DE2422371C3

DE2422371C3 - Aluminiumlegierung mit Antimon und Kupfer für Gleitlager

Info

Publication number: DE2422371C3
Application number: DE2422371A
Authority: DE
Inventors: Anschelika P. Begischhanova Geb. Lagutenok; Kira M. Chruschtschova; Anatolij S. Guljaev; Notw Ignatiev; Arsenij E. Isotov; Eduard S. Mirakov; Vladislav I. Tambov Pavlov; Irina V. Protasova; Vladimir A. Rotenberg; Aleksej I. Michajlovsk Sverdlovskoj Oblasti Schapotschkin; Ivan A. Serikov; Jurij J. Silberg
Original assignee: GOSUDARSTVENNYJ SOJUZNYJ NAUTSCHNO-ISSLE DOVATELSKIJ TRAKTORNY INSTITUT MOSKAU
Current assignee: GOSUDARSTVENNYJ SOJUZNYJ NAUTSCHNO-ISSLE DOVATELSKIJ TRAKTORNY INSTITUT MOSKAU
Priority date: 1973-05-10
Filing date: 1974-05-09
Publication date: 1980-11-06
Also published as: SU479813A1; IT1034048B; US3950164A; FR2228852A1; DE2422371A1; CS186886B1; DE2422371B2; FR2228852B1; GB1425805A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf Legierungen auf Aluminiumbasis, die zur Herstellung von Bimetall-Lagerschalen für auf Gleitung stark beanspruchte Lager, insbesondere Lager für Traktor- und Automobildieselmotoren, ortsfest und im Kraftverkehr eingesetzt, sowie auch für Verdichter und andere Maschinen, in denen maximale spezifische Flächendrücke auf die Lager 4000 bis 4500 N/cm² nicht übersteigen, Verwendung finden.

Da die Aluminiumlegierung bei der Herstellung eines Bimetalls bedeutenden Verformungen ausgesetzt wird, muß sie Dehnungswerte aufweisen, welche die Verwendung dieser Legierung zum Aufplattieren auf Stahl ermöglichen.

Es ist eine Legierung auf Aluminiumbasis bekannt, die 0,5 bis 7,0% Antimon enthält. In der Legierung können auch 2 bis 12% Kupfer und Nickel sowie auch ein oder mehr Metalle, die aus der Mangan, Titan und Chrom enthaltenden Gruppe gewählt sind, einzeln oder zu mehreren anwesend sein. Die Verwendung der genannten Legierung in industriellem Umfang ist jedoch erschv/ert, weil sie keine modifizierende Zuschläge enthält, welche zur Erzeugung einer aluminium- und antimonhaltigen Komponente der Legierung, d. h. einer AlSb-Phase an einem feinkörnigen Gefüge beitragen. Dies hat zur Folge, daß wegen verschlechterter Verformungsfähigkeit der Legierung deren Bearbeitung, u. z. Walzen mit Schwierigkeiten verbunden und deren Aufplattieren auf Stahl unmöglich ist.

Im Traktormotorenbau hat eine Aluminium-Antimon-Magnesium-Legierung mit 3,5 bis 6,5% Antimon; 0,3 Lis 0,7% Magnesium; Rest Aluminium eine weite Verwendung gefunden. Diese Legierung läßt sich leicht im bildsamen Zustand bearbeiten, enthält aber keine verfestigende Elemente, d. h. Kupfer, Nickel u. a., weshalb sie den gewachsenen Anforderungen an Lagerwerkstoffen in bezug auf Ermüdungsfestigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Lagerfressen nicht gerecht wird. So soll die zulässige Belastung der Lagerschalen mit Gleitschicht aus dieser Legierung 2000 N/cm² nicht übersteigen, während der Wert der maximalen Flächenbelastung der Lagerschalen bei modernen verstärkten μ Traktormoroten 3000 N/cm² und mehr beträgt.

Es ist auch eine Aluminiumlegierung bekannt, die 5 bis 25% Antimon enthält, der 0,1 bis 4% Kupfer, sowie gegebenenfalls 0,1 bis 12% Magnesium und/oder 0,5 bis 12% Silizium zugesetzt werden können. Die angegebene Aluminiumlegierung hat eine niedrige Verformbarkeit wegen eines grobkörnigen Gefüges. Ebenso wie im vorhergehenden Fall ist es nicht möglich, die Legierung auf Stahl aufzuplattieren und sie zur Herstellung von Bimetall-Lagerschalen für stark beanspruchte Lager einzusetzen.

Es ist pußerdem ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumlegierung in Pulverform bekannt, die mindestens mit einem der folgenden Elemente legiert ist: Gold, Barium, Beryllium, Cer, Palladium, Platin, Antimon, Selen, Strontium, Tellur, Thorium, Uran. Die unlösliche Phase beträgt dabei 0,05 bis 20 Volumenprozent der Aluminiumlegierung. Das angegebene Verfahren sieht keine Möglichkeit vor, die Legierung schmelzmetallurgisch zu erhalten.

Unter anderen Aluminiumlagerlegierungen, welche im modernen Motorenbau verwendet werden, sind Aluminium-Zinn-Legierungen mit bis zu 20% und mehr Zinn am meisten verbreitet Die Legierungen dieses Systems gewährleisten nur, daß die Lagerschalen für Dieselmotoren bei Belastungen nicht über 3200 N/cm² betriebsfähig sind. Darüber hinaus sind sie sehr kostspielig.

Die Erfindung bezweckt die Beseitigung der oben aufgezählten Nachteile.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zinnfreie Lagierung auf Aluminiumbasis zu entwickeln, die ihrer Zusammensetzung nach gute Gleiteigenschaften und eine gute Herstellbarkeit der Legierung neben einer hohen Ermüdungsfestigkeit aufweist und die zum Aufplattieren auf Stahl für Verbundzwecke ohne Schwierigkeiten verwendet werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe dieni eine Aluminiumlegierung die aus 2 bis 8% Antimon, 0,2 bis 3% wenigstens eines der Elemente Kupfer, Nickel, Chrom, Titan und 0,005 bis 0,5% wenigstens eines der Elemente Schwefel, Selen, Tellur, Phosphor, Arsen und Aluminium als Rest besteht.

Solch eine Legierungszusammensetzung liefert eine optimale Kombination von Ermüdungsfestigkeit, Gleit-• und fertigungsgerechten Eigenschaften.

Die Anwesenheit wenigstens eines der Elemente Schwefel, Selen, Tellur, Phosphor und Arsen in einer Menge von weniger als 0,005% führt keine Modifikationswirkung herbei, d. h. ruft keine Feinkörnigkeit der Teilchen der Phase AlSb hervor, während mehr als 0,5% die Feinkörnigkeit der Teilchen der Phase AlSb nicht steigert; es wird ferner in einigen Fällen eine Modifikationsumwandlung beobachtet.

Die optimale Konzentration eines Modifikators hängt von der Zusammensetzung der Legierung ab; in der Regel steigt diese Konzentration mit der Erhöhung des Antimongehaltes in der Legierung und mit der Verminderung der Abkühlungsgeschwindigkeit bei der Kristallisation des Gußblocks an.

Legierungen mit einem Antimongehalt von weniger als 2% kennzeichnen sich durch ermäßigte Gleiteigenschaften, während Legierungen mit einem Antimiongehalt von mehr als 8% ermäßigte Dehnungswerte aufweisen, wodurch ihre Verwendbarkeit zum Walzen und Aufplattieren auf Stahl stark abnimmt.

Das Legieren der Aluminiumlegierung mit einem oder mehreren Elemente, welche aus der Gruppe, bestehend aus Kupfer, Nickel, Chrom, Titan gewählt werden, in einer Menge weniger als 0,2% führt zu keiner einigermaßen wesentlichen Erhöhung der Festigkeitseigenschaften der Legierung, während in Anwesenheit von diesen Zusätzen in einer Menge mehr als 3% eine starke Versprödung der Legierung beobachtet wird, so daß deren Walzen und Aufplattieren auf Stahl bedeutend erschwert werden.

Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung angeführt

Beispiel 1

In einem Hochfrequenz-Induktionsofen wurde eine Aluminiumlegierung mit 6% Antimon, 2% Kupfer, 0,2% Titan und 0,005% Phosphor erschmolzen und in Kokillen vergossen. Die metallographische Analyse zeigte, daß etwa 40% Primärkristalle AlSb eine kompakte Polyederform mit durchschnittlichen Abmessungen von etwa 15 μΐη aufweisen. Die restlichen Kristalle AlSb besaßen eine für unmodifizierfe Legierungen kennzeichnende Form von Grobnadeln mit einer Länge von bis zu 200 μπι, was von einer unvollständigen Modifikation zeugte. ·

Nahekommende Ergebnisse wurden bei einer Zusammensetzung von 6% Antimon, 2% Kupfer, 0,2% Titan und Zusätzen von S, Se, Te und As m der Menge von 0,005% in der Legierung erzielt.

In allen diesen Fällen wurde eine teilweise Modifikation des Gefüges beobachtet, die von der Umwandlung einer bestimmten Menge der Nadelkristalle AlSb in kompakte Polyederkristalle begleitet wurde.

Beispiel 2

Eine Aluminiumlegierung mit 5% Antimon, 1% Kupfer, 0,4% Chrom und 0,15% Titan wurde 0,2% Selen zugesetzt Die metallographische Analyse ergab, daß etwa 90% Primärkristalle AISb eine kompakte Form mit Abmessungen von etwa 8 μίτι im Durchschnitt aufweisen und 10% Primärkristalle AIiSb eine Nadelform bis 30 μπι Länge besitzen.

Beispiel 3

Eine Aluminiumlegierung mit 6% Antimon, 1% Kupfer, 1% Chrom und 0,1% Titan wurde 0,5% Tellur zugesetzt. Laut metallographischer Analyse wiesen 100% Primärkristalle AlSb eine Polyederform mit Abmessungen von im Durchschnitt etwa 5 μπι auf und waren gleichmäßig der Legierungsmatrix verteilt.

Beispiel 4

Einer Aluminiumlegierung mit 4% Antimon, 0,5% Kupfer, 1% Nickel und 0,5% Chrom wurden 0,3% Tellur und 0,1% Schwefel zugesetzt. Die Primärkristalle AlSb kamen in Form und Verteilung dem im Beispiel 2 beschriebenen Kristallen nahe.

Beispiel 5

Gußblöcke aus einer Aluminiumlegierung mit 8% Antimon, 1% Kupfer und 0,2% Tellur wurden warm- und kaltgewalzt, die Legierung erwies sich als spröde, was zu einem Aufreißen, insbesondere beim Kaltwalzen, führte. Eine weitere Erhöhung des Antimongehaltes in der Legierung erschwert das Walzen erheblich. Eine ähnliche Erscheinung tritt beim Vorhandensein von verfestigenden Elementen, wie Cu, Ni, Cr, Ti, in einer Menge von mehr als 3% auf.

Beispiel 6

In einem Induktionsofen wurden Alumiiniumlegierungen mit 2% Antimon, 0,1% Selen und jeweils 0,2% Cu, Ni und Cr erschmolzen.

Die Mikrohärte der Grundmasse in diesen Legierungen bei Belastung von 10 g liegt im Bereich von 380 bis 420 N/mm², was unzureichend ist, da die durchschnittliche Mikrohärte einer Legierung mit 2% Antimon und 0,2% Selen ohne Zusätze an Cu, Ni und Cr 350 N/mm² beträgt

Außerdem ist laut metallographischer Analyse die Menge von Primärkristallen AlSb im Gefüge unbedeutend, da die Legierung ihrem Antimongehalt nach einem

ίο Eutektoid nahekommt (es entspricht im binären System Al-AlSb dem eutektischen Punkt 1,1 Gew.-% Sb). Eine weitere Senkung des Antimongehaltes in der Legierung ruft ein Verschwinden von Primärkristallen AISb und eine entsprechende Verschlechterung der Gleiteigenschäften hervor.

Beispiel 7

Es wurden zwei Legierungen hergestellt, und zwar eine unmodifizierte Legierung mit 4,3% Antimon, »Legierung Nr. 1« genannt, und eine Legierung mit demselben Antimongehalt, modifiziert mit Tellur in einer Menge von 0,015%, »Legierung Nr. 2« genannt Es wurden mechanische Eigenschaften der Legierungen Nr. 1 und 2 gegenübergestellt, die in der Tabelle 1 nachstehend angeführt sind.

30	Tabelle 1	HB Ak	Dabei sind:	δ	'/'	ob
	Legierung	N/cm	HB - A_k - *ö -* φ — ob —	² %	%	N/mm²
		32 3,8		5,8	6,9	79
35	Nr. 1	32 7,5	17,2	30,0	89
	Nr. 2
40		■ Brinellhärte ■ Kerbschlagzähigkeit • Dehnung ■ Kontraktion ■ Zugfestigkeit
45

Aus der Tabelle 1 ist ersichtlich, daß die Modifikation des Gefüges der Legierungen von einer starken

so Erhöhung der Kerbschlagzähigkeit, der Dehnung und der Kontraktion begleitet wird, während die Härte und die Zugfestigkeit der Legierung auf ungefähr gleichem Niveau bleiben. In den Legierungen, die mit Cu, Ni, Cr und Ti zusätzlich legiert werden, beeinflußt die Modifikation die mechanischen Eigenschaften der Legierungen auch sehr stark.

Beispiel 8

Es wurden zwei Legierungen hergestellt, und zwar eine unmodifizierte Legierung mit 4,75% Antimon. 0,94% Kupfer, 0,11% Titan, Rest Aluminium (»Legierung 3«) und eine modifizierte Legierung mit 4,61% Antimon, 0,74% Kupfer, 0,07% Titan, 0,13% Phosphor, Rest Aluminium (»Legierung 4«). Es wurden die mechanischen Eigenschaften der Legierungen Nr. 3 und 4 in der Tabelle 2 gegenübergestellt.

Tabelle 2

Im Gußzustand

ob

N/mm² %

Prüftemperatur

RT 500° RT 500°

<5

Nach dem Walzen und Glühen, d.h. nach der
Rekristallisation

Ak N/cm² N/mm²

Ψ %

Ak
N/cm²

RT 500° RT 500° RT 500° RT 500° RT 500° RT 500°

95 16
Π3 15

4 60 33 70

2 45 23 35

9 14 118 15
110 15

26 90
18 90

22 55
14 55

23 42 30 47

Aus der Tabelle 2 ist ersichtlich, daß die Legierung 4 Tabelle

trotz eines kleineren Gehaltes an J ,egierungskompo-

nenten bessere mechanische Eigenschaften aufweist als die unmodifizierte Legierung 3, was im Gußzustand besonders bemerkbar ist. Das Walzen der Legierungen

führt zu einer Zerkleinerung der Teilchen AlSb,

wodurch sich der Unterschied in den mechanischen Eigenschaften der modifizierten und unmodifizierten ff_ßN/mm² Legierungen verringert. Das Walzen der unmodifizier- 25 _σ N/mm² Legierung 6

gegossen kaltgewalzt

rekristallisiert

ten Legierung 3 wurde von einem starken Aufreißen (Platzen) der Gußblöcke begleitet, während die Legierung 4 ohne irgendwelche Schwierigkeiten gewalzt wurde.

30

Tabelle 3	HB	OR	o<s,i	δ	'/'	Ak
Zustand		N/mm²	N/mm²	%	%	N/cm²
	40	128	80	14,0	20,0	10
Gußzustand	72	221	216	3,7	-	-
kaltgewalzt	39	146	61	27,0	-	-
rekristalli
siert

V%

A k N/mm²

HB

Beispiel 9

Eine Aluminiumlegierung mit 4,1% Antimon, 0,84% Kupfer, 0,37% Chrom, 0,16% Titan und 0,06% Tellur wurde verschiedenen mechanischen und thermischen Behandlungen unterworfen.

Im Ergebnis änderten sich die mechanischen Eigenschaften der Legierung, im folgenden »Legierung 5« genannt, deren mechanische Eigenschaften in der Tabelle 3 angeführt sind.

45

50

55

Wie aus der Tabelle hervorgeht, übertrifft diese Legierung mit ihren Festigkeitswerten die bekannten Aluminiumlagerlegierungen, welche im Motorenbau in industriellem Umfang ^Λ :i.- -.»dung finden.

Beispiel 10

In einem Hochfrequenz-Induktionsofen wurde eine Legierung aus 5,0% Antimon, 0,9% Kupfer, 0,15% Titan, 0,06% Tellur. Rest Aluminium erschmolzen (Legierung 6).

116
77
16,8
21,1
16
35

196
189
7,0

132
64
27,5
25,5
24
34

Die Legierung wurde im diskontinuierlichen Strangguß unter Benutzung einer verchromten Kupferkokille vergossen. Ferner wurde die Legierung mit Stahl durch Walzen fest verbunden und aus diesem Bimetall wurden Pleuelschalen von 84 mm Durchmesser für Dieselmotoren erzeugt.

Zum Vergleich der Werte in bezug auf die Ermüdungsfestigkeit und die Preßneigung der Legierungen gemäß der Erfindung und der bekannten Aluminiumlegierungen wurden die Lagerschalen einer Prüfung unterzogen, und zwar Lagerschalen, die aus der Legierung 6 und Lagerschalen, die aus folgenden bekannten Legierungen hergestellt worden waren: 3,5% Antimon, 0,7% Magnesium; Rest Aluminium (Legierung 7), 1,0% Kupfer, 0,1% Titan, 20% Zinn, Rest Aluminium, (»Legierung 8«), 1,0% Kupfer, 0,1% Titan, 6,0% Zinn, 1,0% Nickel, Rest Aluminium (»Legierung 9«), 1,0% Kupfer, 0,1% Titan, 9,0% Zinn, Rest Aluminium (»Legierung 10«).

Alle diese Lagerschalen wurden auf einem speziellen motorlosen Lagerprüfstand, der eine zyklische stoß- oder schlagartige Belastung in Öl bei einer erhöhten Temperatur ausübte, erprobt. Die Prüfergebnisse sind in der Tabelle 5 angeführt.

Tabelle

Legierung Dauerschwingfestigkeit

Nr. Nr. 9, Nr. 10
Nr. 4, Nr. 6

1,29
1,38
1,43

-JU

Wie aus der Tabelle 5 hervorgeht, übertreffen die aus der erfindungsgemäßen Legierung 4 und 6 hergestellten Lagerschalen in bezug auf die Dauerschwingfestigkeit alle anderen Lagerschalen.

Die Abhängigkeit der Werte für die Dauerschwingfestigkeit, die in der Tabelle 5 angeführt sind, von maximal zulässigen Walzenpressungen für die untersuchten Legierungen ist nicht linear; die zulässige Walzenpressung für die vorgeschlagenen Legierungen 4 und 6 beträgt dem absoluten Betrag nach etwa 3500 N/cm² im ι ο Vergleich zu 3000 bis 3200 N/cm² für die bekannten Legierungen 9 und 10, welche 6 bis 9% Zinn enthalten.

Es wurden ferner mit den Proben (Verbundlagerschalen) aus den Lagerlegierungen 4 und 6 sowie 7 bis 10 Vergleichsversuche auf PrcBncigung durchgeführt. Die Versuche wurden unter harten Bedingungen unter mangelhafter Schmierung und bei zyklischen stoß- oder schlagartigen Beanspruchungen vorgenommen. Es wurde im Ergebnis festgestellt, daß die erfindungegemäßen Legierungen 4 und 6 in bezug auf ihre Widerstandsfähigkeit gegen Lagerfressen nicht nur die bekannte zinnfreie Legierung 7, sondern auch die bekannten Legierungen 9 und 10 mit 6 bis 9% Zinngehalt übertreffen und nur der Legierung 8 mit 20% Zinngehalt nachstehen.

Parallel damit wurden Vergleichsversuche mit Verbundlagerschalen aus den erfindungsgemäßen Lagerlegierungen 4 und 6 auf einem Dieselmotor bei Belastungsannahme von etwa 5500 bsi 6000 N/cm² durchgeführt. Zum Vergleich wurden auf demselben Motor gleichzeitig Lagerschalen aus der bekannten Aluminiumlegierung 8 mit 20% Zinngehalt und 1% Kupfergehalt erprobt. An Hand von Prüfergebnissen zeigte sich, daß sich die Schalen aus den erfindungsgemäßen Legierungen 4 und 6 gut einlaufen, keine Preßneigung aufweisen und die Schalen aus der bekannten aluminium- und zinnhaltigen Legierung 8 in bezug auf die Ermüdungsfestigkeit übertreffen. Nach Verlauf von 100 Stunden Prüfzeit konnte man an den Lagerschalen aus der bekannten Legierung 8 Ermüdungsrisse und Ermüdungsgrübchen feststellen; die Oberflächen der Lagerschalen aus den erfindungsgemäßen Legierungen waren fehlerfrei.

Somit erwiesen die durchgeführten Prüfungen und Versuche mit den Legierungen gemäß der Erfindung, daß diese Legierungen in bezug auf die Ermüdungsfestigkeit alle bekannten Aluminiumlagerlegierungen, welche in industriellem Umfang verwendet werden (Legierungen 7 bis 10), übertreffen, und in bezug auf die Widerstandsfähigkeit gegen Lagerfressen nur der Legierung mit 20% Zinngehalt nachstehen.

Die Versuche haben auch gezeigt, daß das Zulegieren von Chrom- und/oder Nickelzusätzen eine weitere Erhöhung der Ermüdungsfähigkeit herbeiführt.

Man kann an Hand der Prüfergebnisse folgern, daß die Aluminiumlagerlegierung gemäß der Erfindung ein aussichtsreicher Werkstoff zur Herstellung von Verbundlagerschalen für stark belastete Motore ist und an Stelle von Aluminium-Zinn-Legierungen verwendet werden kann. Ein weiterer Vorteil der Lagerlegierungen gemäß der Erfindung ist die Verwendung dieser Legierungen in Verbundlagern ohne eine Einlaufschicht.

Claims

Patentanspruch:

Aluminiumlegierung mit mehr als 0,5% Antimon und weniger als 12% Kupfer und/oder Nickel für die Herstellung von Gleitlagern, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 2 Isis 8% Antimon, 0,2 bis 3% wenigstens eines der Elemente Kupfer, Nickel, Chrom, Titan und 0,005 bis 0,5% wenigstens eines der Elemente Schwefel, Selen, Tellur, Phosphor, Arsen und Aluminium als Rest besteht