DE1953447A1

DE1953447A1 - Verbundlagerschale und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1953447A1
Application number: DE19691953447
Authority: DE
Inventors: Webbere Fred John
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1968-10-29
Filing date: 1969-10-23
Publication date: 1970-05-14
Also published as: US3562884A; DE1953447B2

Description

PATENTANWÄLTE OR. MOLLER-BORg · DIPL.-ING. GRALFS

DR. MANtTZ · DR. DEUFEL 1 MÖNCHEN 22, HOBERT-KOCH-Sm 1 „. ._n._ar

telefon 226110 ²^ · Oktober

Lo-Sv - G 2027

GENERAL MOTOHS CORPORATION Detroit, Michigan, USA

Verbundlagerschale und Verfahren zu ihrer Herstellung

Priorität: USA, vom 29. Oktober 1968, Nr. 771,4-16

Die Erfindung betrifft die Verarbeitung von Lagermaterial auf Aluminiumbasis, welches für Buchsenlager und dergl. geeignet ist. Insbesondere betrifft die Erfindung Aluminium-Lagerlegierungen, welche eine verteilte Phase aus weichem Metall enthalten, und ein Verfahren zur Verarbeitung solcher Legierungen, wobei die weiche Phase zu im allgemeinen flach-länglichen Plättchen ausgebildet wird, welche im wesentlichen parallel zu der Lagerober'lache sind. Die Orientierung der Plättchen in dem fertigen Lagerteil ist derart durchgeführt und gesteuert, um die vorteilhafteste Lage der weichen Phase hinsichtlich der Lagerwirkung zu ergeben.

In der USA-Patentschrift 3 4-10 331 und der entsprechenden deutschen Patentanmeldung P 15 58 249.7 ist ein Verfahren zur Herstellung einer gegossenen Lagerlegierung beschrieben, welche im allgemeinen sphärische Teilchen aus Blei, welche in einer Aluminiummatrix verteilt sind, enthält.

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Hierbei wird ein Streifen einer Blei enthaltenden Legierung auf Aluminiumbasis in einer Weise gegossen, durch die dl· Konzentration des Bleis in einer Richtung von einer Oberfläche des Streifens zu der entgegengesetzten Oberfläche zunimmt. Die Verteilung der winzigen Bleiteilchen in einer Aluminiummatrix liefert ein ausgezeichnetes Lagermaterial, insbesondere zur Verwendung bei Buchsenlager und dergl.. Im allgemeinen wird der gegossene Aluminiumstreifen schließlich mit einem Stahl-Unterlagestreifen zum Tragen verbunden, wobei die Seite des Aluminiumstreifens mit niedriger Bleikonzentration mit der Stahl-Unterlage verbunden wird und die Seite des Aluminiumstreifens mit hoher Bleikonzentration zur Lageroberfläche wird. Lagermaterialien der beschriebenen Zusammensetzung und Struktur weisen ausgezeichnete Lagereigenschaften infolge dtr Dispersion des Weichüeis in der Aluminiummatrix auf. Es wurde tatsächlich gefunden, daß Buchsenlager dieser Art Eigenschaften besitzen» welche denjenigen der kostspieligeren Buchsenlager: aus blei-freier Aluminiumlegierung, die mit einem Überzug aus Lagermaterial versehen sind, gleichwertig oder überlegen sind.

Ziel der Erfindung ist ein verbessertes Verfahren zur Verarbeitung einer gegossenen Aluminiumlegierung auf Aluminiumbasis, welche es ermöglicht, das Problem eines erhöhten Widerstandes gegenüber Riefenbildung für die Lageroberflache, und der Einbettbarkeit von Fremdteilchen in diese zu überwinden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann dieses Problem gelöst werden» indem zuerst ein gegossener Streifen einer Legierung auf Aluminiumbasis, welche hierin eine dispergierte Phase ▼<>& fein zerteilten, in allgemeinen sphärisch geformten Teilchen aus einem weichen Metall, z.B. Blei, enthält, hergestellt wird, Im allgemeinen ist es bevorzugt, daß der gegossene Streifen wie in der USA-Patentschrift 3 410 331 beschrieben hergestellt wird, so daß die

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Konzentration an weichem Metall (Blei) in einer Richtung von einer der Hauptoberflächen des gegossenen Streifens zu der anderen ansteigt. Der gegossene Streifen wird zu geeigneten, vorbestimmten Abmessungen geschliffen, naschinell bearbeitet oder auf andere Weise zugerichtet, und dann gewalzt, um eine Reduzierung der Dicke zu erhalten, und falls gewünscht, den gegossenen Streifen aus Aluminiumlegierung mit einem geeigneten Stützmaterial, wie Stahl, zu verbinden.

Gemäß der Erfindung wird der gegossene Streifen, um seine Dicke herabzusetzen, derart gewalzt, daß die sphärischen Teilchen aus Weichmetall abgeflacht werden und diese in Richtung des Walzens verlängert werden. Die dünne Abmessung Jedcc abgeflachten Teilchens oder Plättchens ist grob senkrecht zu der gewalzten Oberfläche, und die breiten Abmessungen eines größeren Teils des Plättchens liegen in oder parallel zu der Ebene der arbeitenden Fläche des Lagermaterials.

Gemäß einer weiteren wichtigen Ausführungsfonn der Erfindung wird der gegossene Streifen, nachdem er zur Verlängerung der sphärischen Teilchen gewalzt worden ist, zu Lagerrohlingen geschnitten oder abgeschert, wobei die Schnitte senkrecht zu der allgemeinen Richtung der Plättchen aus Weichmetall liegen. Dies bedeutet, daß, wenn der Lagerrohling zu einer fertigen Lagerschale verarbeitet wird, sich die Plättchen aus Weichmetall quer zu der beabsichtigten Drehrichtung eines eingepaßten wellenförmigen Teiles in den Lager erstrecken. Anders ausgedrückt, die beabsichtigte Drehrichtung eines wellenförmigen Teiles hinsichtlich des fertig bearbeiteten Lagermaterials liegt quer zn der Richtung, in welcher das Lagermaterial ursprünglich gewalzt wurde. Auf diese Weise lie-

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gen die flachen, länglichen, weichen Teilchen quer zu der Bewegung des wellenförmigen Teiles, um die maximal ausgesetzte Fläche und die Möglichkeit zur Einbettung von Fremdteilchen zu liefern, welche zwischen dem sich drehenden wellenförmigen !Teil und der Lageroberfläche hineingeraten, und um die Riefenbildung der Lageroberfläche auf ein Minimum herabzusetzen.

Die Erfindung wird'im folgenden im besonderen mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben; in der Zeichnung sind:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines durch Walzen miteinander verbundenen Bimetallstreifens einer Legierung aus Aluminium-Weichmetall, welche eine Stahl-Unterlage besitzt;

Figur 2 eine perspektivische Ancicht eines Bimetallbuchsenlagers, welches aus einem von dem Streifen der Fig.1 in der angezeigten Weise abgeschnittenen Rohling hergestellt wurde;

i*igur 3 ©ine Mikrophotographie bei lOO.facher Vergrößerung einea Teiles der Oberfläche der Aluminiumlegierung des durch Walzen miteinander verbundenen Streifens der ils. 1;

Figur 4 eine Mikrophotographie bei lOOfacher Vergrößerung eines Ausschnittes des Metallstreifens der Fig. 1,

von der Seite betrachtet; und Figur 5 eine Mikrophotographie bei lOOfacher Vergrößerung eines Ausschnittes des Bimetallstreifens der Fig.1 bei Ansicht von einem Ende.

In der folgenden, ins einzelne gehenden Beschreibung einer bevorzugten Durchführungsform der Erfindung kann eine Aluminiumbleilegierung gemäß der USA-Patentschrift 3 410 331 hergestellt werden, welche gegebenenfalls auf eine Stahlunterlage aufgewalzt wird. Es sei jedoch darauf hingewie-

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sen, daß die Erfindung in gleicher Weise auf Aluminiumlegierungen anwendbar "ist, wache andere Weichmetalle als Blei enthalten, beispielsweise Cadmium oder Wismut , und auf solche, die nicht notwendigerweise mit einer Unterlegschicht ausgerüstet sind.

Die geschmolzene Legierung wurde in einem Induktionsofen hergestellt, die Legierung enthielt in Gewichtsteilen etwa 4,75 % Blei, 0,5 % Zinn, 4- % Silicium, 1 % Cadmium, 0,10 % Magnesium, 0,20 % Mangan, 0,10 % Kupfer und der Rest war Aluminium. Nachdem sie auf eine Temperatur von etwa 955°C (175O⁰F) erhitzt worden war, wurde das geschmolzene Metall aus dem Induktionsofen in eine horizontal gelagerte, mit einem offenen Ende versehene Form, · wie diejenige die in der USA-Patentschrift 3 410 331 wiedergegeben ist, fließen gelassen. Die Abkühlungsgeschwindigkeit des Metalls in der Form wurde gesteuert, so daß die in dem geschmolzenen Aluminium ausgebildeten Tröpfchen aus flüssigem Blei unter dem Einfluß der Schwerkraft wandern konnten, bevor sich das Aluminium vollständig verfestigte. Auf diese Weise wurde eine Dispersion von feinen, im allgemeinen sphärischen Teilchen aus Blei quer durch die Aluminiummatrix festgestellt, jedoch mit einem Gradienten der Bleikonzentration von der Oberseite zu der Unterseite des horizontal gegossenen Streifens. Da Blei eine höhere Dichte als Aluminium besitzt, nahm die Konzentration der fein verteilten Bleiphase in der Richtung von der Oberseite zu der Unterseite des gegossenen Streifens zu. Eine mikroskopische Prüfung des gegossenen Streifens zeigte deutlich, daß die dispergieren Bleiteilchen im allgemeinen sphärische Konfiguration in dem so gegossenen Streifen besitzen.

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In diesem Beispiel wurde die mit einem offenen Sode versehene Form derart angeordnet und aufgebaut, daß der gegossene Streifen einen rechteckigen Querschnitt besaß, etwa 9,5 mn (3/B inch) dick und 133 Λ »η (5,25 inch) breit. Eine kleine Menge des Materials wurde e?vohl von der oberen als auch von der unteren Oberfläche abgeschliffen, um einen Streifen herzustellen, der genauer parallele Flächen besaß. Es wurden Abschnitte des gegossenen Streifens von 61m (200 ft) zu Rollen gewalzt und die Bollen wurden normalisiert und entspannt. Der aufgewickelte und normalisierte Streifen, der nunmehr etwas weniger als 9«5 mm (3/8 inch) dick war, wurde wiederholt zwischen geeigneten Walzen durchgeführt, wodurch die Dicke des Streifens auf etwa 1,27 mm (0,050 inch) herabgesetzt wurde. Es wurde nicht zugelassen, daß sich der Streifen wesentlich in der Breite ausdehnte. Daher wurde eine angenähert sechsfache Verlängerung erhalten. Im Anschluß an den letzten Durchtritt zwischen den Walzen wurden die Enden des Streifens derart zugerichtet, daß seine Breite gleich der beabsichtigten länge des halben Umfanges des herzustellenden, endgültigen Buchsenlagers war.

Nach den Walz- und Zurichtvorgängen wurde der Streifen aus Aluminium-Weichmetall-Legierung normalisiert. Der gewalzte und normalisierte Streifen war dann für das Zusammenwalzen mit einer Hückechicht aus einem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt geeignet. Dies wurde durchgeführt, indem ein dünner Unterlagestreifen aus Stahl von praktisch der gleichen Breite wie der aus Aluminium aufgebaute Streifen auf etwa 650⁰C (1200⁰P) aufgeheizt wurde, der Aluminiumetreifen und der Stahlstreifen aufeinandergelegt wurden, wobei die Seite des Aluminiumstreifens mit niedrigem BJeigehalt gegen den Stahlstreifen gelegt wurde, und dann die beiden Streifen zwischen geeigneten Walzen durchgeführt wurden.

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Während der Durchführung des Zusammenwalzens unterlag der Aluminiumstreifen einer weiteren Herabsetzung der Dicke, ungefähr 3:1, und er wurde mit der Stahlunterlage fest und in gleicher Ausdehnung verbunden. In dieser Stufe betrug die Dicke der Aluminiumschic_Hc in dem Bimetallstreifen etwa 0,41 bis 0,46 mm (0,016" bis 0,018")· Eine perspektivische Anächt, welche einen typischen Schnitt des Bimetallstreifens aus Aluminiumlagermaterial-Stahlunterlage darstellt, wird in Fig. 1 wiedergegeben. Die relative Dicke des Aluminiummaterials 12 und der Stahlunterlage 14 sind notwendigerweise nicht genau wiedergegeben. Wie oben ausgeführt, wurde der Streifen jedesmal in Längsrichtung gewalzt, so daß die fein verteilten Bleiteilchen 16 (in denen etwas Zinn und Cadmium enthalten ist), die zum Zweck der Erläuterung in der Größe etwas übertrieben dargestellt sind, in der !Richtung des Walzens abgeflacht und verlängert werden. Die Mikrophotographie der Figur 3 zeigt die in Stücke zerbrochenen und abgeflachten Bleiteilchen 16 in der Aluminiummacrix. Figur 4 ist eine Mikrophotographie eines Schnittes des zusammengewalzten Bimetallstreifens bei Ansicht von der Seite, wobei die aus Aluminium aufgebaute Schicht 12 mit der Stahlschicht 14 verbunden ist. Die Bleiteilchen 16 sind in diesem Fall extrem dünn und kaum sichtbar in ausgeprägtem Kontrast zu den im allgeaeinen sphärisch geformten Teilchen in der entsprechend der USA-Patentschrift 3 410 331 gegossenen Legierung. Es ist ersichtlich, daß die dünnen Bleiplättchen 16 praktisch parallel zu der oberen Fläche 18 der Aluminiueschicht sind.

Figur 5 ist eine Mikrophotographie eines Schnittes, der in einer Ebene senkrecht zu der Walzrichtung liegt, oder anders ausgedrückt eine Ansicht vom Ende des durch Walzen miteinander verbundenen Streifens. Es ist ersichtlich, daß die Bleiplättchen 16 sehr dünn sind und im allgemeinen parallel

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zu der freiliegenden Oberfläche des Abschnittes aus Aluminium liegen. ;

Es weifen jetzt Lagerrohlinge von dem Bimetallstreifen abgeschnitten oder abgeschert. In diesem Beispiel soll ein glattes Buchsenlager, wie in Figur 2 mit 20 angedeutet, hergestellt werden, und die Richtung der Bewegung des passenden wellenförmigen Teiles erfolgt wie durch den Pfeil angezeigt. Entsprechend werden die Lagerrohlinge in diesem Pail quer von dem Bimetallstreifen abgeschert. Die Bohlinge werden zu Halbkreisform ausgebildet, wobei die Aluminiumschicht 12 innen von der StützsdAcht 14- aus Stahl liegt. Zu diesem Zeitpunkt werden alle endgültigen Bearbeitungsvorgänge an dem Lager durchgeführt, welche notwendig sein können, um den Gegenstand auf seine Endabmessungen zu bringen.

Die verteilten, weichen Bleiplättcnen 16 in der Oberfläche der Aluminiumschicht und die in dieser verteilt sind, sind in Figur 2 mit ihrer längsten Abmessung senkrecht oder quer hinsichtlich der Drehbewegung eines wellenförmigen Teiles angeordnet, und die länglichen Plättchen oder Bruchstücke von Plättchen sind so orientiert, daß ihre beiden größeren Abmessungen in Ebenen im allgemeinen parallel zu der Lageroberfläche liegen. Bei dieser Anordnung liefert die Phase des Bleiweichmetalls ein maximales Einbettungsvermögen für Premdteilchen, welche zwischen der sich bewegenden Welle und der Lageroberfläche in typischer Weise eingezogen werden. Dies erfolgt, da alle so eingebrachten Fremdteilchen sich in einer Richtung quer zu den länglichen Plättchen bewegen, und viel wahrscheinlicher auf eine weiche Phase stoßen. Darüberhinaus ist bei der gezeigten Anadnung die weiche Bleiphase bei der Erhöhung der Festigkeit gegenüber Riefenbildung der Lager ober fläche am wirksamsten. Das be-

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schriebene Verfahren zur Bearbeitung von Legierungen aus Aluminium-Weichmetall und insbesondere von Legierungen aus Aluminium-Blei liefert ein Lagermaterial, welches die meisten der erwünschten Eigenschaften der konventionellen Lagerlegierungen aus Aluminium-Silizium-Cadmium mit einem Weichbleiüberzug für die Festigkeit gegenüber Biefenbildung und zur Einbettung bieten, «jedoch ist die erfindungagemäße Zusammensetzung weniger kostspielig herzustellen.

Die Erfindung ist insbesondere auf gegossene Legierungen aus Aluminium-Weichmetall anv/endbar, in welchen das Weichmetall in einer getrennten Phase in einer Aluminiummatrix vorliegt. Im allgemeinen ist es erforderlich und wird be- · vorzugt, daß die V/eichmetallphase in einer Dispersion aus mehr oder weniger sphärischen Teilchen in dem gegossenen Zustand vorliegt. DEimit dies erreicht werden kann, muß ein geeigneter Temperaturbereich oberhalb der Temperatur, bei welcher Aluminium sich verfestig!;, vorliegen, in welchem das geschmolzene Weichmetall eine niedrige löslichkeit im geschmolzenen Aluminium besitzt. Daher wird das Weichmetall, wenn sich das höher schmelzende Aluminium verfestigt, in einer getrennten Phase in der Aluminiummatrix eingezogen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das geschmolzene Weichmetall dazu gebracht werden, in dem geschmolzenen Aluminium zu wandern. um einen Konzentrationsgradienten des Weichmetalls in dem fertigen Gußstück zu erreichen.

Blei, Cadmium und V/ismut sind Beispiele von Weichmetallen, welche eine begrenzte Löslichkeit im geschmolzenen Aluminium bei Temperaturen gerade oberhalb der Verfestigungstemperatur des Aluminiums besitzen, Blei hat eine maximale Löslichkeit von etwa 1 bis 2 Gew.% in Aluminium unter diesen Bedingungen. Wismuth besitzt eine maximale Löslichkeit von etwa 3 Gew.% im geschmolzenen Aluminium, und Cadmium bildet eine getrennte

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flüssige Phase im geschmolzenen Aluminium (bei Temperaturen gerade oberhalb des Schmelzpunktes von Aluminium), wenn es in Mengen größer als etwa 8 bis 9 Gew.$6 der binären Mischung vorliegt. Es sei darauf hingewiesen, daß die oben angegebenen Grenzen der Löslichkeit für die betreffenden binären Systeme aus Aluminium-Weichmetall gelten, und daß die Anwesenheit von anderen, legierenden Metallen diese Löslichkeit swerte merklich erhöhen oder herabsetzen können.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß Weichmetalle, wie Blei, Wismut und Cadmium mit Aluminium legiert und zu einem Streifen vergossen werden können, in welche mindestens etwas von dem Weichmetall als im allgemeinen sphärische Teilchen in einer Aluminiummatrix dispergiert ist. Der Streifen kann dann ausgewalzt und zu Lagerrohlingen in der oben geschilderten Weise geschnitten werden, um verbesserte Lagereigenechaften zu erhalten. Im allgemeinen bildet das/die Weichmetall/e einen kleineren Anteil, weniger als etwa 15 bis 20 Gew.% der Legierung auf Aluminiumbasis.

- Patentansprüche - 10 -

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Verbundlagerschale, wobei ein gegossener Streifen aus einer Lagerlegierung hergestellt wird, welche einen größeren Anteil Aluminium und einen kleineren Anteil an Weichmetall enthält, und wobei das Weichmetall als Dispersion von voneinander getrennten, im allgemeinen sphärischen Teilchen innerhalb einer Aluminiummatrix vorliegt, dadurch gekennz eichnet, daß der gegossene Streifen zur Reduzierung seiner Dicke derart gewalzt wird, daß die im allgemeinen sphärischen Teilchen in der Richtung des Walzens abgeflacht und verlängert werden, der gewalzte Streifen in an sich bekannter Weise- auf eine Unterlage schicht unter Bildung eines Verbundstreifens aufgewalzt wird, ein Lagerrohling von dem Verbundstreifen in einer Richtung quer zu der algemeinen Richtung der verlängerten Teilchen abgeschert wird und eine Lagerschale aus dem Rohling hergestellt wird, in welcher die verlängerten Teilchen sich quer zu der Drehrichtung eines wellenförmigen Teiles erstrecken, welches mit der Lagerachale zusammenpaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Weichmetall Blei, Cadmium oder Wismut verwendet wird.

3« Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Weichmetall Blei verwendet wird, und dieses in der Legierung in einer Menge von etwa 1-10 Gew.% vorliegt.

4. Verbundlagerschale bestehend aus einer Innenschicht aus einer Aluminiumlagerlegierung, welche einen größeren Anteil Aluminium und einen kleineren Anteil eines Weichmetalles enthält und wobei die innere Schicht mit einer äußeren Unterlageschicht zusammengewalzt ist, dadurch g e k e η η -

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zeichnet, daß das Weichmetall als längliche, flache Teilchen, die innerhalb einer Aluminiummatrix verteilt sind, vorliegt und die allgemeine Richtung der verlängerten Teilchen senkrecht zu der beabsichtigten Drehrichtung eines wellenförmigen Teiles liegt, welches mit der Lagerschale zusammenpaßt .

5· Verbundlager schale nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, deß das Weichmetall Blei ist, welches in einer Menge von etwa 1-10 Gew.% vorliegt.

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^Bauor,g,_NAl

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