DE2136491B2 - USE OF AN ALUMINUM-TIN ALLOY TO MANUFACTURE PLAIN BEARINGS - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Aluminium-Zinn-Legierung zur Herstellung von Gleitlagern für Brennkraftmaschinen hoher Drehzahl.The invention relates to the use of an aluminum-tin alloy for the production of plain bearings for high-speed internal combustion engines.
Lagerlegierungen auf Aluminiumbasis, die bisher bei Lagern von Brennkraftmaschinen verwendet wurden, schließen solche Arten ein, die einen niedrigen Anteil von Zinn (6 bis 10% Zinn) oder einen hohen Anteil von Zinn (20 bis 40% Zinn) haben. Die Legierung mit relativ niedrigem Zinngehalt hat eine relativ hohe Härte, eine ausgezeichnete Festigkeit und eine hohe Ermüdungsfestigkeit. Sie erfordert jedoch eine gehärtete Welle, und ihre Einbettbarkeit ist schlechter und es besieht die Gefahr des Festfressens in den Lagern. Die Legierung mit hohem Zinngehalt ist in der Festigkeit und der Ermüdungsbeständigkeit etwas schlechter, jedoch kann sie mit einer ungehärteten Welle verwendet werden und ist in den Oberflächeneigenschaften besser. Daher wurde diese Legierung mit hohem Zinngehalt in weitem Umfang bei Lagern für Brennkraftmaschinen mit hoher Leistung, wie zum Beispiel bei Kraftfahrzeugmotoren, verwendet. In der jüngsten Zeit wurden jedoch große Fortschritte bei den Kraftmaschinen, insbesondere bei den Kraftfahrzeugmotoren gemacht, und die Drehzahl und die Leistung solcher Maschinen wurde st.Tk erhöht. Für solche Beanspruchungen genügten auch Aluminiumlegierungen mit hohem Zinngehalt nicht mehr, da im Hinblick auf den dünneren Schmiermittelfilm bei Brennkraftmaschinen mit hohen Drehzahlen die Gefahr eines Festfressens der Welle im Lager besteht.Aluminum-based bearing alloys that have previously been used in internal combustion engine bearings, include those species that are low in tin (6 to 10% tin) or high in tin Have tin (20 to 40% tin). The relatively low tin alloy has a relatively high hardness, a excellent strength and high fatigue resistance. However, it requires a hardened shaft, and their embeddability is poorer and there is a risk of seizure in the bearings. The alloy high tin is somewhat inferior in strength and fatigue resistance, however, it can it is used with an uncured shaft and is better in surface properties. Therefore this alloy with high tin content has been widely used in bearings for internal combustion engines with high Power, such as used in automotive engines. In recent times, however, they have been great Advances have been made in prime movers, particularly automotive engines, and speed and the performance of such machines was increased st.Tk. Aluminum alloys are also sufficient for such stresses with a high tin content no longer because of the thinner lubricant film Internal combustion engines with high speeds there is a risk of the shaft seizing in the bearing.
Aufgabe der Erfindung ist die Verwendung einer Lagerlegierung für Brennkraftmaschinen hoher Drehzahl, die den herkömmlichen Aluminium-Zinn-Legierungen in den Oberflächeneigenschaften, wie z. B. der Einbettbarkeit und der Gefahr eines Festfressens, überlegen ist und die selbst dann kein Festfressen verursacht, wenn sie unter den hohen Anforderungen einer Brennkraftmaschine verwendet wird, da die ölbenetzbarkeit besser und der Reibungskoeffizient niedriger sind.The object of the invention is the use of a bearing alloy for high-speed internal combustion engines, which the conventional aluminum-tin alloys in the surface properties, such as. B. the Embedding and the risk of seizure, is superior and even then no seizure caused when it is used under the high requirements of an internal combustion engine, since the oil wettability is better and the coefficient of friction is lower.
Es ist allgemein bekannt, daß Blei weich ist und wirkungsvoll die Einbettbarkeit verbessert, wenn es in einer Lagerlegierung verwendet wird, und es ist ebenfalls bekannt, daß die Oberflächeneigenschaften, wie z. B. die Vermeidung des Festfressens und die Einbettbarkeit, verbessert werden können, indem ein Legierungslager, wie z. B. ein Kupfer-Blei-Legierungslager, bei dem leicht ein Festfressen auftritt, mit Blei oder einer Blei-Zinn-Legierung ausgekleidet wird. In der Praxis wurden solche geschichteten Lager in weitem Umfang verwendet.It is well known that lead is soft and effective in improving embeddability when it is in a bearing alloy is used, and it is also known that the surface properties, such as B. the avoidance of seizure and the embeddability can be improved by a Alloy bearings, such as B. a copper-lead alloy bearing that is easily seized with lead or is lined with a lead-tin alloy. In practice, such stratified bearings were widely used Scope used.
Obwohl es also bekannt war, daß ein Festfressen und die Einbettbarkeit im Vergleich mit einer herkömmlichen Aluminiumlegierung, die einen hohen Zinngehah hat, durch Zugabe von Blei zu einem Aluminium-Zinn-Legierungslager verbessert werden kann, es ist jedoch aus dem Al-Pb-Gleichgewichtsdiagramm offensichtlich, daß Aluminium und Blei keine feste Lösung bilden, sondern zwei getrennte flüssige Phasen in einem geschmolzenen Zustand liefern, so daß es sehr schwierig ist, unter normalen Gießbedingungen eine Lagerlegierung auf Aluminiumbasis herzustellen. So ist es erforderlich, eine besondere Gießtechnik zu verwenden, wie z. B. ein schnelles Abkühlen einer geschmolzenen Legierung, welche auf einer ausreichend hohen Temperatur ist, bei der Aluminium und Blei nicht in zwei flüssige Phasen getrennt wird.So, although it was known that seizure and embeddability compared with a conventional one Aluminum alloy, which has a high tin content, by adding lead to an aluminum-tin alloy bearing can be improved, however it is evident from the Al-Pb equilibrium diagram that aluminum and lead do not form a solid solution, but two separate liquid phases in one molten state, so that it is very difficult to produce a bearing alloy under normal casting conditions to manufacture on an aluminum basis. So it is necessary to use a special casting technique, such as B. a rapid cooling of a molten alloy, which to a sufficiently high Is the temperature at which aluminum and lead are not separated into two liquid phases.
Aus der US-Patentschrift 2196 236 ist bereits bekannt, daß die unerwünschte Ausbildung getrennter Phasen von Aluminium und Blei durch Zugabe von Antimon verhindert werden kann und daß das Blei, für das ein Anteil von bis 10% vorgesehen ist, teilweise, nämlich zu 0,1 bis 5% durch Zinn, Kadmium, Kalzium oder Arsen ersetzt werden kann, wobei die Brauchbarkeit der nicht als Aluminium-Zinn-, sondern a's Aluminium-Blei-Legierung anzusehenden Legierung für Lager erhalten bleibt.From US Patent 2196 236 is already known that the undesired formation of separate phases of aluminum and lead by the addition of Antimony can be prevented and that some of the lead, for which a proportion of up to 10% is intended, namely 0.1 to 5% can be replaced by tin, cadmium, calcium or arsenic, whereby the usefulness the alloy to be regarded not as aluminum-tin but as aluminum-lead alloy for Stock is preserved.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird nun dadurch gelöst, daß eine Aluminium-Zinn-Legierung, bestehend aus 17% Zinn, 3% Blei. 2% Antimon, 1% Kupfer, Rest Aluminium und zufällige Verunreinigungen, als Werkstoff zur Herstellung von Gleitlagern mit verbesserter Ölbenetzbarkeit und niedrigem Reibungskoeffizienten für Brennkraftmaschinen hoher Drehzahl verwendet wird.The object on which the invention is based is now achieved in that an aluminum-tin alloy, Consists of 17% tin, 3% lead. 2% antimony, 1% copper, the remainder aluminum and incidental impurities, as a material for the production of plain bearings with improved oil wettability and a low coefficient of friction is used for high speed internal combustion engines.
Im folgenden soll die Erfindung beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert werden.In the following, the invention will be explained in more detail, for example with reference to the drawing.
Fig. 1 zeigt in einem Diagramm die Beziehung zwischen der Härte der Legierung und der Temperatur;Fig. 1 is a graph showing the relationship between the hardness of the alloy and the temperature;
Fig. 2 zeigt in einem Diagramm die Beziehung zwischen der Belastung und dem Reibungskoeffizienten; Fig. 2 is a graph showing the relationship between the load and the coefficient of friction;
Fig. 3 zeigt den Einfluß des Antimons auf die Zugfestigkeit und Dehnung der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung;Fig. 3 shows the influence of antimony on the tensile strength and elongation of the invention using alloy;
Fig.4 zeigt in einem Schliffbild das Gefüge der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung;4 shows the structure of the micrograph alloy to be used according to the invention;
Fig.5 zeigt in einem Schlifftild das Gefüge einer bekannten Legierung.5 shows the structure of a polished section known alloy.
Durch den Gehalt von 3% Blei, das eine ausgezeichnete Ölaffinität hat, wird durch die Legierung, wenn sie als Lager in einer Brennkraftmaschine verwendet wird, ein geeigneter Schmiermittelfilm zwischen dem Lager und einer durch dieses getragenen Welle auch während des Betriebs bei hoher Drehzahl, beim Starten und Abstoppen der Maschine aufrechterhalten, während sonst der Schmiermittelfilm unterbrochen werden kann. Auf diese Weise verhindert die erfindungsgemäß verwendete Legierung wirkungsvoll ein Festfressen zwischen einer Welle und ihrem Lager. Der Anteil von 2% Antimon stellt wirkungsvoll eine gleichmäßige und feine Verteilung des Bleis in der Aluminiumlegierung auch bei normalen Gießverfahren sicher, und es verhindert ein Festfressen und verbessert die mechanischen Eigenschaften der Aluminiummatrix (s. Tabelle 2).Due to the 3% lead content, which has an excellent oil affinity, it is through the alloy when it is used as a bearing in an internal combustion engine, a suitable film of lubricant between the bearing and a shaft carried thereby also during high speed operation, starting and Maintain stopping the machine, otherwise the lubricant film can be interrupted. In this way, the alloy used in the present invention effectively prevents seizure between a shaft and its bearing. The proportion of 2% antimony effectively provides a uniform and fine distribution of the lead in the aluminum alloy, even with normal casting processes, and it prevents seizure and improves the mechanical properties of the aluminum matrix (see Table 2).
Der Randwinkel bei Benetzung der erfindungsgemäß verwendeten Legierung mit einem Schmieröl (SAE Nr. 30) und der einer Lagerlegierung, welche einen hohen Gehalt an Zinn hat, mit dem Schmieröl wurden gemessen und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.The contact angle when the alloy used according to the invention is wetted with a lubricating oil (SAE No. 30) and that of a bearing alloy, which has a high content of tin, with the lubricating oil and the results are shown in Table 1.
21 3621 36
Wie aus Tabelle 1 zu sehen ist, ist der Randwinkel der erfindungsgemäß verwendeten Legierung kleiner als der der herkömmlich verwendeten Legierung. Dies bedeutet eine größere ölaffinität im Vergleich zu den. bekannten Legierungen, so daß sie den letzteren überlegen ist.As can be seen from Table 1, the contact angle is the according to the invention used alloy smaller than that of the conventionally used alloy. this means a greater affinity for oil compared to the. known alloys so that they the latter is superior.
Das Antimon bewirkt, daß das Blei fein und gleichmäßig in dem Aluminiumbasismetall verteilt wird und verbessert die mechanischen Eigenschaften, wie die Dehnung, die Zugfestigkeit und die Ermüdungsfestigkeit der Aluminiummatrix in der Lagerlegierung auf Aluminiumbasis. Die erforderliche Antimonmenge beträgt 3%. Dies war im Hinblick auf den Aussagegehalt der US-PS 24 73 060 für Aluminium-Zinn-Lagerlegierungen mit wesentlich über 5% liegendem Zinngehalt trotz der Angaben in der US-PS 21 96 236 nicht ohne weiteres zu erwarten.The antimony causes the lead to be finely and evenly distributed in the aluminum base metal and improves mechanical properties such as elongation, tensile strength and fatigue strength the aluminum matrix in the aluminum-based bearing alloy. The required amount of antimony is 3%. This was in view of the content of US Pat. No. 2,473,060 for aluminum-tin bearing alloys with a tin content significantly above 5%, despite the information in US Pat. No. 2,196,236, not without further to be expected.
Zinn und Kupfer wurden üblicherweise einer Lagerlegierung auf Aluminiumbasis zugegeben und es war bekannt, daß Zinn die Härte der Legierung verringert und die Oberflächeneigenschaften verbessert. Bei Lagern, die aus der Legierung hergestellt sind, kann eine ungehärtete Welle verwendet werden. Kupfer verbessert die mechanischen Eigenschaften, wie die Lastbeständigkeit und die Ermüdungsfestigkeit. Ein Schliffbild der Legierung ist in Fig.4 gezeigt. Fig. 5 zeigt ein typisches Gefüge einer Legierung, die kein Antimon enthält. In beiden Figuren sind die Gefüge in lOOfacher Vergrößerung gezeigt. Bei dem Gefüge der nach dem Stand der Technik verwendeten Legierung, wie es in F i g. 5 gezeigt ist, sieht man, daß relativ große Kugeln von Blei verstreut eingelagert sind, während in dem Gefüge der erfindungsgemäß verwendeten Legierung, das in F i g. 4 gezeigt ist, eine einheitlich verteilte Struktur ohne unerwünschte Abtrennung von Blei zu sehen ist.Tin and copper have commonly been added to an aluminum-based bearing alloy and it it was known that tin reduced the hardness of the alloy and improved surface properties. An unhardened shaft can be used with bearings made from the alloy. copper improves mechanical properties such as load resistance and fatigue strength. A Micrograph of the alloy is shown in Fig.4. Fig. 5 shows a typical structure of an alloy that does not contain any antimony. In both figures the structures are in Shown at 100x magnification. With the structure of the alloy used according to the state of the art, as shown in FIG. 5, it can be seen that relatively large balls of lead are scattered around while in FIG the structure of the alloy used according to the invention, which is shown in FIG. 4 is shown a uniformly distributed Structure can be seen with no undesirable separation of lead.
Fig. 2 zeigt den Reibungskoeffizienten zweier bekannter Aluminiumlagerlegierungen, die einen hohen Zinngehalt haben und den der erfindungsgemäß verwendeten Legierung. Wie aus der Figur zu sehen ist, ist der Reibungskoeffizient der erfindungsgemäßen Legierung niedriger als der der Aluminiumlegierungen, die einen hohen Anteil Zinn enthalten. Die Untersuchung wurde durchgeführt, indem SAE Nr. 20 öl mit einer Geschwindigkeit von 1 Tropfen pro 7 oder 8 Sekunden bei einer Temperatur von 240C auf eine Stahlscheibe getropft wurde, die aus Kohlenstoffstahl für Maschinenteile (JIS S45C) hergestellt war und sich mit einer Geschwindigkeit von 10,27 m/Sekunde drehte und eine Oberflächenrauhigkeit von 2 S hatte. Vier Proben wurden von jedem Material hergestellt und jede Probe hatte eine Oberflächenrauhigkeit von 1 S.2 shows the coefficient of friction of two known aluminum bearing alloys which have a high tin content and that of the alloy used according to the invention. As can be seen from the figure, the coefficient of friction of the alloy according to the invention is lower than that of the aluminum alloys which contain a high proportion of tin. The investigation was carried out by dripping SAE No. 20 oil at a rate of 1 drop every 7 or 8 seconds at a temperature of 24 0 C on a steel disk made of carbon steel for machine parts (JIS S45C) and with a Rotated speed of 10.27 m / second and had a surface roughness of 2S. Four samples were made of each material and each sample had a surface roughness of 1S.
F i g. 1 zeigt die Beziehung zwischen der Temperatur und der Härte der erfindungsgemäß verwendeten Legierung und die zweier bekannter Aluminiumlegierungen, die einen hohen Anteil Zinn enthalten. Die Härte der erfindungsgemäß verwendeten Legierung bei der Betriebstemperatur einer Brennkraftmaschine, das heißt bei etwa 100 bis 1500C ist bei derselben Temperatur im wesentlichen identisch mit der der bekannten Aluminiumlegierung, die 20% Zinn enthält, aber höher als die der bekannten Aluminiumlegierung, die 30% Zinn enthält, ebenfalls bei der gleichen Temperatur.F i g. 1 shows the relationship between the temperature and the hardness of the alloy used according to the invention and that of two known aluminum alloys which contain a high proportion of tin. The hardness of the alloy used according to the invention at the operating temperature of an internal combustion engine, i.e. at about 100 to 150 ° C., is essentially identical to that of the known aluminum alloy, which contains 20% tin, but higher than that of the known aluminum alloy, which contains 30% at the same temperature % Tin contains, also at the same temperature.
Ein Gehalt von 3% Blei verringert den Reibungskoeffizienten der erfindungsgemäß verwendeten Legierung, wie in F i g. 2 gezeigt ist, und durch den Gehalt von 2% Antimon wird die Härte der Aluminiummatrix erhalten, wie in F i g. 1 erkennbar ist, so daß ein Weicherwerden infolge der Zugabe von Blei verhindert wird. Die Härte der erfindungsgemäß verwendeten Legierung wird also auf einem Wert gehalten, der im wesentlichen gleich dem der bekannten Aluminiumlegierung ist, die 20% Zinn enthält.A lead content of 3% reduces the coefficient of friction of the alloy used according to the invention, as in Fig. 2, and the 2% antimony content maintains the hardness of the aluminum matrix, as in Fig. 1 can be seen, so that softening due to the addition of lead is prevented. The hardness the alloy used according to the invention is therefore kept at a value which is essentially the same that of the well-known aluminum alloy, which contains 20% tin.
Tabelle 2 zeigt die mechanischen Eigenschaften, wie die Härte bei normaler Temperatur, die Zugfestigkeit, die Dehnung und die Verbindungseigenschaften mit einer Stahlunterlage. Es ist in dieser Tabelle zu sehen, daß die erfindungsgemäß verwendete Legierung im wesentlichen dieselben Werte wie die bekannten Legierungen in bezug auf die Härte und Zugfestigkeit hat, aber sie hat eine größere Dehnung, als die bekannte Aluminiumlegierung, die 30% Zinn enthält, und im wesentlichen die gleiche Dehnung wie die bekannte Legierung, die 20% Zinn enthält. Weiter ist die Verbindung mit einer Stahlunterlage bei der erfindungsgemäß verwendeten Legierung besser als bei den bekannten Aluminiumlegierungen.Table 2 shows the mechanical properties, such as hardness at normal temperature, tensile strength, the elongation and the connection properties with a steel base. It can be seen in this table that the alloy used according to the invention has essentially the same values as the known ones Alloys in terms of hardness and tensile strength, but it has a greater elongation than the known Aluminum alloy containing 30% tin and essentially the same elongation as the known one Alloy containing 20% tin. The connection with a steel base is also in accordance with the invention The alloy used is better than the known aluminum alloys.
GehalteContents
Sn l'b Sb CuSn l'b Sb Cu
AlAl
Härte (HV)Hardness (HV)
Zugfestigkeit tensile strenght
Dehnungstrain
(kg/mm2) (kg/mm?) (%)(kg / mm 2 ) (kg / mm?) (%)
Verbindungseigenschaft mit Stahlunterlage
(kg/mm2)Connection property with steel base
(kg / mm 2 )
Aus der obigen Beschreibung ist zu sehen, daß die erfindungsgemäß verwendete Aluminiumlegierung bezüglich der mechanischen Eigenschaften im wesentlichen gleich oder besser ist als die bekannten Aluminiumlegierungen, daß sie aber wegen ihrer ausgezeichneten ölaffinität und ihres niedrigen Reibungskoeffizienten verbesserte Oberflächeneigenschaften hat. Weiter hat die erfindungsgemäß verwendete Aluminiumlegierung eine hohe Ermüdungsfestigkeit, eine sehr wichtige Eigenschaft bei tinem Lagermetall.From the above description it can be seen that the aluminum alloy used in the present invention with respect to the mechanical properties is essentially the same as or better than the known Aluminum alloys, however, because of their excellent oil affinity and their low coefficient of friction has improved surface properties. Next has that used according to the invention Aluminum alloy has high fatigue strength, a very important property of a bearing metal.
Die Ermüdungsfestigkeit wurde durch wiederholtes Einwirken einer dynamischen Drehlast geprüft. JedeThe fatigue strength was tested by repeatedly applying a dynamic rotary load. Every
Probe wurde hergestellt, indem ein Lagermetall mit einer Stahlunterlage durch Aufgabe von Druck verbunden wurde. Der Innendurchmesser des untersuchten Lagers war 62 mm. Die Lagerlauffläche war 31 mm breit und 0,3 mm dick. Die Untersuchung wurde ausgeführt, indem die Welle kontinuierlich mit einer Drehzahl von 4000 Umdrehungen pro Minute unter einer Lagerbelastung von 350 kg/cm2 gedreht wurde, wobei Schmiermittel (SAE Nr. 30 öl) unter Druck zugeführt wurde. Die Ermüdungsgrenze wurde als die Zeit festgelegt, wenn Ermüdungssprünge auf einer Fläche auftraten, die sich über 10±5% der gesamten Lagerinnenoberfläche erstreckte.Sample was made by bonding a bearing metal to a steel base by applying pressure. The inner diameter of the bearing tested was 62 mm. The bearing running surface was 31 mm wide and 0.3 mm thick. The test was carried out by continuously rotating the shaft at a speed of 4,000 revolutions per minute under a bearing load of 350 kg / cm 2 while supplying lubricant (SAE No. 30 oil) under pressure. The fatigue limit was defined as the time when fatigue cracks occurred on an area extending over 10 ± 5% of the total bearing inner surface.
Als Ergebnis der Untersuchung hatte die erfindungsgemäß zu verwendende Aluminiumlegierung mit einer Zusammensetzung, die in den Tabellen 1 und 2 gezeigt ist, eine Ermüdungsgrenze von 15 Stunden, während die Ermüdungsgrenze zweier bekannter Lagerlegierungen mit 20 bzw. 30% Zinn, die in den Tabellen 1 und 2 gleichfalls gezeigt sind, 12 Stunden bzw. 10 Stunden betrug. Daher hatte die erfindungsgemäß verwendete Legierung die beste Ermüdungsfestigkeit.As a result of the investigation, the aluminum alloy to be used in the present invention had a Composition shown in Tables 1 and 2, a fatigue limit of 15 hours, while the Fatigue limit of two known bearing alloys with 20 and 30% tin, respectively, which are shown in Tables 1 and 2 also shown was 12 hours and 10 hours, respectively. Therefore, the one used in the present invention had Alloy the best fatigue strength.
Hierzu 4 Blatt ZeichnungenFor this purpose 4 sheets of drawings
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BHV | Refusal |