DE2038707B1

DE2038707B1 - Gesintertes poroeses Lagermetall und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE2038707B1
Application number: DE19702038707D
Authority: DE
Inventors: Takeo Segawa; Kenichi Tsuru
Original assignee: Oiles Industry Co Ltd
Current assignee: Oiles Industry Co Ltd
Priority date: 1969-08-22
Filing date: 1970-08-04
Publication date: 1972-03-16
Also published as: US3728089A; GB1280917A

Description

Die Erfindung betrifft ein gesintertes poröses Lagermetall auf der Basis Aluminium und Silizium sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Es sind die verschiedensten Lagermetalle auf Aluminiumbasis bekannt. Diese werden jedoch, anders als Lagermetalle auf Kupferbasis, rasch abgenutzt, und außerdem wird die Lageroberfläche stark aufgerauht. In der praktischen Anwendung von Lagermetallen auf Aluminiumbasis ergeben sich daraus verschiedene Probleme, trotz der günstigen Eigenschaften wie leichtes Gewicht, gute Lagergeschwindigkeitseigenschaften und Billigkeit.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 160 194 ist bereits ein Sintermetall auf Aluminiumbasis mit einem Siliziumgehalt von mehr als 20% bekannt, das als Wahlkomponenten unter anderem noch Kupfer, Magnesium und Zinn enthalten kann.

Die hierin beschriebene Legierung ist jedoch hinsichtlich der Sinterfähigkeit, der Festigkeit und des Ausschwitzens von verhältnismäßig niedrigschmelzenden Bestandteilen beim Sintern noch nicht in jeder Hinsicht zufriedenstellend. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gesintertes poröses Lagermetall auf der Basis von Aluminium und Silizium zu schaffen, welches gegenüber dem bekannten Sintermetall verbesserte Eigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch ein gesintertes poröses Lagermetall auf der Basis Aluminium und Silizium gelöst, das aus 5 bis 50% Silizium, 0,5 bis 6% Kupfer, 1 bis 4% Zinn, 0,3 bis 2% Magnesium, 0,3 bis 2% Antimon und zum Rest

ίο aus Aluminium besteht.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das gesinterte poröse Lagermetall mit einem weichen Metall imprägniert.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Lagermetall mit einem synthetischen Harz niedriger Reibung imprägniert.

Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Lagermetalls zur Verfügung, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Gemisch, bestehend aus 5 bis 50% Siliziumpulver, 0,5 bis 6% Kupferpulver, 1 bis 4% Zinnpulver, 0.3 bis 2% Magnesiumpulver, 0,3 bis 2% Antimonpulver und Fest-Aluminiumpulver, unter einem Druck von zwischen 0,5 bis 3 t/cm² bei einer Temperatur zwischen 480 und 550⁰C gesintert wird.

Hierbei wird vorzugsweise ein solches Gemisch verwendet, welches 20 bis 40 Gewichtsprozent Siliziumpulver enthält. Der Zeitraum für die Sinterung beträgt zweckmäßigerweise 5 bis 60 Minuten. In Metallen, die auf diese Weise gesintert worden sind, dient das Silizium, welches eine verhältnismäßig hohe Vickers-Härte von 1800 aufweist, als hauptsächlicher lasttragender Bestandteil, wodurch die Neigung der Aluminiumlegierungen verringert wird, sich auf Grund von Wärme festzufressen, und wodurch gleichzeitig ein Zusammensinken der Sinterstruktur verhindert· und die Verdichtbarkeit des zu sinternden Metallgemisches verbessert wird. Beispielsweise wird verhindert, daß Metallfonnen beim Verdichtungsvorgang beschädigt werden.

Die gesinterte Struktur kann mit einigen Gewichtsprozent Schmieröl oder mit einem weichen Metall, wie z. B. Blei oder Zinn, oder mit einem synthetischen Harz, das eine niedrige Reibung ergibt, wie z. B.

Tetrafluoräthylen, imprägniert werden, um die Poren in der porösen Struktur des Lagermetalls aufzufüllen, wodurch die Sitzqualität der Lagerstruktur verbessert und die Selbstschmierungseigeiischaften erhöht werden.

In der Folge werden einige praktische erfindungsgemäße Beispiele beschrieben.

Beispiel 1

Si

Cu

Bestandteil Sn Mg

Sb

Al

ülgehalt

Gewichtsprozent

0,5

Rest

1,0

Das Aluminiumpulver, welches eine Teilchengröße von weniger als 0,073 mm aufwies, das Siliciumpulver, welches eine Teilchengröße von weniger als 0,058 mm aufwies, und das Kupfer-, Zinn-, Magnesium- und Antimonpulver, welche eine Teilchengröße von weniger als 0,073 mm aufwiesen, wurden gleichförmig gemischt, und das erhaltene Gemisch wurde unter einem Druck von 1,5 t/cm² verdichtet und 60 Minuten in einem Temperaturbereich von 530 bis 540⁰C in einer nicht oxydierenden Atmosphäre aus Stickstoffgas gesintert, wobei eine gesinterte poröse Legierung erhalten wurde.

Die Legierung wurde mit SAE-30-Motoröl imprägniert und hierauf auf Härte und auf die Radialberstfestigkeitskonstante (K) geprüft. Diese Konstante errechnet sich aus folgender Formel:

P (D - T)

K (kp/mm²) =
Hierin bedeutet

LT²

IO

D den Außendurchmesser eines Lagers (mm), L die Länge des Lagers (mm), P die Druckbelastung des rohrförmigen Lagers

(kp),
T die Dicke des Lagers (mm).

Bei dem verwendeten Versuch war D = 16. L = 10, T = 3.

Es wurde eine Rockwell-Zahl F 110 und ein K-Wert von 18 kp/mm² erhalten.

Die Rockwell-Härte F wird durch Bestimmung

der Tiefe des Eindruckes ermittelt, der sich im Versuchsstück durch die Kompression einer Stahlkugel mit einem Durchmesser von 0,25 cm bei einer Last von 60 kp bildet.

Die Rockwell-Härte F wird für die Bestimmung der Härte von gesinterten Metallpulvern verwendet, während die Rockwell-Härten C und B zur Messung der Härte von Stahlbarren eingesetzt werden.

Das Lagermetall wurde dann einer kumulativen Belastung in einer Drucklagerreibungsabnutzungsprüfvorrichtung bei einer Umfangsgeschwindigkeit von 23 m/min ausgesetzt, wobei ein passendes Stück aus einem Kohlenstoffstahl JIS 45 C, bestehend aus 0,42 bis 0,48% C, 0,15 bis 0,35% Si, 0,60 bis 0,90 Mn, weniger als 0,030% P, weniger als 0,035% S, Rest Eisen, verwendet wurde. Die Belastung wurde alle 10 Minuten um 10 kp/cm² erhöht. Es wurde ein Reibungskoeffizient von 0,12 und eine maximale Lasttragekapazität von 60 kp/cm² erhalten.

	Si	Cu	B e 1 s ρ	iel 2	Sb	Al	ölgehalt
	10	4	I Sn	testandteil Mg	0,5	Rest	2,0
Gewichtsprozent		3	0,5

Die Teilchengrößen der Pulver und die Sinter- und Testbedingungen waren die gleichen wie im Beispiel 1. Die durch Sintern des Metallpulvergemisches der obigen Zusammensetzung erhaltene poröse Legierung zeigte folgende Prüfwerte:

Rockwell-Zahl F 115, K = 19,5 kp/mm². Reibungskoeffizient 0,10, maximale Lasttragekapazität 80 kg/cm².

	Si	Cu	B e i s ρ	iel 3	Sb	Al	ölgehalt
	20	4	I Sn	Jestandteil Mg	0,5	Rest	3,0
Gewichtsprozent		3	0,5

Die Teilchengrößen der Pulver und die Sinter- und Test bedingungen waren die gleichen wie im Beispiel 1. Die durch Sintern des Metallpulvergemisches der obigen Zusammensetzung erhaltene poröse Legierung zeigte folgende Prüfwerte:

Rockwell-Zahl F 100, K = 17,5 kp/mm², Reibungskoeffizient 0,10, maximale Lasttragekapazität 120 kp/cm².

	Si	Cu	B e i s ρ	iel 4	Sb	Al	ölgehalt
	30	4	I Sn	Jestandteil Mg	0,5	Rest	4,0
Gewichtsprozent		3	0,5

Rockwell-Zahl F 98, K = 15 kp/mm², Reibungskoeffizient 0,10, maximale Lasttragekapazität 160 kp/mm².

	Si	Cu.	B e i s ρ	iel 5	Sb	Al	ölgehalt
	40	4	I Sn	iestandteil Mg	0,5	Rest	6,0
Gewichtsprozent		3	0,5

Rockwell-Zahl F 70, K = 10 kp/mm², Reibungskoeffizient 0,12, maximale Lasttragekapazität 120 kp/cm².

Beispiel 6

Si

Cu

Bestandteil Sn I Mg

Sb

Al

Ulgehalt

Gewichtsprozent

0,5

0,5

Rest

7,5

Rockwell-Zahl F 55, K = 8,0 kp/mm², Reibungskoeffizient 0,12, maximale Lasttragekapazität 100 kp/cm².

Aus diesen Beispielen ist ersichtlich, daß die Porosität der Metallegierung (diese äußert sich in der prozentualen ölaufnahme bei der Imprägnierung) und die Lasttragekapazität von aus solchen Legierungen hergestellten Lagern steigt, wenn der darin enthaltene Prozentsatz Silizium zunimmt, während die Härte und die nadialberstfestigkeitskonstante des Metalls ein Maximum erreicht, wenn der Siliziumgehalt ungefähr 10 Gewichtsprozent beträgt. Außerdem wird durch das in der Aluminiumlegierung enthaltene Silizium die Neigung zum Festfressen verringert und. das Zusammensacken der Oberflächenstruktur der Legierung verhindert.

Die Teilchengröße des verwendeten Siliziumpulvers sollte so klein wie möglich sein. Wenn man ein Siliziumpulver mit einer Teilchengröße von weniger als 0,058 mm verwendet, dann wird eine bessere ölimprägnierung (annähernd 40% oder mehr) wie auch eine hohe Gleichmäßigkeit der Legierungsstruktur erzielt. Bei einem Lagermetall, das unter Verwendung eines Siliziumpulvers mit einer Teilchengröße von 0,23 bis 0,32 mm hergestellt worden war, waren diese Eigenschaften nicht zufriedenstellend.

F i g. 1 der Zeichnungen stellt eine Mikrophotographie des gemäß Beispiel 3 erhaltenen gesinterten Lagermetalls dar. In diesem Beispiel wurde ein Gemisch verwendet, das 20 Gewichtsprozent Siliziumpulver mit einer Teilchengröße von weniger als 0,058 mm enthielt. Das Silizium wird durch die fleckigen dunklen Bereiche dargestellt. /

F i g. 2 ist eine graphische Darstellung, welche die Resultate von Reibungsabnutzungstests zeigt, die mit dem Lagermetall von Beispiel 3 durchgeführt wurden. Es ist ein Vergleich mit einer ölimprägnierten gesinterten Legierung auf Kupferbasis beigefügt. Die Versuche wurden auf einer Lagerdruckreibungsabnutzungsprüfvorrichtung bei einer Gleitgeschwindigkeit von 23 m/min ausgeführt, wobei ein passendes Stück aus dem Kohlenstoffbaustahl JIS S 45 C unter einer kumulativen Belastung verwendet wurde, die alle 10 Minuten um 10 kp/cm² erhöht wurde.

Die Teststücke enthielten 20 Gewichtsprozent Silizium, wie es oben im Beispiel 3 angegeben ist. In F i g. 2 stellen die Kurven A und B Testresultate dar, die mit Lagermetallen erhalten wurden, welche unter Verwendung von Siliziumpulver mit einer Teilchengröße von weniger als 0,058 mm bzw. mit einer Teilchengröße von 0,23 bis 0,32 erhalten wurden. Die Kurve C zeigt zum Vergleich die Resultate, die mit einer gesinterten, ölimprägnierten Legierung auf Kupferbasis, bestehend aus 8 bis 11% Sn, weniger als 3% C, weniger als 0,5% andere Elemente, Rest Kupfer, erhalten wurden.

Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Lagermetalle einen etwas höheren Reibungskoeffizienten als die gesinterte, ölimprägnierte Legierung auf Kupferbasis besitzen, diese aber in der Lasttragekapazität bei weitem hinter sich lassen. Weiterhin betrug die Abnutzung des Gegenstücks, wenn das erfindungsgemäße Lagermetall verwendet wurde, 0,012 g nach einer Reibungstestzeit von 160 Minuten, wogegen bei dem Metall auf Kupferbasis die Abnutzung 0,015 g nach einer Reibungstestzeit von 120 Minuten betrug.

Bezüglich des Anteils des Silizium im zu sinternden Metallgemisch wurde gefunden, daß ungefähr 10 Gewichtsprozent Silizium dem Lagermetall maximale Härtewerte und eine maximale Radialberstfestigkeitskonstante erteilen und daß, wenn der Siliciumgehalt diesen optimalen Punkt überschreitet, die Werte allmählich abnehmen. Wenn der Siliciumgehalt annähernd 50 Gewichtsprozent erreicht hat, dann entsprechen diese Werte den üblichen Werten, die erhalten werden, wenn kein Silizium eingesetzt wird.

Der ölgehalt steigt praktisch linear, wenn der Gewichtsprozentsatz des Siliziums bis auf 10% steigt. Die Zunahme des ölgehalts ist erwünscht, da hierdurch der Reibungskoeffizient verringert wird, die Gefahr eines Festfressens durch Wärme vermieden wird, und die Lebensdauer des Lagers und die Lasttragekapazität des Lagers erhöht wird.

Bei der Bestimmung des Siliziumgehalts sollte auch auf die mechanische Festigkeit, wie z. B. die Radialberstfestigkeitskonstante, und außerdem auf die Tatsache geachtet werden, daß Siliziumgehalte von weniger als 5 Gewichtsprozent nicht nur unzureichend sind, um die Abnutzung zu verringern oder um die Neigung zum Festfressen in der Wärme zu vermeiden, sondern auch das Zusammensacken der Oberflächenstruktur nicht ausreichend verhindern und keine ausreichende Verbesserung der Verdichtbarkeit (wie weiter unten erörtert) ergeben. Es sollte auch darauf hingewiesen werden, daß Siliciumgehalte von mehr als 50 Gewichtsprozent zu Festigkeitsproblemen Anlaß geben und praktisch nicht verwendet werden können.

Es ist angeraten, Siliziumgehalte im Bereich von 5 bis 50 Gewichtsprozent und vorzugsweise von 20 bis 40 Gewichtsprozent zu verwenden.

Einer der auffallensten Effekte des Zusatzes von Silizium ist die Verbesserung der Verdichtbarkeit, d. h., daß das Abschälen von Metallformen, die beim Verdichten des zu sinternden Metallpulvergemisches verwendet werden, verhindert wird. Wenn kein Silizium verwendet wird, dann besitzt das Metallpulver bei der Verdichtung die Neigung, an der Metallform zu haften und diese stark zu beschädigen. Der Zusatz von Silizium bewirkt, daß die Haftung an den Metallformen verhindert wird, was eine Verlängerung der Gebrauchsfähigkeit zur Folge hat. Der Grund, warum

das Abschälen der Form durch den Zusatz von Silizium verhindert wird, ist nicht klar, aber diese Wirkung des Zusatzes von Silizium wurde experimentell bestätigt und stellt einen überraschenden Effekt dar.

Es wird darauf hingewiesen, daß Kupfer, wenn es in einer Menge zwischen I und 6 Gewichtsprozent zugesetzt wird, die Festigkeil der gesinterten Metallstruktur erhöht. Wenn jedoch sein Anteil 6 Gewichtsprozent überschreitet, dann steigt die Schrumpfung der Lager während der Sinterung, und außerdem wird das Lagermaterial spröde. Wenn das Kupfer in einer Menge von weniger als 1 Gewichtsprozent vorliegt, dann wird kein merklicher Effekt erhalten.

Zinn verbessert die Sitzqualität des Lagermaterials und steigert seine Festigkeit sehr wirksam, wenn es in einer Menge von 1 bis 4 Gewichtsprozent zugesetzt wird. Weniger als 1 Gewichtsprozent Zinn besitzt keine Wirkung auf die hergestellte Legierung; mehr als 4 Gewichtsprozent verringern die Festigkeit.

Magnesium und Antimon verbessern sowohl die Sinterfähigkeit des Metallgemisches als auch die mechanische Festigkeit des gesinterten Produkts.

Auch in einer Stickstoffatmosphäre von handelsüblicher Reinheit können die Gemische, welche Magnesium bzw. Antimon enthalten, sehr leicht gesintert werden, wobei ein glattes und schönes Aussehen der Oberfläche des gesinterten Produkts erhalten wird, wenn das Magnesium bzw. Antimon in einer Menge von 0,6 Gewichtsprozent vorliegt. Wenn keine Stickstoffatmosphäre verwendet wird, dann kann das Gemisch nicht zufriedenstellend gesintert werden, da ein Aluminiumoxidfilm auf der Oberfläche des zu sinternden Metalls während des Sinterprozesses gebildet wird.

Die Wirkungen von Magnesium und Antimon beginnen, wenn der Gewichtsprozent eines der Bestandteile 0.3% erreicht. Mengen von mehr als 2% besitzen einen umgekehrten Effekt; die Festigkeit des hergestellten Lagermaterials wird verringert, und außerdem ist die Verbesserung der Sinterbarkeit des zu sinternden Metallgemisches weniger ausgeprägt.

Schließlich ergibt Antimon den weiteren Effekt, daß ein Ausschwitzen von verhältnismäßig niedrigschmelzenden Bestandteilen beim Sintern verhindert wird.

Wie bereits erwähnt, kann das erfindungsgemäße Lagermetall mit weichen Metallen oder mit synthetischen Harzen niedriger Reibung oder mit Schmierölen imprägniert werden, um die Poren der porösen Struktur aufzufüllen. Die Imprägnierung mit diesen Stoffen erhöht die erwünschte Passung und Selbstschmierung des Metalls. Die Imprägnierung mit festen Stoffen verringert natürlich den Anteil des Schmieröls, welches einimprägniert werden kann, weshalb die Lebensdauer des Lagers verringert wird. Sie ist beispielsweise nicht angeraten, wenn das Lagermetall lange Zeit ohne Schmierung verwendet werden soll.

Diese festen Stoffe, wie z. B. weiche Metalle und synthetische Harze niedriger Reibung, sollen nicht an Stelle von nüssigen Schmiermitteln verwendet werden. Sie ergeben eine Verbesserung der Passungseigenschaften des Lagermetalls und verleihen diesem eine gewisse Selbstschmierung.

Demgemäß sollten feste Schmierstoffe, wie sie oben erwähnt wurden, in einer richtigen Menue verwendet werden, die sich nach dem beabsichtigten Zweck oder der späteren Verwendung des Lagers ίο richtet. Wenn das Metallager mit einer beträchtlichen Menge eines solchen festen Stoffes unter einer hohen Geschwindigkeit imprägniert worden ist, dann ist es nötig, das Metall in positiver Weise zu schmieren. Beispielsweise kann das gesinterte Metall der is· Zusammensetzung von Beispiel 3 mit mehr als 10 Gewichtsprozent bis über 20 Gewichtsprozent Blei imprägniert werden. Zum Vergleich wurde ein solches gesintertes Metall, welches mit annähernd 20 Gewichtsprozent Blei imprägniert war (wobei der ΌΊ-

;o gehalt demgemäß auf 1 Gewichtsprozent oder weniger reduziert war) und eine Phosphorbronzeschiene aus einer Bronze, bestehend aus 5,5 bis 7,0% Sn, 0,03 bis 0.35% P, insgesamt mehr als 99% Zinn, Phosphor und Kupfer, in Testproben verarbeitet und in SAE-30-Motoröl getestet, wobei ein Gegenstück aus einem Kohlenstoffbaustahl S 45 C und eine Gleitgeschwindigkeit von 83,3 m/min unter einer Lagerbelastung von 30 kp/cm² verwendet wurde (die Belastung wurde zwischen den sich berührenden Endflächen der zylindrischen Stücke angewendet). Nach 60 Stunden kontinuierlicher Laufzeit zeigte das Metall der vorliegenden Erfindung einen Reibungskoeffizienten von 0.05, während das Phosphorbronzestück einen Reibungskoeffizienten von 0,10 besaß. Nach der gleichen Testzeit wurde die Abnutzung des ersteren Teststücks zu 0.015 g gefunden, während sie beim letzteren Teststück 0,075 g betrug. Wegen der Tatsache, daß das erstere Lagermetall, das mit 20 Gewichtsprozent Blei imprägniert war, ein viel geringeres spezifisches Gewicht im Verhältnis von 1 :4 besaß, ist es klar, daß das erstere erfindungsgemäße Lagermetall eine weit bessere Abnutzungsbeständigkeit aufweist, insbesondere wenn man den Unterschied des spezifischen Gewichts zwischen dem ersteren und dem letzteren in Rechnung stellt.

Aus dem Obigen geht hervor, daß das gesinterte, erfindungsgemäße Lagermetall auf Aluminium und Siliziumbasis viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Lagermetallen auf Aluminiumbasis und anderen Lagermetallen aufweist, und zwar beispielsweise eine verbesserte Verdichtbarkeit des-zu sinternden Metallgemisches, eine wesentlich verringerte Abnutzung, eine beträchtlich erhöhte Lasttragekapazität und verbesserte Schmiereigenschaften. Weiterhin können gemäß der Erfindung Lager für die verschiedensten Anwendungen leicht hergestellt werden, indem man das gesinterte erfindungsgemäße Metall mit geeigneten festen Stoffen imprägniert, wie z. B. mit weichen Metallen und mit synthetischen Harzen niedriger Reibung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

209 512/252

Claims

Patentansprüche:

1. Gesintertes poröses Lagermetall auf der Basis Aluminium und Silizium, bestehend aus 5 bis 50% Silizium, 0,5 bis 6% Kupfer, 1 bis 4% Zinn, 0,3 bis 2% Magnesium, 0,3 bis 2% Antimon und Rest Aluminium.

2. Gesintertes poröses Lagermetall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einem weichen Metall imprägniert ist.

3. Gesintertes poröses Lagermetall nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einem synthetischen Harz niedriger Reibung imprägniert ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines Lagermetalls nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch, bestehend aus 5 bis 50% Siliziumpulver, 0,5 bis 6% Kupferpulver, 1 bis 4% Zinnpulver, 0,3 bis 2% Magnesiumpulver, 0,3 bis 2% Antimonpulver und Rest Aluminiumpulver, unter einem Druck von zwischen 0,5 bis 3 t/cm² bei einer Temperatur zwischen 480 und 550⁰C gesintert wird.