DE2053696C3

DE2053696C3 - Gleitlagerelement

Info

Publication number: DE2053696C3
Application number: DE2053696A
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl.-Phys. Dr. 6200 Wiesbaden Roemer
Original assignee: Glyco Metall Werke Daelen und Loos GmbH
Current assignee: Glyco Metall Werke Daelen und Loos GmbH
Priority date: 1970-11-02
Filing date: 1970-11-02
Publication date: 1979-09-20
Also published as: GB1365354A; DE2053696B2; JPS5230656B1; JPS479761A; FR2113475A5; DE2053696A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Glcitlagerekrnente mit dünner l.aiifsehicht aus einer härteren. Zinn enthaltenden Legierung, die mit einer Schicht aus weicherem metallischen Werkstoff unterlegt ist.

Aus der deutschen Patentschrift 623 301 ist es bekannt, auf den Gleitflächen 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. AuLterdem soll die Laufschicht bevorzugt solche Stoffe, beispielsweise Zinn, enthalten, die starke aktive Molekularkriifte gegenüber dem C)I besit/en

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 Lagerlaufschicht entsprechen und andererseits brauchbare Gleiteigenschaften aufweisen.

Man verwendete daher bisher in Verbrennungsmotoren mit hoher spezifischer Leistung im allgemeinen sogenannte Dreistoff lager als Haupt- und Pleuellager. Solche Dreistofflager bestehen aus drei Mi-tallschichten, wobei vom Lagerrücken zur Lauffläche hin immer weichere Werkstoffe Verwendung finden. Bei den häufigsten Ausführungsformen solcher bekannter Dreistofflager sind eine Stützsehale, meist aus Stahl, darüber eine Bleibronze-Schicht und darauf eine dünne galvanisch aufgetragene Laufschicht aus Blei mit etwa 10'?? Zinn und bzw. od.:r Indium und teilweise etwas Kupfer vorgesehen. Obwohl sich derartige Dreistofflager in der Praxis t;u! bewährt haben, zeigte es sich, dall auch der Verwendung von Dreistofflagern he/iiolirh /un'jhnVJivJ'J Γ hoher iOe/ifischor Leistungen in Verbrennungsmotoren Grenzen gesetzt sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, Gleitlager zu schaffen, hei deren harter Lagerlaufschicht die bekannte Anpassungsmöglichkeit an den Zapfen mit hoher Ermüdungsfestigkeit vereint ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch die Erfindung wird ein (ileitlagerelement geschaffen, das ilen bisher gängigen und als optimale technische Losung angesehenen Dreistofflagern, insbesondere hinsichtlich Verminderung der Neigung zum Fressen, Verminderung des Verschleißes am Zapfen und Ermüdungsfestigkeit, weit überlegen ist. Da Nickel-Zinn-Legierungen deir angegebenen Art sehr harte intermetallische Verbindungen bilden, läßt sich mit diesen Legierungen die gemäß der Erfindung für die Lagerlaufschicht erstrebte Härte, nämlich eine der Vickershärte vergleichbare Mikrohärte von mindestens 200 kp/mm², vorzugsweise zwischen 600 kp/mm¹ und 900 kp/mm², ohne weiteres erreichen. Diese harte bzw. sehr hatte Lagerlaufschicht ist zwischen der weicheren Unterlageschicht und der weichen bis sehr weichen EinlauEschicht eingebettet, so daß bei der Übertragung des Druckes vom Zapfen auf die harte Lagerlaufschicht nahezu hydraulische Verhältnisse für das plastische Anpassen der Lagcrlaufschicht an den Zapfen herrschen. Gelangen bei 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 Lagerlautschicht 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 ;iuch zusammen mit der sehr harten Lagerlaufschicht in der Lage, eine Lagerlauffläche zu entwickeln, die -.ich durch besonders gute (ileit- und I.aufeigenschaftcii aus/eichnet. Dabei ist es von besonderem Vorteil. ilaLl das Nickel und ilns Zinn in der Lagcrlaufschicht relativ fest miteinander abbinden und keine früh/eiti|!e Reaktion mit dem

Stahl ile?, Lagerzapfens eintritt, insbesondere auch nicht bei höherer Betriebstemperatur, bei hoher Belastung und bei Vorhandensein von Schmutz.

Ilie Benutzung von Nickel-Zinn-Legierungen ist bei Gleitlagern, insbesondere Dreistofflagern, als Zinndiffusionssperre zwischen Schichten verschiedener metallischer Zusammensetzung vorgesehen (vgl. USA.-Pulentschrif! 3 307926). Solche dünnen Diffusionssperrschichten können jedoch keinerlei Funktion als Lagerlaufschicht übernehmen. Besonders vorteilhaft ist im Rahmen der Erfindung eine Einlaufschicht aus Blei oder einer Legierung mit den Hauptbestandteilen Blei oder Zinn oder Cadmium mit einer Brinellhärte zwischen etwa 5 und K) kp/mnv und von einer Dicke zwischen etwa 0,006 und 0,008 mm. Beispielsweise kann eine Einlaufschicht mit dem Hauptbestandteil Blei sowie mit bis zu 20 Gewichtsprozent Zinn oder Indium und gegebenenfalls mit maximal (i Gewichtsprozent Kupfer vorgesehen sein.

Die der Laufschicht unterlegte Schicht kann aus einem Werkstoff mit einer Brincllhärte zwischen etwa 30 und 100 kp/mm³, beispielsweise aus Bleibronze, Zinnbronze, Blei-Zinn-Bronze, Aluminiumlegierung oder Reinaluminium, sein. Es handelt sich hierbei im allgemeinen um eine zwischen Stahlrücken und Lagerlaufschicht angeordnete Zwischenschicht.

Es ist jedoch auch möglich, eine der Laufschicht unterlegte Schicht aus einem Werkstoff mit einei Brinellhärte zwischen etwa 100 und 250 kp/mnv, 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 Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. I eine Gleitlagerschale gemäß der Erfindung in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 einen Ausschnitt A-B bei bevorzugter Ausführungsform der Lagerschale nach Fig. I, 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. \ ist auf einer Stahlstützschale 5 eine Zwischenschicht 4 aus Bkibronzc mit einer Schichtdicke von etwa 0,2 mm bis 0,7 mm aufgebracht. Diese Zwischenschicht 4 weist «ine Brinell-Härte zwischen etwa 50 kp/mm' und HK) kp/mm² auf. \iil die Zwischenschicht 4 ist eine extrem dünne (Dicke O₁(K) 1 mm bis 0,002 mm) Schicht 3 aus Nickel aufgebracht, die wie bei herkömmlichen Dreistofflagern als Diffusionsspcire dienen soll. Über der Diffusionssperrschicht 3 ist eine harte l^aufschicht 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 O₁OOH mm. Die Härte dieser !,aufschient 2 liegt hei 600 kp/mm' bis 900 kp/mm' Mikro-Härte (vergleichbar mit VickciS-Härtc). Auf der Laufschicht 2 ist ebenfalls galvanisch eine Einlaufschicht 1 aus einer Hlei-Zinn-Kupfer-Ixgicu ng mit 10% Zinn, 3% Kupfer, Resl Blei, mit einer Dicke von 0,006 mm und Brinell-Härte zwischen 4 kp/mm¹ und 9 kp/mm' aufgebracht.

Diese Lagerausführung wurde mit herkömmlichen Dreistofflagern in Versuchen bei Lagerbelastungen von 500 kp/cnr und 700 kp/cmr und Oltemperaturen von etwa 120° C und 150° C erprobt. Bei diesen sich jeweils über 250 Betriebsstunden erstreckenden Versuchen haben die erfindungsgemäßen Lager eine wesentliche Überlegenheit gegenüber den herkömmli-

chen Dreistofflagern klar gezeigt. Während bei den herkömmlichen Dreistofflagern Ermüdungsrisse in der galvanischen Bleischicht sichtbar waren, konnten bei den oben beschriebenen Lagern gemäß der Erfindung keine derartigen 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.

jo (Unter Spreizung ist dabei zu versteoin, daß Lager-Haibschaien mit größerem Durchmess'T über die Grenzflächen als über den Scheitel ausgebildet werden, damit sie beim Einlegen in eine Lagerautnahme 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 Nickcl-Zinn-Legierung trotz ihrer geringen Dicke auf Grund ihrer sehr hohen Festigkeit weh Veränderungen widersetzt, die zu einer Ermüdung und daher zu Ausbröckelungen bzw. anderen nachteiligen Folgen führen.

Die Vickers-Härte bzw. die damit vergleichbare Mikro-Härte der Laufschicht 2 sollte mindestens 200

J₅ kp/mrrr 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 bus zu '. iner Dicke von etwa 0,1 mm vorzusehen.

»o Für die der harten Laufschicht 2 unterlegte Schicht komr.icn 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 Legierun-

t5 gen, 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 Zwischenschichtmaterialü zwischen etwa 30 kp/mm' und 100 kp/mm².

Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines Gleitlageraufbaues, wie er ebenfalls im Rahmen der Erfindung denkbar ist. In c''cssm Beispiel ist eine harte Lagerlaufschicht 2 von etwa 0,1 mm Dicke unmittelbar auf der Stützschale 5 des Lagerr aufgebracht. Die Stiit/schale 5 besteht in diesem Beispiel aus einem üblicherweise für diesen Zweck benutzten weichen Stahl mit einer Brinellhärte von beispielsweise UM) kp/mm² bis 250 kp/mm^:, während jie Laufschicht 2 wie irn Beispiel der F i g. 2 aus Nickel-Zinn-Legierung besteht 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 I 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 Watt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gleitlagerelemenl mit dünner l.aufschichl aus einer härteren. Zinn enthaltenden Legierung, die mit einer Schicht aus weicherem metallischen Werkstoff unterlegt ist, dadurch ge kenn- 7. e i c h η e t, dall die Laufschicht (2) aus einer Nikkel-Zinn-l.egierung mit einem Zinngehalt /wischen etwa M) und ¹JO Gewichtsprozent besteht bei einer Mikrohärte von mindestens 200 kp/mm², vorzugsweise zwischen 600 und 900 kp/mm-', eine Dicke von etwa 0,005 bis 0,01 mm, maximal 0,1 mm, aufweist und mit einer maximal 0,05 mm, vorzugsweise 0,005 bis 0,015 mm, dicken Einlaufschicht (1) aus Lagerwerkstoff von einer Brinell-Härte zwischen etwa 4 und 30 kp/mm² überdeckt ist.

2. Gleilb^erelement nach Anspruch I, gekennzeichnet durch eine Einhiiifschicht (1) aus Blei oder einer Legierung mit den Hauptbestandteilen Blei oiler Zinn oder Cadmium mil einer Hrinell-Härte /wischen etwa 5 und Kl kp/mnr und von einer Dicke /wischen etwa 0.006 und 0.(HlK mm.

3. (ileitlagerelement nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einlaufsehicht (1) mit dem Hauptbestandteil Blei sowie mit bis /u 20 Gewichtsprozent Zinn oder Indium und gegebenenfalls mit maximal 6 Gewichtsprozent Kupfer.

4. Gleillagerelcment nach Anspruch I, gekennzeichnet durch cinvj der Luufschicht (2) unterlegte Schicht (4) aus ck.em Werkstoff mit einer Brinell-Härte zwischen etwa .50 ι :id 100 kp/mm', beispielsweise aus Bleibron/e, Zinnbronze, Blei-Zinn-Bron/e, Aluminiumlegierung oder Rcinaluminium.

5. Gleitlagerclement nach Anspruch I, 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, wobei die Härte der die Laufschicht (2) bildenden Nickel-Zinn-Legierung zwischen etwa 600 und 900 kp/mm² liegt.

(i. 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 (),()()5 mm.