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13 e s c h r e i b u n g zu der Patentanmeldung Aluminium-Silicium-Legierunglen
als Lagerwerkstoff Die Erfindung betrifft Aluminium-Silicium-Legierunglen, z.B.
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zur Anwendung als Lagerwerkstoff, wo sie einen Bestandteil eines Bimetallstreifens
darstellen und der aufgebaut ist as einer einzigen dünnen Lage des Lagerwerkstoffs
auf einem Stahlrücken. Kolben von Verbrennungskraftmaschinen wurden bereits aus
Aluminlum-Silicium-Guß-Legierungen hergestellt, jedoch konnten solche Legierunglen
bisher noch nicht zu dünnen Streifen abgewaizt werden, die sich als Lagerwerkstoff
eignen.
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Die Erfindung betrifft nun billiges Gleitlagermaterial auf der Basts
eines Bimetallwerkstoffs, wofür keine Zwischenschicht erforderlich ist, um eine
direkte Verbindung mit dem Stahirücken zu ermöglichen. Für viele Anwendungsgebiete
ist das Lagermaterial auch ohne Deckscblcflt geeignet.
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Die erfinaunzltsgemäßen Le)ierungen enthalten nun neben Aluminium
und üblichen Begleitelementen und Verunreinigunglen 5 bis 15 % Silicium und gegebencnfalls
bis zu 5 % Kupfer, 9 bis 5 % Magnesium und/oder Nickel, gegobenonfalls bis 10 ,
Wismut , bis 1 % illei, bis 0,3 % Eisen, bis 0,3 % Mangan.
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Die bevorzugt angewandten Legierungen haben einen Silicium gehalt
von 11 % und einen Kupfergehalt zwischen 0,5 und 1,5 V.
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Wird eine solche Legierung als Lagerwerkstoff angewandt, so benötigt
man keine Deckschicht.
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Das Silicium kann in Form von örtlichen Gruppen von Teilchen ( =
Subausscheidungen) vorliegen. Jede Gruppe enthält eine Anzahl von engbenachbarten
Teilchen in einer geradcn Zeile. Diese Silicium-Subausscheidungen kann man durch
Walzen erhalten.
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Die Silicium-Subausscheidungen können aber auch in Form von Plättchen
vorliegen, deren eine Dimension in der Ebene der Platte wesentlich größer ist als
in der senkrechten Dimension innerhalb der Ebene. Diese eine Dimension erstreckt
sich vorzugsweise parallel zu der Gleitrichtung des fertigen Lagers.
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Die plättchenförmigen Siliciumsubausscheidungen können parallel zu
der Oberfläche des Materials liegen, Die Plättchen sind dünn, vielleicht weniger
als 1/3 des mittleren Durchmessers und zwar in Richtung senkrecht zu der Fläche.
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Die Legierung läßt sich in Form eines dünnen Streifens oder Blechs
herstellen und gegebenenfalls möglicherweise durch Kaltwalzen mit einem Metallrücken,
insbesondere aus Stahl, verbinden.
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Der erfindungsgemäße Lagerwerkstoff wird erhalten durch Abguß der
Legierung und Walzen oder Strangtressen des Gießlings mit Wärmebehandlung. Der Abwalzgrad
oder d Preßverhältnis sollte in der Größenordnung von 90 % liegen.
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Nach einer Verfahrensweise des abgegessenen Lagermaterials wird dieses
zB. 24 h erwärmt und anschließend in mehreren Durch zügen abgewalzt, so daß ausgehond
von einem etwa 19 mm dicken Gießling-die Stärke abgesehen von einem Schälen des
Gießlingsauf etwa 1,2 mm (o,047 in) verringert werden kann, Zwischen den einzelnen
Durchzügen kann ein Glühen bei einer Temperatur zwischen 480 und 5000C während 0,5
bis l h erforderlich sein, Abhängig von der Materialstärke. Durch diese Behandlung
werden die Siliciumteilchen des Gußgefüges beim Walzen vergrößert und können gegebenenfalls
in relativ feine Teilchen unter Bildung eines anisotropen Werkstoffs aufbrechen.
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Die bevorzugte Legierung enthält 10,3 bis 11 ß0 Si, 0,9 bis l,l %
Cu und maximal 0,3 % Eisen und/oder Mangan.
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Nickel und Magnesium können enthalten sein, vorausgesetzt, daß deren
Gesamtgehalt 5 70 nicht übersteigt. In diesem Fall muß jedoch warmgewalzt werden,
um ein Band entsprechender Stärke für die Verbindung mit einem Stahlrücken zu erhalten.
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Sind Nickel und Magnesium jedoch nicht anwesend, so reicht ein Kaltwalzen.
Der Gießling,aus dem das Bandmaterial hergestellt wird, kann entweder durch Kokillen-oder
Sandguß oder durch Strangguß, wobei letzteres bevorzugt wird, erhalten worden sein.
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Eine durch Stranggießen erhaltene Stange kann vorteilhaft sein, da
das Silicium anfänglich feintoiliger vorzuliegen scheint gegenüber in Kokillen abgegossenen
Stangen. Anstelle entweder in einer Vielzahl von Stufen warmzuwalzen oder in einer
Vielzahl von Stufen Kaltzuwalzen, kann man die Alurainium-Silicium-Legierung auen
ausreichend duktil machen, so daß sie auf eine entsprechende Dicke zur Verbindung
mit einem Stahlrücken geeignet
ist durch andere Umformungsverfahren
wie Strangpressen.
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Das Preßvorhältnis, also die Querschnit.tsiläche des Gießlings zur
der des Preßlings, sollte vorzugsweise über 100 liegen.
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Aluminium-Silicium-Legierungen mit einem Magnesiumgehalt stellen
Probleme dar bei dem Plattieren einer Deckschicht, jedoch führt es zur Aufrechterhaltung
ausreichender Dauerfestigkeit. So kann man bei sorgfältiger Auswahl des Magnesiumgehalts,
z.B. in der Gro'ßenordnung von 0,65 % einen Lagerstreifen aus Aluminium-Silicium-Legierungen
herstellen, der gegebenenfalls mit einer Deckschicht versehen werden kann und trotzdem
noch ausreichende Dauerfestigkeit besitzt.
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Lager, die nach der Erfindung hergestellt worden sind, aus Bimetallstreifen
zeigen sehr zufriedenstellende trgebnisse im Rahmen der Anwendung als große End-
oder Hauptlager mit einer aufplattierten Deckschicht. Die Anvrendung eines derartigen
Werkstoffs zur Herstellung von kleinen Endlagern ist ein Gebiet, wo besondere Anforderungen
an die Dauerfestigkeit gestellt werden. Hier kann es erforderlich sein, maximalen
Magnesiumgehalt aufrechtzuerhalten. Kleine Endlager können unplattiert gegen gehärtete
Wellen angewandt werden, so daß das Problem der Plattierung infolge der Anwesenheit
von Magnesium ausfällt, Um die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Lagerwerkstoffe
gegenüber anderen Lagerlegierungen zu zeigen, wurden folgende Versuche durchgeführt.
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1. Bestimmung der Standzeit in einem Prüfgerät für Lagerbuchsen.
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Lagerwerkstoff mittlere Standzeit Ausfall durch h 60 o/o SnAl 25 Ennüdung
PbCu 30/70 40 Ermüdung PbSnCu 22/4/74 1 Fressen erfindungsgemäß 11 % Si, 1 Vo' Cu,
88 % Al > 100-2. Ermittlung der Ermüdungstendenz in Motorlagern mit aufplattierter
Deckschicht unter der Einwirkung von dynamischer Last.
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Lagerwerkstoff Brmüdungswert 6 % SnAl (15 000 psi) 10,5 PbCu 30/70
(16-17 000 psi) 11,2-12 kg/mm² 11 % Si, 1 % Co, 88 % Al (18 000 psi) 12,7 kg/mm²
Die erfindungsgemäß angewandte Aluminium-Silicium-Legierullg zeichnet sich durch
besondere Beständigkeit gegenüber Ermüdung und Fressen aus, also Eigenschaften,
die normalerweise in einer Legierung nicht gemeinsam auftreten. Bisher hat man versucht,
dieses Problem dadurch zu überwinden, in dem man vielschichtige Lagermaterialien
unterschiedlicher Legierungen jeweils mit besonderen Eigenschaften anwandte.
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Nach einem Beispiel zur Herstellung der erfindungsgemäßen Lager durch
Warmwalzen kann man ausgehen von einer 19 mm starken gegossenen Stange aus Aluminium-Silieium-
Legierung1
die auf eine Starke von 17 min (O,68 in) abgearbeitet wurde, wodurch man eine entsprechende
Oberfläche erhielt, woraufhin das Blech viermal um 2,5, zweimal um 0,12 und wiederholte
Male um 0,76 mm abgewalzt wird bis auf eine Endstärke von 1,2 mm,mit der dieses
Blech dann auf den Stahlrücken gebunden wird. Nach jedem Durchzug erfolgt ein Glühen
bei 480 bis 50000 während 0,5 bis 1 h.
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Fig. 1 zeigt eine Mikrophotographie des Schiffs einer Aluminium-Silicium-Guß-Legiorung
für Kolben. D,e Siliciumausscheidungen A, die in Form eines ununterbrochenen Netzwerks
innerhalb einer Aluminiumgrundinasse vorliegen, machen ein solches Material für
Lagerwerkstoffe ungeeignet.
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Die Duktilität der Legierung ist gering, die Dehnung liegt in der
Größenordnung zwischen 0,5 und -3,5 %, teils aufgrund der länglichen Ausbildungsform
der Siliciumausscheidungen.
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Eine derartige Duktilität entspricht jedoch nicht für Lagerwerkstoffe,
da in vielen Fällen das Lager in der Lage sein muß, in gewissem AusmaSeirenichtzentrische
Lage der Welle oder einen über Kante erfolgenden Lastangriff auszugleichen.
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Die erfindungsgemäßen Lagerwerkstoffe entsprechen in ihrem Gefüge
der Fig. 2 und 3. Daraus ergibt sich, daß die Siliciumausscheidunf in -Form von
feinen Teilchen 11 vorliegen, deren Maße im wesentlichen zwischen 2,5 und 25/um
(0,1 bis 1 mil) liegen und die Teilchen gleichmäßig in der aluminiumgrundmasse verteilt
sind. In der Fig. 2 ist ein Schnitt parallel der relativen Gleitrichtung jedoch
senkrecht zur Laufachse eines Lagers angedeutet. Die Fig. 3 zeigt wieder die mikrophotographische
Aufnahme des Schliffs entlang III-III der Fig.2. Die Duktilität der erfindungsgemäßen
Legierung ist etwa mehr als viermal so hoch als die des in Fig. 1 gezeigten Materials
gleicher chemischer Zusammensetzung und hat eine
Dehnung in der
Größenordnung von 12 bis 1.7 %. Diese verbesserte Duktilität erreicht man ohne daß
dies auf Kosten der Festigkeit geht, so daß sich dieses material hervorragend als
Lagerwerkstoff eignet. Die länglichen Ausscheidungen der Fig. l sind, wie aus der
Fig.3 hervorgeht, durch die Walz- und Glühvorgänge aufgebrochen. Es bildeten sich
daraus Plätchen, deren Hauptdimension in der Blechebene liegt und eher größer ist
als die senkrechte Dimension in dieser Ebene. Die Hauptdimensionen liegen parallel
zur Länge des Streifens und damit parallel mit der Gleitrichtung innerhalb des Lagers.
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Fig. 2 zeigt die Anisotropie des Gefüges. Ein hoher Anteil von Siliciumteilchen
in Form von Plättchen ist parallel zu der Gleitfläche ausgerichtet. Im Mittel betragen
die kleinsten Dimensionen quer über die Flächen mehr als die dreifache Dicke.
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Auf diese Weise ist der maximale Anteil an Silicium in der Gleitfläche
und dieses damit in der Lage Widerstandsfählgkeit gegen ein Festfressen der Legierung
zu verbessern.
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Die Kombination der Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung
im Sinne der Fig. 2 und 3 gestattet einenzufriedenstcllenden Betrieb in vielen anwendungsbereichen
von Lagern in einfacher Bimetallform, d.h. ohne einer zusätzlichen weichen dünnen
Bleiauflage, wie man sie für viele hochfeste Lagerwerkstoffe anwendet. Nichtsdesttrotz
kann für einie Anwendungen eine solche Auflage vorteilhaft sein und wird in üblicher
Weise aufplattiert, Bin weiterer Vorteil der erfindungsgemäpen Legierungen im Sinne
der Fig. 2 und 3 liegt darin daß die Duktilität ausreicht, um sie in üblicher Weise
durch Kaltwalzen mit dem Stahlrücken zu verbinden. Dies ist nicht der Fall mit einem
workstoff nach Fig. 1. Darüber hinaus kann man die Leerung direkt auf den Stahlrücken
aufwalzen ohne der Wotwondigkeit einer
Zwischenschicht, wie aus
Nickel oder lteinaluminium, wie man das im allgemeinen fiir die Herstellung von
anderen Bimetall-Lagermaterialien auf der Basis von anderen Aluminiumlegierungen
tun muß.
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Bei Betrieb neigt das erfindungsgemäße Lagermaterial nicht zu einem
Festkleben an der gleitenden Fläche in der Art eines Anschweißens. Diese Erscheinung
wird häufig bei weichen Lagerwerkstoffen beabachtet, jedoch zeigen die erfindungsgemcIßen
Lagerwerkstoffe diese Eigenschaft in hohem Ausmaß auch bei hoher Festigkeit. Die
erfindungsgemäßen Legierungen haben noch die Fähigkeit des Ausgleichs oder der Anschmiegsamkeit,
d.h. sie können sich verformen, zum Ausgleich von Unregelmäßigkeiten in der gleitenden
Fläche und als Funktion der Duktilität lassen sich die hochduktilen erfindungsgemäßen
Legierungen gut und sicher durch Zusammenwalzen mit einem Rückenstreifen verbinden.
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Patentansprüche