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Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von zusammengesetzten Lagermetallstreifen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein kontinuierliches Herstellungsverfahren für
zusammengesetzte Lagermetallstreifen, die für Lager, insbesondere Hülsenlager für
Personenkraftwagen, Lastwagen u. dgl., verwendet werden können.
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Kraftfahrzeuglager' bestehen üblicherweise aus einem Grundkörper aus
einem Metall hoher Festigkeit, wie Stahl, mit dem eine Schicht eines Lagerwerkstoffes,
wie Lagerweißmetall, Bleibronze, Kupferblei od. dgl., festhaftend verbunden ist.
Diese Lager müssen hohe Belastungen, hohe Geschwindigkeiten aushalten und Ermüdungen
widerstehen können, selbst unter Korrosionsbedingungen. Die Lager müssen ferner
auch gegen im Schmieröl, in der Luft und in der Brennstoffanlage suspendierten Schmutz
beständig sein. Außerdem müssen sie einen niedrigen Reibungskoeffizienten besitzen
und dürfen nur eine minimale Abnutzung der Kurbelwelle hervorrufen. Zusätzlich zu
allen diesen physikalischen Eigenschaften müssen die Lager auch billig sein.
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Preisgünstige weißmetallüberzogene Streifengußlager stehen bereits
zur Verfügung, doch liegen sie, da sich auf dem Kraftfahrzeuggebiet das Bestreben
zu immer höheren Lagerbelastungen fortsetzt, bereits an deren Grenze. Ausgezeichnete
Lager aus Bleibronze mit einer überzugschicht aus Blei-Zinn-Kupfer stehen für höhere
Belastungen zur Verfügung, aber zu wesentlich höheren Kosten, weil bei ihrer Herstellung
sowohl gegossen als auch plattiert werden muß.
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Es ist bekannt, Gleitlager, Bremsbacken u. dgl. aus Verbundmetall
durch Aufbringen von Metallpulver und anschließendes Aufsintem auf einen Trägerstreifen
herzustellen. Hierbei wird das Pulver lose auf den Tragstreifen aufgebracht und
im unverdichteten Zustand gesintert, so daß eine poröse Auflage entsteht. Diese
wird sodann mit einem anderen Metall, beispielsweise mit Blei oder einer Blei-Zinn-Legierung
imprägniert. Die Imprägnierung kann so durchgeführt werden, daß das Imprägnierungsmetall
in pulvriger Form auf die poröse Unterlage aufgebracht und anschließend geschmolzen
wird. Es ist aber auch möglich, die Imprägnierung durch Eintauchen der Auflage in
das geschmolzene Metall vorzunehmen, was vorzugsweise im Vakuum erfolgen soll. Auf
beiden Wegen ist es nur schwer möglich, eine gründliche Imprägnierung zu erhalten.
Außerdem sind diese Verfahren in ihrer praktischen Durchführung umständlich und
teuer, weshalb man dazu übergegangen ist, das Imprägnierungsmetall in Form eines
Pulvers auf mechanischem Wege, z. B. durch Einwalzen oder Einpressen, in die Poren
der Sinterschicht einzubringen und anschließend in dieser zu schmelzen. Die Durchführbarkeit
dieses Verfahrens ist jedoch in hohem Maße von der Porengröße der Sinterschicht
abhängig und kann z. B. bei extrem kleinen Poren nicht angewendet werden. Da aber,
wie noch dargelegt werden wird, gerade die Porengröße für die Lebensdauer derartiger
Lager von besonderer Bedeutung ist, konnte dieses Verfahren die gestellten Ansprüche
nicht befriedigen.
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Demgemäß ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein kontinuierliches
Verfahren zu schaffen, welches zu Lagermetallstreifen führt, deren Eigenschaften
denjenigen der Dreimetallagertypen entspricht, während sich die Herstellungskosten
denjenigen für die Herstellung von Zweimetallagern annähern.
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Es wurde gefunden, daß man zusammengesetzte Lagermetallstreifen mit
guten Laufeigenschaften und erhöhter Lebensdauer auf kontinuierlichem Wege durch
Sintern einer Grundschicht auf Kupferbasis auf einen Stahlstützkörper und anschließendes
Ausfüllen der Poren der Sinterschicht mit einem niedrigschmelzenden Lagermetall
herstellen kann, wenn man auf einen kupferplattierten Stahlstreifen eine innige
Mischung aus einem Kupferpulver und einem Kupfer-Zinn-Legierungspulver, die 1 bis
211/0 Zinn enthält, in einer gleichmäßigen Schicht von 0,4 bis 0,8 mm aufbringt
und bei 1000 bis 1035° C in reduzierender Atmosphäre während 1/z bis 2 Minuten
sintert.
Hierbei muß das Kupferpulver so beschaffen sein, daß von ihm 50% eine Teilchengröße
kleiner als 0,044 mm und alles eine Teilchengröße von weniger als 0,09 min hat,
während das Kupfer-Zinn-Legierungspulver eine Teilchengröße von weniger als 0,15
mm hat. Während des Sinterns verbindet sich das Pulvergemisch fest mit dem Stahlstreifen,
wobei diese Schicht eine gleichmäßige Porosität von 30 bis 40% aufweist. Erfindungsgemäß
werden anschließend die Schicht und der Streifen auf 530 bis 650° C gebracht und
mit einem üblichen Lagermetall auf Blei-Zinn-Basis getränkt. Überschüssiges, noch
flüssiges Lagermetall wird sodann bis herab zur Oberfläche der Sinterschicht weggewischt
und der Streifen gleichzeitig oder unmittelbar anschließend zur Erzeugung eines
Unterdruckes in den Poren von unten her gekühlt. Schließlich wird die getränkte
Sinterschicht auf eine Dicke von 0,075 bis 0,25 mm abgetragen.
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Die Fig. 1 zeigt ein Hülsenlager, wie es nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellt werden kann. Eine mögliche Durchführung des Verfahrens wird
in der Fig. 2 schematisch dargestellt. Der Stahlstreifen 10, aus welchem die Lager
hergestellt werden, wird kontinuierlich durch einen entsprechenden Reinigungsapparat
hindurchgeschickt und dann wenigstens auf einer seiner Längsflächen 11 kupferplattiert.
Nach der Plattierung läuft der Streifen unter einem Trichter 12 vorbei, der auf
seiner plattierten Längsfläche eine dünne Schicht eines Spezialpulvers 13 gleichförmig
verteilt. Die dünne Pulverschicht wird dann gesintert, indem man den Streifen eine
genügende Zeitlang bei entsprechender Temperatur sowie bei einer reduzierenden Atmosphäre
durch einen Ofen 14 laufen läßt, um die Teilchen zusammenzusintem und auf die obere
Oberfläche des Stahlstreifens, wodurch ein anhaftender Schwamm 15 gebildet -wird.
Die Zusammensetzung der Pulverteilchen, die Zeit und die Temperatur der Sinterung
sowie die Pulverteilchengröße sind sämtlich von Bedeutung, um zu einem Schwamm zu
kommen, der eine große Zahl sehr kleiner Hohlräume hat, die miteinander verbunden
sind und an dem Stahlstreifen mit mäßiger Zähigkeit anhaften. Durch die an sich
bekannte Vorrichtung 16 wird der Streifen auf eine Temperatur von ungefähr 537 bis
650° C gebracht, die gut oberhalb des Schmelzpunktes der Lagermetallkomponente liegt.
Lagermetall 17 wird mit Hilfe der Vorrichtung 18 auf den Streifen gegossen. etwa
durch Vorbeiführen des Streifens unter einem Lagermetallgießkasten, und mit Hilfe
der Vorrichtung 20 abgeschreckt. Temperatur und Zeit für unerwünschte Reaktion zwischen
der gesinterten Komponente und dem Lagermetall werden auf einem Mindestwert gehalten.
Der rasche Temperaturabfall hilft beim Füllen der Poren, obwohl doch die Metalloberfläche
der gesinterten Schicht rasch mittels des Lagermetalls verschmolzen wird. Unmittelbar
nach dem Gießen und während das Lagermetall auf der Oberfläche des Schwammes noch
flüssig ist, wird die Oberfläche von allem überschüssigen Lagermetall gerade bis
herab zur Oberfläche des Schwammes reingewischt, wofür ein Wischer 19 vorgesehen
ist.
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Das Wegwischen kann also in Abhängigkeit von der Wirksamkeit der verwendeten
Wischer bzw. Quetschrollen u. dgl. bis zur vollständigen oder nur teilweisen Freilegung
der Sinterschicht - erfolgen. Ebenso kann auch, ebenfalls in Abhängigkeit von der
Wirksamkeit dieser Vorrichtungen, eine sehr dünne Schicht aus Lagermetall auf der
Sinterschicht verbleiben. . Ziemlich gleichzeitig mit dem Wischen wird die untere
Oberfläche des Stahlstreifens mittels der Vorrichtung 20 abgeschreckt, was das flüssige
Lagermetall dazu bringt, daß es in die Hohlräume fließt und hart wird.
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Die Verfahrensvariablen und die zur Verwendung gelangenden Stoffe
zur Bildung des Schwammes werden so ausgewählt, daß eine Schwammschicht erzeugt
wird, die vorzugsweise etwa 0,2 bis 0,4 mm dick ist, wobei vorzugsweise annähernd
zwei Drittel des Volumens dieser Schicht von gesinterten Metallteilchen eingenommen
wird, während das restliche Drittel vor dem Gießen des Lagermetalls mit sehr kleinen
Hohlräumen ausgestattet wird.
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Zur Erzeugung einer hohen Dauerfestigkeit ist es außerordentlich wichtig,
daß die einzelnen Hohlräume der Sinterschicht möglichst klein sind. Einerseits müssen
diese Hohlräume im fertigen Lager mit dem Lagermetall ausgefüllt sein; andererseits
nimmt die Dauerfestigkeit ab mit zunehmender Größe der mit dem Lagermetall gefüllten
Hohlräume, besonders in gewissen Ebenen der Lagerschicht. Die Hohlräume sollen nicht
zu klein sein, weil dann ihre Füllung mit Lagermetall auf Schwierigkeiten stoßen
würde. Zweckmäßigerweise sollte daher ihre Größe nicht unterhalb von 15 [t und nicht
oberhalb 100 g liegen. Vorzugsweise soll sie in der Größenordnung von etwa 0,025
bis 0,05 mm liegen. Um möglichst gleichförmige Hohlräume der genannten Größenordnung
zu erhalten, ist eine genaue Auswahl der Stoffe und eine genaue Steuerung der Verfahrensvariablen
erforderlich.
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Um die genaue Einhaltung der Hohlraumgröße im Schwamm zu verwirklichen,
wird ein Spezialpulver verwendet. Dieses Pulver ergibt einen Schwamm, der aus 1
bis 2% Zinn, Rest Kupfer besteht. Diese Verhältnisse sind für das Lager nach der
vorliegenden Erfindung kritisch, da eine größere Menge Zinn eine Lageroberfläche
schafft, die zu hart ist und einen Abrieb des Lagerzapfens bewirkt.
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Ein Schwamm aus reinem Kupfer läßt sich nicht ohne weiteres in einem
Verfahrensablauf herstellen; da der Schmelzpunkt reinen Kupfers recht scharf ausgeprägt
ist. Eine geringe Überschreitung dieser Temperatur führt zu kleinen unregelmäßigen
Hohlräumen. Ein Unterschreiten dieser Temperatur führt zu einer unvollkommenen Sinterung
mit hieraus sich ergebender geringer Festigkeit.
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Es ist wichtig, daß das Zinn dem Kupfer in der Form einer Kupfer-Zinn
Vorlegierung zugesetzt wird. Mischt man 98 bis 99% Kupferpulver mit 2 bis 1%, Zinnpulver
und sintert dann das Gemisch, dann ergibt sich ein unbefriedigender Schwamm. Der
Anteil an Zinn ist so klein, daß der sich ergebende »Schwamm« über große Bereiche
aus vorherrschend reinem Kupfer besteht, mit schlechten Schwammeigenschaften, während
kleinere Bereiche aus harter Bronze einen Abrieb der Lagerzapfenwerkstoffe bewirken.
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Um die 1 bis 2% Zinn über das Kupfer gleichförmig zu verteilen, ist
es daher wichtig, daß mindestens ein bedeutsamer Teil des Pulvers, der auf dem kupferplattierten
Stahlstreifen verteilt wird, vorlegiert ist. Um demgemäß z. B. einen 99 %-Kupfer-1%-Zinn-Schwamm
zu erzeugen, wird zweckmäßigerweise
90% reines Kupferpulver mit
10% Kupfer-Zinn-Legierungspulver gemischt, wobei die Kupfer-Zinn-Legierung 90'%
Kupfer und 10'% Zinn aufweist.
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Um z. B. einen 98 %-Kupfer-2"/o.-Zinn-Schwamm zu erzeugen, wird zweckmäßigerweise
80% reines Kupferpulver mit 201/o Kupfer-Zinn-Legierungspulver gemischt, wobei das
Kupfer-Zinn-Legierungspulver 90'0/a Kupfer und 10'% Zinn enthält.
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Es liegt selbstverständlich im Rahmen der Erfindung, andere Verhältniswerte
von reinem Kupferpulver zu Kupfer-Zinn-Legierungspulver anzuwenden. Es folgt daraus,
daß 90/10 Kupfer-Zinn nicht die einzige Legierung ist, die sich anwenden läßt. Beispielsweise
kann die Legierung zwischen 85/15 und 95/5 Kupfer-Zinn liegen, wobei dem reinen
Kupferpulver eine ausreichende Menge zugeführt werden kann, um einen Schwamm zu
erzielen, der 1 bis 2%. Zinngehalt aufweist. Die Mindestmenge an Legierungspulver,
welche das gewünschte Ergebnis bewirkt, ist jene, welche zu 1% Zinn im Schwamm führt
und einen guten, einheitlichen, gesinterten Schwamm ohne zinnreiche und zinnarme
Bereiche liefert.
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Der Zusatz von mindestens einem bedeutsamen Anteil an Kupfer-Zinn-Legierungspulver
zum reinen Kupferpulver führt zu einem breiteren Temperaturbereich für die Sinterung
und läßt für einen Produktionsablauf ein Schnellverfahren zweckmäßig erscheinen,
da sich aus ökonomischen Gründen und ohne unerwünschte Reaktion für kurze Zeitintervalle
hohe Temperaturen anwenden lassen.
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Zusätzlich ,zur Zusammensetzung ist auch die Teilchengröße des Pulvers
sowie die Sinterzeit und -temperatur bedeutsam für die Erzielung einer gleichförmigen,
reproduzierbaren, feine Hohlräume aufweisenden Schwammschicht auf dem Stahlstreifen.
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Die für die Teilchengrößen geltenden Regeln wurden bereits weiter
oben dargelegt. Die Sinterzeit und -temperatur werden mit dem Zinngehalt in Relation
gebracht, um gleichförmig kleine Hohlräume im Schwamm zu erzielen. Es wurde gefunden,
daß, je höher der Zinngehalt, bis herauf zu etwa 2 %, und je höher die Temperatur,
desto weniger porös der Schwamm ist. Die Dicke der Pulverschicht wird durch den
Sinterprozeß verringert und beträgt nach dem Kühlen 0;2 bis 0,4 mm.
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Messungen an einer gesinterten Schicht mit einer Nennzusammensetzung
von 2% Zinn und 98% Kupfer gemäß dem obigen Verfahren zeigen, daß 37 bis 39% des
Volumens der,Schicht Hohlraum und 63 bis 61% Festkörper sind. Von dem gesamten Volumen
der Schicht haben weniger als 2% der Hohlräume einen größeren Durchmesser als 100
Weniger als 1,5% der Hohlräume liegen unterhalb von 15 #t Durchmesser.
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Es sei bemerkt, daß der Volumprozentsatz der gesinterten Schicht,
der Hohlräume mit weniger als 15 #t aufweist, sehr klein ist, was sehr erwünscht
ist, weil die äußerst kleinen Hohlräume schwierig mit Lagermetall zu füllen sind.
Ferner sei bemerkt, daß von dem Volumen der gesinterten Schicht nur etwa
5-0 /o Hohlräume größer als 50 #t sind. Dies ist ebenfalls vorteilhaft,
da große Teilchen aus Lagermetall rascher zu Ermüdungsschäden führen als kleine
Teilchen und außerdem leichter vom Schwamm losgerissen werden. Hohlräume der Größenordnung
von 0,025 mm (25,4 #u) bis 0,05 mm nehmen 30 % des gesamten Volumens der Schwammschicht
ein. Diese Hohlräume lassen sich durch Anwendung des Verfahrens nach der vorliegenden
Erfindung leicht mit Lagermetall füllen und sind auch hinlänglich klein, so daß
die Dauerfestigkeit eines aus diesem Material hergestellten Lagers ausgezeichnet
ist.
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Die Zusammensetzung des Lagermetalls ist nicht kritisch; z. B. wurde
gefunden, daß 85 bis 92'% Blei, Rest Zinn, eine ausgezeichnete Zusammensetzung darstellen.
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Es ist indessen wichtig, daß der Streifen an der Stelle, wo das geschmolzene
Lagermetall mit der gesinterten Oberfläche des Streifens zusammenkommt, heißer als
das geschmolzene Lagermetall ist, und es ist auch wichtig, die Unterseite des Streifens
sofort hinter dieser Stelle abzuschrecken. Wichtig ist auch, das geschmolzene Lagermetall
von der Oberfläche des zusammengesetzten Streifens wegzuwischen, während es sich
noch in geschmolzenem Zustand befindet. Demgemäß ist unmittelbar hinter dem Lagermetallgießkasten
ein Wischer oder eine Quetsche vorgesehen, welche das überschüssige Lagermetall
bis gerade herunter auf die obere Oberfläche der gesinterten Schwammschicht wegwischt
und hierdurch das Eindringen des geschmolzenen Lagermetalls in alle kleinen Hohlräume
erleichtert. Gleichzeitig mit dem Wischen, aber bevor das geschmolzene Lagermetall
erhärtet, wird die untere Oberfläche des Streifens abgeschreckt, wodurch ein teilweises
Vakuum in den Hohlräumen erzeugt wird, welches das geschmolzene Lagermetall in die
innersten Räume und Lücken hineinzieht.
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Es ist wegen der äußerst kleinen Teilchengröße sehr wichtig, daß das
geschmolzene Lagermetall so rasch wie möglich gekühlt wird, nachdem es in die äußerst
kleinen Hohlräume eingedrungen ist, und zwar deshalb, weil harte, abreibende Legierungen
gebildet werden, wenn heißes Lagermetall und heißer Kupfer-Zinn-Schwamm zu lange
Zeit miteinander in Berührung gehalten werden. Diese abreibenden Legierungen würden,
falls sie gebildet worden sind, den Lagerzapfen angreifen und ihn einkerben oder
auskratzen. Der Stahlstreifen muß, wie bereits ausgeführt, heißer sein als das geschmolzene
Lagermetall, um das Füllen der äußerst kleinen Hohlräume zu erleichtern. Demgemäß
ist es äußerst zweckmäßig, daß während des Gießens der gesinterte Streifen zwischen
537 und 645° C und das Lagermetall ungefähr bei 370 bis 395° C gehalten werden und
daß gerade, sobald das Wischen beendet ist, der Streifen rasch abgeschreckt wird,
um die Bildung der abreibenden Legierungen auf einen Mindestwert zu bringen.
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Nach den Schritten des Sinterns und Infiltrierens des kontinuierlichen
Verfahrens wird der Streifen auf Größe geschnitten, das Lager geformt und die Lageroberfläche
maschinell auf Dicke bearbeitet durch Abnahme von ungefähr 0,12 mm von der Lageroberfläche,
was ein Hülsenlager ergibt, dessen Lagerschicht vorzugsweise zwischen 0,075 und
0,25
mm liegt, wobei der Verlust an teurem Lagermaterial einen Mindestwert annimmt.
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Fig. 3 zeigt einen Teilschnitt durch den Metallstreifen nach der Fig.
2 gemäß der Linie 3-3 zur Veranschaulichung des plattierten Stahlstreifens; Fig.
4 eine Teilansicht nach der Linie 4-4 zur Veranschaulichung von losem Pulver auf
dem kupferplattierten Streifen, Fig. 5 eine Teilansicht nach der Linie 5-5 der Fig.
2 zur Darstellung der gesinterten Schicht, Fig. 6 nach der Linie 6-6 der Fig. 2
eine Teilansicht, welche die mit Lagermetall gefüllte, gesinterte Schicht zeigt,
Fig. 7 eine graphische Darstellung, welche die Lebensdauer als Funktion der Lagermetalldicke
erkennen läßt.
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Fig. 8 gibt in 100facher Vergrößerung eine Mikrophotographie eines
Lagerrohlings wieder, aus welcher der Stahlstreifen 10, die sich selbst haltende
gesinterte Schwammschicht 15 und die Lagermetallteilchen 22 in den Poren des Schwammes
15 ersichtlich sind. Außerdem ist eine Lagermetallschicht 21 sichtbar, welche durch
Bearbeitung entfernt wird, damit aus dem Lagerrohling das Lager selbst gebildet
wird.