DE1242372B

DE1242372B - Verfahren zum Herstellen eines Verbundmetallstreifens fuer Gleitlager

Info

Publication number: DE1242372B
Application number: DEG33446A
Authority: DE
Inventors: Ernst Hermann Ruf; Edward Nelson Smith
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1960-11-08
Filing date: 1961-10-27
Publication date: 1967-06-15
Also published as: GB936938A; US3142559A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

C22c

Deutsche Kl.: 40 b-1/04

Nummer: 1 242 372

Aktenzeichen: G 33446 VI a/40 b

Anmeldetag: 27. Oktober 1961

Auslegetag: 15. Juni 1967

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines für Stützschalenlager geeigneten Bandes aus einem insbesondere aus Stahl bestehenden Streifen, mit dem eine Schicht aus Kupfer verbunden ist, deren Poren mit Blei oder einer Bleilegierung gefüllt sind, wobei ein Kupfer-Blei-Verbundpulver, in dem also jedes Pulverteilchen sowohl Kupfer als auch Blei enthält, lose auf den Streifen als Schicht aufgebracht und in einer reduzierenden Atmosphäre gesintert wird.

Bei einem bekannten Verfahren wird ein Kupfer-Blei-Legierungspulver oder verkupfertes Bleipulver vorerst einem gesonderten Reduktions- und Sinterprozeß unterworfen und anschließend der Pulverkuchen zu einem groben Pulverkonglomerat vermahlen, das lose auf den Tragkörper aufgelegt und einem zweistufigen Sinterprozeß unterzogen wird. Ferner ist bekannt, einen durch Sintern hergestellten Kupferkörper mit Blei zu tränken. Beim Sintern ist zur Vermeidung der Oxydation der Metallpulverteilchen bekannt, eine Schutzgasatmosphäre zu verwenden, für die z. B. Wasserstoff, Stickstoff-Wasserstoff-Mischungen, Ammoniak oder Wassergas geeignet sind, die zweckmäßig von Wasserdampf, Sauerstoff und Kohlensäureresten gereinigt ist.

Bei den bekannten Verfahren ergibt sich eine Bleibindung zwischen dem gesinterten Werkstoff und dem Tragkörper, und es verbleiben unerwünschte Hohlräume, da infolge der hohen Oberflächenspannung des Bleis und der geringen Flußwirkung der leduzierenden Gase das Blei nicht vollständig in die gebildeten Hohlräume eindringen kann.

Bei dem mit nachträglichem Tränken mit Blei arbeitenden Verfahren gelangt Blei durch die Poren des gesinterten Metalls in den Bereich der Trennfläche zwischen diesem und dem Tragkörper und bedingt die geringe Haftfestigkeit aufweisende Bleibindung. Ferner ist ein Nachverdichten nach dem Tränken erforderlich.

Die Erfindung stellte sich die Aufgabe, eine Verbindung zwischen dem gesinterten Werkstoff und der Stützschale mit großer Haftfestigkeit zu erzielen und bessere Lauf eigenschaften zu gewährleisten.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß der Anteil des Bleis bzw. der Bleilegierung nicht über 43 Gewichtsprozent der Lagerschicht gewählt wird und daß eine reduzierende Atmosphäre verwendet wird, deren Taupunkt weniger als 5,5° C und deren Kohlendioxidgehalt weniger als 0,1% beträgt. Hierdurch wird eine Kupferbindung großer Haftfestigkeit zwischen dem porösen Werkstoff und dem Tragkörper gebildet. Ferner sind sämtliche Poren des Verfahren zum Herstellen eines
Verbundmetallstreifens für Gleitlager

Anmelder:

General Motors Corporation,

Detroit, Mich. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. K. Walther, Patentanwalt,

Berlin 19, Bolivarallee 9

Als Erfinder benannt:

Edward Nelson Smith,

Ernst Hermann Ruf, Dayton, Ohio (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 8. November 1960
(68 045)

gesinterten Werkstoffes völlig mit Blei gefüllt, wodurch die besseren Laufeigenschaften bedingt sind. Diese vorteilhaften Eigenschaften werden hierbei durch ein einstufiges Verfahren ohne Nachverdichten erreicht, also mit einer einfachen und daher wirtschaftlichen Verfahrensführung.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß ein Anteil des Kupfers in der Lagerschicht mit mindestens 57 Gewichtsprozent der Lagerschicht gewählt wird. Bei einer bevorzugten Verfahrensführung wird die Zusammensetzung des die Lagerschicht bildenden Metallpulvers mit 98 Gewichtsprozent Kupfer-Blei-Verbundpulver, das vorzugsweise aus Gewichtsprozent Kupfer und 35 Gewichtsprozent Blei besteht, und 2 Gewichtsprozent Zinn gewählt. Zur Bildung eines Lagers ist ferner vorgesehen, daß anschließend an das Sintern die gebildete Lagerschicht spanabhebend bearbeitet und dann in an sich bekannter Weise ihre Oberfläche mit einem Lagermetall plattiert wird.

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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung er!au- Beisoiel 2
tert. In dieser ist

F i g. 1 ein vergrößerter Schnitt durch einen Lager- Ein Kupfer-Blei-Verbundpulver (65% Kupfer,

werkstoff, der nach der Erfindung hergestellt ist, und 35% Blei) wurde lose auf die Oberfläche eines Stahl-

F ig. 2 ein Schnitt durch den gleichen Werkstoff, 5 ban des gestreut und zu einer Schicht von etwa

der unter anderen Bedingungen hergestellt ist. 1,27 mm Dicke ausgestrichen. Das Band mit dem

F i g. 1 zeigt einen kupferhaltigen Grundkörper 1, Pulver wurde anschließend bei einer Temperatur von

der durch eine kupferhaltige Verbindungsschicht 3 etwa 920° C (zwischen 904 und 927° C) für etwa

mit einem Stahltragkörper 2 verbunden ist. Die Po- 6 bis 15 Minuten gesintert, und zwar unter nichtoxy-

ren des Grundkörpers sind mit Blei 4 ausgefüllt. io dierendcn Bedingungen in einer Atmosphäre von

Fig. 2 zeigt einen Körper, der aus den gleichen gekracktem Ammoniak, die im wesentlichen aus

Grundbestandteilen zusammengesetzt ist, jedoch in 75% Wasserstoff und 25% Stickstoff besteht,

einer Kohlendioxid enthaltenden Atmosphäre, die Hierbei sintert die Kupfer-Blei-Schicht mit ihren

einen Taupunkt von etwa 4,4° C hat, gesintert wurde. Kupferteilen zusammen, um ein Netzwerk aus Kup-

Die sonstigen Bedingungen waren die gleichen wie 15 ier zu bilden, das über kupferhaltige Verbindungs-

bei der Herstellung des in Fig. 1 dargestellten Ma- stellen mit dem Metalltragkörper verbunden ist, wo-

ierials. bei die Poren des Netzwerkes im wesentlichen mit

Durch genaue Überwachung des Wasserdampf- und Blei gefüllt sind. Die Dicke der gesinterten Schicht

Kohlendioxidgehaltes der Sinteratmosphäre ist es wurde um etwa 40% gegenüber der Dicke der unge-

möglich, die Pulverteilchen so zusammenzusintern, ²⁰ sinterten Schicht verringert,

daß sie wie in F i g. 1 gezeigt durch kupferhaltige _R . · 1 ο

Verbindungsstellen miteinander und auch mit dem P

Stützschalenstreifen durch kupferhaltige Verbin- Eine innige Mischung aus 99% Kupfer-Blei-Ver-

dungsstellen verbunden sind und daß die Poren des bundpulver (70% Kupfer und 30% Blei) und 1%

Grundkörpers mit Blei ausgefüllt sind. Der Anteil an 25 Kupfer-Zinn-Legierung in Pulverform (50% Zinn

Blei soll 43 Gewichtsprozent der gesinterten Schicht und 50% Kupfer), alle von einer Korngröße von

nicht überschreiten, um gute kupferhaltige Verbin- maximal 0,0995 mm, wurden drucklos auf einen

dungssteilen zu erhalten. Stahltragkörpcr in einer Schicht von etwa 0,76 mm

Dicke aufgebracht. Das Ganze wurde dann für eine

Beispiel 1 ₃₀ Zeit von etwa 15 Minuten einer Temperatur zwischen

Aus 98 Gewichtsprozent eines Kupfer-Blei-Ver- 927 und 954° C in einer dem Beispiel 1 entsprechenbundpulvers (65% Kupfer, 35% Blei) einer Korn- den Atmosphäre ausgesetzt. Die Pulver sintern zugröße von maximal 0,149 mm und 2 Gewichtsprozent sammen, um einen kupferhaltigen Grundkörper zu Zinnpulver gleicher Korngröße wird eine gleich- bilden, der über kupferhaltige Verbindungsstellen mäßige Mischung bereitet. Diese Mischung wird 35 mit dem Stahl verbunden ist, wobei die Poren des ohne Zusammendrücken auf ein Stahlband aufge- Grundkörpers mit Blei oder einer Bleilegierung ausschüttet und zu einer Schicht mit einer gleichmäßigen gefüllt sind. Die Schicht verringert durch Schrump-Höhe von etwa 0,914 mm glattgestrichen. Das Ganze fung ihre Dicke in der Größenordnung von 40%. wird dann bei einer Temperatur zwischen etwa 904 _R · · , _Α
und 916⁰C in einer Zeit von 6 bis 20 Minuten ge- 40 Beispiel 4
sintert. 50% Kupfer-Blei-Verbundpulver (60% Kupfer Die im Sinterofen verwendete Atmosphäre war und 35 % Blei) und 50 % Kupfer-Blei-Verbundpulver unvollkommen verbranntes Erdgas von der Zusam- (76 % Kupfer, 24 % Blei), beide mit einer Korngröße mensetzung: 94,1% Methan mit kleinen Anteilen von maximal 0,149 mm, werden nach inniger Mivon Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Sauerstoff, Was- 45 schung lose auf ein Stahlband in einer Schicht von serstoff und Stickstoff und einem Heizwert von etwa etwa 0,76 mm Dicke aufgebracht. Das Ganze wird 9900 bis 10125 WE/m³. Dieses Gas wurde im Ver- für etwa 15 Minuten einer Temperatur von 927 bis hältnis von 6,1 bis 6,3 Teilen Luft zu 1 Teil Gas 954° C ausgesetzt, wobei die übrigen Bedingungen verbrannt. Das unvollkommen verbrannte Gas wurde denen des Beispiels 1 entsprechen. Es bildet sich ein nach Verlassen des Generators durch eine Absorp- 50 mit Blei getränkter Kupferschwamm von etwa tionssäule aus Menoäthanolamid geleitet, um das 0,55 mm Dicke, der mit dem Metalltragkörper verKohlendioxid zu entziehen und anschließend durch bunden ist, wobei die Poren des Schwammes im ein Trockenmittel, z. B. Tonerde oder Calciumchlo- wesentlichen mit Blei gefüllt sind,
rid, um Wasser zu entziehen, damit der Taupunkt _R . ■ 1 e
des Gases auf etwa —23° C verringert wird. Diese 55 Beispiel 3
Atmosphäre ist, wie bereits erwähnt, ein wichtiger 50% Kupfer-Blei-Verbundpulver (65% Kupfer, Teil des Verfahrens und muß bezüglich des Gehaltes 35% Blei), 48% Kupfer-Blei-Verbundpulver (76% an Kohlendioxid und Wasserdampf geregelt werden. Kupfer, 24% Blei) und 2% Zinnpulver, alle mit Beim Sintern werden die kupferhaltigen Partikeln einer maximalen Korngröße zwischen 0,149 und der Pulverschicht miteinander verbunden, um ein 60 0,0995 mm, werden innig gemischt und ohne Druck poröses Netzwerk aus kupferhaltigem Metall zu bil- auf ein Stahlband in einer Schicht von etwa 0,88 mm den, das durch kupferhaltige Verbindungsstellen mit Dicke aufgebracht. Das Ganze wird dann bei einer dem metallischen Tragkörper verbunden ist. Das ent- Temperatur von 882 bis 899° C für 5 Minuten in haltene Blei wurde geschmolzen und floß in die einer reinen Wasserstoffatmosphäre gesintert. Beim Poren des Netzwerkes, um dieses zu füllen. Während 65 Sintern bildet sich ein kupferhaltiges Netzwerk, das des Sintervorganges wurde die Dicke der Metallpul- mit dem Stahlband durch kupferhaltige Verbindungsverschicht um etwa 40 % ihres ursprünglichen Wertes stellen verbunden ist und dessen Poren im wesentverringert. liehen mit Blei bzw. einer Bleilegierung gefüllt sind.

Beim Sintern verringert sich die Dicke der Schicht um etwa 43%.

Beispiel 6

Das Verfahren gemäß Beispiel wurde wiederholt, dabei aber 2% Zinn unmittelbar in das Kupfer-Blei-Verbundpulver als Legierungsanteil eingegliedert. Es wurde ein zufriedenstellendes Endprodukt erzielt.

Beispiel 7

49% Kupfer-Blei-Verbundpulver (50 % Kupfer, 50% Blei), 49% Kupfer-Blei-Verbundpulver (76% Kupfer, 24% Blei) und 2% Zinnpulver, alle mit einer maximalen Korngröße von etwa 0,149 mm, werden gemischt und lose zu einer Schicht von etwa 0,914 mm Dicke ausgebreitet. Dann wurde der Sintervorgang unter den Bedingungen des Beispiels 1 durchgeführt und ein zufriedenstellendes Endprodukt erreicht, in dem ein kupferhaltiger Grundkörper in seinen Poren im wesentlichen mit Blei gefüllt war.

Beispiel 8

49 Gewichtsprozent Kupfer-Blei-Verbundpulver (50% Kupfer, 50% Blei) und 52% Kupfer-Blei-Zinn-Verbundpulver (74% Kupfer, 24% Blei, 2% Zinn) wurden miteinander gemischt und auf einen Stahlkörper aufgebracht. Danach wurde genau wie im Beispiel 7 verfahren. Es ergab sich ein zufriedenstellendes Endprodukt in Form eines kupferhaltigen Grundkörpers mit Poren, die mit Blei im wesentlichen gefüllt waren, wobei der Grundkörper über kupferhaltige Verbindungsstellen mit dem Stahltragkörper verbunden war.

Aus den vorhergehenden Beispielen ergibt sich, daß ein weiter Bereich von Möglichkeiten besteht, wobei immer ein Kupfer-Blei-Verbundpulver der Grundbestandteil des auf den Tragkörper aufgebrachten Metallpulvers ist. In allen Fällen kann der Tragkörper Stahl sein, der in geeigneter Weise gereinigt ist oder mit Kupfer plattiert ist. Es kann als Tragkörper auch ein anderer entsprechend vorbereiteter Werkstoff verwendet werden. Wird Stahl richtig vorbehandelt verwendet und das Sintern in einer richtigen Atmosphäre vorgenommen, so ist das Plattieren nicht notwendig, um eine zufriedenstellende Bindung zu erhalten.

In allen Fällen wird das Band mit dem mit Blei getränkten Kupferschwamm anschließend auf richtiges Maß geschnitten und zu Lagern geformt, z. B. halbzylindrischen Lagern, wobei die gebildeten Lager geräumt oder anders bearbeitet werden, um genau · passende Maschinenlager zu ergeben. Vollzylindrische Lager, geschlitzte Lager oder Drucklager können in dieser Weise ebenfalls hergestellt werden.

Die technologischen Eigenschaften des nach den vorgenannten Beispielen hergestellten Verbundwerkstoffes bedeuten eine große Verbesserung gegenüber Kupfer-Blei-Lagerwerkstoffen, die in der üblichen pulvermetallurgischen Weise hergestellt sind. So ist z. B. die Haftfestigkeit wesentlich höher, da eine kupferhaltige Verbindung zwischen der Lagerschicht und dem Stahl vorhanden ist. Ferner ist die mögliche Lagerbelastung bei Verwendung des erfindungsgemäßen Materials außerordentlich hoch. Erfindungsgemäß ausgebildete Lager als Haupt- und Kurbelzapfenlager in Kraftfahrzeugmotoren erwiesen eine um 100% größere Standzeit gegenüber üblichen gesinterten Kupfer-Blei-Lagern. Nach bisher üblichen Verfahren hergestellte gleiche Lager zeigten bei weniger als 100 Betriebsstunden Schäden. Ferner sind die erfindungsgemäßen Lager billiger herzustellen als die bisher üblichen, da die Tränkung mit Blei während des Sinterns selbst erfolgt, also der kostspielige und zeitraubende Tränkungsvorgang in Fortfall kommt.

ίο Falls gewünscht, können geringe Zuschläge von Antimon oder Zink gemacht werden. Diese werden am besten dem Kupfer vor oder während der Bildung des Kupfer-Blei-Pulvers zugesetzt. Die Zuschläge dieser oder anderer geeigneter Metalle können bis zu 2 Gewichtsprozent des Kupfers betragen, ohne die vorzüglichen Eigenschaften des Lagers schädlich zu beeinflussen.

Nach der spanabhebenden Bearbeitung kann ein Plattieren der Laufflächen des Lagers vorgenommen werden. In diesem Falle bildet eine Plattierung von 0,091 mm Dicke aus Indium oder Zinn eine ausgezeichnete Oberfläche. Für besondere Zwecke kann die Plattierung auch aus anderen Metallen bestehen, jedoch sollte die Dicke der Plattierung nie 0,254 mm übersteigen.

An Stelle der Plattierung des fertigbearbeiteten Lagermaterials kann dieses vorzugsweise in Bandform durch ein Bad geschmolzenen Metalls, z. B. Legierungen aus Zinn, Antimon, Indium und Blei usw., gezogen werden. Die Regelung der Eintauchzeit bestimmt das Ausmaß der Diffusion des geschmolzenen Metalls in das Blei, und dies kann durch Versuch ermittelt werden, um zu dem gewünschten Ergebnis zu gelangen.

Wird der kupferhaltige mit Blei getränkte oder gefüllte Schwamm ohne Tragkörper gewünscht, so kann das Sintern des nicht zusammengedrückten Kupfer-Blei-Verbundpulvers usw. auf einer sich nicht verbindenden Unterlage erfolgen, z. B. aus oxydiertem Chromstahl oder Graphit. In diesem Falle sintern die Kupferteilchen zusammen, und der gebildete poröse kupferhaltige Grundkörper wird durch das schmelzende Blei ausgefüllt. Es ergibt sich in diesem Falle bei dem fertigen Material eine Dichte von etwa 95 % und mehr gegenüber der Dichte der Stoffe, aus denen es gebildet wurde.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines für Stützschalenlager geeigneten Bandes aus einem insbesondere aus Stahl bestehenden Streifen, mit dem eine Lagerschicht aus Kupfer verbunden ist, deren Poren mit Blei oder einer Bleilegierung gefüllt sind, wobei ein Kupfer-Blei-Verbundpulver lose auf die Metallagerschale als Schicht aufgebracht und in einer reduzierenden Atmosphäre gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Bleis bzw. der Bleilegierung nicht über 43 Gewichtsprozent der Lagerschicht gewählt wird und daß eine reduzierende Atmosphäre verwendet wird, deren Taupunkt weniger als 5,5° C und deren Kohlendioxidgehalt weniger als 0,1% beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anteil des Kupfers in der Lagerschicht mit mindestens 57 Gewichtsprozent der Lagerschicht gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung des die Lagerschicht bildenden Metallpulvers mit 98 Gewichtsprozent Kupfer-Blei-Verbundpulver, das vorzugsweise aus 65 Gewichtsprozent Kupfer und 35 Gewichtsprozent Blei besteht, und 2 Gewichtsprozent Zinn gewählt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend an das Sintern die gebildete Lager-Schicht spanabhebend bearbeitet und' dann in an

sich bekannter Weise ihre Oberfläche mit einem Lagermetall plattiert wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 716 932; deutsche Auslegeschrift Nr. 1 086 052; britische Patentschrift Nr. 544 903; USA.-Patentschrift Nr. 2 096 252; R. Kieffer und W. Hot op, Pulvermetallurgie und Sinterwerkstoffe, 1943, S. 57.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen