DE2131884B2 - Aluminium-lagerlegierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Aluminium-Lagerlegierung und ihre Verwendung.

Es sind bereits die verschiedensten Aluminiumlegierungen als Lagermetalle vorgeschlagen und verwendet worden, und zwar wegen ihrer günstigen Ermüdungseigenschaften, ihrer hohen Belastbarkeit und ihrer guten Korrosionsbeständigkeit. Solche Aluminium-Lagerlegierungen sind zu Lagerteilen verarbeitet worden, die entweder ganz aus der Legierung bestehen oder, was häufiger der Fall ist, zu Verbundlagen) mit einer Auflage aus Lagermetall auf einem hochfesten Stützlagerkörper, z. B. aus Stahl, verwendet werden. Ein Beispiel für derartige Verbundlagcr sind die schalenartigen Halblager, wie sie in den Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge und dergleichen eingesetzt werden.

Zahlreiche Probleme und Schwierigkeiten sind bei der Herstellung von Lagerteilen unter Benutzung der bekannten Aluminiumlegierungen als Lagermetall aufgetreten. Bei der Herstellung eines Bi-Metallstreifens aus einem Stahlstützlagerstreifen und einem fest damit verbundenen Lagermetall war es z. B. bei einigen Aluminiumlagerlcgierungen nötig, die zu verbindenden Flächen auf verhältnismäßig kostspielige Weise vorzubehandeln, um die erforderliche feste Bindung zu gewährleisten. Derartige Oberflächenbehandlungen umfassen, abgesehen vom Vorreinigen, das Aufbringen einer Vielzahl von galvanischen Überzügen oder Metallplattierungcn, einschließlich Nickel, Silber, reines Aluminium, Kupfer, Kobalt usw., auf die zu verbindenden Oberflächen, wobei die abgeschiedenen Schichten eine Zwischenschicht bilden, die die Bindefestigkeit erhöhen. Die Notwendigkeit dieser zusätzlichen Bearbeitungsstufen sowie die Notwendigkeit außerordentlich vorsichtig arbeiten zu müssen, um die geeigneten Bedingungen während der Fertigung eines solchen zusammengesetzten Bi-Melallstreifens zu sichern, hat die Herstellung von Verbundlagern mit Aluminiumlegierungen als Lagermetall unwirtschaftlich gemacht. Die bisher bekannten AIuminiumlagerlegierungen bieten in vielen Fällen aurh keine optimalen Gleiteigenschaften über einen weiten Betriebsbedingungsbereich, was die Anwendung jeweils besonderer Legierungszusammensetzungen auf besondere Einsatzzwecke beschränkt. Wegen dieser Nachteile sind Aluminiumlegierungen in größerem Umfane nicht einceselzt worden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Aluminium-Lagerlegierung zu schaffen, durch die die vorstehenden Schwierigkeiten behoben werden. Mit ihnen sollen sich Lagerteile schnell, einfach unJ unter Anwendung der bekannten Techniken herstellen lassen- und diese Teile sollen über einen weiten Betriebsbedingungsbereich verwendbar sein. Die Aluminiumlagerlegierung soll vielseitig einsetzbar sein und in den Vorrichtungen, in die sie eingearbeitet

ίο sind, ihre Aufgabe über einen langen Zeitraum in vollem Umfange erfüllen.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Aluminium-Lageriegierung, bestehend aus 3,5 bis 4,5% Zinn, 3,5" bis "4,5 % Silicium, 0,7 bis 1,3% Kupfer, Rest Aluminium mit den üblichen herstellungsbedingten Verunreinigungen, mit der Maßgabe, daß die Legierung maximal 0,5% Eisen, maximal 0,2% Titan, maximal 0,2% Mangan, maximal 0,2% Magnesium und die übrigen Verunreinigungen jeweils in Mengen bis zu 0.05 % enthält. Die Lagerlegierung enthält vorzugsweise Zinn in einer Menge von 4 ⁰O, Silicium in einer Menge von 4% und Kupfer in einer Menge von 1 %. Vorzugsweise wird die Lagerlegierung nach der Erfindung als Auflage auf Verbundlagern verwendet. Dabei wird z. B. die Lagcrlegierung in Form eines dünnen Streifens auf einen Stützstreifen aus Stahl aufgelegt und beide Streifen durch Walzendruck derart miteinander verbunden, daß eine festphasige Verschweißung an der Grenzfläche der beiden Streifen entsteht. Diese Streifen können zur Herstellung der verschiedensten Lagerteile, wie Gegendruckunterlagsscheiben, schalenförmige Halblager, Lagerpfannen, Flansch- und Gleitlager und dergleichen verwendet werden.

Weitere Merkmale der Erfindung und die Vorteile, zu denen sie führt, werden aus der nachstehenden, in Verbindung mit den beigefügten Figuren vorgenommenen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen hervorgehen. Von den Figuren zeigt

F i g. 1 ein Fließschema der Herstellung eines Verbundlagers mit der erfindungsgemäßen Aluminiumlagerlegierung als Auflage,

F i g. 2 ein perspektivisches Bild eines mit Flanschen versehenen Halblagers als Beispiel für einen Verbundlagerkörper und

F i g. 3 eine Mikroaufnahme, 200fache Vergrößerung, eines Verbundlagers mit einer Auflage aus der erfindungsgemäßen Aluminiumlagerlegierung.

Die Lagerlegierungcn nach der Erfindung enlhalten, wie bereits gesagt, als wesentliche Legierungsmetalle 3,5 bis 4,5 %" Zinn, 3,5 bis 4,5 % Silicium, 0.2 bis 1.3% Kupfer, und der Rest auf 100⁰Ai besteht im wesentlichen aus Aluminium. Außer den vorstehenden Bestandteilen kann das Lagermetall auch noch die üblichen Verunreinigungen in den üblichen Mengen enthalten, durch welche die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Legierung nicht beeinflußt werden. Eisen kann in einer Menge bis zu maximal 0,5% anwesend sein, Titan bis zu 0,2%, Mangan bis zu 0,2 %, Magnesium bis zu 0,2 %, während andere Verunreinigungen, wie Bor, Cadmium, Zink, Blei und dergleichen jeweils iii Mengen bis zu 0,05 % anwesend sein können, wobei die Gesamtmenge solcher Verunreinigungen vorzugsweise unter 0,15 % liegen sollte.

Liegt Zinn in Mengen unter 3,5 % vor, so führt dies zu einer schnelleren Abnutzung und einer Verschlechterung der Reibungseigenschaften, während Zinn in

Mengen über 4.5 % die Verarbeitung der Lagerlegierung in Verbundlagern beeinträchtigt, indem die Bearbeitbarkeit und Duktilität des Lagerlegierungsstreifens verschlechtert werden. Außerdem verhindert ein solch hoher Zinngehalt die feste Verbindung der Lagerlegierung mit dem Stützlagerstreifen infolge Ausschwitzens des Zinns, was weiter dazu führt, daß die Bindefestigkeit solcher Verbundlager schlechter ist. Zinn in Mengen über 4,5% führt auch zu dem unerwünschten Zinnschweiß während des Glühens der Legierung, was eine relativ langwierige Behandlung zur Entfernung des Zinnschweißes erforderlich macht.

Silicium in Mengen unter 3,5 % trägt zur Erhöhung der Reibung bei, was zu einer schnelleren Abnutzung führt. Silicium in Mengen über 4,5 % beeinträchtigt die Bearbeitbarkeit der Auflage des Verbundlagers, insbesondere des Nutenziehens, was bei der Fertigstellung von Präzisionslagerschalen erforderlich ist. Der Kupfergehalt der Legierung muß mindestens 0,7 % betragen, da bei kleineren Mengen die Legierung nicht hart genug ist und die Häne der Legierung hei Kaltbearbeitung nicht genügend ansteigt. Andererseits gibt Kupfer in Mengen über 1,3 ⁰Zo eine zu große Harte und eine Verschlechterung der Bearbeitbarkeit der Legierung, was zu einer starken Abnutzung der Welle (shaft wear) führt.

Wie bereits gesagt, kann Eisen in Mengen bis zu 0.5" 0 toleriert werden, ohne daß dadurch die Gleiteigenschaften der Legierung ungünstig beeinflußt werden. Wenn jedoch der oben genannte Grenzwert von 0.5 °/o überschritten wird, entstehen manchmal unerwünschte harte Stellen im Lagerbelag, was zu einer übermäßigen Abnutzung der Welle beiträgt. Die übrigen aufgezählten Verunreinigungen, die üblicherweise mit den Legieriingsbestandteilen vergesellschaftet sind, werden vorzugsweise so gesteuert, daß sie in einer Menge von insgesamt unter 0.15% anwesend -.ind; dann wirken sie sich nicht schädlich auf die vorteilhaften Eigenschaften der Lagcrlegicrung aus.

Bei der Verwendung der Aluminiumlagerlegierung nach der Erfindung als Auflage auf Verbundlagern wird, wie dem in F i g. 1 gezeigten Fließschema zu entnehmen, eine Schmelze einer Lagerlegierung nach der Erfindung bereitet, die dann zu Brammen oder Blöcken gegossen wird, welche zu Streifen auswalzbar sind. Die Lagerlegierung kann aber auch direkt >:u vollständig aus der Lagerlegierung bestehenden Lagerteilen der geringsten Größe und Gestalt gegossen werden, die dann nachbearbeitet werden, um die gewünschten genauen Abmessungen herzustellen. Vorzugsweise werden die Lagerlegierungen nach der Erfindung als Auflage auf Verbundlagcr verwendet, bestehend aus einem hochfesten Stützlagermaterial und einem relativ dünner. Belag aus Lagerlegierung auf ein oder mehreren Oberflächen. Solche Verbundlager werden üblicherweise aus einem Bi-Mclallstreifen unbestimmter Länge, bestehend aus einem hochfesten Stützstreifen mit einer fest daran gebundenen relativ dünnen Schicht aus Lagerlegierung hergestellt.

Die Bildung solcher Bi-Metallstrcifen, auf denen sich die verschiedensten Lagerteile, einschließlich schalenarligc Halblagcr, Gegendruekuntcrlegscheiben, geflanschte Lager, wie das in F i g. 2 gezeigte, fertigen lassen, kann nach irgendeiner der bekannten Techniken vorgenommen werden. Da.^c Verbinden durch Aufwalzen der Lagerlegicrung in Form eines relativ dünnen Streifens ist die gebräuchlichste und wirtschaftlichste Methode. Hierbei wird die Lagerlegierung entweder in Form einer Bramme einer Dicke von 6,35 mm bis 25,4 mm gegossen (wie das in F i g. 1 gebrachte Fließschema zeigt) und ausgewalzt, so daß eine Verminderung der Dicke im Bereich von etwa L587 bis 3,175 mm erreicht wird. Oder die Lagerlegierung wird zu geeignet langen Blöcken gegossen, die in ähnlicher Weise durch mehrmaliges Walzen in Streifenmaterial der gewünschten Dicke gebracht werden können. Die Kaliverfestigung, die die Lagerlegierung durch das Walzen erfährt, wird gewöhnlich dadurch wieder entfernt, daß das Streifenmaterial vor dem Aufwalzen auf den Stützstreifen einer Glühbehandlung unterworfen wird. Dies kann bei Temperaturen im Bereich von 371 bis 482° C in einer Zeit von etwa 30 Minuten bis etwa 12 Stunden durchgeführt werden. Gute Ergebnisse sind erhalten worden, wenn eine Lagerlegierungsauflage einer Dicke von etwa 1,587 mm und einer Zusammensetzung von 4 % Zinn, 4 °'n Silicium, 1 % Kupfer und Aluminium auf 100% bei 427° C drei Stunden lang geglüht wurde.

Danach erfolgt die Bildung der Verbundlagerstreifen, indem der I agerlegierungsstreifen auf die Oberfläche eines geeigneten hochfesten Metallstülzlagerstreifens gelegt wird, entweder kontinuierlich oder stufenweise, ein ausreichender Druck auf die aufeinanderliegenden Schichten aufgebracht wird, so daß eine Verminderung der Dicken und die Bildung einer Festphasen-Verschweißung an der Grenzfläche zwischen beiden Streifen bewirkt wird. Eine besondere Technik, die sich hervorragend zur Herstellung eines Bi-Melallstreifens eignet, ist in der Deutschen Offenlcgungsschrift 1 427 367 der Anmelderin beschrieben. Bei dem in dieser Anmeldung beschriebenen Verfahren wird ein Walzenaufbau verwendet, bei welchem die Walzenrollen, die mit dem Aluminiumlegierungsstreifcn und die Walzenrollen, die mit dem Stülzlagerstreifen in Kontakt kommen, unterschiedlichen Durchmesser haben, derart, daß der Druck, der auf den Aluminiumlegierungsstreifen ausgeübt wird, wesentlich größer ist als der auf den Slützstreifen ausgeübte Druck. Obwohl verschiedene hochfeste Stützlagcrmaterialicn zur Herstellung des Verbundlagermatcrials benutzt werden können, haben sich am besten Streifen aus niedrig gekohlten Stählen bewährt. Vor dem Verbinden durch Aufwalzen werden die Oberflächen des Aluminiumlegicrungsstreifens end Stahlstreifens in üblicher Weise durch Entfetten, Sandschleifcn und. oder Abbürsten mit einer Drahtbürste gereinigt, um restliche Oxyde, Rost und andere verunreinigende Substanzen, die die Festigkeit der resultierenden Bindung beeinflussen könnten, zu entfernen. Die beiden gereinigten Streifen werden dann auf eine erhöhte Temperatur in reduzierender Atmosphäre vorerhitzt, um die Bildung von Oxyden an den zu verbindenden Oberflächen zu verhüten. Die Vorheiztcmpcraluren können s·η Bereich von 371 bis 510° C, vorzugsweise im Bereich von 469 bis 496° C, liegen.

Die vorgewärmten aufeinandergelegten gereinigten Streifen durchlaufen dann das Walzwerk, in welchem eine Verminderung der Dicke sowohl des Stützlagerstreifens als auch des Aluminiumlegierungslagerstreifens bewirkt wird, während gleichzeitig eine Festphasen-Verschweißung der beiden Streifen zu einem zusammengesetzten Bi-Metalllagermaterial stattfindet. Hierfür haben sich Drücke, die eine mindestens 40%, vorzugsweise 50 bis 70%ige Reduzierung in der Dicke des Aluminiumlegicrungsstreifens bewirken, als be-

sonders geeignet erwiesen; sie führen zu Bindefesligkeiten, die ausreichen, um auch verhältnismäßig schwere Bearbeitungsvorgänge während des Formens des Lagerteils sowie erhöhte Temperaturen und Spannungen, denen die Lagerteile im Gebrauch unterworfen werden, auszuhalten. Um die Verminderung der Dicke des Hartmetallstützlagerstreifens und die Kaltverfestigung auf einem Mindestmaß während des Verbindens durch Aufwalzen zu halten, wird nach den in der oben erwähnten Offenlegungsschrift be- ic schriebenen Verfahren die Benutzung eines Walzwerkes bevorzugt, bei welchem die mit dem Aluminiumlegierungsstreifen in Kontakt kommenden Walzen einen Durchmesser von etwa der Hälfte des Durchmessers der Walzen, die mit dem Stahlstreifen in Kontakt kommen, haben; besonders bevorzugt ist, daß die mit Aluminium in Kontakt kommenden Walzen nur V5 des Durchmessers der mit dem Stützstreifen in Kontakt kommenden Walzen haben.

In jedem Fall sind der Aluminiumlegierungsstreifen so und der hochfeste Stützlagerstreifen nach Durchgang durch die Walzenanordnung fest miteinander verbunden; die resultierende Verbindung ist durchgehend über die ganze Oberfläche des Verbundlagerstreifens gleich gut. Diese Bindung wird erreicht, ohne daß vorher as mehrere Metallschichten, wie Schichten aus Nickel, Kobalt, Silber, Kupfer usw. elektrochemisch abgeschieden werden müssen, wie dies bisher nötig war, um die gewünschte feste Bindung zu bekommen. Wenn erwünscht, können ein oder mehrere solcher Metallüberzüge aufgebracht werden. Der erhaltene Verbundlagerstreifen kann den üblichen Metallformungsverfahren, wie Prägen, Stanzen und dergleichen unterworfen werden, um die gewünschten Lagerteile daraus herzustellen, wie z. B. das geflanschte Lagerteil 6, das in F i g. 2 gezeigt ist.

Zur weiteren Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Aluminiumlagerlegierung dient das folgende Beispiel.

Beispiel

Es wurde eine Schmelze einer Lagerlegierung hergestellt, die 4°'o Zinn, 4°/« Silicium, 1°·Ό Kupfer und Rest Aluminium einschließlich der üblichen Verunreinigungen in einer Menge unter 0,5 °/o hergestellt. Die resultierende Schmelze wu^rde kontinuierlich zu einer Bramme einer Breite von etwa 25,4 cm und einer Dicke von 6,35 mm gegossen. Nach Verfestigung wurde die Bramme mehrmals gewalzt, so daß ihre Dicke auf 1,587 mm gebracht wurde. Danach wurde der Streifen 12 Stunden in Luft bei 454° ( geglüht.

Ein Streifen aus niedrig gekohltem Stahl eine Dicke von 1,27 mm wurde entfettet und danach mi Sand behandelt, um alle Oxyde und Rost von der Oberflächen zu entfernen. Der Aluminiumlagerlegie rungsstreifen wurde ebenfalls entfettet und mit eine Drahtbürste behandelt. Die beiden vorgereinigten Strei fen wurden dann aufeinandergelegt und in reduzie render Atmosphäre auf eine Temperatur von 482° C vorgewärmt. Nach Erreichen dieser Vorwärmtempe ratur wurden die aufeinandergelegten Streifen durcl· ein Walzgerüst geschickt, in weichem die Walzen die mit der Außenfläche der Aluminiumlagerlegierunf in Kontakt kamen, einen Durchmesser von 50,8 crr hatten, währen die Walzen, die in Kontakt mit dei freien Oberfläche des Strahlstreifens kamen, einer Durchmesser von 30,48 cm hatten. Die Walzen warer so eingestellt, daß die Dicke des Aluminiumlegierungslagerstreifens um 65 °/o und die des Stahlstützstreifens um 2 ⁰Zo vermindert wurde.

Der so erhaltene zusammengesetzte Streifen wurde zur Fertigung schalenförmiger geflanschter Halblagei derart, wie in F i g. 2 gezeigt, verwendet, und dann in Verbrennungsmotoren unter Dynamometer-Prüfbedingungen getestet. Die Teste zeigten, daß Verbundlager, die mit der Aluminiumlagerlegierung nach der Erfindung hergestellt wurden, außerordentlich hohen Widerstand gegenüber Ermüdung, gute Korrosionsbeständigkeit und gute Gleiteigenschaften, sowohl an der Innenfläche, als auch an den Stirnflächen der Flansche unter den in Verbrennungsmotoren herrschenden Bedingungen besitzen.

Außerdem wurden Muster aus dem Verbundlagerstreifen hergestellt und auf die Festigkeit der Bindung zwischen Lagerauflag*· und Stützlager geprüft. Diese Bestimmungen bestätigten eindeutig, daß eine durchgehend gleichmäßige hochfeste Bindung erhalten worden ist. Die Scherfestigkeiten der Bindung lagen über 820 kp/cm², waren also ungewöhnlich hoch"

Die Gleichmäßigkeit der MikroStruktur des erfindungsgemäßen Lagermetalls zeigt die Mikroaufnahme in F i g. 3. Die Mikroaufnahme ist ein Querschnitt durch einen Bi-Metallstreifen, bestehend aus dem Aluminiumlagerlegierungsbelag 8 und dem Stahlstützkörper 10, welcher vorher einer Ätzung nach Keller unterworfen wurde. Die Aufnahme ist eine 200fache Vergrößerung und zeigt gleichmäßige feine Mikrostruktur, was eine gleichgerichtete Verteilung von Zinn und Silicium durch die Aluminiummatrix offenbart.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Alumimum-Lagerlegierung, bestehend aus 3,5 bis 4,5 °/o Zinn, 3,5 bis 4,5% Silicium, 0,7 bis 1,3 % Kupfer, Rest Aluminium mit den üblichen herstellungsbedingten Verunreinigungen, mit der Maßgabe, daß die Legierung maximal 0,5 % Eisen, maximal 0,2 %> Titan, maximal 0,2 ^e/o Mangan, maximal 0,2% Magnesium und die übrigen Verunreinigungen jeweils in Mengen bis zu 0,05 % enthält.

2. Lagerlegierung nach Anspruch 1 mit 4% Zinn, 4 % Silicium und 1 % Kupfer.

3. Verwendung von Lagerlegierung nach den Ansprüchen 1 oder 2 als Auflage auf Verbundkern.