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Verwendung einer Aluminiumlegierung zur Herstellung von Gleitlagern
Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Aluminiumlegierung zur Herstellung von
Gleitlagern.
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Aluminium und die meisten seiner Legierungen sind im allgemeinen gänzlich
ungeeignet für die Verwendung in Lagern, die für Maschinenteile aus Eisenmetall
bestimmt sind, da Aluminium sehr leicht an dem Eisenmetall festhaftet oder sich
mit ihm verbindet, wodurch das sogenannte Fressen der Lager auftritt.
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Es sind bereits einige Aluminiumlegierungen entwickelt worden, bei
denen diese Schwierigkeiten nicht auftreten. Jedoch sind sie relativ schlecht spanabhebend
zu bearbeiten, und ihre Härte ist für manche Anforderungen unzureichend. Die Härte
dieser Legierungen konnte nur durch Wärmebehandlung verbessert werden.
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Die erfindungsgemäß zu verwendenden Aluminiumlegierungen lassen sich
hervorragend bearbeiten, zeigen ausgezeichnete Härte und Widerstandsfähigkeit gegen
Fressen. Die Legierungen können entweder als Guß- oder als Knetlegierungen verwendet
werden.
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Erfindungsgemäß wird zur Herstellung von Gleitlagern eine Aluminiumlegierung
verwendet, die geringe Mengen Silizium, Kadmium und Chrom enthält. Auch Indium kann
in sehr geringer Konzentration in der Legierung enthalten sein. Aus einer solchen
Legierung können feste Lager fast ohne Verwendung von Stützschalen aus Stahl oder
ähnlichen Metallen hergestellt werden. Es ist vorteilhaft, die Lager noch mit einem
Überzug von Blei oder einer Bleilegierung, z. B. einer Blei-Zinn- oder Blei-Indium-Legierung
mit Blei als Hauptbestandteil, zu versehen.
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Aluminiumlegierungen, die gemäß der Erfindung zur Herstellung von
Gleitlagern verwendet werden können, besitzen etwa folgende Zusammensetzungen (in
Gewichtsprozent) : 0;5 bis 9% Silizium, 0,2 bis 5% Kadmium, 0,1 bis 0,5% Chrom,
Rest Aluminium einschließlich der üblichen Verunreinigungen.
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Ist eine optimale Korrosionsbeständigkeit erwünscht, wenn das Lager
z. B. dort verwendet werden soll, wo bisweilen größere Mengen saurer Bestandteile
während des Betriebes im Schmieröl auftreten, so kann der Legierung eine sehr geringe
Menge Indium zugesetzt werden. Ein Indiumgehalt zwischen 0,03 und 0,5% ist unter
diesen Umständen. vorteilhaft.
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Die verschiedenen Verunreinigungen zeigen keinerlei schädliche Wirkung,
sofern sie nicht über die üblichen Mengen hinausgehen. So umfaßt der Begriff »Aluminium«
hier die üblichen Verunreinigungen, wie sie in handelsüblichen Aluminiumbarren vorkommen
oder wie sie während der in der Schmelzpraxis üblichen Behandlung hineingelangen.
Zum Beispiel darf Eisen, das zusammen mit Silizium in handelsüblichem Aluminium
vorkommt, in Mengen bis annähernd 0,5% vorhanden sein, ahne zu schaden. Die besten
Ergebnisse werden mit einer Legierung erzielt, die die folgende Zusammensetzung
zeigt: 3 bis 5% Silizium, 0,7 bis 2% Kadmium, 0,3 bis 0,4% Chrom, Rest Aluminium.
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Legierungen dieser Zusammensetzung zeigen unter harten Versuchsbedingungen
außerordentlich gute Gleiteigenschaften, so daß aus ihnen gefertigte Lager weder
an ihrer Oberfläche fressen noch sich abnutzen, wenn eine Stahlachse in ihnen rotiert.
Weder Achse noch Lager zeigen nach langem und hartem Gebrauch eine merkliche Abnutzung.
Weiter hat sich gezeigt, daß diese Legierung eine außerordentlich hohe Bruchfestigkeit
und Widerstandsfähigkeit gegen Ausbrechen besitzt.
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Der Kadmiumzusatz verbessert die Widerstandsfähigkeit der Legierung
gegen Fressen der Oberfläche erheblich. Obwohl es allgemein bekannt ist, daß der
Zusatz von Kadmium zum Aluminium die Festigkeit etwas beeinträchtigt; hat es sich
gezeigt, daß Kadmium in Gegenwart von Silizium in Mengen von etwa 5°/o mit Vorteil
zugesetzt werden kann, ohne eine meßbare Herabsetzung der Festigkeit zu verursachen.
Tatsächlich ist die resultierende Legierung bemerkenswert widerstandsfähig gegen
Bruch durch stoß- der schlagartige Beanspruchungen, denen ein Lager unter harten
Bedingungen ausgesetzt ist. Darüber hinaus beeinflußt die Anwesenheit von Kadmium
nicht die
Härte der Legierung, wenn sie anschließend einer Wärmebehandlung
unterzogen wird. Da Kadmium ein relativ weiches Metall ist, sollte der Kadmiumgehalt
nicht größer als 5 % sein, damit der Einfluß des Kadmiums auf Festigkeit und Härte
vernachlässigbar bleibt.
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Ferner hat sich gezeigt, daß das Kadmium, wenn es in größeren Mengen
als 5% anwesend ist, dazu neigt, sich abzuscheiden und sich während des Erstarrungvorganges
in Form des anscheinend fast reinen Metalls am Boden des Gusses abzusetzen. Weiterhin
steigert ein zu hoher Kadmiumgehalt die Kosten der Legierung, da Kadmium ein relativ
teures und ziemlich seltenes Metall ist.
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Es ist eine merkliche Verbesserung der Widerstandsfähigkeit der Legierung
gegen ein Fressen der Oberfläche bis zu einem Kadmiumgehalt von 2% festgestellt
worden; eine Steigerung des Kadmiumgehaltes über diese Grenze hinaus bewirkt kein
bemerkenswertes Anwachsen der Widerstandsfähigkeit der Legierung gegen Fressen mehr.
Daher soll der Kadmiumgehalt vorzugsweise zwischen 0,7 und 2% liegen, um optimale
Gleiteigenschaften zu erhalten. Da das Kadmium sich jedoch bereits bei der Temperatur
von geschmolzenem Aluminium zu verflüchtigen beginnt, fügt man notwendigerweise
etwas mehr Kadmium hinzu, um durch die Verflüchtigung entstandene Verluste zu kompensieren.
Ein Kadmiumgehalt von wenigstens 0,2% ist notwendig, um eine angemessene Widerstandsfähigkeit
gegen Fressen zu erreichen.
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Der Zusatz von Silizium zu der Aluminiumlegierung vergrößert ihre
Widerstandsfähigkeit gegen Fressen, beeinflüßt die Wirkung des anwesenden Kadmiums
und vermindert die Schrumpfung während des Erstarrungsvorganges. Daher sollte die
Legierung ; wenigstens 0,5% Silizium enthalten. Da nun jedoch ein hoher Siliziumgehalt
die Sprödigkeit der Legierung erhöht und so den Walzprozeß erschwert, wird die Höchstmenge
des Siliziums natürlich durch die Art der Herstellung des Lagers od. dgl. bestimmt.
Demgemäß sollte der Siliziumgehalt in Knetlegierungen nicht größer als 51/0 sein,
da eine solche Legierung gewalzt werden soll. Eine Gußlegierung darf dagegen bis
zu 9% Silizium enthalten. Während eine Steigerung des Siliziumgehaltes auf jeden
Fall die Widerstandsfähigkeit gegen ein Fressen der Oberfläche erhöht, bewirkt eine
Steigerung des Siliziumgehaltes auf über 5% nur noch unbedeutende zusätzliche Verbesserungen
in dieser Hinsicht. Demgemäß werden die besten Ergebnisse in den meisten Fällen
bei einem Siliziumgehalt von 3 bis 5% erhalten.
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Die Anwesenheit von Chrom trägt in besonderem Maße zur Härte und Zerspanbarkeit
der Legierung bei. Während die Härte der Legierung bei zu geringem Chromgehalt erheblich
zurückgeht, genügt bereits ein Zusatz von nur etwa 0,3% Chrom, um einen völlig ausreichenden
Härtegrad zu erreichen. Jedoch steigert schon ein Chromgehalt von 0,1% die Härte
der Legierung so beträchtlich, daß sie den Anforderungen als Lagermaterial in vielen
Fällen gerecht wird. Größere Chrommengen als 0,5% verringern jedoch die Duktilität
der Lagerlegierung in einem zu großen Ausmaß. Und eine hohe Duktilität ist bei der
Verwendung als Knetlegierung von großer Wichtigkeit. Auch noch aus einem anderen
Grunde ist es nicht tunlich, mehr als 0,5% Chrom zuzusetzen, denn es wachsen dann
die Gußschwierigkeiten, und bei der Herstellung der Gußteile bei einem Chromgehalt
über 0,5% wachsen die Kosten der Legierung. Eine zu hohe Temperatur ist notwendig;
um größere -Mengen von Chrom in der flüssigen Phase der Legierung zu lösen und in
Lösung zu halten. Das Chrom scheidet sich aus, wenn die Temperatur der Schmelze
nicht übermäßig hoch gehalten wird. Daraus resultiert ein uneinheitlicher Guß, hervorgerufen
durch eine Anhäufung harter Stellen in der Legierung. Andererseits ist ein Chromgehalt
unter 0,1% nicht au,sreichend, um der Legierung die notwendige Härte und Festigkeit
zu geben. Weiterhin steigt die Widerstandsfähigkeit gegen ein Fressen der Oberfläche
schwach mit dem Chromgehalt an.
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Die besten Ergebnisse in jeder Hinsicht zeigt eine Legierung mit einem
Chromgehalt zwischen 0,3 und 0,4%.
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Die Korrosionsbeständigkeit der Lagerlegierung kann wesentlich durch
den Zusatz geringer Mengen Indium verbessert werden. Am besten beträgt der Indiumgehalt
nahezu 10% der Kadmiummenge. Ein Indiumgehalt zwischen etwa 0,3 und 0,5%, bezögen
auf das Gesamtgewicht der Legierung, genügt also, um die Korrosionsbeständigkeit
der Legierung zu verbessern, während der Indiumgehalt vorzugsweise zwischen 0,1
und 0,15% liegt. Kadmium und Indium verbinden sich bis zu einem gewissen Ausmaß
zu einer Kadmium-Indium-Legierung, welche sich hauptsächlich an den Korngrenzen
bildet, während ein Teil des Indiums in der Aluminiumgrundmasse bleibt: Das gegossene
Metall kann, wenn es gewünscht wird, noch einer Wärmebehandlung unterzogen werden,
um den Kadmium-Indium-Kristallen Kugelgestalt zu geben. Wenn die fertige Aluminiumlegierung
zur Herstellung eines Lagers als Knetlegierung verwendet werden soll, ist es besonders
wichtig, daß der Indiumgehalt etwa 0;5% nicht überschreitet, da größere Indiummengen
die Legierung zu spröde machen.
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Ein Beispiel einer Legierung, die die zuvor erwähnten wünschenswerten
Eigenschaften in hervorragendem Maße besitzt, enthält 3% Silizium, 1% Kadmium, 0,331/o
Chrom, 0,151/o Indium und als Rest Aluminium. Damit die Legierung auch schlagartigen
Beanspruchungen ausgesetzt werden kann, sollte sie in ihrem Gefüge keine größeren
Zonen relativ spröder eutektischer Bestandteile zeigen. Üb-
liche Legierungsverfahren
können z. B. unter Verwendung von Vorlegierungen, wie Aluminium-Silizium-und Aluminium-Chrom-Legierungen,
zur Einführung von Silizium und Chrom angewandt werden. Es ist wünschenswert, das
relativ leicht flüchtige Kadmium zuletzt zuzusetzen und die niedrigstmögliche Temperatur
anzuwenden, um seine Verflüchtigung zu verhindern. Die Legierung kann dadurch hergestellt
werden, daß Aluminium, Aluminium-Silizium und Aluminium-Chrom bei einer Temperatur
von etwa 650'C
zusammengeschmolzen werden, worauf die Schmelze am besten aus
dem Ofen herausgenommen wird. Danach wird das Indium, wenn es der Legierung zugesetzt
werden soll, und das Kadmium entweder nacheinander oder gleichzeitig der Schmelze
zugesetzt, die anschließend umgerührt und üblicherweise in Metall-oder Graphitformen
gegossen wird.
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Die höchste für diesen Guß geeignete Temperatur ist diejenige, bei
welcher das Kadmium gerade zu verdampfen oder zu »rauchen« beginnt. Um einen Verlust
von Metall zu vermeiden, ist es wünschenswert, die Temperatur der Schmelze nicht
über diese Temperatur hinaus zu steigern. Demgemäß sollte die Temperatur nicht über
etwa 760° C hinaus gesteigert werden. Die Legierung kann entweder direkt in die
gewünschte Form als Lager oder zu Barren gegossen
werden, die dann
zu Bandmaterial der gewünschten Stärke ausgewalzt und auf die gewünschte Länge geschnitten
werden.
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Die Legierungen, deren Gefüge ein zusammenhängendes Netz ausgeseigerter
Metallkörner zeigt, können in. bezug auf Festigkeit und Dauerfestigkeit durch geeignete
Wärmebehandlung verbessert werden; z. B. hat sich eine Homogenisierung bei Temperaturen
zwischen 482 und 565° C und einer Zeitdauer von 8 bis 15 Stunden als besonders wirksam
erwiesen. Danach wird die Legierung aus dem Ofen herausgenommen und vorzugsweise
sofort durch Abschrecken in Wasser gekühlt. Eine solche Behandlung bewirkt eine
hervorragende Duktilität, wie sie für den Walzprozeß wünschenswert ist. Ein gegossener
Barren kann dann leicht zu einem Band der gewünschten Stärke ausgewalzt werden.
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Das spezifische Gewicht der oben beschriebenen Legierungen liegt bei
einem Drittel des spezifischen Gewichtes von Zinn-Bronze-Legierungen. Dabei zeigen
sie im Vergleich mit Zinn-Bronze-Legierungen viel höhere Dauerfestigkeit und Widerstandsfähigkeit
gegen schlagartige Beanspruchungen, denen viele Lager, z. B. Pleuellager, ausgesetzt
,sind, so daß solche Legierungen zum Gebrauch unter extremen Bedingungen geeignet
sind. Die Legierungen erwiesen sich als beständig gegen Korrosion durch saure Bestandteile
des Schmieröls, welche viele andere Lagerzusammensetzungen angreifen.