DE2145207A1

DE2145207A1 - Lager

Info

Publication number: DE2145207A1
Application number: DE19712145207
Authority: DE
Inventors: Brian Wilfred Newbury Howlett (verstorben); Old, Charles Fräser; Nicholas, Michael George; Wantage; Berkshire (Großbritannien)
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1970-09-10
Filing date: 1971-09-09
Publication date: 1972-03-16
Also published as: JPS5428364B1; FR2107495A5; US3938579A; GB1371041A; DE2145207C2

Description

DR. BERG OIPL.-INS. STAP-

PATENTANWÄLTE 8 MÜNCHEN 8O, MAUERKIRCHERSTR. 45 fc I Hy4v f

Dr. Berg Dipl.-Ing. Stapf, 8 München 80, Mauerkircherstraße 45 · Ihr Zeichen Ihr Schreiben Unser Zeichen 21 526 Datum Anwaltsakte 21 526

United Kingdom Atomic Energy Authority, London, S.W_O1,

Groß-Britannien

Lager

Die Erfindung bezieht sich auf ein Lager mit in oder im Bereich der tragenden Lagerfläche eingebetteten Kohlenstoff-Fasern sowie auf ein Verfahren für die kontinuierliche Fertigung derartiger Lager.

Das Einbetten von Kohlenstoff-Fasern in das Lagermetall an der tragenden Lagerfläche oder in ihrer Nähe bereitet ge-

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wisse Schwierigkeiten, welche gemäß der Erfindung durch ein Einbringungsverfahren beseitigt werden, bei welchem entweder die Pasern einer besonderen Behandlung unterworfen werden, um sie mit dem Lagermetall benetzbar zu machen, oder besondere Lagermetall-Legierungen verwendet werden, welche Kohlenstoff-Fasern, die einer solchen Behandlung ^ nicht unterworfen wurden, zu benetzen vermögen. Man sagt, daß eine Legierung Kohlenstoff-Fasern benetzt, wenn der Kontaktwinkel zwischen beiden weniger als 90 beträgt. Das gleichmäßige Einbetten von Kohlenstoff-Fasern in Lagermetall ist bekannt. Es wurde jedoch festgestellt, daß sich die damit erzielten Vorteile bei verringerten Kosten durch das Einbetten der Kohlenstoff-Fasern im Lagermetall in ungleichmäßiger Verteilung erzielen lassen.

Gemäß einer Ausführungsform schafft die Erfindung ein La-" ger, beispielsweise ein massives Lager oder ein Schalenlager, mit einer Lagermetallschicht, in welche durchgehende oder unterbrochene Kohlenstoff-Fasern vorzugsweise, jedoch nicht notwendig, parallel zur tragenden Lagerfläche eingebettet sind, wobei die Kohlenstoff-Fasern in der Lagermetallschicht an oder nahe der tragenden Lagerfläche konzentriert sind.

Gemäß einer weiteren Ausführung schafft die Erfindung ein Schalenlager mit einer lBagermetallschicht, in welche durch-'

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gehende Kohlenstoff-Fasern in einem vorbestimmten Abstand und parallel zur tragenden Lagerfläche eingebettet sind.

Die für die Erfindung in Frage kommenden Lagermetalle sind weiche Metalle oder Legierungen auf der Basis von Zinn, Blei oder Aluminium, deren Schmelzpunkt vorzugsweise im Bereich zwischen 170 und 700⁰O liegt. Von besonderem Interesse sind Blei/Zinnlegierungen, wahlweise mit geringen Zusätzen anderer Stoffe.

Es gibt zwei Haupttypen von Kohlenstoff-Fasern, die als Typ I und Typ II bekannt sind. Typ I sind Fasern mit hohen Modul-Werten, für die Reißfestigkeitswerte von etwa 17 bis 21 000 und ein E-Modul-Bereich von 3,9 bis 4,2 χ 10 kp/

ρ
cm charakteristisch sind. Typ II sind hochfeste Fasern, für die Reißfestigkeitswerte von etwa 24 000 bis 28 000 und ein Ε-Modul von etwa 2 χ 10 kp/cm charakteristisch sind. Liegt das Schwergewicht auf einer Verbesserung der Festigkeit der Lager anstatt ihrer Moduli, dann ist die Verwendung von Fasern des Typs II vorzuziehen. Es besteht jedoch kein Grund, wahlweise nicht auch Fasern des «Typs I zu verwenden.

Der Anteil der in das Lagermetall eingebetteten Fasern kann zwischen 1 und 75 Vol.-$, vorzugsweise zwischen 2 und 60 Vol.-%, liegen. Sofern die Fasern lediglich zur Verstär-

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kung des Lagermetalls vorgesehen sind, liegt der zweckmäßige Anteil zwischen 2 und 25 Vol.-$, vorzugsweise zwischen 5 und 12 "bis 15 Vol.-#." Zusätzlich zu ihrer verstärkenden Wirkung können die Kohlenstoff-Pasern, sofern sie in ausreichender Menge vorhanden sind, auch eine vorteilhafte Schmierwirkung ausüben, falls das normale Schmiersystem nicht zureicht, wie es "beispielsweise "beim Anlassen " von Kraftfahrzeugmotoren der Fall ist. TJm diese zusätzliche Wirkung zu erzielen, sollten die Fasern in einer Menge von 25 "bis 60 Vol.-$, vorzugsweise von 35 bis 50 Vol.-$, im Lagermetall vorhanden sein. Die Erfindung "bezieht sich jedoch nicht auf schmierungsfreie Lager der Art, "bei der die einzige Schmierung mittels des in der tragenden Lagerfläche vorhandenen Kohlenstoffs erfolgt.

Wenn die Kohlenstoff-Fasern voll zur Wirkung kommen sollen, ^ dann ist es offensichtlich, daß sie nahe der tragenden Lagerfläche in gleichmäßiger Verteilung im Lagermetall eingebettet sein müssen.· Ein Verfahren zur Erzielung einer solchen Verteilung ist nachstehend beschrieben.

Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren für die Herstellung von Schalenlagern, bei dem man einen Trog aus einem Stützmaterial für das Lager bildet, in welchem eine in Längsrichtung kontinuierlich verlaufende Stranganordnung von Kohlenstoff-Fasern verläuft, und ein geschmolzenes

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Lagermetall mit einer Temperatur, bei welcher es die Kohlenstoff-Fasern zu benetzen vermag, in den Trog eingießt, worauf das Lagermetall mit den darin eingebetteten Kohlenstoff-Fasern durch Abkühlen zum Erstarren gebracht wird.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform des Verfahrens anhand der Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht einer Anordnung für die kontinuierliche Herstellung des Schalenlagers.

Fig. 2 eine Querschnittansicht des hergestellten Schalenlagers entsprechend der Linie 2-2 in Fig. 1.

Die Figuren der Zeichnung sind stark schematisiert, insbesondere sind die senkrechten Abmessungen zum besseren Verständnis vergrößert dargestellt·

Ein aus einem geeigneten Stützmaterial, beispielsweise einem verzinnten 22 cm-Stahlband gebildeter Trog mit einem ebenen Boden 10 und aufgestellten Rändern 11 wird kontinuierlich, in Fig. 1 von links nach rechts, entlang einer Fertigungsstraße geführt. Von einem Vorrat 13 wird Kohlenstoff-Faser 12 abgezogen und mittels einer Walze 14 über die gesamte Breite des Trogs 10, 11 ausgebreitet. Der Trog durchläuft einen Ofen 15» in welchem geschmolzenes Lager metall 16 in der gewünschten Tiefe von beispielsweise 1 mm

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darin eingegossen wird. Nach dem Austritt aus dem Ofen 15 wird das Lagermetall 16 beim Durchgang durch eine mit Wasser arbeitende Löscheinrichtung 17 schnell abgekühlt und zum Erstarren gebracht. Abschließend wird der mit dem Lagermetall gefüllte Trog zerschnitten und die geschnittenen Teile werden durch eine entsprechende Formung und Bearbeitung zu Schalenlagern verarbeitet.

Da die Kohlenstoff-Fasern eine geringere Dichte haben als das Lagermetall, sind sie bestrebt, zur Oberfläone des ge-Bchmolzenen Metalls aufzusteigen. Dabei ist es wünschenswert, daß die Fasern sich der Oberfläche nähern, ohne sie jedoch zu erreichen, bevor das System durch Erstarrung des Lagermetalls unbeweglich wird. Das Aufsteigen von Fasern ist durch die folgenden steuerbaren Faktoren beeinflußbar:

a) die auf die Stranganordnung der Kohlenstoff-Fasern wirkende Zugspannung,

b) die Bewegungsgeschwindigkeit des Trogs,

c) der Abstand zwischen dem Punkt, an dem das geschmolzene Metall in den Trog gegossen wird, und dem Punkt, an dem es zum Erstarren gebracht wird, und

d) die effektive Dichte der Kohlenstoff-Fasern, welche sich, wie nachstehend im einzelnen beschrieben, durch Beschichtung der Fasern verändern läßt.

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Diese Faktoren sind insgesamt voneinander abhängig. Bei Fasern, welche einen Kupferüberzug in einer Dicke von etwa 2 bis 2,5/um und dementsprechend eine effektive Dichte von etwa 6 g/cnr aufweisen, genügt eine Zugspannung von etwa 1 bis 10 -g. Die geeignete Bewegungsgeschwindigkeit des Trogs liegt bei etwa 5 m/min und der Ahstand vom Ausgang des Ofens zur Sprüh-Kühleinrichtung bei 50 cm.

Für eine erfolgreiche Durchführung des Verfahrens ist es unerläßlich, daß das Lagermetall mit einer Temperatur in den Trog eingegossen wird, bei der es die Kohlenstoff-Fasern zwar zu benetzen vermag, jedoch nicht wesentlich mit ihnen reagiert. Herkömmliche Blei/Zinn-Lagermetalle sind im allgemeinen nicht befähigt, unbehandelte Kohlenstoff-Fasern bei Temperaturen zu benetzen, bei denen eine schnelle und heftige Reaktion noch nicht einsetzt. Diese Schwierigkeit läßt sich jedoch dadurch umgehen, daß man entweder die Kohlenstoff-Fasern oder das Lagermetall in nachstehend erläuterter Weise verändert.

Ein Weg dafür besteht darin, daß man die Kohlenstoff-Fasern mit einem Überzug versieht, so daß sie durch das Lagermetall benetzbar werden. Die mit dem Überzug versehenen Fasern werden dann unter eine Benetzung durch das geschmolzene Metall begünstigenden Bedingungen im Lagermetall eingebettet.

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Die Beschichtung der Kohlenstoff-Fasern "besteht vorzugsweise aus Metall. Bekanntlich lassen sich Kohlenstofffasern auf galvanischem Weg mit einem Metallüberzug, "beispielsweise aus Kupfer oder Nickel, versehen. Ferner ergibt sich die Möglichkeit einer Beschichtung durch Aufdampfen oder unter Anwendung anderer Verfahren.

Beim Einbetten der beschichteten Pasern in das geschmolzene Lagermetall neigt der überzug dazu, in das Lagermetall zu diffundieren. In dieser Hinsicht ist es wünschenswert, daß der Überzug nicht vollständig in das Lagermetall diffundiert, ehe dieses erstarrt ist, da die nackte Faser nicht mehr durch das Lagermetall benetzt würde. Andererseits ist aber die Beschichtung sehr teuer, so daß sie nicht dicker sein sollte als notwendig, um eine Einbettung der Fasern in das Lagermetall bis zu dessen Erstarrung zu gewährleisten. Eine galvanische Kupferplattierung der Fasern in einer Dicke von 0,5 bis 5,0, vorzugsweise 1 bis 2/um, wurde als geeignet ermittelt.

Die Art der Beschichtung ist auf die Art des verwendeten Lagermetalls und auf die Einbettungstemperatur abzustimmen. Bei genügend hohen Temperaturen sind mit Kupfer bescBaichtete Kohlenstoff-Fasern mit Blei, Zinn und Gemischen der beiden Metalle benetzbar. Bei Blei/Zinn-Legierungen liegen die Mindest-Benetzungstemperaturen jedoch niedriger als

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bei den reinen Metallen. Bs empfiehlt sich daher die Verwendung von Legierungen mit 20 bis 80 Gew.% Blei und 80 bis 20 Gew.$ Zinn, insbesondere von Legierungen mit 30 Ms 70 Gew.# Blei und 70 bis 30 Gew.^ Zinn. Um die Diffusionsrate der Beschichtung der Fasern sowie die Gefahr einer Reaktion des Metalls mit den Kohlenstoff-Pasern möglichst klein zu halten, empfiehlt es äich, das Eingießen bei möglichst niedrigen Temperaturen vorzunehmen. Die "bevorzugten Blei/Zinn-Legierungen lassen sich vielfach schon bei Temperaturen unterhalb 300 0 vergießen. Pur die schnelle Benetzung der Pasern sind jedoch Temperaturen im Bereich von 450⁰C am besten geeignet. Bei höheren Temperaturen wird die Kupferbeschichtung schnell abgelöst, und bei wesentlich niedrigeren Temperaturen ist die Legierung nicht genügend fließfähig, um eine befriedigende Benetzung der Pasern zu gewährleisten.

In der folgenden Tabelle sind die Kontaktwinkel verschiedener Blei/Zinn-Legierungen mit kupferbeschichteten Kohlenstoff-Pasern bei verschiedenen Temperaturen zusammengefaßt:

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Blei/Zinn-Legierung

100 80 72 62 50 40 20 0 0 20 28 38 50 60 80 100

Kontakt
winkel

20°	—	—	450	280	295	320	470	—
30°	365	300	260	265	285	305	435	590
60°	290	250	235	250	275	290	400	540
90°	245	225	220	240	270	285	380	480
Schmelz punkt	230	200	190	180	210	230	275	320

Kupferbeschichtete Kohlenstoff-Fasern werden bei Temperaturen unterhalb 700°C auch durch Legierungen aus Aluminium und Zinn oder durch Aluminium allein benetzt.

Ein anderes Verfahren, die vorstehend angeführten, hinsichtlich der Benetzung auftretenden Schwierigkeiten zu umgehen, besteht in der Verwendung von Lagermetallen in Form von Legierungen entweder

a) auf der Basis von Zinn, wahlweise unter Zusatz von Blei, mit einem geringen Gehalt an Titan, Vanadium oder Hafnium, oder

b) auf der Basis von Aluminium mit einem geringen Gehalt an Chrom,

wobei die Zusammensetzung des Lagermetalls jeweils so ein- .

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gestellt ist, daß es unbeschichtete Kohlenstoff-lasern "bei Temperaturen "benetzt, "bei denen noch keine schnelle und wesentliche Reaktion mit den Fasern einsetzt.

Der Kontaktwinkel zwischen einer Legierung aus Zinn mit 1 Gew.$ Titan und kristallinem Kohlenstoff "beträgt "bei 70O⁰C 136° und bei 800⁰C 68°.

Der Kontaktwinkel zwischen einer Legierung aus Zinn mit 1 Gew.$ Vanadium und kristallinem Kohlenstoff "beträgt "bei 825⁰G 98° und bei 925°C 82°.

Der Kontaktwinkel zwischen einer Legierung aus Zinn mit 1 Gew.# Hafnium und kristallinem Kohlenstoff "beträgt "bei 815°0 100° und bei 925⁰C 70°.

Bei Temperaturen innerhalb dieser Bereiche scheint die Benetzung nicht durch die Bildung von Metallcarbiden bewirkt zu sein. Man erkennt somit, daß sich diese Lagermetall-Legierungen für die Verwendung in dem vorstehend beschriebenen Verfahren zum Herstellen von Schalenlagern eignen, wobei sich der Vorteil ergibt, daß die Kohlenstoff-Fasern vor ihrer Verwendung nicht besonders behandelt zu werden brauchen. Aus diesem Grund ist die Verwendung von Legierungen auf Zinnbasis mit Gehalten zwischen 0,5 und 5,0 Gew.i» an Titan, Vanadium oder Hafnium besonders vorteilhaft.

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Claims

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Patentansprüche :

1J Lager 'mit einer Schicht aus einem Lagermetall, in welcher kontinuierliche oder nicht-kontinuierliche Kohlenstoff-Pasern eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoff-Fasern (12). in der Lagermetallschicht (16) an oder nahe der tragenden Lagerfläche konzentriert sind.
2. Schalenlager mit einer Schicht aus einem Lagermetall, dadurch gekennzeichnet, daß parallel und in vorbestimmten! Abstand zur tragenden Lagerfläche kontinuierliche Kohlenstoff-!Pasern (12) darin eingebettet sind.
3. Lager nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagermetall (16) ein Weichmetall oder eine Legierung auf Zinn-, Blei- oder Aluminiumbasis mit einem Schmelzpunkt zwischen 170 und 70O⁰C ist.
4. Lager nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil von Kohlenstofffasern (12) an oder nahe der tragenden Lagerfläche im Lagermetall zwischen 2 und 25 Vol-% beträgt.
5. Lager nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Kohlenstoff-Pasern (12) in der Schicht aus Lagermetall (16) an oder

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nahe der tragenden Lagerfläche zwischen 25 und 65 "beträgt.
6. Verfahren zum Herstellen von Schalenlagern, dadurch gekennzeichnet, daß man aus einem Stützmaterial für das Lager einen Trog "bildet, in welchem eine kontinuierliche Stranganordnung aus Kohlenstoff-Pasern in Längsrichtung verläft, daß man in den Trog ein geschmolzenes Lagermetall "bei einer Temperatur eingießt, "bei der es die Kohlenstofffasern "benetzt,und daß man das Lagermetall mit den darin eingebetteten Kohlenstoff-Fasern durch Abkühlen zum Erstarren "bringt»
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kohlenstoff-Pasern vorher mit einer Beschichtung versieht, um sie durch das Lagermetall benetzbar zu machen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kohlenstoff-Pasern auf galvanischem Weg mit einem Kupferüberzug in einer Dicke von 0,5 bis 5,0 /um versieht.
9. Verfahren nach Anspruch 7 und/oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß man als Lagermetall eine Blei/Zinn-Legierung mit 30 bis 70 Gew.^ Blei und 70 bis 30 Gew.% Zinn verwendet.

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10. Verfahren wenigstens nach einem der Ansprüche 6 Ms 8, dadurch gekennzeichnet, daß man als Lagermetall eine Legierung auf Zinnbasis mit einem Gehalt von 0,5 bis 5,0 Gew.$ Titan, Vanadium oder Hafnium verwendet.
11. Schalenlager, dadurch gekennzeichnet, daß es nach dem Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 10 hergestellt ist₀

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