AT394826B - Schichtwerkstoff fuer gleitlagerelemente mit antifriktionsschicht aus einem lagerwerkstoff auf aluminiumbasis - Google Patents

Description

AT 394 826 B

Die Erfindung betrifft einen Schichtwerkstoff für Gleitlagerelemente, z. B. Radial- bzw. Axial-Gleitlager, bestehend aus einer metallischen Stützschicht und einer auf der Stützschicht angebrachten Antifriktionsschicht aus Lagerwerkstoff auf Aluminiumbasis, wobei der Lagerwerkstoff eine Aluminiumlegierung mit 1 bis 3 Masse-%, vorzugsweise 1,5 bis 23 Masse-%, Nickel, 0,5 bis 2,5 Masse-%, vorzugsweise 1 bis 2 Masse-%, Mangan und 0,02 bis 1,5 Masse-%, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,8 Masse-%, Kupfer und Aluminium mit den üblichen zulässigen Verunreinigungen ist und in dem Lagerwerkstoff vorhandene Hartteilchen aus Nickel und Mangan bzw. nickelhaltige und/oder manganhaltige Hartteilchen im wesentlichen in Teilchengröße < 5 pm vorliegen, und zwar weniger als 5, bevorzugt höchstens 1, Hartteilchen mit Teilchengröße < 5 pm in einem Volumenelement eines Würfels von 0,1 mm Kantenlänge vorhanden sind.

Ein aus DE-PS 36 40 328 bekannter Schichtwerkstoff dieser Art weist zwar hervorragende Lagerwerkstoffeigenschaften auf, verbunden mit erhöhter dynamischer Belastbarkeit der aus solchem Lagerwerkstoff hergestellten Antifriktionsschicht. Jedoch ergeben sich in der Praxis zunehmend erschwerte Betriebsbedingungen durch weitere Leistungssteigerung der die Gleitlagerelemente enthaltenden Maschinen, insbesondere Verbrennungskraftmaschinen, sowie erhöhte Drehzahlen der gelagerten Wellen, Verringerung der Masse der bewegten Teüe, Verringerung der Toleranzen zwischen den gleitenden Teilen und dadurch bedingten geringeren Öldurchsatz und Verringerung der Schmierfilmdicken, so daß die hoch belasteten Gleitlager länger im Mischreibungsgebiet laufen.

Aus der bekanntgemachten deutschen Patentanmeldung W 1271 (bekanntgemacht am 27.09.1951) sind Aluminiumlegierungen mit Gehalten zwischen 0,6 und 10 % Kupfer und 0,5 und 8 % Blei bekannt, bei welchen das Blei ganz oder teilweise durch Wismut oder Zinn ersetzt sein kann. Bei diesen bekannten Legierungen fehlt die Bildung von Hartstoffteilchen auf der Basis von Nickel und Mangan in der Aluminiumbasis und damit das vorteilhafte Zusammenwirken solcher Hartstoffteilchen mit in der Matrix dispergiertem Zinn oder Blei.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, den eingangs genannten Schichtweikstoff für Gleitlagerelemente über die schon bestehende Güte der Notlauf- und Antifestfressungs-Eigenschaften hinaus zu verbessern, daß neben der hohen dynamischen Belastbarkeit auch die hohen Anforderungen bezüglich verbesserter Reibungseigenschaften erfüllt werden. Insbesondere sollen diese verbesserten Eigenschaften auch bei erhöhten Drehzahlen der gelagerten Welle erreicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die den Lagerwerkstoff bildende Aluminiumlegierung eine Dispersionslegierung mit Matrix (20) aus Aluminium-Nickel-Mangan-Kupfer-Legierung und dispergierter Ausscheidung (23) aus Zinn oder Blei ist, wobei der Zinnzusatz 03 bis 20 Masse-%, vorzugsweise 5 bis 15 Masse-% bzw. der Bleizusatz 1 bis 10 Masse-%, vorzugsweise 1 bis 5 Masse-%, ausmacht, daß die Hartteilchen in einer Menge von etwa 20 bis 30 % - bezogen auf die Masse der Matrix-Legierung - und lokalisiert vorwiegend an den Komgrenzen der Aluminium-Nickel-Mangan-Kupfer-Mischkristalle in der Matrix und teilweise auch im Bindungsbereich zwischen der Matrix und den Ausscheidungen vorliegen.

Durch das Zusammenwirken von: - in der Matrix dispergierten Weichmetallphasen, (Zinn oder Blei) - in die Matrix eingelagerten Hartteilchen und - Kupferzusatz in der AlNiMn-Matrix wird besonders wirksam ermüdungsfreier Lauf von aus erfindungsgemäßem Schichtwerkstoff hergestellten Gleitlagerelementen bis zu Drehzahlen zwischen 6500 und 7000 Umdrehungen pro Minute erreicht. Es kann angenommen werden, daß für dieses Zusammenwirken einerseits die durch die Hartteilchen und den Kupferzusatz erheblich erhöhte Festigkeit und Abriebfestigkeit der Matrix auf Aluminiumbasis und andererseits der in der Matrix dispergierte Anteil an Zinn oder Blei maßgeblich sind. Der Zusatz von Zinn oder Blei hat außerdem eine wesentliche Verbesserung der Gleiteigenschaften der Antifriktionsschicht zur Folge. Dies gilt insbesondere für den bevorzugten Zinnzusatz in der Größe zwischen 5 und 15 Masse-%, bei der die Aluminiumlegierung den Charakter einer Aluminium/Zinn-Dispersionslegierung hat. Zudem wird durch die Zusätze an Kupfer, Nickel und Mangan eine verbesserte Mischkrismilverfestigung hervorgerufen, einerseits durch das Auftreten von ternären und quaternären Phasen bzw. Mischkristallarten, sowie durch verbesserte Bindung des Zinnzusatzes bzw. Bleizusatzes zum Aluminium bzw. der Zinnphase bzw. der Bleiphase zur Aluminiummatrix, da insbesondere Kupfer sowohl in Aluminium als auch in Zinn lösbar ist. Dabei ist es insbesondere bei der bevorzugten Menge des Zinnzusatzes zwischen 5 und 10 Masse-%, d. h. der Bildung von Aluminium/Zinn-Dispersionslegierung von Bedeutung, daß Nickel und Mangan auch mit Zinn Mischkristalle und intermetallische Verbindungen zu bilden vermögen. Es wird dadurch eine Aluminium/Zinn-Dispersionslegierung geschaffen, die in der Aluminiummatrix sehr fein verteilte Hartteilchen enthält und durch die Affinität von Nickel zu Zinn und von Mangan zu Zinn, bezüglich der Bindung zwischen der Aluminiummatrix und der Zinnphase wesentlich verbessert ist.

Als weiteren Vorteil bietet die erfindungsgemäß mit Zinnzusatz versehene AlNiMnCu-Legierung die Möglichkeit, durch die Wahl entsprechender Wärmebehandlungstemperaturen bzw. Wärmebehandlungszyklen im Lauf ihrer Verarbeitung die Höhe der Festigkeitswerte nach Wahl und Erfordernis jedes Einzelfalles gezielt zu steuern. Diese Steuerungsmöglichkeit beruht - soweit erkennbar - wahrscheinlich auf der Steuerung der Mischkristallübersättigung sowie der Größe und Menge der Ausscheidungen.

Der Zinnzusatz ergibt zusätzlich zur verbesserten Gleitfähigkeit eine verbesserte Notlaufeigenschaft des Lagerwerkstoffs, wobei der Kupferzusatz in diesem funktionellen Zusammenwirken der Legierungszusätze auch noch als Stabilisator für die erzielten Eigenschaften wirkt. -2-

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Durch einen Bleizusatz werden vergleichbare Vorteile erreicht, wie sie oben in Verbindung mit dem Zinnzusatz erläutert sind. Der erfindungsgemäße Schichtwerkstoff kann daher auch einen Bleizusatz anstelle des Zinnzusatzes aufweisen, wenn dies im Einzelfall notwendig oder zweckmäßig erscheint

In besonders vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der aus der Aluminium/Weichmetall-Dis-persionslegierung gebildeten Antifriktionsschicht und der Stützschicht insbesondere einer Stützschicht aus Stahl, eine Bindungsschicht aus Reinaluminium oder aus einer von ausgeschiedenen Zinnteilchen und ausgeschiedenen Bleiteilchen freien Aluminiumlegierung vorgesehen. Hiedurch wird die Bindung zwischen der Antifriktionsschicht und der Stützschicht insbesondere einem Stahlrücken, wesentlich verbessert

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigen:

Figur 1 ein Balkendiagramm für die dynamische Belastbarkeit

Figur 2 ein Balkendiagramm für die erreichbaren Drehzahlen einer Welle in störungsfreiem Lauf;

Figur 3 eine perspektivische Darstellung des erfmdungsgemäßen Schichtwerkstoffes in Form einer Gleitla-gerhälfte;

Figur 4 einen Teilausschnitt entsprechend (IV-IV) der Figur 3;

Figur 5 einen vergrößerten Teilausschnitt (V-V) der Figur 4 und

Figur 6 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des Ausschnittes (VI-VI) der Figur 5.

Bei dem in Figur 1 gezeigten Balkendiagramm handelt es sich um die Darstellung der dynamischen Belastbarkeit von Schichtwerkstoff mit Antifriktionsschicht aus Lagerwerkstoff 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 gewalzten Blechs aus gegossener Aluminiumlegierung 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/AlNi2Mnl

Al: Stahl/AlNi2Mnl mit Cu-Zusatz (0,5 Masse-%) B: Stahl/Al/AlNi2MnlCu 0,5 mit Sn-Zusatz (10 Masse-%).

Wie das Balkendiagramm der Figur 1 (Teil A) zeigt, läßt sich mit einem Schichtwerkstoff mit Stützschicht aus Stahl und Antifriktionsschicht aus AlNi2Mnl eine dynamische Belastbarkeit von etwa 60 N/mm^ erreichen. Erhält die Aluminiumlegierung noch einen Kupferzusatz von beispielsweise 0,5 Masse-%, so läßt sich die dynamische Belastbarkeit auf Werte zwischen 60 und 70 N/mm^, beispielsweise etwa 65 N/mm^, erhöhen (Teil Al). Wie der Teil B des Balkendiagramms zeigt, wird mit einer Aluminiumlegierung AlNi2Mnl mit Kupferzusatz von 0,5 Masse-% und Zinnzusatz von 10 Masse-% etwa gleiche dynamische Belastbarireit erreicht, wie mit einer Aluminiumlegierung AlNi2Mnl mit Cu-Zusatz von 0,5 Masse-%, obwohl nunmehr eine Aluminium/Zinn-Dispersionslegierung mit AlNi2MnlCuO,5-Matrix und dispergierten Zinnteilchen vorliegt.

Jedoch ist die Aussagefähigkeit des Balkendiagramms gemäß Figur 1 nur unvollständig, da die dynamische Belastbarkeit aus Underwood-Versuchen ermittelt ist, die Betriebsbedingungen an der Lagerung einer Welle mit etwa 4000 Umdrehungen pro Minute entsprechen. Wie das Balkendiagramm da* Figur 2 zeigt, sind jedoch die bei gleichbleibender dynamischer Belastbarireit in störungsfreiem Lauf erreichbaren Drehzahlen eines Lagerzapfens bzw. einer gelagerten Welle von da* Zusammensetzung der als Lagerwerkstoff der Antifriktionsschicht benutzten Aluminiumlegierung in erheblichem Maße abhängig. Aus Figur 2 ist die Überlegenheit der untersuchten Legierung B gegenüber den Legierungen A und Al klar erkennbar. Es lassen sich mit einer Antifriktionsschicht aus der Legierung B Drehzahlen oberhalb 6500 in störungsfreiem Lauf erreichen. Darüberhinaus weist die Legierung B auch noch weitere verbesserte Lagerwerkstoff-Eigenschaften auf, die aus dar Balkendiagrammen der Figuren 1 und 2 nicht ohne weiteres erkennbar sind. Es handelt sich hierbei insbesondere um verbesserte Beständigkeit gegen Festfressen, verbesserte Verschleißfestigkeit, verbesserte Gleiteigenschaften (verminderte Reibung) und verbesserte Notlaufeigenschaften. Dabei ist eine Anpassungsschicht oder Einlaufschicht nicht mehr erforderlich. Die Figuren 3 bis 6 zeigen die Anwendung des Schichtwerkstoffs für Lagerschalen, d. h. aus zwei Gleitlagerhälften zusammengesetzte Gleitlager.

Bei dem in Figur 4 wiedergegebenen Teilschnitt einer in Figur 3 perspektivisch dargestellten Gleitlagerschale (10) ist ein metallischer Stützkörper (11) aus Stahl vorgesehen. Auf diesem Stützkörper (11) ist unter Zwischenlage einer Bindungsschicht (13) eine Antifriktionsschicht (12) in der Dicke von 0,2 mm bis 0,5 mm aufgebracht. Die Bindungsschicht (13) besteht im dargestellten Beispiel aus einer Reinaluminium-Folie. Es kommen jedoch auch Bindungsschichten aus Aluminiumlegierungen in Betracht, die jedoch frei sein sollen von ausgeschiedener Weichmetall-Phase. Die Antifriktionsschicht (12) ist im dargestellten Beispiel aus der oben genannten Legierung B, nämlich AlNi2MnlCuO,5 mit einem Zinnzusatz von 10 Masse-% gebildet. Die Gesamtheit des Schichtwerkstoffs bzw. da* Gleitlagerschale (10) ist von einer vorzugsweise galvanisch aufgebrachten Korrosionsschicht aus Zinn oder Zinn/Blei-Legierung umgeben. Es handelt sich hierbei um einen dünnen -3-

Claims (2)

1. AT 394 826 B Flash (14), d» auf der Oberfläche der Antifriktionsschicht (12) kaum in Erscheinung tritt, aber insbesondere im Bereich der Stützschicht (1) einen wirksam») Korrosionsschutz bietet Wie Figur 5 zeigt, bildet AlNi2MnlCuO,5 mit Sn-Zusatz von 10 Masse-% eine Dispersionslegierung, bei der die ausgeschiedenen Zinnteilchen (23) dunkel in der kristallisierten Matrix (20) aus AlNi2MnlCuO,5 erscheinen. Die Einbindung dieser ausgeschiedenen Zinnteilchen (23) in die AlNi2MnlCuO,5-Matrix (20) läßt sich in der rasterelektronenmikroskopischen Aufnahme der Figur 6 deutlicher erkennen. Dabei sind in dieser Aufnahme auch Hartteilchen (22) an den AlNi2MnlCu0,5-Kristalle (21) der Matrix (29), insbesondere an den Komgrenzen, eikennbar, wobei an den in Figur 6 hell »scheinend») Bindungsbereichen (24) der Matrix-Kristalle (21) zu den ausgeschiedenen Zinnteilchen (23) bevorzugt Mischkristallbereiche mit erhöhtem Gehalt an Kupfer, Nickel und Mangan anzunehmen sind, wobei auch die ausgeschieden») Zinnteilchen an ihren diesen Bindungsbereichen (24) benachbarten Bereichen Gehalte an Nickel, Zinn und Kupfer aufweisen können, die in Art von Mischkristallen oder intermetallischen Verbindungen vorliegen können. Durch die Affinitäten des Zinns zu Nickel und zu Mangan ergibt sich verbesserte Bindung der Zinnphase zu den Bindungsbereichen (24) der Matrixkristalle (21). Es ist daher eine verbess»te Bindung zwisch») den Matrixkristallen (21) und den Zinnteilchen (23) an dies») Bereichen (24) anzunehmen. Der in Figur 4 ersichtliche, insbesondere an der Stützschicht (11) als Korrosionsschutz wirkende Flash (14) aus Zinn oder Zinnbleilegierung kann an der als Gleitfläche dienend») freien Oberfläche der Antifriktionsschicht (12) in Art eines ersten Festschmiermittels beim Einlaufen wirken und dabei eventuelle Unebenheiten in der Oberfläche der Antifriktionsschicht (12) aus Aluminiumlegierung bzw. Aluminium-Dispersionslegierung aus-gleichen, soweit nicht das Zinn überhaupt in die Antifriktionsschicht (12) eindiffundiert. Bezugszeichenliste (10) Gleitlagerschale (11) Stützkörper (12) Antifriktionsschicht (13) Bindungsschicht (14) Flash, Korrosionsschicht (20) Matrix (21) AlNi2MnlCu 0,5-Kristalle (22) Hartteilchen (23) Zinnteilchen (24) Bindungsbereich PATENTANSPRÜCHE 1. Schichtwerkstoff für Gleitlagerelemente, z. B. Radial- bzw. Axial-Gleidager, bestehend aus ein» metallischen Stützschicht und einer auf d» Stützschicht angebrachten Antifriktionsschicht aus Lagerwerkstoff auf Aluminium-Basis, wobei der Lagerwerkstoff eine Aluminiumlegierung mit 1 bis 3 Masse.-%, vorzugsweise 1,5 bis 2,5 Masse-%, Nickel, 0,5 bis 2,5 Masse-%, vorzugsweise 1 bis 2 Masse-%, Mangan und 0,02 bis 1,5 Masse-%, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,8 Masse-%, Kupfer und Aluminium mit den üblichen zulässigen Verunreinigungen ist und in dem Lagerwerkstoff vorhandene Hartteilchen aus Nickel und Mangan bzw. nickelhaltige und/oder manganhaltige Hartteilchen im wesendichen in Teilchengröße <5 pm vorliegen, und zwar weniger als 5, bevorzugt höchstens 1, Hartteilchen mit Teilchengröße < 5 pm in einem Volumenelement eines Würfels von 0,1 mm Kantenlänge vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die den Lagerwerkstoff bildende Alumi-niumlegierung eine Dispersionslegierung mit Matrix (20) aus Aluminium-Nickel-Mangan-Kupfer-Legierung und dispergierter Ausscheidung (23) aus Zinn oder Blei ist, wobei der Zinnzusatz 0,5 bis 20 Masse-%, vorzugsweise 5 bis 15 Masse-% bzw. der Bleizusatz 1 bis 10 Masse-%, vorzugsweise 1 bis 5 Masse-%, ausmacht, daß die Hartteilchen in einer Menge von etwa 20 bis 30 % - bezogen auf die Masse der Matrix-Legierung - und lokalisiert vorwiegend an den Komgrenzen d» Aluminium-Nickel-Mangan-Kupfer-Mischkristalle (21) in d» Matrix (20) und teilweise auch im Bindungsbereich (24) zwischen der Matrix (20) und den Ausscheidungen (23) vorliegen.
2. 2. Schichtwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der aus der Aluminiumlegierung gebildeten Antifriktionsschicht (12) und der Stützschicht (11), insbesondere einer Stützschicht aus Stahl, eine Bindungsschicht (13) aus Reinaluminium oder aus einer von ausgeschiedenen Zinnteilchen und ausgeschiedenen Bleiteilch»! freien Aluminiumlegierung vorgesehen ist. Hiezu 4 Blatt Zeichnungen -4-