DE1001871B

DE1001871B - Verfahren zur Herstellung von Gleitlagern mit vorzugsweise galvanisch aufgebrachten Schichten

Info

Publication number: DE1001871B
Application number: DEG13534A
Authority: DE
Inventors: Peter Garnett Forrester
Original assignee: Glacier Metal Co Ltd
Current assignee: Federal Mogul Engineering Ltd
Priority date: 1953-01-16
Filing date: 1954-01-15
Publication date: 1957-01-31
Also published as: GB733212A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Gleitlagern mit einer Stahlunterlage, einer Zwischenschicht aus Zink oder Zinklegierung und einer Deckschicht aus weichem Lagermetall.

Es ist bekannt, daß Lager, die mit verhältnismäßig dickem Futter aus Legierungen auf Zinn- oder Bleibasis versehen sind, unter starken Belastungsbedingungen einem Versagen durch Ermüdung unterworfen sind und daß die Ermüdungsfestigkeit durch Verringerung der Dicke des Futters auf die Größenordnung von einigen Hundertstel Millimetern beträchtlich erhöht werden kann. Lagern mit solchem äußerst dünnem Futter fehlt jedoch das Vermögen, Abweichungen von der geraden Richtung durch plastischen Fluß auszugleichen, und auch das Vermögen, kleine Abriebteilchen in dem Schmiermittel zuzulassen. Bei einer sehr dünnen Auskleidung, die unmittelbar an eine Unterlage aus Stahl oder anderem Material gebunden ist, besteht auch die Gefahr, daß die Auskleidung sich abnutzen und die Unterlage freilegen kann und so Anlaß zu einem Furchen oder Ritzen des Lagers gibt.

Um dieses Problem zu lösen, sind verschiedene dünnwandige Trimetallager entwickelt worden, welche zwischen der Unterlage und der Auskleidung eine Zwischenschicht aus einem Material mit dazwischenliegenden Eigenschaften haben. Für diesen Zweck benutzte Zwischenschichtmaterialien schließen Blei-Bronze-, Kupfer-Blei-, Kupfer-Nickel- und Aluminiumlegierungen ein. Alle diese Materialien haben jedoch große Nachteile. Die Kupferlegierungen reagieren mit zinn- oder indiumhaltigen Deckschichten, wodurch sich die Eigenschaften der Deckschicht verschlechtern. Überdies haben diese Kupferlegierungen, wenn die Auskleidung sich völlig abnutzen sollte, eine bestimmte Neigung, ein Furchen oder Ritzen der Welle zu verursachen, und dies ist insbesondere bei den zuweilen benutzten härteren Legierungen auf Kupferbasis der Fall.

Bei Zwischenschichten auf Aluminiumbasis ist es schwierig, eine starke und verläßliche Bindung zwischen solchen Legierungen und Stahl herbeizuführen, und solche Legierungen lassen sich nicht leicht galvanisch niederschlagen. Ferner haben die soweit verwendeten Materialien auf Aluminiumbasis nur mäßige reibungsmindernde Eigenschaften infolge der harten Oxydhaut und infolge ihrer Neigung zur Härtung des Werkstückes. Wenn sich das Deckschichtmaterial völlig abnutzt, kann eine schwerwiegende Riefung der Welle eintreten.

Eine theoretische und experimentelle Prüfung der grundsätzlichen Anforderungen an solche Zwischenschichtmaterialien mit Rücksicht auf das Auffinden eines besseren Zwischenschichtmaterials für dünnwandige Lagerauskleidungen hat gezeigt, daß die

Verfahren zur Herstellung von Gleitlagern

mit vorzugsweise galvanisch

aufgebrachten Schichten

Anmelder:

Glacier Metal Company Limited,

Alperton, Wembley, Middlesex

(Großbritannien)

Vertreter: Dr. E. Wiegand, München 27,

und Dipl.-Ing. W. Niemann,
Hamburg 1, Ballindamm 26, Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 16. Januar und 23. Dezember 1953

Peter Garnett Forrester,
Alperton, Wembley, Middlesex

(Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden

wirksame Ermüdungsfestigkeit einer sehr dünnen Deckschicht sich ihrer innewohnenden Ermüdungsfestigkeit, multipliziert mit dem Verhältnis des Elastizitätsmoduls der Zwischenschicht zu dem Elastizitätsmodul der Deckschicht, annähert. Wenn es z. B. gewünscht wird, bei einer dünnen Deckschicht auf Zinnbasis mit einer Dicke von z. B. 0,025 mm eine Ermüdungsfestigkeit zu erhalten, welche doppelt so groß ist wie diejenige, die sie gewöhnlich besitzen würde, soll das Zwischenschichtmaterial einen Elastizitätsmodul von wenigstens dem doppelten desjenigen der Deckschicht auf Zinnbasis selbst bei Arbeitstemperatüren besitzen (ungefähr 0,35 · 10⁶ kg/cm²). Daher ist eine Zwischenschicht erforderlich, die einen Elastizitätsmodul von wenigstens 0,7 · 10⁶ kg/cm² besitzt.

Die Zwischenschicht soll daher diese Eigenschaften besitzen. Sie soll genügend Ermüdungsfestigkeit besitzen und soll einen genügend hohen Wert des Elastizitätsmoduls haben, um die Deckschicht zu unterstützen.

Unter Berücksichtigung der obengenannten Erfordernisse soll die Zwischenschicht so weich wie mög-

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Hch sein und soll so wenig wie möglich eine Neigung zum Härten des Werkstückes bei Arbeitstemperatoren haben. Sie soll auch einen genügend niedrigen Schmelzpunkt besitzen und in der Lage sein, eine gute Bindung auf Stahl zu bilden und aufrechtzuerhalten, und sie soll aus einem geeigneten Material bestehen, auf das die Deckschicht festhaftend aufgebracht werden kann.

Die Erfindung hat den Zweck, eine verbesserte zu-Es ist gefunden worden, daß Zink, insbesondere galvanisch aufgebrachtes Zink, den Erfordernissen fast ideal genügt und ein ausgezeichnetes Zwischenschichtmaterial darstellt. Sein Elastizitätsmodul beträgt ungefähr 0,85 · 10⁶ kg/cm², so daß es den Deckschichten aus einer Legierung auf Zinn-, Blei- oder Cadmiumbasis eine angemessene Unterstützung gibt. Seine Ermüdungsfestigkeit und Härte ändern sich mit den Gieß- oder Aufbringungsbedingungen, jedoch kann

sammengesetzte Lagerauskleidung der beschriebenen io eine Härte von ungefähr 30 Viekers-Pyramiden-Härte

Art zu schaffen, bei. welcher die Zwischenschicht den obengenannten Erfordernissen Genüge leistet. . Der im nachstehenden benutzte Ausdruck »zinkhaltiges Material« umfaßt Zink von wenigstens 99,5%iger Reinheit oder eine weiche Legierung auf Zinkbasis, d. h. eine Legierung auf Zinkbasis, die eine Vickers-Pyramiden-Härte von 60 nicht überschreitet und ein Minimum von 90% Zink mit Zusätzen von anderen Elementen, einzeln oder in Kombination, enthält, und eine Ermüdungsfestigkeit (als Lagerauskleidung), die ungefähr 50% höher als diejenige des üblichen Babbitt-Metalls· ist, als gut und zweckentsprechend bezeichnet werden.

Um eine maximale Ermüdungsfestigkeit zu erhalten, wird das zinkhaltige Material als dünne Schicht von z. B. bis zu 0,3 mm, aber nicht weniger als 0,05 mm benutzt. Bei solchen Dicken kann eine. Ermüdungsfestigkeit von mehr als dem Zweifachen derjenigen

welche die Reibungseigenschaften des Zinks verstärken 20 des üblichen Babbitt-Metalls auf Zinnbasis erhalten

öder verbessern, ohne den Schmelzpunkt unter 250° zu erniedrigen; es kommen z. B. folgende Zusammensetzungen in Frage: 92% Zink— 8%> Blei; 99% Zink — 1% Kupfer; 99% Zink — V₂% Blei—Va⁰A Cadmium.

Das Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Stahlunterlage eine vorzugsweise galvanisch abgeschiedene Zwischenschicht aus Zink von wenigwerden.

Ferner hat das zinkhaltige Material einen geeigneten niedrigen Schmelzpunkt und führt nicht zu einer ernsthaften Härtung des Werkstückes bei Lagerarbeitstemperaturen. Es kann leicht an Stahl durch Gießen oder durch galvanisches Überziehen gebunden werden. Wenn die Zwischenschicht jedoch nicht sehr sorgfältig kontrolliert wird, neigt die durch Gießen gebildete Schicht dazu, spröde zu sein, und es wird daher vor-

stens 99,5%iger Reinheit oder eine Zinklegierung mit 30 gezogen, sie galvanisch aufzubringen. Die zinkhaltige einem Zinkgehalt von mindestens 90%, die eine Zwischenschicht kann leicht mit üblichen Deckschich-

Vickers-Pyramiden-Härte von 60 nicht überschreitet, mit einer Dicke von 0,05 bis 0,3 mm und einer Deckschicht aus einer Legierung auf Zinn-, Blei- oder Cadmiumbasis mit einer Dicke von nicht mehr 0,125 mm aufgebracht wird.

Die Zwischenschicht aus zinkhaltigem Material kann auf die Stahlunterlage durch galvanisches Überziehen aufgebracht sein.

ten auf Zinnbasis oder Bleibasis überzogen werden.

Die eigentliche Deckschicht kann aus irgendeiner geeigneten Legierung auf Zinn-, Blei- oder Cadmiumals 35 basis bestehen. Sie kann z. B. aus einer Blei-Zinn-Legierung, die 3 bis 20 % Zinn enthält, oder aus Blei— Zinn—Kupfer bestehen, das 3 bis 20 %> Zinn und bis zu 10% Kupfer enthält. Gegebenenfalls kann die Deckschicht aus Blei·—Indium mit bis zu 15% Indium

Es ist an sich bekannt, Stahl oder Eisen mit Weiß- 40 oder aus Zinn—Antimon mit bis zu 30% Antimon

metall zu überziehen, indem man den Stahl oder das Eisen nach Reinigung mit geschmolzenem Zink überzieht und auf das Zink oder ein ähnliches weiches Metall aufbringt. Die Erfindung betrifft demgegenüber Gleitlager mit einer dünnwandigen Lagerauskleidung, bei welcher die Ermüdungsfestigkeit von der beschränkten Dicke der an die Stahlunterlage gebundenen, aus zinkhaltigem Material bestehenden Zwischenschicht abhängig ist und gegenüber der Erbestehen. Die Deckschicht kann auch aus Zinn—Kupfer mit bis zu 20% Kupfer oder aus Zinn—Zink mit bis zu 30% Zink bestehen. Die Deckschicht kann auch aus Cadmium mit oder ohne eine Schutzschicht von Indium bestehen.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Stirnansicht und zeigt eine Ausführungsform einer gemäß der Erfindung ausgebildeten

müdungsfestigkeit der eingangs geschilderten be- 50 Auskleidung bei einer Lagerschalenhälfte, wobei die kannten Lagerauskleidung wesentlich erhöht ist. Dicke der Schichten der Deutlichkeit halber übertrie-

Insbesondere wenn zinnhaltige Deckschichten be- ben dargestellt ist;

nutzt werden sollen, hat es sich als vorteilhaft her- Fig. 2 ist eine ähnliche Ansicht einer abgeänderten

ausgestellt, eine dünne Schicht (0,0025 bis 0,0125 mm) von Kupfer zwischen die zinkhaltige Zwischenschicht und die Deckschicht durch galvanisches Überziehen aufzubringen. Es wird hierdurch die Bildung eines Zinn-Zink-Eutektikums, das einen Schmelzpunkt von 199° besitzt, an der Berührungsfläche verhindert.

Die Erfindung schließt daher ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers ein, das aus einer Stahlunterlage, einer Zwischenschicht aus zinkhaltigem Material, wie oben beschrieben, mit einer Dicke von nicht weniger als 0,05 mm, die an die Unterlage gebunden

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ist, einer dünnen Schicht aus Kupfer, deren Dicke 0,0125 mm nicht überschreitet und die auf die Zwischenschicht galvanisch aufgebracht ist, und einer Deckschicht aus einer zinnhaltigen Legierung besteht, deren Dicke 0,125 mm nicht übersteigt und die an das Kupfer gebunden ist.

Aus fuhr ungsfor m.

Gemäß Fig. 1 weist ein Gleitlager gemäß der Erfindung eine Stahlunterlage 1, eine Zwischenschicht 2 aus zinkhaltigem Material, wie es vorstehend definiert ist, und eine Deckschicht 3 aus weichem Lagermetall, wie z. B. einer Legierung auf einer Zinn-Blei- oder Cadmium-Basis auf.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wurde eine dünne Schicht 4 aus Kupfer, deren Dicke 0,013 mm nicht überschreitet, auf die zinkhaltige Zwischenschicht 2 aufgebracht, bevor die weiche Lagermetallschicht 3 aufgebracht wurde. Beispielsweise wird eine vorgeformte Stahllagerschale 1 in einer 30%igen. Schwefelsäurelösung bei einer Stromdichte von 11 bis 22 Amp./dm² und einer Temperatur unter 25° C anodisch geätzt und danach mit ungefähr 0,005 mm Zink aus einem Cyanidbad versehen, das

ungefähr 25 g je Liter Natriumcyanid, 40 g je Liter Zinkcyanid und 35 g je Liter Natriumhydroxyd enthält, wobei mit einer Stromdichte von etwa 1,7 Amp./ dm² gearbeitet wird. Die Lagerschale wurde dann mit einer Zinkschicht von ungefähr 0,1 bis 0,25 mm Dicke aus einem sauren Bad versehen, das folgende Zusammensetzung hatte:

Zinksiulfat 300,0 g/l

Natriumchlorid 12,5 g/l

^otsäure 19,0 g/l

Aluminiumsulfat 19,0 g/l

gelbes Dextrin 10,0 g/l

Es wurde mit etwa 2,2 Amp./dm² gearbeitet.

Gegebenenfalls kann die vorbehandelte Stahllagerschale 1 mit einer ungefähr 0,005 mm starken Zink-Cadmium-Legierungsschieht, die ¹As % Cadmium enthält, versehen werden.

Zu diesem Zweck kann ein Bad folgender Zusammensetziung verwendet werden:

Zinkcyanid 40,0 g/l

Cadmiumcyanid 2,0 g/l

freies Cyanid (Natriumsalz) 5,0 g/l

Natriumhydroxyd 5,0 g/l

Türkischrotöl oder Melasse bis zu 2,0 g/l

Temperatur 35° C

Stromdichte etwa 2,2 Amp./dm²

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Das Verhältnis von Zink zu Cadmium in dem Bad soll auf etwa 20 :1 gehalten werden. Die Anoden bestehen aus einer Legierung, die 99¹Zi⁰Io Zink und Va⁰A) Cadmium enthält, sind gewalzt und während einer Zeit von 1 bis 2 Stunden bei 265° C geglüht. Die Anoden dürfen nicht in dem Bad gelassen werden, wenn es nicht im Gebrauch ist, und die Verwendung von Zinkstaub oder Sulfiden zur Herstellung des Bades soll vermieden werden.

Kupfer kann auf die zinkhaltige Zwischenschicht 2 mit einer Dicke von ungefähr 0,005 mm aus einem Cyanidbad aufgebracht werden, das folgende Zusammensetzung besitzt:

Kaliumcyanid 36,5 g/l

Kupfercyanid (Cu C N) 25,0 g/l

Natriumbisulfit 5,0 g/l

Natriumcarbonat 6,0 g/l

Gearbeitet wird bei etwa 0,55 Amp./dm².

Schließlich wird eine Schicht 3 von Blei—Zinn, die 10% Zinn enthält, bis zu einer Dicke von ungefähr 0,025 bis 0,075 mm aus einer Lösung galvanisch niedergeschlagen, die

Blei 127,0 g/l ^M

Zinn 13,0 g/l

Gelatine /.... 0,8 g/l

freie Fluorborsäure 4,0 bis 6,0 ml/1

normales Kaliumhydroxyd 10,0 ml/1

enthält.

Gearbeitet wird bei ungefähr 1,7 Amp./dm².

Bei einer abgeänderten Ausführungsform besteht die Endstufe in dem galvanischen Aufbringen einer Zinn-Kupfer-Legierung, die ungefähr 5% Kupfer enthält, in einer Dicke von 0,025 bis 0,075 mm aus der folgenden Lösung:

Zinn 44,0 g/l

Fluorborsäure 40,0 g/l

Borsäure 22,0 g/l

Kresolsulfonsäure 40,0 g/l

^-Naphthol 1,0 g/l

Kupfer 2,0 bis 3,0 g/I

Gearbeitet wird bei 2,2 Amp./dm².

An Stelle des Arbeitens auf vorgeformtem Lagerschalen kann die Zwischenschicht aus zinkhaltigem Material, wie sie im vorstehenden angegeben ist, auf einen Stahlrohling oder -streifen aufgebracht und danach das zusammengesetzte Material zu einer Lagerschale geformt werden, worauf das Deckschichtmaterial mit oder ohne eine zwischenliegende Kupferschicht aufgebracht wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Herstellung von Gleitlagern mit einer Stahlunterlage, einer Zwischenschicht aus Zink oder Zinklegierung und einer Deckschicht aus weichem Lagermetall, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine StahLunterlage eine vorzugsweise galvanisch abgeschiedene Zwischenschicht aus Zink von wenigstens 99,5%iger Reinheit oder eine Zinklegierung mit einem Zinkgehalt von mindestens 90%, die eine Vickers-Pyramiden-Härte von 60 nicht überschreitet, mit einer Dicke von 0,05 bis 0,3 mm und darauf eine Deckschicht aus einer Legierung auf Zinn-, Blei- oder Cadmiumbasis mit einer Dicke von nicht mehr als 0,125 mm aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht an die Zwischenschicht unter Zwischenschaltung einer dünnen Schicht von Kupfer gebunden ist, die eine Dicke von nicht mehr als 0,0125 mm besitzt und auf die Zwischenschicht durch galvanisches Überziehen aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Deckschicht eine Blei-Zinn-Legierung, die 3 bis 20% Zinn enthält, verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Deckschicht eine Blei-Zinn-Kupfer-Legierung, die 3 bis 20% Zinn und bis zu 10% Kupfer enthält, verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Deckschicht Blei·—Indium mit bis zu 15% Indium verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Deckschicht Zinn:—Antimon mit bis zu 30 % Antimon verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Deckschicht Zinn:—Kupfer mit bis zu 20% Kupfer verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Deckschicht Zinn—Zink mit bis zu 30% Zink verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Deckschicht Cadmium mit oder ohne einer Schutzschicht von Indium verwendet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 501947, 720 284; britische Patentschrift Nr. 141092;
USA.-Patentschrift Nr. 2 325 071.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Q 605 768/253 1.57