AT391742B - Schichtwerkstoff fuer gleitlagerelemente mit antifriktionsschicht aus einem lagerwerkstoff auf aluminium-basis - Google Patents

Description

Nr. 391 742

Die Erfindung betrifft einen Schichtwerkstoff für Gleitlagerelemente, z. B. Radialgleitlager bzw. Axialgleitlager, bestehend aus einer metallischen Stützschicht und einer auf der Stützschicht angebrachten Antifriktionsschicht aus Lagerwerkstoff auf Aluminium-Basis, gegebenenfalls versehen mit einer aufgebrachten Bindungsschicht und Anpassungsschicht, wobei der Lagerwerkstoff eine nahezu homogene Aluminiumlegierung ist, die in dem Aluminium mit den üblichen Verunreinigungen, 1 bis 3 %, vorzugsweise 1,5 bis 2,5 %, Massenanteile Nickel, 0,5 bis 2,5 %, vorzugsweise 1 bis 2 %, Massenanteile Mangan und 0 bis 2 % Massenanteile Blei enthält und Hartteilchen aus Nickel und Mangan bzw. nickelhaltige und/oder manganhaltige Hartteilchen aufweisen kann, deren Teilchengröße im wesentlichen <5|im beträgt.

Ein aus DE-PS 35 19 452 bekannter Schichtwerkstoff dieser Art weist zwar hervorragende Lagerwerkstoffeigenschaften auf verbunden mit erhöhter dynamischer Belastbarkeit der aus solchem Lagerwerkstoff hergestellten Antifriktionsschicht. Jedoch hat sich in der Praxis herausgestellt, daß sich die Herstellung bzw. Verarbeitung dieses bekannten Schichtwerkstoffs gewisse Schwierigkeiten bei der spanenden Oberflächenbeafbeitung verursacht, beispielsweise durch Neigung zu Aufbauschneiden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, den eingangs genannten Schichtwerkstoff für Gleitlagerelemente hinsichtlich seiner Herstellbarkeit und Verarbeitbarkeit mit spanender Oberflächenbearbeitung wesentlich zu verbessern und dabei auch die Gleiteigenschaften, insbesondere die Notlaufeigenschaften des für die Antifriktionsschicht vorgesehenen Lagerwerkstoffs zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die den Lagerwerkstoff bildende Aluminiumlegierung einen Wismutzusatz zwischen 0,1 % und 2 % Massenanteile, vorzugsweise zwischen 0,8 % und 1,4 % Massenanteile enthält.

Durch die Erfindung werden die vorteilhaften Eigenschaften des bekannten Schichtwerkstoffs dieser Art, in bezug auf Dauerfestigkeit, Anpassungsfähigkeit und insbesondere Temperaturbeständigkeit der Antifriktionsschicht in vollem Umfang beibehalten. Darüberhinaus erhält durch die Erfindung die Antifriktionsschicht noch erhöhte Gleitfähigkeit und wesentlich verbesserte Notiaufeigenschaften. Vor allem wird aber erfindungsgemäß die Zerspanbarkeit der Lagerlegierung auf Aluminium-Basis mit Nickel und Mangangehalt wesentlich verbessert. Bei spanender Oberflächenbearbeitung ergeben sich kurze Späne, was bei Automatenweikstoffen Grundbedingung ist Zudem wird die Bildung von Aufbauschneiden verhindert.

Es ist zwar gemäß DE-PS 35 19 452 bereits in Betracht gezogen worden, die Zerspanbarkeit bei Anwendung niedriger Schnittgeschwindigkeiten durch geringe Bleizusätze zur Legierung zu verbessern. Jedoch haben diese Bleizusätze die Forderung offengelassen, die Zerspanbarkeit noch weiterhin zu verbessern.

Wie bei dem aus DE-PS 35 19 452 bekannten Schichtwerkstoff können · sofern der die Antifriktionsschicht bildende Lagerwerkstoff nicht vollständig homogen ist - Hartteilchen aus Nickel und Mangan oder nickelhaltige und manganhaltige Hartteilchen zugelassen werden, die im wesentlichen Teilchengröße < 5 pm aufweisen, wobei weniger als 5, bevorzugt höchstens 1 Teilchen mit Teilchengröße < 5 μιη in einem Volumenelement eines Würfels von 0,1 mm Kantenlänge vorhanden sein soll.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die den Lagerwerkstoff bildende Aluminiumlegierung als weiteren Zusatz Kupfer in Massenanteilen zwischen 0,02 % und 1,5 %, vorzugsweise zwischen 0,3 % und 0,8 % enthalten. Durch diesen Kupferzusatz wird die bei dem bekannten Lagerwerkstoff auf Aluminium-Basis mit Nickel- undManganzusatz vorhandene Mischkristallverfestigung noch dadurch verbessert, daß auch ternäre und quaternäre Phasen bzw. Mischkristallarten auftreten, die durch ihre Härte eine Steigerung der Festigkeitswerte der Al-Matrix bewirken. Als weiteren Vorteil bietet die AlNiMnBiCu-Legierung die Möglichkeit, durch die Wahl entsprechender Wärmebehandlungstemperaturen bzw. Wärembehandlungszyklen im Laufe ihrer Verarbeitung die Höhe der Festigkeitswerte nach Wahl und Erfordernis jedes Einsatzfalles gezielt zu steuern. Diese Steuerungsmöglichkeit beruht - soweit erkennbar - wahrscheinlich auf der Steuerung der Mischkristallübersättigung sowie der Größe und Menge der Ausscheidungen. Der Cu-Zusatz beeinträchtigt nicht die mit dem Bi-Zusatz erreichten Vorteile wie Verbesserungen der Zerspanbarkeit, erhöhte Gleitfähigkeit und verbesserte Notlaufeigenschaften. Vielmehr ergibt sich noch eine weitere Stabilisierung dieser Eigenschaften.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Balkendiagramm für die dynamische Belastbarkeit;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Schichtwerkstoffs in Form einer Gleitlagerhälfte;

Fig. 3 einen Teilschnitt entsprechend (ΙΠ-ΠΙ) der Figur 2; und

Fig. 4 einen Teilschnitt nach (ΙΠ-ΠΙ) der Figur 2 in abgewandelter Ausführung.

Bei dem in Figur 1 gezeigten Balkendiagramm handelt es sich um die Darstellung der dynamischen Belastbarkeit von Schichtwerkstoff mit Antifriktionsschicht auf Aluminium-Basis bezogen auf 200 Stunden. Die dynamische Belastbarkeit ist dabei zu ermitteln aus Restlastkurven von Underwood-Versuchen bei 150 °C. Die in Vergleich gesetzten Schichtwerkstoffe hatten einen Stützwerkstoff aus Stahl und eine Antifriktionsschicht, die durch Aufplattieren eines Blechs aus gegossener Aluminium-Legierung ggf. unter Zwischenlage einer Folie aus Reinaluminium auf die Stützschicht aufgebracht war.

Die im Balkendiagramm der Figur 1 in Vergleich gesetzten Schichtwerkstoffe sind wie folgt: (A): Stahl/AlNi2MnlBil, ohne Bindungsschicht und Anpassungsschicht. (Al): Stahl/AlNi2MnlBil mit 0,5 % Massenanteilen Cu, ohne Bindungsschicht und Anpassungsschicht. -2-

Nr. 391 742 (B) : Stahl/AlSn6, herkömmlich, ohne Bindungsschicht und Anpassungsschicht. (C) : Stahl/AlSn20, herkömmlich, ohne Bindungsschicht und Anpassungsschicht. (D) : Stahl/AlNi2MnlBil/Ni/PbSnlOCu2 (galv.) mit Ni-Bindungsschicht und PbSnlOCu2-Anpassungsschicht, beide galvanisch aufgebracht. (Dl): Stahl/AlNi2MnlBilCuO,5/Ni/PbSnlOCu2 (galv.), Ni-Bindungsschicht und PbSnlOCu2-Anpassungsschicht, beide galvanisch aufgebracht (E) : Stahl/AlSn6/Ni/PbSnlOCu2 (galv.), herkömmlich, mit Ni-Bindungsschicht und PbSnlOCu2-Anpassungsschicht, beide galvanisch aufgebracht

(F) : Stahl/AlZn5/Ni/PbSnlOCu2 (galv.), bekannter hochfester Al-Lagerwerkstoff, mit Ni-Bindungsschicht undPbSnlOCu2-Anpassungsschicht, beide galvanisch aufgebrachL

Wie das Balkendiagramm zeigt, läßt sich mit einem Schichtwerkstoff mit Stfitzschicht aus Stahl und Λ

Antifriktionsschicht aus AlNi2MnlBil eine dynamische Belastbarkeit von oberhalb 60 N/mm erreichen, bevor Risse in der Aluminiumschicht feststellbar sind. Eine solche Antifriktionsschicht aus AlNi2MnlBil ist hervorragend spanend bearbeitbar und zeichnet sich durch erhöhte Gleitfähigkeit und gegenüber bekannten Antifriktionsschichten wesentlich verbesserten Notlaufeigenschaften aus. Wie bei (Al) im Balkendiagramm gezeigt, läßt sich eine solche Antifriktionsschicht durch einen Kupferzusatz von 0,5 % Massenanteilen noch Λ dahingehend verbessern, daß eine dynamische Belastbarkeit von etwa 65 N/mm erreicht wird, bevor Risse in der Aluminiumschicht feststellbar sind.

Wie aus dem Teil (D) des Blockdiagramms ersichtlich, kann durch Anbringen einer Nickel-Bindungsschicht und einer PbSnlOCu2 Anpassungsschicht auf der Antifriktionsschicht eine dynamische Belastung von Gleitlagern noch in den Bereich der normalerweise auftietenden Gleitschichtermüdung erhöht werden, bis auf etwa 75 N/mm^, bis Ermüdungsrisse in der Aluminiumschicht feststellbar sind. Auch im Fall des Schichtwerkstoffes, auf den sich der Teil (D) des Balkendiagramms bezieht läßt sich noch eine Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit erreichen, und zwar durch die Zugabe von 0,5 % Massenanteilen Cu zu der AlNi2MnlBil-Legierung. Wie der Teil (Dl) des Balkendiagramms erkennen läßt, kann man auf diese Weise dynamische Belastbarkeit des Schichtwerkstoffs bis zu 80 N/mm^ erreichen, bevor Ermüdungsrisse in der Aluminiumschicht feststellbar sind. Dabei zeichnen sich die den Teilen (D) und (Dl) des Blockdiagramms entsprechenden Schichtwerkstoffe zusätzlich durch wesentlich verbesserte Zerspanbarkeit des die Antifriktionsschicht bildenden Lagerwerkstoffs sowie erhöhte Gleitfähigkeit und verbesserte Notlaufeigenschaften aus. Solche verbesserten Eigenschaften und Werte für dynamische Belastbarkeit lassen sich mit den herkömmlichen, für mittlere Belastbarkeit vorgesehenen Gleitlagerwerkstoffen auf Aluminium-Basis nicht erreichen, wie dies die Beispiele (B), (C) und (E) für AlSn6 und AlSn20 mit oder ohne Anpassungsschicht zeigen. Die dynamische Belastbarkeit von Gleitlagern mit Antifriktionsschicht aus gegossener AlNi2MnlBil-Lagerlegierung kommt bereits an die Größenordnung heran, wie sie bisher nur bei hochfesten Aluminium-Lagerwerkstoffen bekannt ist, beispielsweise dem in Beispiel (F) wiedergegebenen Lagerwerkstoff mit Antifriktionsschicht ans gegossener AlZn5-Legierung. Die dynamische Belastbarkeit von Gleitlagern mit Antifriktionsschicht aus gegossener AlNi2MnlBil-Lagerlegierung mit Kupferzusatz zwischen 0,02 % und 1,5 % Massenanteilen läßt bereits diese Größenordnung erreichen. Dabei liegt der ermüdungsfreie Lauf bei einer Antifriktionsschicht aus AlNi2MnlBil-Lagerlegierung mit 0,5 % Massenanteilen Kupfer noch oberhalb des ermüdungsfreien Laufes einer Antifriktionsschicht aus gegossener AlZn5-Legierung, wenn bei beiden Antifriktionsschichten gleiche Anpassungsschicht vorgesehen wird. Dabei kann die bekannte gegossene AlZn5-Legierung nicht ohne die Anpassungsschicht eingesetzt werden und weist hinsichtlich anderer Lagerwerkstoff-Eigenschafien, wie Beständigkeit gegen Festfressen, Verschleißfestigkeit usw. wesentlich ungünstigere Eigenschaften auf als diejenigen, die für die Lagerlegierungen auf Aluminium-Basis mit angegebenen geringen Zusätzen an Mangan, Nickel und Wismut sowie ggf. Kupfer gefunden wurden.

Die Figuren 2 bis 4 zeigen die Anwendung des Schichtwerkstoffs für Lagerschalen, d. h. aus zwei Gleitlagerhälften zusammengesetzte Gleidager.

Bei dem in Figur 3 wiedergegebenen Gleitlager ist ein metallischer Stützkörper (1) aus Stahl vorgesehen. Auf diesen Stützkörper (1) ist eine Antifriktionsschicht (2) in der Dicke von 0,2 mm bis 0,5 mm aus AlNi2MnlBil durch Walzplattieren direkt aufgebracht. Diese Antifriktionsschicht (2) ist durch elektrochemisches Plattieren, d. h. auf galvanischem Wege, mit einer dünnen Nickelschicht (3) belegt, die eine Dicke von 0,001 bis 0,002 mm aufweisen kann. Über diese Bindungsschicht (3) aus Nickel ist auf galvanischem Wege eine Anpassungsschicht (4) aus Weißmetall-Lagerlegierung der Zusammensetzung PbSnl0Cu2 in einer Dicke von 0,05 bis 0,1 mm aufgebracht. Die Gesamtheit des Schichtwerkstoffs ist von einer vorzugsweise galvanisch aufgebrachten Korrosionsschutzschicht (5) aus Zinn oder Zinn-Blei-Legierung umgeben. Es handelt sich hierbei um einen dünnen Flash, der auf der Oberfläche der Anpassungsschicht (4) kaum in Erscheinung tritt, aber insbesondere im Bereich der Stützschicht (1) einen wirksamen Korrosionsschutz bietet

Im Beispiel der Figur 4 ist die metallische Stützschicht (1) selbst als Schichtwerkstoff ausgebildet, und zwar mit einer Stahlschicht (7) und einer Zwischenschicht (8) mit Notlaufeigenschaften, beispielsweise aus Bleibronze oder Zinnbronze. Beispielsweise könnte auch eine Zwischenschicht (8) aus AlZn5 benutzt werden. Auf diese Zwischenschicht (8) ist eine dünne Nickelschicht (9) (0,001 mm bis 0,002 mm Dicke) durch Kathodenzerstäubung als Diffusionssperre aufgebracht. Über diese Nickelschicht (9) ist durch -3-

Claims (2)

1. Nr. 391 742 Kathodenzerstäubung, vorzugsweise Hochleistungs-Kathodenzerstäubung, unter Anwendung von Magnetfeldern die Antifriktionsschicht (6) aus Aluminium-Nickel-Mangan-Wismut-Kupfer-Legierung mit 2,5 % Massenanteilen Nickel, 2 % Massenanteilen Mangan, 1,2 % Massenanteilen Wismut und 0,5 % Massenanteilen Kupfer, Rest Aluminium aufgebracht. Wenngleich diese Antifriktionsschicht (6) keiner mechanischen Oberflächenbearbeitung bedarf, also eine verbesserte Zerspanbarkeit des Lagerwerkstoffes nicht in Betracht zu ziehen ist, kommt in diesem Fall der Antifiriktionsschicht die durch die Wismutzugäbe erzielte Erhöhung der Gleitfahigkeit und Verbesserung der Notlaufeigenschaften zugute. Die Antifriktionsschicht (6) ist in diesem Beispiel wiederum überdeckt mit einer dünnen (0,001 mm bis 0,002 mm dicken), durch Kathodenzerstäubung aufgebrachten Bindungsschicht (3), auf der wiederum eine Einlaufschicht oder Anpassungsschicht (4) aus Weißmetall-Lagerlegierung in einer Dicke von etwa 0,02 mm bis 0,03 mm durch Kathodenzerstäubung aufgebracht ist. Für das Aufbringen dieser Schichten kommen Kathodenzerstäubungs-Beschichtungsmethoden in Betracht, wie sie beispielsweise aus dem Aufsatz von Hartmut Frey "Kathodenzerstäuben, Beschichtungsmethode mit Zukunft", VDI-Zeitung 123 (1981), Nr. 12, Seiten 519 bis 525 bekannt sind. Anstelle der Benutzung von Kathodenzerstäubungs-Beschichtungsmethoden könnten die Antifriktionsschicht, die Bindungsschicht und die Anpassungsschicht sowie vorgesehene Diffusionssperrschichten auch durch Vakuumbedampfen oder auf galvanischem Wege aufgebracht werden. PATENTANSPRÜCHE 1. Schichtwerkstoff für Gleitlagerelemente, z. B. Radialgleitlager bzw. Axialgleitlager, bestehend aus einer metallischen Stützschicht und einer auf der Stützschicht angebrachten Antifiriktionsschicht aus Lagerwerkstoff auf Aluminium-Basis, ggf. versehen mit einer aufgebrachten Bindungsschicht und Anpassungsschicht, wobei der Lagerwerkstoff eine nahezu homogene Aluminiumlegierung ist, die in dem Aluminium mit den üblichen zulässigen Verunreinigungen 1 bis 3 %, vorzugsweise 1,5 bis 2,5 %, Massenanteile Nickel, 0,5 bis 2,5 %, vorzugsweise 1 bis 2 %, Massenanteile Mangan und 0 bis 2 % Massenanteile Blei enthält und Hartteilchen aus Nickel und Mangan bzw. nickelhaltige und/oder manganhaltige Hartteilchen aufweisen kann, deren Teilchengröße im wesentlichen < 5 μιη beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß die den Lagerwerkstoff bildende Aluminiumlegierung einen Wismutzusatz zwischen 0,1 % und 2 %, vorzugsweise zwischen 0,8 % und 1,4 %, Massenanteilen enthält
2. 2. Schichtwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Lagerwerkstoff bildende Aluminiumlegierung als weiteren Zusatz Kupfer in Massenanteilen zwischen 0,02 % und 1,5 %, vorzugsweise zwischen 0,3 % und 0,8 %, enthält. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen -4-