DE2504256A1

DE2504256A1 - Hochbelastbare aluminiumlagerlegierung

Info

Publication number: DE2504256A1
Application number: DE19752504256
Authority: DE
Inventors: Jun Austin Henry Beebe; Gordon Joseph Lebrasse
Original assignee: Federal Mogul LLC
Current assignee: Federal Mogul LLC
Priority date: 1974-02-13
Filing date: 1975-02-01
Publication date: 1975-08-14
Also published as: GB1443504A; FR2260627A1; CA1028530A; FR2260627B1; JPS572779B2; JPS50117612A; US3955936A; DE2504256C2; IT1031220B

Description

Patentanwälte
Dipl. Ing. H. Hauck

Dipl. Phyo. W. Sei imüz O Π Π / 0 C R

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Dipi. Ing. Vv'. VVe/inört
Dipl. Fhys. W. Carstens
2 Hamburg So
Neuer Wall 41

FEDERAL-MOGUL CORPORATION

26555 Northwestern Highway, . _xnn,

finSirfleld. Mich. 48075/uSA Unser Zeichen: 26075

Hamburg, den 31. Januar 1975

Hochbelastbare Aluminiumlagerlegierung

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere anwendbar, aber nicht notwendig beschränkt sowohl auf Lagerlegierungen als auch auf Verbundwerkstoffe des Typs, der sich zur Herstellung von Lagerbestandteilen zur Verwendung in Kolbenbrennkraftmaschinen hoher Leistung eignet. Eine typische hochbelastbare Aluminiumlagerlegierung der Art, wie sie bisher für solche Lagerwerkstoffe verwendet wurde, ist in dem Ufa-Patent 2 760 860, erteilt am 28. august 1956 mit dem Titel "Lagerlegierung", welches auf denselben Anmelder wie die vorliegende Erfindung übergegangen ist, offenbart. Außer der in dem zuvor erwähnten US-Patent beschriebenen Lagerlegierung sind bisher vieler1 i alternative Aluminiumlegierungen zur Verwendung in der Herstellung von Lagerbestandteilen, welche für Hochleistungsverwendung, beispielsweise zur Verwendung sowohl als Pleuelstangen und Hauptlager von Brennkraftmaschinen einschließlich Dieselmaschinen als auch Druckscheiben, Futter und Gleit- und Flanschlagrer in anderen Teilen der Maschine und Getriebebestandteilen von Fahrzeugantriebssystemen geeignet sind, vorgeschlagen und verwendet worden.

Die zunehmende Verschärfung von Betriebsbedingungen, denen Lager des vorstehenden Typs als ein Ergebnis von Konstruktionsneuerungen zur Erhöhung der Leistung und Wirksamkeit von Brennkraftmaschinen ausgesetzt sind, hat unter Umständen zum vorzeitigen Versagen von Lagerlegierungen des Standes der Technik geführt. Versuchte Abwandlungen solcher Legierungen zur Verbesserung ihrer physikalischen Festigkeitseigenschaften und ihrer Ermü-

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dungsbeständigkeit, sogar besondere Hitzebehandlungen des Lagerbestandteils nach. Formverfahren, sind bisher wegen der schädlichen Wirkungen solcher Abänderungen auf andere erwünschte und notwendige Eigenschaften, einschließlich der Beständigkeit der Lagerfutter gegen Korrosion, Kavitation und Abrieb, sowie ihre Gleitfähigkeits-, Einbettungsfähigkeits- und Anpassungsfähigkeitseigenschaf ten ohne Erfolg gewesen. Herstellungserwägungen einschließlich der Fähigkeit der Legierung, daß sie kontinuierlich gegossen und in einen Streifenwerkstoff gewalzt werden kann ohne daß sie Seigerung und/oder Warmsprödigkeit eingeht und daß sich der Lagerstreifenwerkstoff nachfolgend durch Walzen mit einem Trägerstreifen aus Hartmetall verbinden läßt, sind ebenfalls notwendige Eigenschaften einer kommerziell annehmbaren Lagerlegierung.

Die vorliegende Erfindung überwindet die Schwierigkeiten und Nachteile der Aluminiumlagerlegierungen vom Typ des Standes der Technik durch eine kontrollierte Modifikation in den Mengen und Typen von Legierungsbestandteilen, indem damit ein synergistischer Effekt erzielt wird, wodurch eine wesentliche Verbesserung in den Ermüdungsbeständigkeits- und Zugfestigkeitseigenschaften der Lagerlegierung erzielt wird ohne jeglichen Verzicht in den anderen wünschenswerten Eigenschaften des Lagermaterials und auf ihre Fähigkeit, daß sie unter Anwendung herkömmlicher Massenproduktionsverfahren ohne daß irgendwelche speziellen Wärmebehandlungen erforderlich sind, hergestellt und zu Lagerbestandteilen gefertigt werden kann.

Der Nutzen und die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch eine Aluminiumlagerlegierung erreicht, welche als ihre wesentlichen Legierungsbestandteile etwa 2,5% bis etwa 3,5% Cadmium, etwa 1,0% bis etwa 1,5% Kupfer, etwa 0,75% bis etwa 1,25% Nickel, etwa 1,25% bis etwa 1,75% Mangan, Rest im wesentlichen Aluminium zusammen mit zufälligen Verunreinigungen und Resten in üblichen Mengen, enthält. Das Mangan in Kombination mit den Kupfer- und Nickellegierungsbestandteilen ergibt eine

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unerwartete Zunahme in der Zugfestigkeit, Streckgrenze, Ermüdungsbeständigkeit und der Härte des Lagermaterials, während es gleichzeitig ausgezeichnete Beständigkeit gegen Korrosion und Abrieb sowie ausgezeichnete Gleitfähigkeits-, Einbettungsfähigkeitsund Anpassungseigenschaften schafft.

Die Erfindung zieht ferner die Herstellung von Verbund- oder Bimetallstreifen in Betracht, welche einen Trägerstreifen aus Hartmetall, beispielsweise Stahl, enthalten, auf dessen ein- oder beidseitigen Oberflächen ein Futter der Lagerlegierung bruchfest verbunden ist. In Übereinstimmung mit den Merkmalen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Verbundlagerwerkstoff hergestellt, indem man einen Streifen der Aluminiumlagerlegierung auf einen Stahlstreifen legt, deren einander zugewandte Flächen vorgereinigt worden sind, das Ganze auf eine erhöhte Temperatur von etwa 315°C (600⁰F) bis etwa 427⁰G (800⁰F) vorerhitzt und danach Druck aufbringt, beispielsweise durch Walzen, um eine Verminderung in der Dicke des Aluminiumlegierungsstreifens von etwa 40% bis etwa 75% zu bewirken und gleichzeitig ein Festphasenverschweißen oder -verbinden der beiden Streifen zu einer Einheit zu erzielen. Der sich ergebende Bimetallstreifen kann leicht nach herkömmlichen Arbeitsweisen in Gleit- und Flanschlager und Futter der gewünschten Größe und Gestalt geschnitten, ausgestanzt, gepreßt und geformt werden. Die Lagerflächen der sich ergebenden Lagerbestandteile werden vorzugsweise mit einer metallischen Auflage, beispielsweise Zinn, Blei, Kupfer, Indium und Legierungen daraus, beispielsweise einer Blei-Zinn-Kupfer-Legierung versehen, um Einreiß- und Hochbelastleistung zu steigern.

7/eiterer Nutzen und weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und der spezifischen vorgesehenen Beispiele.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen: Die verschiedenartigen Bestandteile und ihre relativen Anteile,

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wie sie hier beschrieben und in den Ansprüchen verzeichnet sind, sind in Gewichtsprozenten angegeben, wenn nichts anderes deutlich vermerkt ist.

Die Aluminiumlagerlegierung enthält etwa 2,5% bis 3»5% Cadmium, etwa 1,0% bis etwa 1,5% Kupfer, etwa 0,75% "bis etwa 1,25% Nickel, etwa 1,25% bis etwa 1,75% Mangan, und der Rest besteht im wesentlichen aus Aluminium zusammen mit den gewöhnlichen Verunreinigungen und Resten in üblichen Mengen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Aluminiumlagerlegierung nominell etwa 3>0% Cadmium, etwa 1,25% Kupfer, etwa 1,0% Nickel, etwa 1,5% Mangan und Rest Aluminium und zufällige Verunreinigungen und Reste.

Der Cadmiumbestandteil verleiht der Lagerlegierung Schmierfähigkeit und Gleitfähigkeit, um die gewünschten Laufeigenschaften zu schaffen. Es wurde gefunden, daß Cadmiummengen unter etwa 2,5% unzureichende Schmierfähigkeit schaffen, wogegen Mengen über etwa 3»5% zu Seigerung und Warmsprödigkeit führen, wodurch die Fähigkeit zum Herstellen durchgehender Gußteile der Aluminiumlagerlegierung beeinträchtigt wird.

Die Kupfer- und Nickelbestandteile verleihen der Legierung Härte und Verfestigung. Kupfer- und Nickelmengen unter dem spezifizierten Minimum führen zu unzureichender Härte, Zähigkeit und Zugfestigkeit in der resultierenden Legierung, wogegen Mengen dieser beiden Bestandteile über den spezifizierten Maximalwerten zu übermäßiger Härte und Brüchigkeit führen, wodurch die Lagerkennzahlen des Materials beeinträchtigt werden, während gleichzeitig die Schwierigkeit zum Verarbeiten der Legierung und zum Herstellen von Lagerbestandteilen daraus zunimmt.

Der Manganbestandteil in Kombination mit den Kupfer- und Nickelbestandteilen trägt zu einer unerwarteten Verbesserung in den mechanischen Eigenschaften und der Ermüdungsbeständigkeit der Lagerlegierung bei und wenn er innerhalb der Grenzen von etwa

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1,25% bis etwa 1,75% verwendet wird, beeinträchtigt er die anderen wünschenswerten Lagerkennzahlen der Legierung nicht. Es wurde gefunden, daß Manganmengen von im allgemeinen unter etwa 1,25% der Legierung unzureichende Zugfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit verleihen, wogegen Mengen von über etwa 1,75% eine Verminderung in Härte, Zugfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit in der Legierung bewirken und ebenfalls Seigerung und Ungleichmäßigkeit der Legierung während eines kontinuierlichen Gießens daraus verursachen. Der Manganbestandteil wird vorzugsweise als ein vorlegiertes Härtemittel aus Aluminium-Mangan zugesetzt.

Außerdem kann die Legierung zufällige Verunreinigungen und herkömmliche Reste in Mengen enthalten, welche man gewöhnlich in Hände1squälitaten der Legierungsbestandteile antrifft und welche die wünschenswerten Lagereigenschaften der Legierung nicht nachteilig beeinflussen. Unter den vorhandenen herkömmlichen Verunreinigungen und Resten :■ überwiegt wohl Eisen und kann in Mengen bis zu etwa 0,5% und vorzugsweise unter etwa 0,3% zugelassen werden. Eisenmengen wesentlich über etwa 0,5% verursachen eine Verminderung in den Reibungscharakteristiken der Legierung infolge der Bildung unerwünschter harter Stellen in dem Lagerfutter, welche zu übermäßigem Wellenverschleiß beitragen. Eine überschüssige Eisenmenge trägt auch zur Seigerung der Legierung während kontinuierlichen Gießens bei.

Eine besonders zufriedenstellende Lagerlegierung, welche sich für Hochleistungsbetrieb eignet, enthält 3% Cadmium, 1,25% Kupfer, 1% Nickel, 1,5% Mangan, Rest im wesentlichen Aluminium plus zufällige Verunreinigungen sowie herkömmliche Reste und maximal 0,3% Eisen. Die vorstehende Lagerlegierung wird nach Gießen und Walzen durch Erhitzen auf eine Temperatur von etwa 4-82⁰C (900⁰E¹) während einer Stunde getempert und danach langsam gekühlt. Im allgemeinen können Temperaturen von etwa 4-00⁰C (75O⁰P) bis etwa 510⁰C (95O⁰F) und Zeitspannen von etwa einer halben bis etwa drei Stunden während der Temperbehandlung ange-

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wandt werden. Der resultierende getemperte Streifen hat nominelle physikalische Eigenschaften einschließlich einer Härte von 59, gemessen auf einer Rockwell-Skala (RI5T); eine Zugfestigkeit von 1968 kg/cm (28 OOO psi); eine Elastizitätsgrenze von 738 kg/cm (10 5OO psi); eine Dehnung von 26%. Der sich ergebende Legierungsstreifen wurde nachfolgend mit einem Unterlagestreifen aus Hartmetall durch Walzen verbunden, wobei ein ■Verbindungsverfahren durch Walzen angewandt wurde, wie es nachfolgend beschrieben wird, und das sich ergebende Futter nahm als ein Ergebnis der Kaltverfestigung, welcher es unterworfen wurde, in Härte auf 75 R15'T zu, hatte eine Zugfestigkeit von

ρ p

2531 kg/cm (36 000 psi), eine Elastizitätsgrenze von 2390 kg/cm (34 000 psi) und eine Dehnung von 5%·

Wenn auch die Aluminiumlagerlegierung von Nutzen ist, wenn sie als solche in der Herstellung verschiedenartiger Lagertypen verwendet wird, werden besonders zufriedenstellende Ergebnisse erhalten, wenn die Legierung in der Form eines Futters auf der Fläche eines Unterlagestreifens aus Hartmetall, beispielsweise einem Streifen aus schweißbarem Stahl, verwendet wird. Beispielsweise kann der Stahlstreifen sowohl SAE 1010 als auch SAE 1020 und IO3O od.dgl. enthalten. Das Verbinden der Aluminiumlagerle gierung mit der Fläche des Unterlagematerials kann durch jedes einer Seihe verschiedenartiger Verfahren erzielt werden, von denen die kontinuierliche Verbindungsmethode durch Walzen, wie sie in der US-PS 3 078 563 mit dem Titel "Method of Bonding Aluminium to Steel by Roll Pressure", Patent erteilt am 26.2. 1963, beschrieben ist, ein bevorzugtes Verfahren darstellt. Gemäß dem in dem vorerwähnten US-Patent, welches auf die Anmelderin vorliegender Erfindung übergegangen ist und auf deren Inhalt Bezug genommen wird, beschriebenen Verfahren wird der Aluminiumstreifen und der Unterlagestreifen aus Hartmetall mit ihren sauberen einander zugewandten Flächen aufeinander gelegt und auf eine erhöhte Temperatur vorerhitzt bevor sie zwischen einem Walzensatz hindurchgehen. Der Walzvorgang bewirkt eine gleichzeitige Verminderung in Stärke und Festphasenverschweißen

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- der beiden Streifen zu einem einstückigen Material. Gemäß der in dem vorerwähnten US-Patent offenbarten Walzenanordnung ist der Druck, welcher auf die äußere Fläche des Aluminiumstreifens .ausgeübt wird, wesentlich größer als der auf den Stahlstreifen angelegte, wodurch eine Kaltverfestigung des Stahlunterlagestreifens auf das Mindestmaß zurückgeführt wird, während gleichzeitig eine Verminderung in dem Aluminiumstreifen von mindestens etwa 40% und vorzugsweise von etwa 50% bis zu etwa 75% und sogar darüber gewährleistet ist. Es werden besonders befriedigende Ergebnisse mit der vorliegenden Lagerlegierung erzielt, wenn die beiden aufeinandergelegten Streifen auf eine Temperatur von etwa 315°C (600°F) bis etwa 427°0 (800⁰F) vorerhitzt sind, wenn Bie in die Druckrollenanordnung eintreten.

Um eine bruchfeste und gleichmäßige Verbindung längs der gesamten Zwischenfläche zwischen den Aluminium- und Stahlstreifen zu gewährleisten, werden die Oberflächen zuvor gereinigt, beispielsweise durch Losungsmittelentfetten, gefolgt von Drahtbürsten, Abschmirgeln und/oder Säurebeizen, um jeglichen Belag und schädliche Oxyde und andere verunreinigende Substanzen zu entfernen, welche eine Diffusionsverbindung der beiden Streifen stören. Es werden besonders zufriedenstellende Ergebnisse erhalten, wenn man den Stahlstreifen nach Lösungsmittelentfettung einer Ätzbehandlung durch Schwefelsäure unterwirft, während er anodisch aufgeladen ist, worauf gewünschtenfalls ein Plattieren einer Frontoberfläche des StahlStreifens folgen kann, um nachfolgende Korrosion vor dem Verbindungsverfahren durch Walzen zu verhindern. Es haben sich Nickelplattierungen als besonders befriedigend erwiesen, wenn solche Plattierungen angewandt werden.

Der sich ergebende zusammengesetzte oder bimetallische Streifen kann ohne weitere Behandlung herkömmlichen Stanz-, Preß-, Form-, und Schneidverfahren unterworfen werden, um Lagerbestandteile der gewünschten Größe und Form herzustellen. Die sich ergebenden -Lagerkomponenten werden vorzugsweise einem Fertigbearbeitungsgang unterworfen, in welchem die Frontfläche des Aluminiumlagerfutters genaue Größe erhält, wonach eine Überplattierung aus

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einem weichen Lagermetall, beispielsweise Zinn, Blei, Kupfer, Indium als auch Legierungen davon, in Mengen aufgebracht wird, die im allgemeinen von nur einigen zehntausenstel inch bis zu einigen tausendstel inch reichen.

Beschleunigte LaboratoriumsmascJiinenpriifungi von Pleuellagern, welche aus dem zusammengesetztein Lagermaterial der Erfindung hergestellt waren, welches nominell 3% Cadmium, 1,25% Kupfer, 1% Nickel, 1,5% Mangan und Rest im wesentlichen Aluminium enthielt, eine Überplattierung einer Blei-Zinn-Kupfer-Legierung (SAE 19) einer Dicke von ein bis zweizehntausendstel inch aufwies zeigte, daß diese ausgezeichnete Gleitfähigkeit und Beständigkeit gegen Korrosion, Ermüdung und Abrieb besaßen, während sie gleichzeitig gute Einbettungsfähigkeits- und Anpassungscharakteristiken aufwiesen. Lager der vorstehenden Art zeigten überlegene Leistung und Lebensdauer im Vergleich zu Lagern, welche aus alternativen Aluminiumlagerlegierungen der bisher verwendeten Typen hergestellt waren, wenn sie identischen Prüfbedingungen unterworfen wurden.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine hochbelastbare Lagerlegierung auf Aluminiumbasis, welche sich kontinuierlich zu einem Streifenwerkstoff gießen und walzen läßt und etwa 2,5% bis etwa 3,5% Cadmium, etwa 1,0% bis etwa 1,5% Kupfer, etwa 0,75% "bis etwa 1,25% Nickel, etwa 1,25% "bis etwa 1,75% Mangan, Rest im wesentlichen Aluminium zusammen mit zufälligen Verunreinigungen und Resten in den gewöhnlichen Mengen, enthält. Die Erfindung umfaßt ferner Verbundlagerwerkstoffe und das Verfahren zur Herstellung solcher Verbundlagerwerkstoffe und -bestandteile, bestehend aus einem Hartmetallunterlagestreifen, beispielsweise Stahl, mit dem ein Futter der Lagerlegierung bruchfest verbunden ist.

Wenn es auch augenscheinlich ist, daß die hier offenbarte Erfindung durchaus berechnet ist, um den oben beschriebenen Nutzen und die Vorteile zu erzielen, muß betont werden, daß die Erfindung Modifikation, Umänderung und Umwandlung zuläßt ohne von dem Erfindungsgedanken abzuweichen.

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Claims

Patentansprüche

A,Hochbelastbare Lagerlegierung auf Aluminiumbasis, enthaltend

etwa 2,5% bis etwa 3,5% Cadmium

etwa 1,0% bis etwa 1,5% Kupfer

etwa 0,75% bis etwa 1,25% Nickel

etwa 1,25% bis etwa 1,75% Mangan

Rest Aluminium zusammen mit zufälligen Verunreinigungen und Besten in herkömmlichen Mengen.
2. Lagerlegierung nach Anspruch 1, in welcher Cadmium in einer Menge von etwa 3,0%, Kupfer in einer Menge von etwa 1,25%, Nickel in einer Menge von etwa 1,0%, Mangan in einer Menge von etwa 1,5% und Eisen als Rest in einer Menge von weniger als etwa 0,5% vorhanden ist.
3. Hochbelastbarer Verbundlagerwerkstoff, enthaltend einen hochfesten Unterlagestreifen, welcher mindestens auf einer Frontoberflache ein bruchfest damit verbundenes Lagerfutter, enthaltend

etwa 2,5% bis etwa 3,5% Cadmium

etwa 1,0% bis etwa 1,5% Kupfer

etwa 0,75% bis etwa 1,25'/έ Nickel

etwa 1,25 bis etwa 1,75% Mangan

Rest Aluminium einschließlich zufälliger Verunreinigungen und Reste in herkömmlichen Mengen, aufweist.
4. Verbundlagerwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerfutter

etwa 3% Cadmium

etwa 1,25% Kupfer

etwa 1,0% Nickel

etwa 1,5% Mangan

bis zu etwa 0,5% Eisen

Rest Aluminium zusammen mit zufälligen Verunreinigungen und Resten in herkömmlichen Mengen enthält.

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5. Hochbelastbarer Lagerbestandteil, dadurch gekennzeichnet, daß er ein hochfestes Unterlagematerial, welches ein mit mindestens einer seiner Flächen zähfest verbundenes Lagerfutter aufweist, welches aus einer Lagerlegierung- zusammengesetzt ist, welche

etwa 2,5% bis etwa 3,5% Cadmium etwa 1,0% bis etwa 1,5% Kupfer etwa 0,75% "bis etwa 1,25% Nickel etwa 1,25% Ms etwa 1,75% Mangan

Rest Aluminium zusammen mit zufälligen Verunreinigungen und Resten in herkömmlichen Mengen, enthält.
6. Lagerbestandteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Futter aus

etwa 3,0% Cadmium etwa 1,25% Kupfer etwa 1,0% Nickel etwa 1,5% Mangan bis zu etwa 0,5% Eisen

Rest, bestehend aus Aluminium und zufälligen Verunreinigungen und Resten in herkömmlichen Mengen, besteht.
7. Verfahren zur Herstellung eines hochbelastbaren Verbundlagermaterials, gekennzeichnet durch die Stufen:

Vorsehen eines UnterlageStreifens aus Hartmetall und eines hochbelastbaren Lagerlegierungsstreifens, enthaltend etwa 2,5/0 bis etwa 3,5% Cadmium etwa 1,0% bis etwa 1,5% Kupfer etwa 0,75% t>is etwa 1,25% Nickel etwa 1,25% bis etwa 1,75% Mangan bis zu etwa 0,3% Eisen

Rest Aluminium zusammen mit zufälligen Verunreinigungen und Resten in herkömmlichen Mengen, tibereinanderlegen des Unterlagestreifens und des Lagerlegierungsstreifens Fläche gegen Fläche, Verdichten der übereinander gelagerten Teile unter einem Druck,

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der ausreicht, um eine Verminderung von mindestens etwa 40% in der Dicke des Lagerlegierungsstreifens zu bewirken, und bruchfestes Verbinden des Lagerlegierungsstreifens mit dem Unterlagestreifen an der Zwischenfläche, und danach Herstellen eines Lagerbestandteils aus dem zusammengesetzten Streifen.
8. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß dar Lagerlegierungsstreifen etwa 3»0% Cadmium etwa 1,25% Kupfer etwa 1,0% Nickel etwa 1,5% Mangan bis zu etwa 0,2% Eisen

Rest Aluminium mit zufälligen Verunreinigungen und Resten in herkömmlichen Mengen, enthält.
9. Verfahren nach Anspruch 7» gekennzeichnet durch die weitere Stufe des Aufbringens einer Plattierung auf die Vorderoberfläche der Lagerlegierung dieses Lagerbestandteils.
10. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Plattierung in der Form einer Überplattierung vorliegt und aus einem Metall der Gruppe Blei, Zinn, Kupfer, Indium und Legierungen davon zusammengesetzt ist.

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