DE2131884C3 - Verwendung einer Aluminium-Legierung als Lagermetall - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Aluminium-Legierung als Lagermetall, insbesondere als Laufschicht auf Verbundlagern.

Es sind bereits die verschiedensten Aluminium-Icgierungen als Lagermetalle vorgeschlagen und ver- wendet worden, und zwar wegen ihres Widerstands gegen Ermüdung, 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 Verbundlagern mit einer Auflage aus Lagermetall auf einem hochfesten Stützlagerkörper, z. B. aus Stahl, verwendet werden. Ein Beispiel für derartige Verbundlager sind die schalenartigen Halblager, wie sie in den Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge u. dgl. 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-Metallstreifcns aus einem Stahlstützlagerstreifen und einem fest damit verbundenen Lagermetall war es z.B. bei einigen Aluminium-Lagerlegierungen 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 Überzogen oder MetallDlattierungen, einschließlich Nickel, Silber, reines Aluminium, Kupfer, Kobalt us'v., auf die zu verbindenden Oberflächen, wobei die abgeschiedenen Schichten eine Zwischenschicht bilden, die die Bindefestigkeit erhöhen. Die Notwendigkeit dieser zusatzlichen Bearbeitungsstufen sowie die Notwendigkeit, außerordentlich vorsichtig arbeiten zu müssen, um die geeigneten Bedingungen während der Fertigung eines solchen zusammengesetzten Bi-Metallstreifens zu sichern, hat die Herstellung von Verbundlagern mit Aluminiumlegierun- gen als Lagermetall unwirtschaftlich gemacht. Die bisher bekannten Aluminium-Lagerlegierungen bieten in vielen Fällen auch keine optimalen Gieiteigen schaften über einen weiten Betriebsbedingungsbereich, was die Anwendung jeweils besonderer Legierungszusammensetzungen auf besondere Einsatzzwecke beschränkt. Wegen dieser Nachteile sind Aluminiumlegierungen in größerem Umfang nicht eingesetzt 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 und unter Anwendung der bekannten Techniken herstellen lassen, und diese Teile sollen über einen weiten Betriebsbedingungsbereich verwendbar sein. Die Aluminiuui-Lagerlegierung soll vielseitig einsetzbar sein und in den Vorrichtungen, in die sie eingearbeitet sind, ihre Aufgabe über einen langen Zeitraum in vollem Umfange erfüllen.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung einer Aluminium-Legierung, bestehend aus 3,5 bis 4,5 ·'« Zinn, 3,5 bis 4,5 °/o Silizium, 0,7 bis 1,3¹Vo Kupfer, Rest Aluminium mit den üblichen herstellungsbcdingten 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 »/0 enthält, als Lagermetall. Die erfindungsgemäß als Lagermetall verwandte Legierung enthält vorzugsweise Zinn in einer Menge von 4·/«, Silizium in einer Menge von 4·/β und Kupfer in einer Menge von 1 «/ο. Vorzugsweise wird die erfindungsgemäß als Lagermetall verwandte Legierung als Auflage auf Verbundlagern verwendet Dabei wird z. B. die Lagerlegierung in Foren 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 Gegendruckiinterlagsscheiben, schalenförraige Halblager, Lagerpfannen, Flansch- und Gleitlager u. dgl. verwendet werden.

Aus der CH-PS 124 793 ist zwar bekannt, daß z.B. Legierungen, bestehend aus unter 4*/« Zinn, unter 4·/· Silizium, Kupfer in einer Menge, die die maximale, in festem Aluminium lösliche Menge dieses Metalis nicht überschreitet, und Rest Aluminium, herstellbar sind. Es ist weiterhin allgemein bekannt, daß die maximale Löslichkeit von Kupfer in Aluminium etwa 5,7·/« bei 548° C beträgt. Die Verwendbarkeit als Lagermetall der erfindungsgemäß speziell ausgewählten Legierungen ist aus dieser Druckschrift jedoch nicht zu entnehmen.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Abbildungen und bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert. Von den Figuren zeigt

Fig. 1 ein Fließschema der Herstellung eines Verbundlagers mit der erfindungsgemäß verwendeten Aluminium-Lagerlegierung als Auflage,

F i g. 2 ein perspektivisches Bild eines mit Flan-' sehen versehenen Halblagers als Beispiel für einen Verbundlagerkörper und

F i g. 3 eine Mikroaufnahme, 200fache Vergrößerung, eines Verbundlagen mit einer Auflage aus der erfindungsgemäß verwendeten Alwminium-Lagerlegierung.

Die erfindungsgemäß verwendbaren Aluminium-Legierungen enthalten, wie bereits gesagt, als wesentliche Legierungsmetalle 3,5 bis 4,5·/· Zinn, 3,5 bis

4,5«/· Silizium, 0,2 bis 1,3 »/ο Kupfer, und der Rest juf 100 °/o besteht im -wesentlichen aus Aluminium. Außer den vorsiehenden 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 °/e anwesend sein, Titan bis zu 0,2%, Mangan bis zu 0,2 °/o, Magnesium bis zu 0,2 ·.»·, während andere Verunreinigungen, wie Bor, Cadmium, Zink, Blei u. dgl. jeweils in Mengen bis zu 0,05 V· anwesend sein können, wobei die Gesamtmenge solcher Verunreinigungen vorzugsweise unter 0,15 ⁰O liegen sollte.

Liegt Zinn in Mengen unter 3,5 °/o vor, so führt dies zu einer schnelleren Abnutzung und einer Verschlechterung der Reibungseigenschaften, während Zinn in Mengen über 4,5 ·/· die Verarbeitung d~t Lagerlegierung in Verbundlagern beeinträchtigt, indem die Bearbeitbarkeit und Duktilität des Lageriegierungsstreifens verschlechtert werden. Außerdem verhindert ein solch hoher Zinngehatt die feste Verbindung der Lagerlcgierung mit dem Stützlagerstreifen infolge Ausschwitzens des Zinns, was weiter dazu fuhrt, daß die Bindefestigkeit solcher Verbundlager schlechter ist. Zinn in Mengen über 4,5 °/o führt auch zu dem unerwünschten Zinnschweiß während des Glühens der Legierung, was eine relativ langwierige Behandlung zur Entfernung des Zinnschweißes erforderlich stacht.

Silicium in Mengen unter 3,5 °/o trägt zur Erhöhung der Reibung bei, was i\i einer schnelleren Abnutzung führt. Silicium in Mengen über 4,5 ⁰O 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 °/o beiragen, da bei kleineren Mengen die Legierung nicht hart genug ist und die Härte der Legierung bei Kaltbearbeitung nicht genügend ansteigt. Andererseits gibt Kupfer in Mengen über i,3°/o eine zu große Härte 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°/r tolerieit 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 Legierungsbestandtcilen vergesellschaftet sind, werden vorzugsweise so gesteuert, daß sie in einer Menge von insgesamt unter 0,15 °/o anwesend sind; dann wirken sie sich nicht schädlich auf die vorleilhaften Eigenschaften der Lagcrlegierung aus.

Beim Einsatz der erfindungsgemäß verwendbaren Aluminium-Legierungen als Auflage auf Verbundlagern wird, wie dem in Fi g. 1 gezeigten Fließschema zu entnehmen, eine Schmelze einer Lagerlegierung ^b° nach der Erfindung bereitet, die dann zu Brammen oder Blöcken gegossen wird, welche zu Streifen auswalzbar sind. Die Lagerlegierung kann aber auch direkt zu vollständig aus der Lagerlegierung bestehenden Lagerteilen der geringsten Größe und Gestalt gegössen werden, die dann nachbearbeitet werden, um die gewünschten genauen Abmessungen herzustellen. Erfindung als Auflage auf Verbundlager verwendet, bestehend aus einem hochfesten Stiitzlagermaterial und einem relativ dünnen Belag aus Lagerlegierung auf ein oder mehreren Oberflächen. Solche Verbundlager werden üblicherweise aus einem Bi-Metallstreifen unbestimmter Länge, bestehend aus einem hochfesten Stützstreifen mit einer fest daran gebundenen relativ dünnen Schicht aus Lagerlegierung hergestellt.

Die Bildung solcher Bi-Metalls'reifen, auf denen sich die verschiedensten Lagerteile, einschließlich schalenartigc Halblager, Gegendruckunterlegscheiben, geflanschte Lager, wie das in F i g..2 gezeigte, fertigen lassen, kann nach irgendeiner der bekannten Techniken vorgenommen werden. Das Verbinden durch Aufwalzen der Lagerlegierung 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 1,587 bis 3.175 mm erreicht wird. Oder die Lagerlegierung wird zu geeignet langen Blocken gegossen, die in ähnlicher Weise durch mehrmaliges Walzen in Streifenmaterial der gewünschten Dicke gebracht werden können. Die Kaltverfestigung, die die lagcrlegierung durch das Walzen erfährt, wird gewohnlich 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° Γ in einer Zeil 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°/e Zinn, 4°o Silicium, 1⁰O Kupfer und Aluminium auf 100"Ό bei 427° C drei Stunden lang geglüht wurde.

Danach erfolgt die Bildung der Verbundlagcrslreifen, indem der Lagerlegierungsstreifen auf die Oberfläche eines geeigneten hochfesten Metallstützlagcrstreifens 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 Fcsiphasen-Verschwcißun;! an der Grenzfläche zwischen beiden Streifen bewirkt wird. Eine besondere Technik, die sich hervorragend zur Herstellung eines Bi-Metallslreifens eignet, ist in der Deutschen Offenlegungsschrift 1427 367 der Anmelderin beschrieben. Bei dem in dieser Anmeldung beschriebenen Verfahren wird ein Walzjnaufbau verwendet, bei welchem die Walzenrollen, die mit dem Aluminiumlegicrungsstreifcn und die Walzcnrollen, die mit dem Stützlagerstreifcn in Kontakt kommen, unterschiedlichen Durchmesser haben, derart, daß der Druck, der auf den Aluniiniumlegierungsstreifen ausgeübt wird, wesentlich größer ist als der auf den Slüt/streifen ausgeübte Druck. Obwohl verschiedene hovlifeste Slützlagermaterialicn zur Herstellung des Verbundlagcrmaterials benutzt werden können, haben sich am besten Streifen aus niedrig gekohlten Stählen bewährt. Vor dem Verbinden durch Aufwalzen werden die Oberflächen des Aluniiniumlegicrungsstrcifcns und Stahlslreifens in üblicher Weise durch Entfetten, Sandschlcifcn 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 cine erhöhte Temperatur in reduzierender Atmosphäre vorerhitzt, um die Bildung von Oxyden an den zu verbindenden Oberflächen zu verhüten. Die Vorheiztemperalurcn können im Bereich von 371 bis 51O⁰C₁ 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 Aluminiumlcgierungslagerslrcifcns bewirkt wird, während gleichzeitig eine Fesiphasen-Vcrschweißung der beiden Streifen ?u einem zusammengesetzten Bi-Metalllagermalerial stattfinde! Hierfür haben sich Drücke, die eine mindestens 40⁰O, vorzugsweise 50 bis 7O"/oigc Reduzierung in der Dicke des Aluminiumlegicrungsslreifens bewirken, als besonders geeignet erwiesen; sie führen zu Bindefesligkeitcn, 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 Hartmetallslützlagerstreifens und die Kaltverfestigung auf einem Mindestmaß während des Verbindens durch Aufwalzen zu halten, wird nach den in der oben erwähnten Offenlegungsschrift beschriebenen 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 Vs des Durchmessers der mit dem Stützstreifen in Kontakt kommenden Walzen haben.

In jedem Fall sind der Aluminiumlegierungsstreifen und der hochfeste Stützlagerstreifen nach Durchgang durch die Walzenanordnung fest miteinander verbündende resultierende Verbindung ist durchgehend über die ganze Oberfläche des Verbundlagerstreifens gleich gut. Diese Bindung wird erreicht, ohne daß vorher 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 MetallformangsverfahreiL, wie Prägen, Stanzen und dergleichen unterworfen werden, um die gewünschten Lagerteile daraus herzustellen, wie z. B. das geflanschte Lager· teil 6, das in F i g. 2 gezeigt ist

Zur weiteren Erläuterung der erfindungsgemäßen Verwendbarkeit der Aluminium-Legierungen dient das folgende Beispiel.

Beispiel Es wurde eine Schmelze einer Lagerlegierung hergestellt, die 4% Zinn, 4«/o Silicium, 1% Kupfer und Rest Aluminium einschließlich der üblichen Verunreinigungen in einer Menge unter 0,5 % hergestellt. Die resultierende Schmelze wurde 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° C

ίο geglüht.

Ein Streifen aus niedrig gekohltem Stahl einer Dicke von 1,27 mm wurde entfettet und danach mit Sand behandelt, um alle Oxyde und Rost von den Oberflächen zu entfernen. Der Aluminiumlagerlegierungsstrcifen wurde ebenfalls entfettet und mit einer Drahtbürste behandelt. Die beiden vorgereinigten Streifen wurden dann aufeinandergelegt und in reduzierender Atmosphäre auf eine Temperatur von 482° C vorgewärmt. Nach Erreichen dieser Vorwärmtemperatur wurden die aufeinandergelegten Streifen durch ein Walzgerüst geschickt, in welchem die Walzen, die mit der Außenfläche der Aluminiumlagerlegierung in Kontakt kamen, einen Durchmesser von 50,8 cm hatten, währen die Walzen, die in Kontakt mit der

as freien Oberfläche des Strahlstreifens kamen, einen Durchmesser von 30,48 cm hatten. Die Walzen waren so eingestellt, daß die Dicke des Aluminiumlegierungslagerstreifens um 65 %> und die des Stahlstützstreifens um 2 °/o vermindert wurde.

Der so erhaltene zusammengesetzte Streifen wurde zur Fertigung schalenförmiger geflanschter Halblager 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 Lagerauflage 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 der erfindungsgemäß verwendeten Aluminium-Legierung zeigt die Mikroaufnahme in Fig. 3. Die Mikroaufnahme ist ein Querschnitt durch einen Bi-Metallstreifen, bestehend aus dem Aluminium-Lagerlegierungsbelag 8 und dem Stahjstützkörper ID, weicher vorher einer

Ätzung nach Keller unterworfen wurde. Die Aufnahme ist eine 200fache Vergrößerung und zeigt gleichmäßige feine Makrostruktur, was eine gleichgerichtete Verteilung von Zum und Silicium durch die Aluminrummatrix offenbart.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verwendung einer Aluminium-Legierung, bestehend aus 3,5 bis 4,5·/ο Zinn, 3,5 bis 4,5·/· Silizium, 0,7 bis 1,3 ⁰Ze 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*/e Magnesium und die übrigen Verunreinigungen jeweils in Mengen bis zu 0,05«/* enthält, als Lagermetall.

2. Verwendung einer Aluminium-Legierung der Zusammensetzung nach Anspruch 1, die 4·/* Zinn, 4»/o Silizium und l⁸/· Kupfer enthält, für ¹S den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer Legierung der Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, als Laufschicht auf Verbundlagern.