DE2201534A1 - Aluminium-silicium-legierungen als lagerwerkstoff - Google Patents

Aluminium-silicium-legierungen als lagerwerkstoff

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DE2201534A1
DE2201534A1 DE19722201534 DE2201534A DE2201534A1 DE 2201534 A1 DE2201534 A1 DE 2201534A1 DE 19722201534 DE19722201534 DE 19722201534 DE 2201534 A DE2201534 A DE 2201534A DE 2201534 A1 DE2201534 A1 DE 2201534A1
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aluminum
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Glacier Metal Co Ltd
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    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C21/00Alloys based on aluminium
    • C22C21/02Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die bevorzugt angewandten Legierungen haben einen Silicium gehalt von 11 % und einen Kupfergehalt zwischen 0,5 und 1,5 V.
  • Wird eine solche Legierung als Lagerwerkstoff angewandt, so benötigt man keine Deckschicht.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Legierung läßt sich in Form eines dünnen Streifens oder Blechs herstellen und gegebenenfalls möglicherweise durch Kaltwalzen mit einem Metallrücken, insbesondere aus Stahl, verbinden.
  • 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.
  • 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.
  • Die bevorzugte Legierung enthält 10,3 bis 11 ß0 Si, 0,9 bis l,l % Cu und maximal 0,3 % Eisen und/oder Mangan.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Das Preßvorhältnis, also die Querschnit.tsiläche des Gießlings zur der des Preßlings, sollte vorzugsweise über 100 liegen.
  • 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.
  • 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.
  • 1. Bestimmung der Standzeit in einem Prüfgerät für Lagerbuchsen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Patentansprüche

Claims (6)

  1. Patentan sprüche 1. Aluminhium-Silicium-Legierung enthaltend 5 bis 15 % Si, 0 bis 5 % Cu, 0 bis 5 % Mg und/oder Ni, 0 bis 10 % Bi, 0 bis 1 % Pb, 0 bis 0,3 % Fe und/oder Mn, Rest Aluminium mit üblichen Begleitelementlen und Verunreinigungen, wobei die Siliciumausscheidungen in Form von Plättchen vorliegen, deren eine Dimension in der Plattenebens wesentlich größer ist als senkrecht dazu, insbesondere Plättchen, die prallel zu der Oberfläche eines dünnen Streifen oder Bandes liegen.
  2. 2. Legierung nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t durch einen Gehalt von 10,3 bis 11 ß Si und 0,9 bis 1,1 % Cu.
  3. 3. Legierung nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t durch einen Gehalt an 11 % Si.
  4. Verfahren zur Herstellung der Legierungen nach Anspruch 1 bis 3 durch Abgießen der Legierungsschmelze und Kalt- oder Warmwalzen des Gießlings oder Strangpressen, wobei der Abwalzgrad oder das Preßverhälthis zumindes-t 90 » beträgt.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß man den Gießling zuerst 24 h vorwärmt und dann in mehreren Durchzügen abwalzt.
  6. 6. Anwendung der Legierung nach Anspruch 1 bis 3 als Lagerwerkstoff für Gleitlager, insbesondere aufgewalzt auf ein Stützmaterial.
    L e e r s e i t e
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DE10006269A1 (de) * 2000-02-12 2001-08-16 Bayerische Motoren Werke Ag Verfahren zur Herstellung eines mit einem Reibpartner über eine Gleitfläche zusammenwirkenden Metall-Bauteiles für ein Antriebsaggregat, insbesondere Brennkraftmaschine

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