zu benutzen.
In diesen Fällen liegt die Brinell-Härte des Zwischenschichtmaterials
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Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines Gleitlageraufbaues, wie er ebenfalls im Rahmen der Erfindung denkbar ist. In diesem Beispiel ist eine harte Lagerlaufschicht-2-von etwa 0, 1 mm Dicke unmittelbar auf der Stützschale
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die Laufschicht-2-wie im Beispiel der Fig. 2 aus Nickel-Zinn-Legierung bestehen kann und eine Mikro-Härte (mit Vickers-Härte vergleichbar) zwischen etwa 600 und 900 kp/mm2 aufweisen kann. In solchem Fall ist noch immer die Härte der Laufschicht--2--erheblich grösser als die Härte der ihr unterlegten Stützschale-5-. Auf der Lagerlaufschicht --2-- ist auch in diesem Beispiel noch eine Einlaufschicht - l--angebracht, die in gleicher Weise ausgebildet sein kann wie im Beispiel der Fig. 2.
An Stelle der Stahlstützschale kann im zuletzt genannten Beispiel auch direkt der Maschinenteil verwendet werden. Es kann also z. B. eine harte Ni-Sn-Schicht galvanisch direkt in die Bohrung einer Pleuelstange eingebracht werden und darauf die Einlaufschicht. Ein Verzicht der Zwischenschicht aus Lagermetall zwischen dem Stahlkörper und der harten Laufschicht vermindert jedoch erheblich die Verträglichkeit des Lagers an Schmutzteilchen, die mit dem Ölstrom in den Lagerspalt gelangen können.
Die Herstellung der genannten harten Laufschichten ist keinesfalls auf galvanische Verfahren begrenzt, sondern auch andere Verfahren zum Aufbringen dünner Schichten, wie Aufdampfen, Spattering, usw. sind durchaus geeignet.
Alle in der Beschreibung, den Patentansprüchen und den Zeichnungen niedergelegten Merkmale des Erfindungsgegenstandes können für sich allein und in jeder denkbaren Kombination von wesentlicher Bedeutung für die Erfindung sein.
PATENTANSPRÜCHE :
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dass die Lagerlaufschicht (2) (erstes Overlay) als harte Schicht geringer Dicke ausgebildet und an ihrer der Lagerlauffläche abgewandten Seite mit einer Schicht (4 bzw. 5) aus einem Werkstoff wesentlich geringerer Härte unterlegt sowie an ihrer der Lagerlauffläche zugewandten Seite mit einer Einlaufschicht (1) (zweites Overlay) wesentlich geringerer Härte belegt ist.
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