DE2043676A1 - Verfahren zur Herstellung von bimetal tischen Lagern - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von bimetal tischen Lagern

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Description

HELM L .y-ίΐΖ 31β August 1970
Sdin«ka.-.:--.fstr. ..-i'y/y Gzy/goe
CLEVITE CORPORATION
Verfahren zur Herstellung von bimetallischen Lagern,
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von bimetal lischem Lagermaterial, bei welchem eine Aluminium-Legierung verbunden ist mit einem Träger aus Stahl0 Insbesondere betrifft die Erfindung die Wärmebehandlung eines solchen Materials, um fertige Lager mit verbessertem Widerstand gegen Ermüdung und einer verbesserten Festigkeit zu erhalten.
Um in Dieselmotoren oder in Bezinmotoren verwendbar zu sein, müssen mantelförmige oder flanschförmige Lager hohe Belastungen und Geschwindigkeiten aushalten, sie müssen ferner beständig gegen Ermüdung und Korrosion sein, und müssen schließlich billig sein.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Lagern, bei welchen eine Aluminium-Legierung direkt verbunden ist mit einem Stahlträger. Die Aluminium-Legierung enthält kleine Mengen von Silizium, Cadmium, Kupfer und Magnesium. Als Träger kann ein beliebiger Stahl mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt verwendet werden.
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Es sind schon verschiedene Verfahren bekannt, um die Festigkeit und den Widerstand gegen Ermüdung zu verbessern. Es sei besonders auf die US-Patentschrift Nr. 3,268,369 verwiesen. Diese lehrt ein Verfahren, nach welchem das fertige Lager in einer nicht oxydierenden Atmosphäre auf Temperaturen zwischen etwa 400 C bis zum eutektischen Schmelzpunkt der Aluminium-Legierung erhitzt wird. Die Patentschrift lehrt ferner, daß die Erhitzungsdauer nur 5 Minuten zu betragen braucht, obwohl sie auch langer sein kann.
Es wurde nun gefunden, daß Erhitzungsdauern von 5 Minuten und langer nicht notwendig sind. Ein Erhitzen von etwa 15 Sekunden genügt, um die gewünschte Festigkeit und den gewünschten Widerstand gegen Ermüdung zu erreichen. Darüber hinaus wurde festge-,,, stellt, daß eine weitere Behandlung in der Wärme unerwünscht sein kann, weil dadurch die Oberflächen der fertigen Lager , verschlechtert werden können.
Ziel der Erfindung ist ein Verfiah^enzur Herstellung eings.SiT ; bimetallischen Streifens von Lagermaterial, der billig, fest ^ und beständig gegen Ermüdung ist. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Wärmebehandlung des Lagermaterials in Form von Streifen, Stücken oder halbfertigen Lagern, wobei die Festigkeit und der Widerstand gegen Ermüdung der fertigen Lagers verbessert werden.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Herstellung von Lagern hoher Qualität, die unter hohen Belastungen und bei großen Geschwindigkeiten verwendet werden können.
Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung gehen aus dem Fachfolgenden hervor.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet man als Trägermaterial einen Stahl, der handelsüblich mit der Bezeichnung SAE lOlO oder 1008 vertrieben wird, obwohl auch andere Stahlarten verwendet werden können. Ein Stahl mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt wird bevorzugt, da er beim Walzen star=* ker zusammengedrückt wird und daher eine verbesserte Bindung mit der Aluminium-Legierung ergibt. Solcher Stahl hat auch eine geringere anfängliche Härte und kann beim Formen der Lager leichter bearbeitet werden.
Die Aluminium-Legierung wird mit dem Stahlträger direkt verbun- " den nach einem Verfahren, das beispielsweise in der US-Patentschrift Nr. 3,300,838 beschrieben ist. Für die Wärmebehandlung ist der Gehalt an Kupfer, Magnesium und Silizium wichtig. Erfindungsgemäß verwendet man Aluminium-Legierungen, die 2 bis 8 % Silizium, 0,5 bis 4 % Cadmium, 0,05 bis 0,15 % Kupfer, 0,1 bis 0,2 % Magnesium, Rest Aluminium, enthalten. Solche Legierungen sind sehr zufriedenstellend. Erfindungsgemäß sollen nur diese Legierungen verwendet werden. Die Dicke der Schicht
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der Aluminium-Legierung oder die Gesamtdicke des Trägermaterials hängt ab von dem beabsichtigten Verwendungszweck des fertigen Lagers.
Das bimetallische Lagermaterial kann behandelt werden in Form von Streifen, Stücken oder halbfertigen Lagern. Will man Streifen herstellen, so führt man den mit der Aluminium-Legierung verbundenen Stahlträger durch ein Bad aus geschmolzenem Blei, das eine Temperatur zwischen 48O und 525 C, vorzugsweise von etwa 510 C hat. Der Streifen wird mit einer solchen Geschwindigkeit aus dem Bade herausgezogen, daß er wenigstens 15 Sekunden lang bei dieser Temperatur gehalten wird. Zum Aufwärmen braucht man in der Regel etwa 1 Minute. Die gesamte Eintauchzeit in das Bad aus Blei erfordert demnach etwa 80 Sekunden. Nach dem Herausziehen aus dem Bleibad wird der Streifen abgewischt, um Bleiteilchen zu entfernen, die auf der Oberfläche eingeschlossen sein können. Dann schreckt man den Streifen schnell in einem Kühlmedium, wie Wasser oder Öl, ab, das eine Temperatur von höchsten 40 C, vorzugsweise etwa 20 bis 25 C hat. Die Zeit zwischen der Entfernung aus dem Bade von Blei bis zum Abschrecken sollte so gering sein, daß der Streifen auf Temperaturen nicht unter etwa 450 C sich abkühlt. Zeitdauern von etwa 30 Sekunden sind in der Regel hierfür genügend. Es sei bemerkt, daß der Temperaturabfall vor dem Abschrecken sehr wichtig ist. Die kurze Erhitzungszeit genügt, um das Kupfer, das Magnesium und einen Teil des Siliziums in eine feste
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Lösung mit dem Aluminium unter Gleichgewichtsbedingungen zu bringen. Ein schnelles Abschrecken ist erforderlich, um den Zustand einer Übersättigung zu behalten.
Nach dem Abschrecken trocknet man den Streifen an Luft und härtet ihn durch Ausfällen mittels einer Wärmebehandlung bei etwa 175 C während 10 Stunden, z.B. in einem Ofen mit umlaufen der Luft oder in anderen Vorrichtungen. In einer 0,25 «un dicken Schicht der Aluminium-Legierung wird eine Rockwell-Härte von 62 nach der 15-T-Skala erreicht. Dann formt man die Lager aus dem Streifen. Die Lageroberfläche wird mechanisch bearbeitet und geglättet. Hierauf bringt man eine äußere Schicht einer Dicke von 10 bis 15 Mikron auf. Diese äußere Schicht besteht in der Regel aus einer Legierung mit einen hohen Gehalt an Blei und Gehalten von Kupfer und Zinn.
Bisher wurde ein Verfahren zur Herstellung und Wärmebehandlung von Material für einfache manteiförmige Lager beschrieben. "
Will man flanschförmige Lager herstellen, so kann man den bimetallischen Streifen in einem Bade aus geschmolzenem Blei wie oben beschrieben, behandeln· Nach den Abschrecken achneidet nan den Streifen zu Stücken, die gebogen und durch Walzen in Schalen übergeführt werden. Dann härtet man die Lager durch Wärnebehandlung in einen Luftofen bei etwa 175°C während 10 Stunden, wobei eine 0,25 ""» dicke Schicht der Aluminium-Legierung eine Rockwell-Härte von mindestens 62 nach der 15-T-Skala erreicht wird. . ,
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Zur Wärmebehandlung können auch andere Medien verwendet werden,, ζ.Β« Bäder aus geschmolzenen Salzen. Man kann beispielsweise den bimetallischen Streifen zu Stücken zerschneiden» Diese bringt man beispielsweise in Metallkörbe, welche man in ein Bad aus einem geschmolzenen Salz mit einer Temperatur von %80 bis 525 C eintaucht. Die Stücke werden während wenigstens 15 Sekunden bei dieser Temperatur gehalten, wobei die Aufwärmzeit darüber hinaus in der Regel etwa 1 Minute beträgt. Dann schreckt man die Stücke in einem flüssigen Kühlmedium, z.B, Wasser, mit einer Höchsttemperatur von kO C ab. Auch hierbei muß berücksichtigt werden, daß die Stücke so schnell zum Abschrekken gebracht werden nüssen, daß ihre Temperatur nicht unter %50°C sinkt. In der Regel genügen hierfür 30 Seknden. Dann trocknet man die Stücke und härtet sie durch Ausfällen bei etwa 175°C während 10 Stunden in einen Ofen mit umlaufender Luft. Aus diesen gehärteten Stücken werden dann die Lager wie oben beschrieben hergestellt. Bei der Herstellung von flanschförmigen Lagern werden die Stücke gebogen und zu Schalen gewalzt nach dem Erhitzen, worauf sie wie oben beschrieben, bei 175°C durch Ausfällen gehärtet werden.
Ua gleichförmige Ergebnisse zu erhalten, kann man den bimetal lischen Streifen während 30 Minuten bei 3^5 C tempern, bevor man das Erhitzen in dem Bade vornimmt.
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Die nachstehenden Beispiele beschreiben die Herstellung von festen und gegen Ermüdung beständigen Lagern aus Stücken, wobei das Erhitzen erfindungsgemäß in einem Bade von geschmolzenen Salzen stattfindet«
Beispiel 1 Lager für Kolbenstangen von Dieselmotoren.
Eine Aluminium-Legierung aus 3,94 % Silizium, 1,0 % Cadmium, 0,13 tf Kupfer, 0,l4 Ji Magnesium, Rest Aluminium, wurde direkt verbunden mit einem Stahlträger aus SAE 1010 mit einer Dicke von 2,15 mm, wobei ein bimetallischer Streifen mit einer Gesamtdicke von 2,5 mm entstand. Der Streifen wurde zu Stücken zerschnitten, die man 65 Sekunden lang in ein Bad aus einem geschmolzenen neutralen Salz von 510°C eintauchte, wobei 50 Sekunden zum Aufwärmen erforderlich waren. Dann entfernte man die Stücke aus dem Bade und schreckte schnell in Wasser von 25 C ab. Anschließend wurden die Stücke durch Ausfällung gehärtet mittels einer Behandlung in einem Ofen mit umlaufender Luft während 10 Stunden bei 1750C. Die Schicht der Aluminium-Legierung hatte eine mittlere Rockwell-Härte von 67 nach der I5-T-Skala. Die Stücke wurden zu Lagern mit einer Wanddicke von 2,4 mm verarbeitet. Hiernach hatte die Schicht der Aluminium-Legierung eine mittlere Rockwell-Härte von 69 nach der R-15-T-Skala. Die Lager wurden plattiert mit einer Legierung aus 2,5 % Kupfer, 10 % Zinn und 87,5 % Blei. Diese Plattierung hatte eine
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mittlere Dicke von 12,5 Mikron. Lager derselben Zusammensetzung aber ohne die beschriebene Wärmebehandlung hatten eine mittlere Rockwell-Härte von 50 nach der R-15-T~Skala.
Beispiel 2 Hauptwellenlager für Dieselmotoren,
Eine Aluminium-Legierung mit 3,70 % Silizium, 1,10 % Cadmium, 0,15 % Magnesium, 0,10 % Kupfer, Rest Aluminium, wurde direkt verbunden mit einem Stahlträger aus SAE 1010 mit einer Dicke von 3,5 nun« wobei ein bimetallischer Streifen mit einer Dicke von 4,2 nun entstand. Man schnitt den Streifen zu Stücken, die man nach dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren in einem Bade von geschmolzenem neutralem Salz bei 510 C behandelte« Nach der 10-stündigen Härtung durch Ausfällen bei 175 C war die mittlere Rockwell-Härte der Aluminium-Legierung 69 nach der R-15-T-Skala. Aus diesen Stücken fertigte man Lager mit einer Wanddicke von 3,95 mm· In diesen Lagern hatte die Schicht der Aluminium-Legierung eine mittlere Rockwell-Härte von 70 nach der R-15-T-Skala. Ebenso wie beim Beispiel 1 plattierte man dann eine 12,5 Mikron dicke Schicht der gleichen Zusammensetzung auf.
Lager serselben Zusammensetzung und Dicke, die nicht erfindungsgemäß in der Wärme behandelt waren, hatten eine mittlere Rockwell-Härte von 48 nach der R-15-T-Skala.
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Beispiel 3 Flanschförmige Wellenlager für Dieselmotoren.
Eine Aluminium-Legierung der im Beispiel 2 beschriebenen Zusammensetzung wurde direkt verbunden mit einem Stahlträger aus SAE 1010 mit einer Dicke von 2,25 mm, wobei ein bimetallischer Streifen mit einer Gesamtdicke von 3 mm entstand. Man schnitt den Streifen zu Stücken, die weiter nach den Beispielen 1 und 2 behandelt wurden. Aus den abgeschreckten Stücken formte man flanschförmige Lagerschalen, die nach den Beispielen 1 und 2 durch Ausfällen gehärtet wurden. Die Schicht der Aluminium-Legierung hatte eine mittlere Rockwell-Härte von 69 nach der R-15-T-Skala. Die Halbschalen wurden dann mechanisch so bearbeitet, daß sie eine Wandstärke von 2,6 mm hatten. Hierauf wurde eine Schicht von 12,5 Mikron Dicke auf die Lageroberfläche aufplattiert.
Lager derselben Zusammensetzung und Dicke, die aber nicht erfindungsgemäß in der Wärme behandelt worden waren, hatten eine mittlere Rockwell-Härte von 49 nach der R-15-T-Skala.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1. Verfahren zur Herstellung von festen und gegen En mu de unbeständigen bimetallischen Lagern, d a d u r c h g ekennzeichnet, daß man
    (a) eine Schicht einer Aluminium-Legierung aus 2 bis δ % Silizium, 0,5 bis k % Cadmium, 0,05 bis 0,15 % Kupfer, 0,1 bis 2 % Magnesium, Rest Aluminium, mit einem Stahl» träger verbindet 5
    (b) das Material auf eine Temperatur zwischen ^oO und 525 C erhitzt;
    (c) wenigstens 15 Sekunden lang bei dieser Temperatur hält\
    (d) in einem Kühlmedium von höchstens kO C schnell abkühlt;
    (e) das Lager formt;
    (f) das Lager etwa 10 Stunden lang bei etwa 175 C tempert, um eine Ausfällungshärtung zu bewirken·
    W 2· Verfahren nach Anspruch 1,dadurch geken n-
    zeichnet, daß man einen Träger in Streifenform verwendet·
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, daß man als Träger einen Stahl niedrigen Kohlenstoffgehaltes verwendet ο
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    β Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß man zum Erhitzen nach dem Verfahrensschritt (b) ein Bad aus geschmolzenem Blei oder geschmolzenen neutralen Salzen verwendete
    5» Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man bei dem Verfahreneschritt (c) 80 Sekunden nicht überschreitet·
    6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß man als Kühlmedium für den Verfahrensschritt (d) Wasser verwendet.
    7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man nach dem Aufbringen der Aluminium-Legierung nach Verfahrensschritt (a) und vor dem Erhitzen nach dem Verfahrensschritt (b) das Material etwa
    30 Minuten lang bei etwa 345°C tempert. {
    8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß man zuerst den Verfahrensschritt (f) und dann den Verfahrensschritt (e) durchführt.
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    9· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man das Material nach dem Abkühlen nach Verfahrensschritt (d) und vor dem Formen und Tempern nach den Verfahrensschritten (e) und (f) reinigt und trocknet.
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