DE2617449B2 - Verfahren zur Herstellung eines Lagerverbundwerkstoffes - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Lagerverbundwerkstoffes

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerverbundwerkstoffes, bei welchem auf einen Stützstreifen eine Schicht eines Pulvergemisches aus 64 bis 88Gew.-% Kupfer, 8 bis 35Gew.-% Blei und gegebenenfalls bis zu 10Gew.-% Zinn in einer Pulver-Teilchengröße von 1 bis 147 μηι aufgebracht, der Stützstreifen mit der lose aufliegenden Schicht auf eine so hohe Temperatur gebracht und gehalten wird, bis dac-Pulver sintert und sich mit dem Stützstreifen verbindet, der Verbundstreifen dann abgekühlt und Druck auf ihn ausgeübt wird.
Ein solches Verfahren ist aus der US-PS 29 86 464 bekannt Das Verdichten unter Druck wird durch Walzen vorgenommen, um eine Verminderung der Porosität der gesinterten Pulverschicht zu bewirken. Danach wird wieder auf Sintertemperatur erhitzt und in einem Bleibad bei einer Temperatur von 371 bis 482° C abgeschreckt, um noch vorhandene Poren in der Legierungsschicht durch geschmolzenes Blei auszufüllen. Dieses Verfahren erfordert eine Anlage, die kostspielig ist und verhältnismäßig viel Raum einnimmt, da zwischen dem ersten und dem' zweiten Sintern die Abkühlung und das Walzen vorgenommen werden muß. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses bekannte Verfahren zu vereinfachen und wirtschaftlicher zu gestalten, wobei ein Lagerverbundwerkstoff
2". einer höheren Festigkeit erhalten werden soll.
Nach der Erfindung wird die Aufgabe durch das Verfahren des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformer, sind in den Unteransprüchen angegeben.
Es ist überraschend gefunden worden, daß durch
κι Aufbringen des Metallpulvergemisches auf Stützstreifen in vorlegierter Form und Sintern innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs nahezu 100% der theoretischen Dichte erreicht wild. Die Legierungsschicht weist also keine Porosität auf. Deshalb ist ein
r> Wiedererhitzen auf Sintertemperatur und Abschrecken in einem Bleibad auch nicht erforderlich. Dies war nicht vorauszusehen, zumal aus Metco Technical Data, !964, Titel: »Metco XP 1139« bekannt war, daß mit vorlegierten Pulvern poröse Überzüge erhalten werden.
Dadurch, daß die Metallegierungsschicht vollkommen porenfrei ist, ist sie hinsichtlich der Festigkeitseigenschaften der nach dem bekannten Verfahren erhaltenen überlegen, und der Wegfall des Wiedererhitzens auf Sintertemperatur macht das Verfahren
4r> wirtschaftlicher.
Das vorlegierte Pulver aus Teilchen einer Größe unter 147 μπι, wobei vorzugsweise 50% der Teilchen eine Größe unter 44 μπι aufweisen, wird in gleichmäßiger Schicht auf eine chemisch reine Oberfläche eines Metallstützstreifens aufgebracht, beispielsweise aus niedrig legiertem Stahl, und im Anschluß daran in einer reduzierenden Atmosphäre bei sorgfältig zwischen 788°C und 871°C überwachter Temperatur gesintert. Das Sintern wird durchgeführt, um eine Flüssigphase zu erzeugen, weiche eine Verbindung der Teilchen untereinander, sowie auch mit der Oberfläche des Hartmetallstützstreifens bewirkt, wonach der Streifen auf eine gesteuerte Temperatur im Bereich von 538 bis 649°C abgekühlt und dann durch Walzen auf nahezu 100% der theoretischen Dichte verdichtet wird. Beim Austritt aus der Walzenanordnung wird der verdichtete Streifen in einer nichtoxidierenden Schutzgasatmosphäre auf eine Temperatur unter 427° C gekühlt, was leicht durch Hindurchführen des Streifens durch ein Bad aus geschmolzenem Blei von 427°C erzielt werden kann. Der erhaltene Streifen kann nach weiterem Kühlen unmittelbar für die Herstellung verschiedener Lagerbestandteile verwendet oder für späteren Gebrauch
aufgewickelt und gelagert werden.
Weitere Merkmale sowie Vorteile des Verfahrens bemäß der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen hervor. Es => zeigt
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht, teilweise im Schnitt, zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Lagerverbundwerkstoffes.
F i g. 2 eine perspektivische Teilansicht des erhaltenen Verbundstreifens und
F i g. 3 eine perspektivische Darstellung eines tpyischen Halbschalenlager*, hergestellt aus dem Verbundstreifen der F i g. 2.
Der Lagerverbundwerkstoff weist einen Hartmetallstützstreifen, vorzugsweise aus einem niedriglegierten Stahl, wie SAE (Society of Automotive Engineers Inc. USA-Klassifikation) Type 1010 oder 1020, einer Dicke von 1,02 bis 635 mm auf. Die Oberfläche des Stahlstützstreifens, auf die das Metallpulver aufzubringen ist, wird zunächst chemisch und/oder mechanisch gereinigt, um etwa noch vorhandenen Schmutz, Zunder oder Oxid von ihm zu entfernen und die Erzielung einer Verbindung hoher Festigkeit zwischen dem Stützstreifen und dem aufzubringenden Lagerfutter sicherzustellen. Dieses kann durch Entfetten mit Hilfe eines Lösungsmittels erreicht werden, an den sich Schleifen oder eine Behandlung mit einer Drahtbürste anschließt, um eine chemisch reine Oberfläche zu erhalten. w
Das Metallpulvergemisch zur Bildung des Lagerfiüters ist ein vorlegiertes Kupfer-Blei- oder Kupfer-Blei-Zinn-Pulvergemisch aus 64% bis 88% Kupfer, 8% bis 35% Blei und 0 bis 10% Zinn enthalten kann (alle Prozentangaben sind, wenn nicht anders angegeben, ii Gewichtsprozente). Es ist wichtig, daß sich das Pulver in vorlegierter Form befindet, in welcher vorzugsweise alle Teilchen dieselbe Zusammensetzung haben, obwohl vorlegierte Pulver wahlweise möglicher Zusammensetzungen zugemischt werden können, um eine Gesamtzusammensetzung entsprechend derjenigen zu bilden, die für das Lagerfutter jeweils gewünscht wird. Beispiele für derartige Kupfer-Blei- und Blei-haltige Bronzelegierungen sind: 80% Kupfer, 10% Blei, 10% Zinn (SAE Nr. 797); 88% Kupfer, 8% Blei und 4% Zinn (SAE Nr. 798); 73,5% Kupfer, 23% Blei und 3,5% Zinn (SAE Nr. 799); 75,5% Kupfer, 24% Blei und 0,5% Zinn (SAE Nr. 49); 64,5% Kupfer, 35% Blei und 0,5% Zinn (SAE Nr. 480). Die Form der vorlegierten Pulverteilchen ist nicht kritisch, obwohl kugelförmige Teilchen bevorzugt werden. Die Teilchengröße des vorlegierten Pulvers sollte kleiner als 147 μπι sein und bis zu Teilchengrößen von nur 1 μιη reichen. Vorzugsweise enthält das Metallpulver Teilchen mit einer Größenverteilung innerhalb des gesamten zulässigen Teilchengrößenbereichs, wobei 50 Gew.-% der Teilchen kleiner als 44 μιη sind, wodurch eine optimale Packungsdichte der losen Pulverschicht erreicht wird. Die Dichte der losen Pulverschicht bei Aufbringen auf die Oberseite des Stützstreifens kann allgemein 50 bis 60% von 100% theoretischer Dichte betragen und wird im allgemeinen in einer Dicke von etwa 0,508 bis 1,778 mm aufgebracht, so daß das entstehende gesinterte und verdichtete Futter eine Dicke von 0,254 bis 0,889 mm hat.
Es wird nun im einzelnen auf die Figuren Bezug genommen. Wie am besten aus Fig. 1 zu ersehen, wird ein Lagerverbundwerkstoff nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt, in dem ein Stahlstützstreifen 10 von einer Vorratsrolle 12 abgewickelt und in waagerechter Richtung ausgezogen wird, so daß er mit einer Stahlbürste 14 zur mechanischen Reinigung seiner Oberseite in Berührung kommt
Der Sueifen läuft danach in waagerechter Richtung unter dem Auslaß eines Trichters 16, der mit dem vorlegierten Pulver der weiter oben angegebenen Zusammensetzung und Teilchengröße gefüllt ist, welches in Form einer Pulverschicht 18 aufgebracht wird. Die Pulverschicht wird durch ein Messer 20 zu einer im wesentlichen gleichmäßigen Schicht erwünschter Dicke ausgestrichen.
Der Streifen mit der darauf aufgebrachten Pulverschicht gelangt danach in einen Ofen 22, der eine Anzahl Heizvorrichtungen 24 aufweist, und wird in reduzierender Atmosphäre auf eine Sinterungstemperatur im Bereiche von 788° C bis 87 Γ C erhitzt Die reduzierende Atmosphäre kann ein Gas sein, das bei unvollständigen Verbrennung von Naturgas entsteht und beispielsweise 12Vol.-% Wasserstoff, 10Vol.-% Kohlenmonoxid und 5 Vol.-% Kohlendioxid enthält; der Rest ist Stickstoff. Die Gegenwart der reduzierenden Atmosphäre dient dazu, die auf den Oberflächen der Metallpulverteilchen vorhandenen Oxide zu reduzieren und eine weitere Oxidation derselben bei den hohen Sintertemperaturen, denen sie unterworfen werden, zu verhindern.
Die jeweils zur Anwendung kommende Temperatur hängt von der jeweiligen Zusammensetzung des vorlegierten Pulve-s ab. Beispielsweise sind Temperaturen von 788° C für bleihaltige Bronzepulver geeignet, wenn diese nominell 80% Kupfer, 10% Blei und 10% Zinn enthalten, während die Temperaturen im Bereich von 871 °C für Legierungen, die nominell 75% Kupfer, 24% Blei und nur 1% Zinn enthalten, erforderlich sind. Auf jeden Fall wird die jeweilige Sintertemperatur so gesteuert, daß eine flüssige Phase erzeugt wird, die hauptsächlich aus Blei besteht, welche die Teilchen benetzt und in der Pulverschicht vorhandene Zwischenräume füllt, sowie auch die Oberfläche des Stahlstreifens zur Begünstigung der Bildung einer zähhaftenden Verbindung benetzt. Sintertemperaturen unter 788° C sind ungeeignet, da keine nennenswerte Bindung am Stützstreifen erreicht wird, während die Temperaturen oberhalb von etwa 871 ° C unbefriedigend sind, weil in zu starkem Ausmaß während des Sintervorgangs Flüssigkeit gebildet wird. Normalerweise ist eine Sinterungszeit von etwa 3 bis 5 Minuten bei Temperaturen von 788°C bis 871°C ausreichend, um zufriedenstellende Flüssigphasensinterung der Pulverteilchen und Bildung einer Blei-Kupferlegierung, an der Oberfläche des Stahlstreifens gebunden zu erhalten.
Am Ende des Sintervorganges tritt der Verbundstreifen in einen Kühlabschnitt 25 ein, in welchem der Streifen in einer nichtoxidierenden Schutzgasatmosphäre auf eine Zwischentemperatur von 538°C bis 649°C gekühlt wird. Danach tritt der Streifen in den Einlaß einer Walzenanordnung 26 ein, in welcher die Pulverschicht bis zu einer Dichte, die nahezu 100% der theoretischen Dichte beträgt, verdichtet wird und die Pulverpartikel verformt und mit der Oberfläche des Stahlstreifens unter Bedingungen zusammengepreßt werden, bei denen eine weitere Sinterung und Verbindung derselben eintritt. Wie in F i g. 1 gezeigt, hat das Auslaßende des Kühlabschnitts 25 eine konvergierendt Gestalt, so daß die darin vorhandene, nichtoxidierende Atmosphäre, beispielsweise eine reduzierende Atmosphäre, in den Bogenabschnitt der Walzenanordnung eintritt und den heißen Streifen während des
Verdichtungsvorgangs schützt. Darüber hinaus wird die Kühlstrecke 25 so gesteuert, daß der Streifen von dem Bereich der normalen Sinterungstemperaturen von 788°C bis 871°C auf eine Zwischentemperatur von etwa 538°C bis etwa 649°C gekühlt wird, was für die Erlangung der erforderlichen Verdichtung der Pulverteilchen und die gleichzeitige Sinterung und Diffusionsbindung derselben während des Verdichtungsvorgangs von Bedeutung ist. Die Verdichtung des Streifens durch Walzen bei Temperaturen von unter 5380C ist nicht zweckmäßig wegen der Schwierigkeit, eine 100%ige Verdichtung der porösen Pulverschicht zu erreichen und weil die Sinterung und Diffusionsbindung der verformten Pulverpartikel unzureichend ist. Andererseits sind Temperaturen von über 649° C unerwünscht, und zwar wegen der Bildung von Flüssigphase in zu großem Ausmaß an der Bindungslinie und übermäßigen Austretens von Blei aus der verdichteten Pulverschicht. Der jeweils während des mittels Walzen vorgenommenen Verdichtungsvorgangs aufgebrachte Druck ist abhängig von dem jeweiligen Walzendurchmesser, der Temperatur, bei welcher die Verdichtung vorgenommen wird, sowie von der jeweiligen Zusammensetzung der vorlegierten Pulverschicht. Im allgemeinen haben sich die Drücke von 35 MPa bei den meisten der kupferblei- und bleihaltigen Bronzepulver als zufriedenstellend erwiesen, wobei ferner in Betracht zu ziehen ist, daß bei Zunahme der Bleimenge das Futter fortschreitend weicher wird und bleihaltige Bronze beim Walzen ein härteres Material ist als das übliche Kupferblei.
Wie in F i g. 1 gezeigt, läßt sich eine angemessene Steuerung des Verdichtungsdruckes zum Aufbringen eines konstanten Druckes während des Verdichtens der Pulverschicht durch Walzen auf einfache Weise erzielen mittels einer belasteten Walzenanordnung mit einem Hebel 28, der bei 30 schwenkbar mit dem Rahmen der Walzenanordnung verbunden ist, und einer Plattform, auf welcher Gewichte 32 gestapelt werden können, um den erwünschten Abwärtsdruck auf die obere Walze 34 auszuüben. Mit dieser Anordnung wird auf die Pulverschicht trotz leichter Unregelmäßigkeiten in ihrer Dicke ein gleichmäßiger Druck aufgebracht, und es werden dadurch örtlich begrenzte Hochdruckbereiche, wie bei einer Walzenanordnung mit festgelegtem Spalt, vermieden.
Der verdichtete Verbundstreifen gelangt unmittelbar nach Verlassen der Walzenanordnung in eine Kammer 36, die ebenso mit einer nichtoxidierenden Schutzatmosphäre gefüllt ist, wodurch ein fortschreitendes Kühlen ι des Streifens von der Walzenverdichtungstemperatur auf 482°C bis 538°C erzielt wird. Die Zeit des Durchlaufs des Verbundstreifens durch die Kammer 36 reicht auch für die Reabsorption von geschmolzenem Blei auf den Oberflächen des Futters in die Poren der
κι gesinterten Pulverschicht hinein aus. Am Ausgangsende der Kammer 36 durchläuft der Streifen einen Schacht 37 und kann in eine geeignete Kühleinrichtung eintreten, wo seine Temperatur auf einen Wert unter 427°C gesenkt wird. Dies kann gemäß der Darstellung in
ir> Fig. 1 dadurch erzielt werden, daß man den Streifen durch ein Bad 38 geschmolzenen Bleis hindurchführt, welches bei einer Temperatur von 399° C bis 454° C gehalten v/ird. Der Verbundstreifen wird auf seinem Weg in das Bleibad hinein und aus ihm heraus sowie
2(i beim Auftauchen aus dem Bad durch Rollen 40 geführt und läuft dann unter einem Abstreifer 42 zum Entfernen überschüssigen Bleis von seiner Oberfläche hindurch. Beim anschließenden weiteren Kühlen auf Raumtemperatur kann der Streifen unmittelbar Metallstanz-,
>> Ausschneide- und Formvorgängen unterworfen werden, um verschiedene Lagerbestandteile einschließlich Halbschalenlager, Futterstücke, Gegendruckunterlagscheiben usw. herzustellen. Wahlweise kann das Verbundstreifenband zu einem Ring 43 aufgewickelt und in
«i dieser Form bis zur weiteren Verwendung gelagert werden. Wenn ein Verbundstreifen auf beiden Seiten ein Lagerfutter haben soll, kann der Ring 43 erneut einem Bearbeitungsverfahren unterzogen werden, um auf seiner freien Oberfläche in derselben Weise wie
r> vorstehend beschrieben ein zweites Futter aufzubringen. Ein typischer Schnitt durch einen Lagerverbundwerkstoff, bestehend aus dem Stahlstützstreifen 44 mit einem fest mit seiner einen Oberfläche verbundenen verdichteten kupferblei- oder bleihaltigem Bronzefutter 46 ist in F i g. 2 gezeigt. Der Ausdruck »Streifen« soll in dieser Beschreibung auch Ausgangsmaterial in Form von Platten einer Dicke von über 635 mm mit umfassen. Eine typische Schalenlagerhälfte 48, die aus dem in F i g. 2 gezeigten Verbundstreifen hergestellt wurde, ist in F i g. 3 gezeigt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung eines Lagerverbundwerkstoffes, bei welchem auf einen Stahlstützstreifen eine Schicht eines Pulvergemisches aus 64 bis 88Gew.-O/o Kupfer, 8 bis 35Gew.-% Blei und gegebenenfalls bis zu 10Gew.-% Zinn einer Pulverteilchengröße von 1 —147 μπι aufgebracht, der Stahlstützstreifen mit der lose aufliegenden Schicht auf eine so hohe Temperatur gebracht und gehalten wird, bis das Pulver sintert und sich mit dem Stahlstützstreifen verbindet, der Verbundstreifen dann abgekühlt und Druck auf ihn ausgeübt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht vorlegierten Pulvergemisches eingesetzt wird; Stahlstützstreifen und Pulverschicht auf eine Temperatur im Bereich von 788 bis 8710C gebracht und Flüssigphasen-Sintern sowie Verbinden mit dem Stahlstützstreifen in reduzierender Atmosphäre vorgenommen wird, auf eine Temperatur im Bereich von 538 bis 649°C in nichtoxidierender Atmosphäre gekühlt, unter vollständiger Verdichtung der Pulverschicht Druck angewandt wird, und dann in nichtoxidierender Atmosphäre auf eine Temperatur unter 427° C gekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverschicht auf den Stahlstützstreifen in einer Dicke von 0,508 bis 1,778 mm aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als vorlegiertes Pulver ein solches aus Partikeln kugelförmiger Gestalt und beliebiger Größenverteilung innerhalb des Größenbereichs nach Anspruch 1 bestehend, eingesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anwendung von Druck auf die gesinterte Pulverschicht mittels Walzen derart vorgenommen wird, daß eine Pulverschichtdichte von nahezu 100% der theoretischen Dichte erzielt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung der gesinterten Pulverschicht mittels eines Walzendrucks von etwa 35 MPa auf die Pulverschicht durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlen des Verbundmaterials durch Hindurchführen desselben durch ein Bad aus geschmolzenem Blei erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor Aufbringen der Schicht vorlegierten Pulvers auf den Stahlstützstreifen dessen Oberfläche so gereinigt wird, daß sie chemisch rein ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus einem vorlegierten Pulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße im Bereich von 1 bis 147 μπι aufgebracht wird, wobei 50% der Teilchen eine Größe unter 44 μπι aufweisen.
9. Verfahren nach Arspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundstreifen vor Eintritt in das Bleibad in einer Schutzgasatmosphäre auf eine Temperatur im Bereich von 538 bis 482° C gekühlt wird.
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