DE1533414C - Lagerwerkstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Lagerwerkstoff auf der Basis einer Aluminium-Zink-Legierung mit 27 bis 70% Al, 0 bis 5% Cu und 0 bis 5% Si, Rest Zink. "

Die Eignung einer Legierung als Lagerwerkstoff ist in den meisten Fällen durch einen heterogenen Gefugeaufbau bedingt. Heterogenität ist bei folgenden Legierungen vorhanden: bei Legierungen, die in " einer weichen Grundmasse tragende härtere Kristalle enthalten (dazu gehören die meisten Lagermetalle auf Blei-Antimon-Zinn-Basis; Zinklegierungen mit primär kristallisierenden Aluminiden, Antimoniden u.a.); bei Legierungen mit Primärkristallen im Eutektikum oder Monotektikum, wie Al-Zn-Legierungen mit einem Gehalt bis zu 17% Al, Al-Si-Legierungen und Bleibronzen; und bei Mischkristalllegierungen mit zonenartig aufgebauten Kristallen (infolge Kristallseigerung) oder solchen mit härteren Randzonen, z. B. Kupfer-Zinn-Legierungen, Al-Zn-Legierungen mit hohen Al-Gehalten (letztere mit härteren Randzonen infolge von Zusätzen von Kupfer oder Silizium).

In Al-Zn-Legierungen erstreckt sich das Gebiet der festen Lösung (^-Mischkristalle) von 100% Al bis 17% Al und 83% Zn. Gegossene Al-Zn-Legierungen sind in Abhängigkeit von der Erstarrungsgeschwindigkeit infolge zonigen Aufbaues der Mischkristalle heterogen. In der Praxis — also z. B. beim Gießen dieser Legierungen in eiserne Kokillen — ergeben sich aber gegenüber dem theoretischen Gleichgewicht Unterschiede, die in der folgenden Tabelle veranschaulicht sind. Hierbei ist mit »Fall A« der Gleichgewichtsfall, der einer unendlich langsamen Erstarrung oder einer homogenen Glühung entspricht, und mit »Fall B« der praktische Fall bezeichnet, der einer Kristallseigerung durch rasche Erstarrung entspricht. Das Erstarrungsintervall bedeutet die Temperaturdifferenz in Grad Celsius zwischen dem Beginn und dem Ende der Erstarrung.

	Zn%	Erstarrungs	Fall B	Gefuge*)	A	. B
Al %		intervall in" C	■ 0		H. M.	H. M.
	0	Fall Λ	95	H. M.	Z. M.
100	20	0			(Beginn)
80		55	115	H. M.	Z. M.
	30		120	H. M.	. Z. M.
70	50	68	104	H. M.	? Z: M..
50	70	77	100	H. M.	Z. M.+ E.
30	75	69			(1% Anteil)
25		68	84	H. M.	Z. M.+ E.
	80				(20%Anteil)
20		67

*) H. M. = homogene Mischkristalle. Z. M. = zonige Mischkristalle. E. ^ Eutektikum.

Aus der Tabelle ist somit ersichtlich, daß im Fall B bei allen Legierungen das Erstarrungsintervall gegenüber dem Gleichgewichtsfall erheblich vergrößert ist.

Während Äl-Zn-Legierungen bis zu 27% Al ein zinkreiches Eutektikum enthalten, fehlt dieser Gefügebestandteil bei Legierungen mit mehr als 27% Al. Diese enthalten nur noch zonige Mischkristalle. In Lagerwerkstoffen ist ein zinkreicher Eutektikum-Bestandteil zu vermeiden, weil er Ursache ungenügender Maßbeständigkeit ist. Im Gebiet zwischen 27 und 70% Al liegt also für den definierten Aufbau zoniger Mischkristalle ein genügend großes Erstarrungsintervall vor, ohne daß dabei das unerwünschte zinkreiche Eutektikum auftritt.

Bei praktischer Verwendung solcher Al-Zn-Legierungen ergaben sich oft insofern Schwierigkeiten, als trotz gleicher Zusammensetzung des Lagerwerkstoffes unterschiedliche Reibungseffekte bei öllosem Lauf (Notlauf) festgestellt wurden. Die Untersuchung dieser Erscheinung ergab:

1. Um ein in allen Belastungsfällen gleich gutes Verhalten einer Al-Zn-Lagerlegierung im Bereich von 27 bis 70% Al zu erzielen, ist eine Voraussetzung, daß der Konstruktionsteil, also die Lagerschale, einen vollständig gleichmäßigen Gefügeaufbau besitzt. Diese Voraussetzung ist derzeit bei den bekannten Legierungen nicht erfüllt. Weil die Abkühlungsgeschwindigkeit den Grad der Heterogenität durch Kristallseigerung bestimmt, ist der Gefügeaufbau von der Größe des Gußstückes bzw. der Wandstärke in einem Gußstück abhängig. Gefügeunterschiede treten zwischen Randzone und der

■25 Mitte des Gußstückes auf.

2. Eine starke Kristallseigerung in einer Randzone eines Gußstückes führt infolge Blockseigerung ebenfalls zu einem unterschiedlichen bzw. ungleichmäßigen Gefuge in einer Lagerschale.

3. Knapp vor dem Ende der Erstarrung liegt neben zonigen Mischkristallen eine interkristalline Schmelze vor, die unter Schwund und Hinterlassung von Poren erstarren kann, wenn nicht ein genügender Flüssigkeitsdruck dies verhindert. Es entstehen so Mikroporen in der Oberfläche des Lagerkörpers bzw. der Lagerschale, die bei der Verwendung in der Praxis den Schmierfilm unterbrechen und zu starkem Verschleiß Anlaß geben.

In der Literatur finden sich verschiedene Vorschlage zur Nutzbarmachung von hochaluminiumhaltigen Zinklegierungen als Lagerwerkstoff. Viele Vorschläge haben die definierte Heterogenisierung des Gefüges zum Ziel. So gibt es z. B. Verfahren, um bei gegebener Zusammensetzung durch Wärmebehandlung den Gefügeaufbau zu beeinflussen, wodurch die Lagereigenschaften verbessert wurden; Methoden, um bei gegebener Grundzusammensetzung durch weitere Legierungskomponenten auf den Gefügeaufbau einzuwirken, z. B. durch Zusätze, die so bemessen sind, daß sie ein eutektisches Rartdgefüge bilden, wie z.B. Gehalte von Kupfer oder Silizium in einer Menge bis zu 5%; die Inkorporierung von zusätzlichen Komponenten, die an sich primär kristallisieren, wie hohe Gehalte an Silizium,

55-Bor, Kohlenstoff oder Zusätze, die Aluminide,

"' Suizide, Boride, Phosphide bilden. Solche Zusätze verschlechtern aber meist die Lagereigenschaften und führen besonders bei öllosem .Notlauf zum Verschleiß des Lagerteiles, z. B. eines Zapfens.

Erfindungsgemäß werden die geschilderten Nachteile und Schwierigkeiten bei einer Al-Zn-Legierung mit 27 bis 70% Al, 0 bis 5% Cu und 0 bis 5% Si dadurch vermieden, daß sie als zusätzliche Komponenten 0,1 bis 3% Wismut und/oder Thallium bzw. einer gesondert hergestellten Wismutlegierung mit bis 40% Kadmium oder bis 24% Thallium oder bis 44% Blei und/oder einer gesondert hergestellten Thalliumlegierung mit bis 17% Kadmium oder bis

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38^ll/o Blei enthält und der Rest aus Zink besteht. Die genannten zusätzlichen , Komponenten liegen noch in flüssiger Form interkristallin vor, wenn die Erstarrung der Al-Zn-Legierung schon beendet ist, d. h. also, daß ihr Erstarrungspunkt unter dem Erstarrungspunkt des am niedrigsten schmelzenden Mischkristalls gelegen ist. Die erfindungsgemäße Lagerlegierung gewährleistet eine gleichmäßige, von der Erstarrungsgeschwindigkeit und von jeder Glühbehandlung unabhängige Heterogenisierung.

Der Erstarrungspunkt der erfindungsgemäßen Al-Zn-Legierungen liegt gemäß der folgenden Aufstellung bei

AlO/	Temperatur bei beendeter
AI /o	Erstarrung in ° C
27'	430
• 40	460
50.	483
60"	510
70	537

Lagerlaufversuche mit erfindungsgemäßen Legierungen zeigten hervorragende Notlaufeigenschaften. Die beschriebenen Zusätze an Wismut "und/oder Thallium bzw. deren Legierungen in einer Menge von 0,1 bis 3% liegen in Form von monotektisch verteilten Phasen vor und besitzen eine ausreichende Verschleißhärte.

Im besonderen geeignet erwies sich eine Lagerlegierung, die aus 50% Al, 49% Zn, 0,4% Cd und 0,6% Bi oder aus 50% Al, 49% Zn, 0,38% Pb und 0,62% Tl besteht.

Die zusätzlichen Legierungskomponenten sind sowohl in flüssigem Aluminium als auch in flüssigem Zink nur beschränkt löslich; schon Gehalte ab 0,1% vergröbern bei den reinen Metallen das Gußgefüge. überraschenderweise zeigte sich, daß die genannten Metallzusätze in Al-Zn-Legierungen mit einem großen Erstarrungsintervall, also solchen mit 27 bis 70% Al, in weiten Grenzen unabhängig von der Abkühlungsgeschwindigkeit, kornverfeinernd wirken. Als Folge der erfindungsgemäßen Zusätze ergeben sich gegenüber den einleitend geschilderten Problemen:

ad 1. unabhängig von der Größe des Gußstückes, feinere Zonenmischkristalle;

ad2. Rand und Mitte eines Gußstückes, z.B. einer Welle, besitzen das gleiche Gefüge und die gleiche Zusammensetzung, weil das monotektisch ausgeschiedene flüssige Metall eine Blockseigerung weitestgehend verhindert.

So ergab z. B. eine aus 50% Al und 50% Zn bestehende Legierung in der Randzone von Kokillengußbolzen einen Al-Gehalt von 58% und in der • Mitte von 41%. Eine Legierung aus 50% Al, 2% Bi, 48% Zn wies innerhalb von ± 1% keine Unterschiede auf; der Bi-Gehalt außen und innen schwankte nur von 1,8 bis 2,2% Bi. ..

ad 3. Die nach beendeter Erstarrung der Mischkristalle verbleibende interkristalline Schmelze entspricht praktisch der gewünschten Zusammensetzung.

Sie fördert die Kontraktion der letzten Erstarrung und trägt zur Verhinderung der Bildung von Mikroporen bei.

Eine Legierung mit 50»/« Al, 50¹Vo Zn hat als VoIlmaterial ein spezifisches Gewicht von 3,92 g/cm^;!. Ein .Kokillengußbolzen aus dieser Legierung ergab eine scheinbare Dichte von 3,70; in Übereinstimmung mit der Gefugeuntersuchung also ein Porenvolumen von 6%.

ίο Eine Legierung aus'50% Al mit einem Zusatz von 1,5% an Wismut oder Thallium bzw. deren Legierungen gemäß der Erfindung hat eine Volldichte von 3,93; die an einem Kokillenbolzen gemessene Dichte betrug 3,91, was einem maximalen Porenvolumen von nur 5% entspricht.

Wie erwähnt, können die erfindungsgemäßen Al-Zn-Legierungen Kupfer- oder Siliziumgehalte bis zu 5% aufweisen. Hierdurch werden die mechanischen Eigenschaften verbessert. Jedoch ist darauf zu achten, daß keine Primärkristalle der Elemente· Si, Be, B, C oder Primärphasen aus Verbindungen des Al oder des Zn mit Fe, Co, Ni, Cr, Mn, Mo, W, Ti, As, Sb die Wirkung monotektischer Schmelzen stören. Das niedrigschmelzende Zinn ruft interkristalline Korrosion hervor und darf als Legierungselement nicht verwendet werden.

Die erfindungsgemäßen Legierungen aus Basis Al—Zn erfüllen infolge ihrer definierten Heterogenität höchste Ansprüche im Lagerlaufversuch und bei Verwendung in der Praxis. Durch geeignete Wahl des Al-Gehaltes können die Eigenschaften der Legierungen ihrer Beanspruchung angepaßt werden; für ■ spezifisch leichte Lager kommt z. B. eine erfindungsgemäße Legierung mit 70% Al in Betracht. Für hohe Beanspruchungen eignet sich eine erfindungsgemäße Legierung mit 50% Al, 1% Cu oder 1% Si und für die gießtechnische Verarbeitung bei niedrigeren Temperaturen und bei nicht zu hohen Anforderungen an die Maßgenauigkeit eine erfindungsgemäße Legierung mit 30% Al, 1% Cu oder Si. Für den öllosen Notlauf erwiesen sich die erfindungsgemäßen Zusatzmetalle als äußerst günstig, da der metallische Abrieb Welle—Lager mit zunehmender Reibungswärme zuerst das feinverteilte Zusatzmetall erfaßt, das eine feinkörnige selbstschmierende Zwischenschicht zwischen Zapfen und Lager bildet. Da sich die Zusatzmetalle und ihre Legierungen untereinander mit Eisen nicht legieren, erfolgt kein Zapfenangriff. Für die spanabhebende Bearbeitung von Lagerhülsen und -schalen erweisen sich die erfindungsgemäßen heterogenen Metallzusätze sehr günstig als Spanbrecher.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Lagerwerkstoff auf Basis einer Aluminium-Zink-Legierung mit 27 bis 70% Aluminium, 0 bis 5% Kupfer und 0 bis 5% Silizium, dadurch gekennzeichnet, daß er 0,1 bis 3% Wismut und/oder Thallium bzw. einer gesondert hergestellten Wismutlegierung mit bis 40% Kadmium oder bis 24% Thallium oder bis 44% Blei und/oder einer gesondert hergestellten Thalliumlegierung mit bis 17% Kadmium oder bis 38% Blei enthält und der Rest aus Zink besteht.