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Verfahren zum Herstellen zusammengesetzter Metallstreifen.
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Erfindung bezieht sich auf die Herstellung eines zusammengesetzten Streifens, der
eine mit einer Stützschicht bzw. Unterlage aus Stahl versehene Schicht aus einer
Aluminium/ Zinn-Legierung umfaßt. Derartige Streifen sind insbesondere, jedoch nicht
ausschließlich für die Herstellung von hagern mit Lagerschalen aus einer Aluminium/Zinn-legierung
geeignet. Derartige hager mit einer lagerschale aus einer Alumi- . nium/Zinn-hegierung
können in drei verschiedenen Formen hergestellt werden: 1. Man kann massiv gegossene
Lager herstellen, bei denen das Material völlig homogen ist, und die"man verhältnismäßig
dickwandig ausbilden muß, damit man sie mit der erforderlichen Maßüberschneidung
in die zugehörigen Gehäuse einbauen kann. Lager dieser Art haben einen hoben Ausdehnungsbeiwert
und müssen daher mit einem relativ großen Spielraum angepaßt werden; dies hat zur
Folge, daß sie geräuschvoll arbeiten, so daß sie für
Privatfahrzeuge
nicht geeignet sind.
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2. Ferner kann man Aluminium/Zinn-Lager mit einer Stützschale aus
einer harten Aluminiumlegierung herstellen. Auch diese Zager haben einen hohen Ausdehnungsbeiwert,
und sie sind nur für den Einbau in Gehäusen aus Aluminiumlegierung geeignet.
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3. Weiterhin kann man A-Zminium-Zinn-Lager mit Stützschalen aus Stahl
herstellen, die sich in Gehäusen aus Stahl oder: GuBeisen einbauen lassen und für
die meisten kraftfahrtechnischen Anwendungszwecke geeignet sind. .
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Die Erfindung sieht nunmehr ein Lagermaterial vor, das für die Herstellung
von Lagern des vorstehend beschriebenen Typs 3 geeignet ist,. bei denen die zur
Verminderung der Reibung dienende Auskleidung aus der Aluminium/Zinn-Legierung mit
einer Stützschale aus. Stahl durch eine zinnfreie Aluminiumschicht verbunden ist
und durch die Stützschale abgestützt wird. Es sind bereits verschiedene Verfahren
zum Herstellen von Lagermaterial für Zager des Typs 3 bekannt. Bei den meisten dieser
Verfahren wird ein Arbeitsschritt zum Herstellen einer Verbindmg durch Aufwalzen
angewendet; vor dem Aufwalzen werden die durch Aufwalzen zu verbindenden Flächen
der Materialien gereinigt und auf chemischem Wege oder durch mechanische Mittel,
z.B, mit Hilfe von Drahtbürsten, aufgerauht.
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Bei dem Verfahren nach dem britischen Patent 762 817 wird der Stahl
zuerst aluminisiert, und dann wird eine Schicht aus einer Aluminium/Zinn-Legierung
durch Aufwalzen im heißen Zustand mit der aluminisierten Fläche verbunden. Bei diesem
Verfahren
geht die Festigkeit der Bindung zwischen dem Aluminium/Zinn-Material und dem aluminisierten
Stahl bei zunehmendem Zinngehalt zurück. Außerdem muß man bei diesem Verfahren besondere
Sorgfalt bezüglich der Einhaltung der richtigen Temperatur anwenden, auf die das
Aluminium/Zinn-Material erhitzt wird; das gleiche gilt für die beim Aufwalzen angewendete
Temperatur. Bei einem weiteren Verfahren, das in dem britischen Patent 798 360 beschrieben
ist, wird das Aluminium/Zinn-Material zuerst ausgewalzt und einer Kalthärtung unterzogen,
um einen Streifen herzustellen, der annähernd die gleiche Härte besitzt wie ein
ähnlicher Streifen aus weichem Flußstahl. Diese beiden Streifen werden dann in einem
einzigen Durchgang durch Aufwalzen miteinander verbunden, wobei eine Querschnittsverminderung
um etqa 50 Prozent stattfindet. Auch bei diesem Verfahren verringert sich die Festigkeit
der Bindung bei zunehmendem Zinn-
Das in dem britischen Patent 749 529 beschriebene Verfahren sieht vor, daß man durch
Gießen einen zusammengesetzten Barren herstellt, der eine Aluminium/Zinn-Schicht
und eine dieser benaebbarte Schicht aus zinnfreiem Aluminium umfaßt, und der zu
einem streifenförmigen Material ausgewalzt wird; dieser Streifen wird dann durch
Aufwalzen unter Vermittlung durch die zinnfreie Schicht mit dem Stahl verbunden.
Bei diesem Verfahren ergeben sich in der Praxis Schwierigkeiten bezüglich der Herstellung
des zusammengesetzten Barrens; insbesondere ist es schwierig, eine gleichmäßige
feste Bindung zwischen der Aluminium/Zinn-Schicht und dem zinnfreien Aluminium zu
erzielen, und außerdem bereitet es Schwierigkeiten, eine in geeigneter
Weise
kontrollierte .Abgrenzungsebene zwischen der Aluminium/ Zinn-Schicht und dem zinnfreien
Aluminium herzustellen und eine Diffusion der einen Legierung in die andere hinein
zu vermeiden o Ein Hauptziel der Erfindung besteht darin, die genannten Nachteile
zu vermeiden; es hat sich gezeigt, daß sich bei dem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Streifen eine Bindung von hervorragender Festigkeit zwischen der Aluminium/Ziiir-Schicht
und dem zinnfreien Aluminium und auch zwischen letzterem und dem Stahl ergibt. Ferner
wurde festgestellt, daß man Aluminium/Zinn-Legierungen mit relativ hohem Zinngehalt
verwenden kann, ohne daß die Festigkeit der Bindung eine Einbuße erleidet, und daß
man die Ausbildung der Abgrenzungsebene zwischen der Aluminium/Zinn-Schicht und
dem zinnfreien Aluminium leicht und genau beherrschen kann.
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.Die Erfindung sieht ein Verfahren zum Herstellen eines zusammengesetzten
Metallstreifens vor, das T"Iaßnahmen umfaßt, um im Wege des Aufwalzens einen Streifen
aus einer Aluminium/ Zinn-Legierung mit einem Streifen aus zinnfreiem oder im wesentlichen
zinnfreiem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zu verbinden, und zwar mit Hilfe
einer erheblichen Dickenverminderung während des ersten Durchgangs zwischen den
Walzen, und um im Wege des Aufwalzens eine zinnfreie oder im wesentlichen zinnfreie
Fläche dez so hergestellten Doppelstreifens mit einem Stahlstreifen zu verbinden,
und zwar unter Anwendung einer erheblichen .Dickenverminderung während des ersten
Durchgangs- hierbei wird jeder Streifen vor dem Aufwalzen an der betreffenden Bindungsfläche
auf geeignete Weise vorbereitet.
Auch das nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellte streifenförmige zusammengesetzte Material und die aus diesem
Material herstellbaren Lagerschalen fallen in den Bereich der Erfindung.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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Man kann einen Barren aus einer von jeder gewünschten Länge und mit
Hilfe jedes geeigneten Verfahrens gießen, z.B. nach dem Schleudergußverfahren unter
Benutzung eines umlaufenden Zylinders, nach dem Stranggießverfahren auf einem endlosen
Band oder in einer offenen Kokille.
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Ein mit einer Abschreckwirkung gegossener feinkörniger Barren ist
für die Verarbeitung durch-Walzen am besten geeignet.
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Es hat sich als möglich erwiesen, den Aluminium/Zinn-Barren
mit einem Streifen aus zinnfreiem Aluminium von gleicher Länge und Breite zu verbinden,
ohne daß eine weitere Behandlung des Barrens außer einer Vorbereitung der Oberfläche
erforderlich ist. Im folgenden bezeichnet daher der Ausdruck "Streifen äue einer
Aluminium/Zinn-Legierungtt einen Harren oder Knüppel aus dieser Legierung in Form
eines Streifens von .relativ großer hänge bei geringer Dicke.
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Wenn es durch die Gegebenheiten im Walzwerk bedingt ist, kann
man die Dicke des Aluminium/Zinn@Barrens herabsetzen! indem man den Barren
mehrmals zwischen Walzen hindurchlaufen
läßt, bevor man ihn zum
Verbinden mit dem zinnfreien Aluminiumstreifen vorbereitet.
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hierauf werden die Streifen nach einem beliebigen geeigneten Verfahren,
z.B. durch eine Behandlung mit Drahtbürsten, vorbereitet, um eine saubere Oberfläche
zu erzeugen, mittels deren der Streifen mit dem anderen Material verbunden werden
kann.
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Man wird die beiden Streifen gewöhnlich so bemessen, daß ein erheblicher
Dickenunterschied zwischen dem zinnfreien Aluminiumstreifen und dem Aluminium/Zinn-Streifen
besteht, und vorzugsweise derart, daß der zinnfreie Aluminiumstreifen im. Vergleich
zu dem Aluminium/Zinn-Streifen dünn ist; dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich.
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Die beiden Streifen werden mit -ihren vorbereiteten Flächen aufeinander
gelegt und dann so gewalzt, da.ß eine erheb. liehe Querschnittsverminderune während
das ersten IX.r chgangs stattfindet, um die beiden Streifen so miteinander
zu verbinden.
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Es ist zwebkmäßig, die Dicke des so hergestellten Doppelstreifens
durch weitere Walzendurchgänge herabzusetzen, um die Bindung zwischen der und dem
zinnfreien Aluminium dadurch zu verbessern, da,ß eine weitere Vergrößerung der Bindungsflächen
bewirkt wird, wobei-eine weitere Zerstörung des Aluminiumoxyde erfolgt, das ursprünglich
an diesen Flächen vorhanden iot, wenn die Materialien anfänglich miteinander verbunden
werden® Gleich zeitig erhöht sich hierbei die Härte des Doppelstreifens.
Hierauf
bereitet man die zinnfreie Aluminiumfläche des Doppelstreifens vor und bringt sie
zur Anlage an einem Streifen aus weichem Stahl, der ebenfalls in geeigneter Weise
vorbereitet wurde. Der Doppelstreifen und der Stahlstreifen werden dann durch Aufwalzen
miteinander verbunden; zu diesem Zweck läßt man das Material zwischen Walzen hindurchlaufen,
um im ersten Durchgang wiederum eine erhebliche Querschnittsverminderung
zu bewirken. Das so erzeugte zusammengesetzte Material kann dann geglüht werden,
um die durch das Walzen des .A.luminiums bewirkte Kalthärtung zu beseitigen, doch
bleibt die Kalthärtungswirkung bei dem Stahl erhalten, und sie läßt sich nicht durch
eine Wärmebebwdlung beseitigen, denn die zum Glühen des Stahls erforderliche hohe
Temperatur würde die Gi.lte der Bindung zwischen dem Stahl und dem Aluminium beeinträchtigen.
Nunmehr kann man den fertigen Streifen zu Lagern verarbeiten.
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Es wurde festgestellt, daß man zur Erzielung einer guten Bindung zwischen
Schichten aus Aluminium eine erheblich stärkere Vergrößerung der Bindungsflächen
bewirken muß als zur Erzielung einer guten Bindung zwischen Aluminium und Stahl.
Hieraus folgt, daß man den größten Teil der Walzendurchgänge benutzen muß, um die
Aluminiumschichten miteinander zu verbinden, während der letzte Walzendurchgang
dazu dient, den so erzeugten Aluminiumstreifen mit dem Stahl zu verbinden, so daß
, man eine maximale Festigkeit der Bindung zwischen den Aluminiumschichten bei einer
möglichst geringen Kalthärtung des Stahls erzielt.
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Die überlegene Güte der erzielten Bindung wird dadurch. veranschaulicht,
daß es sich jetzt als möglich ervviiiesen hat,
die Dicke des zusammengesetzten
Streifens weiter herabzusetzen, ohne daß die Bindung an irgendwelchen Stellen unterbrochen
wird, und ohne daß an den Kanten Risse auftreten.
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Um. die Walzeigenschaften des A.luminium/Zinn-Barrens zu verbessern,
kann man den Barren nach dem Gießen glühen. Ferner. kann man in einem beliebien
Zwischenstadium des Verfahrens eine Behandlung zum Beseitigen innerer Spannungen
bei Temperaturen einschalten, die den Schmelzpunkt von Zinn nicht überschreiten.
Wenn dies geschieht und ein vollständiges .Ausglühen des Aluminium/Zinn-Materials
in jedem Zwischenstadium vermieden wird, erhält man in dem fertigen Streifen ein
feinkörniges Material, mittels dessen sich E=in üager von maximaler :,"rmüdungsfestigkeit
herstellen läßt.
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if(:nn man nicht den höchstmöglichen Wert der @irmüdungsfestigkeit
anstrebt, kann man in jedem :)'tadi.izm des Verfahrens ein vollständiges Glühen
des Alumi,n-i_izm/Zi_in-IL:aterials oder des Doppelstreifens aus dem Alumini_um/Zinn-Tüaterial
und dem zinnfreien Aluminium durchführen. .Jie Zwischenglühung vermindert das Auftreten
von Kantenris-en beim ii#etlzen und ermöglicht die Verwendung eines dickeren Aluminium/Zinn-Barrens
als Ausgangsmaterial, doch kann die Ermüdungsfestigkeit des fertigen Materials etwas
niedriger liegen als bei. einem Material, bei dessen Herstellung eine solche Zwischenglühung
vermieden wurde.
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Alle 1.Va.lz- und hufwalzvorgänge werden gewöhnlich bei Raumtemperatur
durchgeführt, wenn die verfügbaren `.yralzeinrichtungen eine: ausreichende Leistungsfähigkeit
besitzen, doch
kann man hierbei auch mit Temperaturen arbeiten,
die 227o G, den Schmelzpunkt des Aluminium/Zinn=.u'utektikums, nicht überschreiten.
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' Beim Glühen des fertigen Dreifachstreifens zeigt es sich, daß Zinn
aus der freiliegenden Fläche der Aluminium/Zinn-Legierung "ausschwitzt". Beim Schargenverfahren
werden die vom Walzwerk kommenden Dreifachstreifen gewöhnlich nicht einzeln geglüht,
sondern man stapelt sie aufeinander oder wickelt sie auf, um sie später in Form
von Stapeln oder Wickeln zu glühen, was sich jeweils nach der Aufnahmefähigkeit
des Glühofens richtet. Bei einem kontinuierlichen Verfahren wird der 'Dreifachstreifen
gewöhnlich beim Verlassen der Walzen aufgewickelt und dann in Form von Wickeln geglüht.
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In den beiden vorgenannten Fällen steht die Aluminium/ Zinn-Fläche
des Streifens in enger Berührung mit der Stahlunterlage des flachen Streifens bzw.
der darüber befindlichen Windung des Wickels, und das ausschwitzende Zinn kann bewirken,
daß die verschiedenen Schichten von zusammengesetzten Streifen aneinander haften,
oder daß zusammenhängende Klumpen oder Stücke entstehen, die man von den Oberflächen
des Streifens entfernen muß, bevor die weitere Verarbeitung erfolgt.
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Um diese Schwierigkeit auszuschalten, kann man das Ausschwitzen von
Zinn dadurch verhindern,daß man die Aluminium/ Zinn-Schicht mit einer Schutzschicbt
aus zinnfreiem Aluminium versieht. Das geschieht während der Herstellung des Doppel
streifens durch Aufwalzen eines zinnfreien Aluminiumstreifens entweder auf die beiden
Hauptflächen des Alum+.nium/Zinn--Strei-.fene gleichzeitig mit dem asten Walaendurohgang
oder dadurch, '
daß man auf jede Hauptfläche in gesonderten Durchläufen
zinnfreies Aluminium aufwalzt.
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Die Verwendung dieser Schutzschicht bietet den weiteren Vorteil, daß
die Verluste an Zinn während des Glühvorgangs bzw. während der Glühvorgänge herabgesetzt
oder vermieden werden. Die Sch utzschieht braucht nicht die gleiche Zusammensetzung
zu haben wie diejenige Schicht, welche mit dem Stahl verbunden werden soll.
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Außerdem bildet die Schutzschicht eine in stärkerem Maße korrosionsbeständige
Oberfläche für den fertigen zusammengesetzten Streifen, so daß seine Widerstandsfähigkeit
gegen schädliche Einflüsse während der Lagerung bis zur Verarbeitung zu lagern,
erhöht wird. Die Schutzsohicht wird dann während des normalen Verfahrens zum Herstellen
der hager entfernt.
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Für den Fachmann liegt es auf der Hand, daß man die Grundgedenken
der Erfindung auch bei der Herstellung-zusammengesetzter Streifen anwenden kann,
die drei oder mehr aluminiumhaltige Schichten von unterschiedlicher Zusammensetzung
umfassen. Man kann zsB. ein Aluminium/Zinn-Zager des unter Verwendung von drei Metallen
hergestellten Typs dadurch erzeugen, daß mäh eine relativ dünne Schiebt aus einer
Aluminium/Zinn-Legierung mit sehr hohem Zinngehalt von 50 Prozent oder darüber mit
einer. Zwischenschiaht aus einer Aluminium/Zinn-Legierung mit-,z.B.
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20 0 Prozent Zinn von hoher Ermüdungsfestigkeit verbindet und dieses
Material dann mittels einer Bindeschicht aus im wesentlichen zinnfreidm .Aluminium
mit der Unterlage aus Stahl verbindet. Ein: Streifenmaterial für ein solohee hager
kann natürlich
auch die zusätzliche Oberflächenschicht aus zinnfreiem
Aluminium umfassen, um Zinnverluste durch Ausschwitzen während des Herstellungsgange
zu vermeiden. In einem solchen Falle würde der fertige Streifen aus fünf miteinander
verbundenen Schichten bestehen.
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Um ein weiteres Beispiel für die Anwendbarkeit der Erfindung zu geben,
sei erwähnt, daß man ein Lagermaterial für schwimmende Lager oder Buchsen herstellen
kann; bei einem solchen Material können die verschiedenen Aluminium/Zinn-Schichten,
die Aluminiumlagerschicht und die Bindeschichten mit beiden Seiten eines Stahlstreifens
verbunden werden.
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Gegebenenfalls kann man den zinnfreien oder im wesentlichen zinnfreien
Aluminiumstreifen durch einen Streifen aus einer Aluminium/Zinn-Legierung ersetzen,
dessen Zinngehalt relativ niedrig ist. Bei einer handelsüblichen Legierung, die
6 bis 7 Prozent Zinn enthält, ergibt sich z.B. eine Bindung von ausreichender Güte.
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Nachstehend wird die Erfindung an Hand eines Beispiele erläutert,
doch sei bemerkt, daB sich die Erfindung nicht auf dieses Beispiel beschränkt.
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Beispiel
Im Wege des Absehreckverfahrens wurde ein Aluminium/Zinn-Barren
mit einer Dicke von etwa 22 mm gegossen; dieser Barren enthielt 30 Prozent
Zinn und 0,7 Prozent Kupfer und bestand im übrigen aus Aluminium. Dieser Barren
wurde dann maschinell bearbeitet, um ihn in wesentlichen eben und parallelwandig
zu
machen und Gußfeh ler zu beseitigen; nach dieser Bearbeitung
betrug die Dicke des Barrens noch etwa 19 mm. Hierauf wurde der Barren auf eine
Dicke von etwa 7,5 mm ausgewalzt und dann entfettet und auf einer Seite mittels
Drahtbürsten aufgerauht. Ein Streifen aus Aluminium von handelsüblicher Reinheit
mit einer.Dicke von etwa 1,5 mm von ähnlicher Länge und Breite wie der Aluminium/Zinn-Streifen
wurde ebenfalls entfett;:t und. auf einer Seite mittels Drahtbürsten aufgerauht.
Die aufgerauhten Flächen der beiden Streifen wurden dann aufeinander gelegt. und
durch Aufwalzen miteinander verbunden, wobei die Dicke in einem Durchgang auf etwa
4 mm herabgesetzt wurde. Der so hergestellte zusammengesetzte Streifen wurde dann
in mehreren Durchgängen weiter auf eine Dicke von etwa 1 mm ausgewalzt, um@die Festigkeit
der Bindung innerhalb des Streifens zu steigern. Nunmehr wurde die zinnfreie Fläche
des zusammengesetzten Streifens mittels Drahtbürsten aufgerauht. Danach wurde diese
Fläche zur Anlage an einer mittels Drahtbürsten aufgerauhten Fläche eines Streifens
aus weichem Stahl gebracht, dessen Dicke etwa 2,5 mm betrug, und hierauf wurden
die beiden Streifen durch Aufwalzen miteinander verbunden, wobei die Dicke in. -.
einem Durchgang auf etwa 1,8 mm verringert wurde; die Dicke der Stahlschicht betrug
dann etwa 1,3 mm und diejenige der aluminiumhaltigen Schicht etwa 0,5 mm. Dann wurde
der fertige Streifen dreißig Minuten lang bei,etwa 3500 C geglüht. Bei diesem Verfahren
wurde ein Material mit einer guten Bindung zwischen allen einander benachbarten
Schichten 'erzielt-.
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-Es ist ersichtlich, daß bei diesem Beispiel. die. Bim.dungsfläche
zwischen dem zinnfreien Aluminium und dem Stahl auf.
etwa das :Doppelte
ihrer ursprünglichen hänge ausgedehnt wurde; hierbei ergab sich eine ausgezeichnete
Bindung zwischen diesen Flächen. Eine ausreichende Bindung hätte auch durch eine
Ausdehnung der Bindungsfläche auf nur das 1,7-faohe der ursprünglichen I'änge erzielt
werden können. .
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Ferner"wurde bei diesem Beispiel die Bindungsfläche zwischen der Aluminium/Zinn-Legierung
und dem zinnfreien Aluminium. auf das 18-fache ihrer ursprünglichen hänge ausgedehnt,
d.h..um den Betrag (7,5 mm + 1,5 mm)/0,5 mm und hierbei ergab sich eine gute Bindung.
Eine wesentlich bessere Bindung wäre jedoch erzielt worden, wenn eine Ausdehnung
der Bindungsfläche etwa um das 30-fache erfolgt wäre, d.h. wenn die zinnfreie Schicht
mit der Aluminium/Zinn-Legierung bei einer Dicke von etwa 13,8 mm und nicht bei
einer Dicke von etwa 7,5 mm verbunden worden wäre; hierbei hätte man natürlich eine-größere
Walzwerkleistung benötigt, denn die anfängliche prozentuale Quersohnittsverminderung
muß immer noch in der gleichen Größenordnung liegen, um zu bewirken, daß die Aluminiumstreifen
festhaften.
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Ferner sei bemerkt, daß die als Beispiel angegebene Aluminium/Zinn-Iregierung
0,7 Prozent Kupfer enthielt. Für den Fachmann liegt es auf der Hard, daß man diesen
Prozentsatz ebenso wie die anteiligen Mengen an Zinn und Aluminium variieren
kann, und daß es möglich ist, weitere liegierungebestandteile! z.B.,Silisium, beizufügen,
um die Festigkeit der Aluminium/Zinn-Legierung oder der zinnfreien Aluminiumschicht
zu steigern,
Es sei bemerkt, daß man-bei den vorstehend beschriebenen
Ausführungsbeispielen die verschiedensten Abänderungen und Abwandlungen vorsehen
kanng ohne: den Bereich der Erfindung zu verlassen.