DD296994A5

DD296994A5 - Schichtwerkstoff fuer gleitlagerelemente mit antifriktionsschicht aus einem lagerwerkstoff auf aluminiumbasis

Info

Publication number: DD296994A5
Application number: DD90338242A
Authority: DD
Inventors: Peter Neuhaus; Albert Roth; Michael Steeg
Original assignee: ��`��k��
Priority date: 1989-03-01
Filing date: 1990-02-28
Publication date: 1991-12-19
Also published as: US4973523A; FR2643955A1; IT1238055B; KR0168419B1; CZ284537B6; UA12837A; GB9004061D0; IT9019321A0; ATA47590A; LT3504B; LTIP1491A; IT9019321A1; AT394826B; GB2228743B; KR900014780A; RU1813112C; GEP19970672B; PL161551B1; SK279486B6; JPH0344439A

Abstract

Schichtwerkstoff fuer Gleitlagerelemente mit Antifriktionsschicht aus einem Lagerwerkstoff auf Aluminiumbasis. Bei einem Schichtwerkstoff fuer Gleitlagerelemente, der auf einer metallischen Stuetzschicht eine Antifriktionsschicht aus einer Aluminiumlegierung aufweist, die in dem Aluminium mit den ueblichen zulaessigen Verunreinigungen Zusaetze aus 1 bis 3 * Nickel, 0,5 bis 2,5 * Mangan und 0,02 bis 1,5 * Kupfer enthaelt, wird ein Zinnzusatz zwischen 0,5 und 20 * vorgesehen. Es ergibt sich eine Matrix 20 aus AlNiMnCu-Mischkristallen 21 mit eingelagerten Hartteilchen 22, sowie eine Zinnphase in Form von in der Matrix dispergierten Zinnteilchen 23. Durch diesen Zinnzusatz werden stoerungsfreier Lauf am Gleitlagerelement auch bei hoeherer Geschwindigkeit, z. B. Drehzahlen oberhalb 6 000 Umdrehungen pro Minute einer gelagerten Welle, verminderte Reibung und verbesserte Notlaufeigenschaften erreicht. Anstelle des Zinnzusatzes kann auch ein Bleizusatz zwischen 1 und 10 * vorgesehen werden, wenn dies im Einzelfall zweckmaeszig oder erforderlich ist. Bevorzugt ist die Antifriktionsschicht mit einer Bindungsschicht als Aluminium oder Weichmetall-Phase freier Aluminiumlegierung zu unterlegen, insbesondere wenn die Stuetzschicht aus Stahl besteht. Fig. 6{Schichtwerkstoff; Gleitlagerelemente; Antifriktionsschicht; Lagerwerkstoff; Aluminiumbasis; Stuetzschicht; Nickel-, Mangan-, Blei- und Kupferzusatz; Hartteilchen; Radial- bzw. Axial-Gleitlager}

Description

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs genannten Schichtwerkstoff für Gleitlagerelemente über die schon bestehende Güte der Notlauf- und Antifestfressungseigenschaften hinaus zu verbessern, daß neben der hohen dynamischen Belastbarkeit auch die hohen Anforderungen bezüglich verbesserter Reibungseigenschaften erfüllt werden. Insbesondere sollen diese Eigenschaften auch bei erhöhten Drehzahlen der gelagerten Wellen erreicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die den Lagerwerkstoff bildende Aluminiumlegierung eine Dispersionslegierung mit einem Zinnzusatz zwischen 0,5 und 20Gew.-%, vorzugsweise zwischen 5 und 15Gew.-%, mit Matrix aus Aluminium-Nickel-Mangan-Kupfer-Legierung und mit dem Zinn als in dieser Matrix dispergierter Ausscheidung ist, wobei die Hartteilchen in einer Menge von etwa 20 bis 30% —bezogen auf das Gewicht der Matrix-Legierung- und lokalisiert vorwiegend an den Korngrenzen der Aluminium-Nickel-Mangan-Kupfer-Mischkristalle in der Matrix und teilweise auch im Bindungsbereich zwischen der Matrix und den Zinn-Ausscheidungen

Durch das Zusammenwirken von:

- in der Matrix dispergieren Weichmetallphasen (Zinn oder Blei)

- in die Matrix eingelagerten Hartteilchen und

- Kupferzusatz in der AINiMn-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 15Gew.-%, bei der die Aluminiumlegierung den Charakter einer Aluminium/Zinn-Dispersionslegierung hat. Zudem wird durch die Zusätze an Kupfer, Nickel und Mangan eine verbesserte Mischkristallverfestigung 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 10Gew.-%, 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 AIu mi nium matrix 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 Al NiMnCu-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.

In Abwandlung der Erfindung kann die den Lagerwerkstoff bildende Aluminiumlegierung anstelle des Zinnzusatzes einen Bleizusatz von 1 Gew.-%bis 10Gew.-%, vorzugsweise zwischen 1 und 5Gew.-%, aufweisen. Durch den Bleizusatz werden vergleichbare Vorteile erreicht, wie sie oben in Verbindung mit dem Zinnzusatz erläutert sind. Es läßt sich daher der erfindungsgemäße Schichtwerkstoff auch durch die Wahl eines Bleizusatzes anstelle des Zinnzusatzes abwandeln, wenn dies im Einzelfall als notwendig oder zweckmäßig erscheint.

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

Ausführungsbeispiel

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

Fig. 1: ein Balkendiagramm für die dynamische Belastbarkeit;

Fig. 2: ein Balkendiagramm für die erreichbaren Drehzahlen einer Welle in störungsfreiem Lauf;

Fig. 3: eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Schichtwerkstoffes in Form einer Gleitlagerhälfte;

Fig.4: einen Teilschnitt entsprechend IV-IV der Figur 3;

Fig. 5: einen vergrößerten Teilausschnitt V-V der Figur 4 und

Fig. 6: eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des Ausschnittes Vl-Vl 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 Aluminiumbasis, 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/AINi2Mnl

Al: Stahl/AINi2MnlmitCu-Zusatz(0,5Gew.-%)

B: Stahl/AI/AINiaMnlCu 0,5mitSn-Zusatz(10Gew.-%).

Wie das Balkendiagramm der Figur 1 (Teil A) zeigt, läßt sich mit einem Schichtwerkstoff mit Stützschicht aus Stahl und Antifriktionsschicht aus AINi2Mnl eine dynamische Belastbarkeit von etwa 60 N/mm² erreichen. Erhält die Aluminiumlegierung noch einen Kupferzusatz von beispielsweise 0,5 Gew.-%, so läßt sich die dynamische Belastbarkeit auf Werte zwischen 60 und 70 N/mm², beispielsweise etwa 65 N/mm², erhöhen (Teil Al). Wie der Teil B des Balkendiagramms zeigt, wird mit einer Aluminiumlegierung AINi2Mnl mit Kupferzusatz von 0,5Gew.-% und Zinnzusatz von 10Gew.-%etwa gleiche dynamische Belastbarkeit erreicht wie mit einer Aluminiumlegierung AINi2Mnl mit Cu-Zusatzvon 0,5 Gew.-%, obwohl nunmehr eine Aluminium/Zinn-Dispersionslegierung mit AINi2MmlCuO,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 der Figur 2 zeigt, sind jedoch die bei gleichbleibender dynamischer Belastbarkeit in störungsfreiem Lauf erreichbaren Drehzahlen eines Lagerzapfens bzw. einer gelagerten Welle von der 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. Darüber hinaus weist die Legierung B auch noch weitere verbesserte Lagerwerkstoff-Eigenschaften auf, die aus den 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 eine metallische Stützschicht 11 aus Stahl vorgesehen. Auf dieser Stützschicht 11 ist unter Zwischenlage einer Bindungsschicht 13 eine Antifriktionsschicht 12 in der Dicke von 0,2 mm bis 0,5mm 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 obengenannten Legierung B, nämlich AINi2Mn1CuO,5 mit einem Zinnzusatz von 10Gew.-% gebildet. Die Gesamtheit des Schichtwerkstoffes bzw. der Gleitlagerschale 10 ist von einer vorzugsweise galvanisch aufgebrachten Korrosionsschicht aus Zinn oder Zinn/Blei Legierung umgeben. Es handelt sich hierbei um einen dünnen Flash 14, derauf der Oberfläche der Antifriktionsschicht 12 I· >um in Erscheinung tritt, aber insbesondere im Bereich der Stützschicht 11 einen wirksamen Korrosionsschutz bietet. Wie Figur5 zeigt, bildet AINi2Mn1CuO,5 mit Sn-Zusatz von 10Gew.-%eine Dispersionslegierung, bei der die ausgeschiedenen Zinnteilchen 23 dunkel in der kristallisierten Matrix 20 aus AINi2Mn1CuO,5 erscheinen. Die Einbindung dieser ausgeschiedenen Zinnteilchen 23 in die AINi2Mn1CuO,5-Matrix läßt sich in der rasterelektronenmikroskopischen Aufnahme der Figur 6 deutlicher erkennen. Dabei sind in dieser Aufnahme auch Hartteilchen 22 an den AINi2Mn1Cu0,5-Kristalle 21 der Matrix 20, insbesondere an den Korngrenzen, erkennbar, wobei an den in Figur 6 hell erscheinenden 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 ausgeschiedenen 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 eine verbesserte Bindung der Zinnphase zu den Bindungsbereichen 24 der Matrix-Kristalle 21. Es ist daher eine verbesserte Bindung zwischen den Matrix-Kristallen 21 und den Zinnteilchen 23 an diesen 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 dienenden freien Oberfläche der Antifriktionsschicht 12 in der Art eines ersten Festschmiermittels beim Einlaufen wirken und dabei eventuelle Unebenheiten in der Oberfläche der Antifriktionsschicht 12 aus Aluminiumlegierung bzw. Aluminium-Dispersionslegierung ausgleichen, soweit nicht das Zinn überhaupt in die Antifriktionsschicht 12 eindiffundiert.

Claims

1. 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 Gew.-%, vorzugsweise 1,5 bis 2,5 Gew.-%, Nickel, 0,5 bis 2,5 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 2 Gew.-%, Mangan und 0,02 bis 1,5Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,8Gew.-%, 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 < 5μηη vorliegen, und zwar weniger als 5, bevorzugt höchstens 1, Hartteilchen mit Teilchengröße < 5цт in einem Volumenelement eines Würfels von 0,1 mm Kantenlänge vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die den Lagerwerkstoff bildende Aluminiumlegierung einer Dispersionslegierung mit einem Zinnzusatz zwischen 0,5 und 20Gew.-%, vorzugsweise zwischen 5 und 15Gew.-%, mit Matrix (20) aus Aluminium-Nickel-Mangan-Kupfer-Legierung und mit dem Zinn als in dieser Matrix (20) dispergierter Ausscheidung (23) ist, wobei die Hartteilchen in einer Menge von etwa 20 bis 30%-bezogen auf das Gewicht der Matrix-Legierung-und lokalisiert vorwiegend an den Korngrenzen der Aluminium-Nickel-Mangan-Kupfer-Mischkristalle (21) in der Matrix (20) und teilweise auch im Bindungsbereich (24) zwischen der Matrix (20) und den Zinn-Ausscheidungen (23) vorliegen.

2. Schichtwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Lagerwerkstoff bildende Aluminiumlegierung anstelle des Zinnzusatzes einen Bleizusatz von 1 Gew.-% bis 10Gew.-%, vorzugsweise zwischen 1 und 5 Gew.-%, aufweist, der als Ausscheidung in der Matrix (20) dispergiert ist.

3. Schichtwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der aus der Aluminiumlegierung gebildeten Antifriktionsschicht (12) und der Stützschicht (11), insbesondere einer Stützschicht aus Stahl, einer Bindungsschicht (13) aus Reinaluminium oder aus einer von ausgeschiedenen Zinnteilchen und ausgeschiedenen Bleiteilchen freien Aluminiumlegierung vorgesehen ist.

Hierzu

4 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Schichtwerkstoff für Gleitlagerelemente mit Antifriktionsschicht aus einem Lagerwerkstoff auf Aluminiumbasis, z. B. Radial- bzw. Axial-Gleitlager, bestehend aus einer metallischen Stützschicht und einer auf der Stützschicht angebrachten Antifriktionsschicht au s Lagerwerkstoff auf Aluminium-Basis, wobei der Lagerwerkstoff eine Aluminium legierung mit 1 bis 3Gew.-%, vorzugsweise 1,5 bis 2,5Gew.-%, Nickel 0,5 bis 2,5Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 2Gew.-%, Mangan und 0,02 bis 1,5Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0,3 bis 0,8 Gew.-%, 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 s 5pm vorliegen, und zwar weniger als 5, bevorzugt höchstens 1, Hartteilchen mit Teilchengröße :£ 5μ(η in einem Volumenelement eines Würfels von 0,1 mm Kantenlänge vorhanden sind.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Ein aus der DE-PS 3640328 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 Teile, 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 Aluminium legierungen mit Gehalten zwischen 0,6 und 10% Kupfer und 0,5 und 8% Blei bekannt, bei welchen das Blei ganz oderteilweise durch Wismut oder Zinn ersetzt sein kann. Bei diesen bekannten Legierungen fehlt die Bildung von Hartteilchen 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.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Verbesserung der Notlauf- und Antifestfressungseigenschaften der Schichtwerkstoffe für Gleitlagerelemente bei gleichzeitiger hoher dynamischer Belastbarkeit und erhöhten Drehzahlen der Wellen.