DE2053696B2 - Gleitlagerelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Gleitlagerelcmente mit dünner !.aufschient aus einer härteren. Zinn enthaltenden Legierung, die mit einer Schicht aus weiuherem metallischen Werkstoff unterlegt ist.

Aus der deutschen Patentschrift 623 301 ist es bekannt, auf den Gleitflächcn von Lagern solche Überzüge anzubringen, deren Gefüge dem des gehärteten Stahl, also z. B. des Martensits oder des Troostits, ahnlich ist. Die so gebildete harte Laufschicht soll mit einer Schicht aus weicherem Metall unterlegt werden, damit sich die harte Laufschicht beim Einlaufen in die weichere Unterlage eindrücken kann, bis eine gute Auflage der ganzen Lagerfläche erzielt ist. Außerdem soll die Laufschicht bevorzugt solche Stoffe, beispielsweise Zinn, enthalten, die starke aktive Molekularkräfte gegenüber dem öl besitzen.

Obwohl dieser Vorschlag schon seit langem bekannt war, hat er in der Praxis keine nennenswerte Anwendung finden können, offenbar, weil keine Stoffe bekanntgeworden sind, die einerseits den Anforderungen dieses Vorschlages für die harte i .agerlaufschichl entsprechen und andererseits brauchbare Gleiteigenschaften aufweisen.

Man verwendete daher bisher in Verbrennungsmotoren mit hoher spezifischer Leistung im allgemeinen sogenannte Dreistofflager als Haupt- und Pleuellager. Solche Dreistofflager bestehen aus drei Metallschichten, wobei vom Lagerrücken zur Lauffläche hin immer weichere Werkstoffe Verwendung finden. Bei den ίο häufigsien Ausführungsformen solcher bekannter Dreistofflager sind eine Stützschale, meist aus Stahl, darüber eine Bleibronze-Schicht und darauf eine dünne galvanisch aufgetragene Laulschicht aus Blei mit etwa 10*% Zinn und bzw. oder Indium und teilweise etwas Kupfer vorgesehen. Obwohl sich derartige Dreistofflager in der Praxis gut bewährt haben, zeigte es sich, daß auch der Verwendung von Dreistofflagern bezüglich zunehmender hoher spezifischer Leistungen in Verbrennungsmotoren Grenzen gesetzt zu sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, Gleitlager /u schaffen, bei deren harter Lagerlauf .chicht die bekannte Anpassungsmöglichkeit an 'Jen Zapfen mit hoher Ermüdungsfestigkeit vereint ist. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Laufschicht aus einer Nickcl-Zinn-Lcgierung mit einem Zinngehalt zwischen etwa 30 und 90 Gewichtsprozent besteht und eine Dicke von maximal etwa 0.1 mm, vorzugsweise etwa 0,005 bis 0,01 mm, aufweist und mit einer maximal 0.05 mm, vorzugsweise 0,005 bis 0.015 mm. dicken Einlaufschicht aus Lagerwerkstoff von einer Brinellhärte zwischen etwa 4 und 30 kp/mnr überdeckt ist.

Durch die Erfindung wird ein Gleitlagerclement geschaffen, das den bisher gängigen und als optimale technische Lösung angesehenen Dreistofflagern, insbesondere hinsichtlich Verminderung der Neigung zum Fressen, Verminderung des Verschleißes am Zapfen und Ermüdungsfestigkeit, weit überlegen ist. Da Nickel-Zinn-Legierungen der angegebenen Art sehr harte intermetallische Verbindungen bilden, hat gemäß der Erfindung die Lagerlaufschicht eine der Vickers-Härte vergleichbaren Minrohärte von mindestens 200 kp/mnv, vorzugsweise zwischen etwa 600 kp/mnv und 900 kp/mnv. Diese harte bzw. sehr harte Lagerlaufschicht ist zwischen der weicheren Unterlageschicht und der weichen bis sehr weichen Einlaufschicht eingebettet, so daß bei der Übertragung des Druckes vom Zapfen auf die harte Lagerlaufschicht _So nahezu hydraulische Verhältnisse für das plastische Anpassen der Lagerlaufschicht an den Zapfen herrschen. Gelangen beim Einlaufen harte Teilchen zwischen den Zapfen und das Lager, so wird die dünne und sehr harte Lagerlaufschicht nur in eine sehr kleine, nahezu nur linienförmige, umfängliche Riefe eingedrückt, bis der Fremdkörper durch die Lagerlaufschicht hindurch in die weichere Unterlageschicht gepreßt wird. Die so gebildete Riefe und der in ihr liegende Fremdkörper werden dann im Einlaufvorgang durch das weiche Material der Einlaufschicht weitgehend vernarbt und eingekapselt.

Die weiche Einlaufschicht ist auch zusammen mit der sehr harten Lagerlaufschicht in der Lage, eine Lagerlauffläche zu entwickeln, die sich durch besonders gute Gleit- und Laufeigenschaften auszeichnet. Dabei ist es von besonderem Vorteil, daß das Nickel und das Zinn in der Lagerlaufschicht relativ fest miteinander abbinden und keine frühzeitice Reaktion mit Hem

Stahl des Lagerzapfens eintritl. insbesondere auch nicht bei höherer Betriebstemperatur, bei hoher Belastung und bei Vorhandensein von Schmutz.

Hie Benutzung von Nickei-Zinn-Legierungen ist bei Gleitlagern, insbesondere Dreistofflagcrn, als Zinndif^fnsionssperre zwischen Schichten verschiedener metallischer Zusammensetzung vorgesehen (vgl. USA.-Patentschrift 3 307 926). Solche dünnen Ditfusionsspemchkhten können jedoch keinerlei Funktion als Lagerlaufschicht übernehmen. Besonders vorteilhaft ist im Rahmen der Erfindung eine Einlaufschicht aus Blei oder -:ner Legierung mit den Hauptbestandteilen Blei oder Zinn oder Cadmium mit einer Brinellhärte zwischen etwa 5 und IO kp/mm und von einer Dicke zwischen etwa 0.006 und 0,008 mm. Beispielsweise kann eine hinlaufschicht mit dein Hauptbestandteil Blei sowie mit bis zu 20 Gewichtsprozent Zinn oder Indium und gegebenenfalls mit maximal 6 Gewichtsprozent Kupfer vorgesehen sein.

Die der Laufschicht unterlegte Schicht kann aus einem Werkstoff mit einer Brinellhärte zwischen etwa 30 und 100 kp/mm', beispielsweise aus Bleibronze, Zinnbronze, Blei-Zinn-Bronze, Aluminiumlegierung oder Reinaluminium, sein. Hs handelt sich hierbei im allgemeinen um eine /wischen Stahlrücken und Lagerlaufschicht angeordnete Zwischenschicht.

Es ist jedoch auch möglich, eine der Laufschicht unterlegte Schicht aus einem Werkstoff mit einer Brinellhärte zwischen etwa 100 und 250 kp/mm \ vorzugsweise aus Stahl oder Aluminiumlegierung, vorzusehen. In solchem Fall kann die der Laufschicht unterlegte Schicht durch den Lagerrücken selbst gebildet sein.

Zwischen der Laufschicht und der ihr unterlegten Schicht kann eine Nickelschicht mit einer maximalen Dicke von 0,005 mm vorgesehen sein. Diese Nickelschicht stellt dann eine Diffusionssperre zwischen der Laufschicht und der ihr unterlegten Schicht dar.

Zwei Ausführungsbeispielc der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnung naher erläutert, [is zeigt

Fig. 1 eine Gleitlagerschale gemäß ücr Erfindung in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 einen Ausschnitt A-B bei bevorzugter Ausführungsform der Lagerschale nach Fi g. 1, stark vergrößert und im Schnitt, und

Fig. 3 den Ausschnitt A-B nach Fig. I bei einer anderen möglichen Ausführungsform der Erfindung, im Schnitt stark vergrößert.

Im Beispiel der Fig. 1 ist auf einer Stahlstützschale 5 eine Zwischenschicht 4 aus Bleibronze mit einer Schichtdicke von etwa 0,2 mm bis 0,7 mm aufgebracht. Diese Zwischenschicht 4 weist eine Brinell-Härte zwischen etwa 50 kp/mnr und 100 kp/mm² auf. Auf die Zwischenschicht 4 ist eine extrem dünne (Dicke 0,001 mm bis 0,002 mm) Schicht 3 aus Nickel aufgebracht, die wie bei herkömmlichen Dreistofflagern als Diffusionssperre dienen soll. Über der Diffusionssperrschicht 3 ist eine harte Laufschicht 2 aus einer Nickel-Zinn-Legierung mit etwa 65% Zinn und 35% Nickel galvanisch aufgebracht. Die Dicke dieser Laufschicht 2 beträgt im dargestellten Beispiel 0,006 mm bis 0,008 mm. Die Härte dieser Laufschicht 2 liegt bei 600 kp/mm² bis 900 kp/mnr Mikro-Härte (vergleichbar mit Vickers-Härte). Auf der Laufschicht 2 ist ebenfalls galvanisch eine Einlaufschicht 1 aus einer Blei-Zinn-Kupfer-Legierung mit 10% Zinn, 3% Kupfer, Rest Blei, mit einer Dicke von 0,006 mm und Brinell-Härte zwischen 4 kp/mnr und 9 kp/mnr aufgebracht.

Diese Lagerausführung wurde mit herkömmlichen Dreistofflagern in Versuchen bei Lagerbelastungen

von 500 kp/enr und 700 kp/cnr und Oltemperaturen von etwa 120° C und 150° C erprobt. Bei diesen sich jeweils über 250 Betriebsstunden erstreckenden Versuchen haben die erfindungsgemälien Lager eine wesentliche Überlegenheit gegenüber den herkömmlichen Dreistofflagern klar gezeigt. Während bei den herkömmlichen Dreistofflagern Ermüdungsrisse in der galvanischen Bieischicht sichtbar waren, konnten bei den oben beschriebenen Lagern gemäß der Erfindung keine deraUigen Risse beobachtet werden. Auch der Verschleiß war bei den Lagern gemäß der Erfindung außerordentlich gering. Ferner wurde festgestellt, daß das Nachlassen der Vorspannung und der Spreizung dieser Lager ganz wesentlich vermindert war gegenüber den herkömmlichen Dreistofflagern.

ϊο (Unter Spreizung ist dabei zu verstehen, daß Lager-Halbscnalen mit größerem Durchmesser über die Grenzflächen als übe. uen jchcitcl ausgebildet werden, damit sie beim Einlegen in eine Lageraufnahme eine gewisse Spannung erhalten.)

Zum Verständnis der oben angeführten, durch die Erfindung erzielten vorteilhaften Wirkungen könnte die Vermutung führen, daß die harte Laufschicht aus der Nickel-Zinn-Legierung trotz ihrer geringen Dicke auf Grund ihrer sehr hohen Festigkeit sich Veiänderungen widersetzt, die zu einer Ermüdung und daher zu Ausbnickelungcn bzw. anderen nachteiligen Folgen führen.

Die Vickers-Härte bzw. die damit vergleichbare Mikro-Härte der Laufschicht 2 sollte mindestens 200 kp/mm betragen. Die Dicke der Laufschicht 2 wurde im oben erläuterten Beispiel aus Herstellungsgründen zwischen 0,006 und 0,008 mm gewählt. Es ist jedoch durchaus möglich, die harte Laufschicht 2 bis zu einer Dicke von etwa 0,1 mm vorzusehen.

to Für die der harten Laufschicht 2 unterlegte Schicht kommen verschiedenste Legierungen in Frage, wobei es darauf ankommt, daß ihre Härte wesentlich geringer als diejenige der harten Laufschicht 2 ist. Es ist also möglich, als Lagermaterial bekannte Legierungen, beispielsweise Zinnbronzen, Blei-Zinn-Bronzen, aber auch für Lagerzwecke bekannte Aluminiumlegierungen bzw. auch Reinaluminium für die Zwischenschicht 4 zu benutzen. In diesen Fällen liegt die Brinell-Härte des Zwischenschichtmaterials zwischen etwa 30 kp/mm² und 100 kp/mnr.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines Gleitlageraufbaues, wie er ebenfalls im Rahmen der Erfindung denkbar ist. In diesem Beispiel ist eine harte Lagerlaufschicht 2 von etwa 0,1 mm Dicke unmittelbar auf der Stützschale S des Lagers aufgebracht. Die Stützschale 5 besteht in diesem Beispiel aus einem üblicherweise fur diesen Zweck benutzten weichen Stahl mit einer Brinellhärte von beispielsweise 100 kp/mm² bis 250 kp/mnr, während die Laufschicht 2 wie im Beispiel der Fig. 2 aus Nickcl-Zinn-Legierung bestehen kann und eine Mikro-Härte zwischen etwa 600 kp/mm² und 900 kp/mm² aufweisen kann. In solchem Fall ist noch immer die Härte der Laufschicht 2 erheblich größer als die Härte der ihr unterlegten Stützschale 5. Auf der Lagerlaufschicht 2 ist auch in diesem Beispiel noch eine Einlaufschicht 1 angebracht, die in gleicher Weise ausgebildet sein kann wie im Beispiel der Fig. 2.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   I. Gleitlagerelement mit dünner Laufschicht aus einer härteren, Zinn enthaltenden Legierung, die mit einer Schicht aus weicherem metallischen Werkstoff unterlegt ist, dadurch ge ken nze i c h net, daß die Laufschicht (2) aus einer Nikkel-Zinn-Legierung mit einem Zinngehalt zwischen etwa 30 und 90 Gewichtsprozent besteht und eine Dicke von maximal etwa 0,1 mm, vorzugsweise etwa 0,005 bis 0,0! mm, aufweist und mit einer maximal 0,05 mm, vorzugsweise 0,005 bis 0,015 mm, dicken Einlaufschicht (I) aus Lagerwerkstoff von einer Brinell-Härte zwischen etwa 4 und 30 kp/mnv überdeckt ist.
2. 2. Gleitlagerclement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Hinlaufschicht (1) aus Blei oder einer Legierung mit den Hauptbestandteilen Blei oder Zinn oder Cadmium mit einer Brinell-Härte /wischen etwa 5 und 10 kp/mnr und von einer Dicke /wischen etwa (1,006 und 0.008 mm.
3. 3. Gleitlagerelement nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einlaufschicht (1) mit dem Hauptbestandteil Blei sowie mit bis zu 20 Gewichtsprozent Zinn oder Indium und gegebenenfalls mit maximal 6 Gewichtsprozent Kupfer.
4. 4. Gleitlagerelemcpt nach Anspruch I, gekennzeichnet durch eine der Laufschicht (2) unterlegte Schicht (4) aus einem Werkstoff mit einer Brinell-Härte zwischen etwa 30 und 100 kp/mnv, beispielsweise aus Bleibronze, Zinnbronze, Blei-Zinn-Bronze, Aluminiumlegierung oder Reinaluminium.
5. 5. Gleitlagerelement ni'ch Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine der Laufschicht (2) unterlegte Schicht (5) aus einem Werkstoff mit einer Brinell-Härte zwischen etwa 100 und 250 kp/ mm·', vorzugsweise aus Stahl oder Aluminiumlegierung.

   (ι. Gleitlagerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine zwischen der Laufschicht (2) und der ihr unterlegten Schicht (4) vorgesehene Nickelschicht (3) mit einer maximalen Dicke von 0,005 mm.