DE2646686A1

DE2646686A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen einer lagermetallschicht auf einer metallflaeche

Info

Publication number: DE2646686A1
Application number: DE19762646686
Authority: DE
Inventors: John Charles Thomas
Original assignee: Vickers Ltd
Current assignee: Vickers Ltd
Priority date: 1975-10-16
Filing date: 1976-10-15
Publication date: 1977-04-28
Also published as: GB1536696A; US4127930A; NL7611416A; JPS5278625A

Description

DIPL-CHEM. DR. ELISABETH JUNO

DiPL-PHYS. DR. JÜRGEN SCHIPDEWAHN

D R.-ING. GERHARD SCHMITT-NILSON Telegrammadresse, invcnt/monchen

PATENTANWÄLTE 1.

15. Oktober 1976 u.Z.: L 239 M+a (Dr.SchN/mb/we)

VICKERS LIMITED
London, Großbritannien

¹¹ Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen einer Lagermetallschicht auf einer Metallfläche "

Priorität: 16. Oktober 1975, Großbritannien, Nr. 42572/75

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Schicht aus einer Lagermetall- oder Weißmetallegierung auf einer Metalloberfläche und betrifft insbesondere auch die Herstellung eines Druckstücks bzw. (Druck-) Lagerstücks (thrust pad).

Bisher hat man Druckstücke unter Verwendung eines zylindrischen Rings aus Stützmaterial, im allgemeinen aus Stahl, Geschützmetall (Kupfer-Zinn-Zink-Legierung) oder Bronze hergestellt. Dieser Ring wurde einer Oberflächenbehandlung zur Verbesserung des Zusammenhalts zwischen dem Stützmaterial und dem Lagermetall unterzogen und zwischen einen Innen- und einen Außenring gebracht, welche Wände bildeten, so daß eine gewisse Menge an geschmolzenem Lagermetall oben auf den zylindrischen Ring gegossen und zwischen den vom Innen- und Außenring gebildeten Wänden gehalten werden konnte. Anschließend wurde der überzogene zylindrische Ring in eine Viel-

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zahl von Sektoren unterteilte vor denen, jeder einzelne dann zu einem Druckstück bearbeitet wurde. Es ist wichtig, eine metallurgische Verbindung zwischen dem Stützmaterial und dem Lagerbelag bzw. Äntifriktionsbelag zu erzielen* so daß das Stützmaterial den Belag abstützen kann und daß die an der Oberfläche des Lagermetallbelags während des Betriebes des Druckstücks erzeugte Wärme leichter abgeleitet werden kann. Die Kühlbedingungen„ denen der zylindrische King ZiHB Erstarren des Lagermetalls unterworfen wird, sind von entscheidender Bedeutung für die sich ergebende Art der Verbindung zwischen dent Stützmaterial und dem Lagermetall. Um zufriedenstellende Bedingungen zu erreichen -_t. muß sowohl der Innen- als auch der Außenring,= zwischen denen der Zylinderring gehalten ist, sorgfältig vorerwärmt werden» Es kann dabei Schwierigkeiten geben wegen der unterschiedlichen Expansion des Innenringes und des Außenringes« Das direkte Abkühlen des zylindrischen Ringes zum Erstarren des Lagermetalls sollte_r um die bestmöglichen Ergebnisse zu erzielen, von hinter dem Stützmaterial aus erfolgen« Sobald das Lagermetall erstarrt ist* Kissen einzelne Druckstücke aus dem zylindrischen Ring ausgeschnitten werden. Durch die hierfür nötigen Bearbeitungsvorgänge kann die Verbindung zwischen dem Stützmaterial und dem Lagermetall nicht ntcr geschwächt_r sondern sogar getrennt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es» ein Verfahren und* eine Vorrichtung zu schaffen _t mit denen auf einfache Weise und in hoher Qualität Lagerxsetallscliichten auf einer Metallflache erzeugt werden können.

Zur Losung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird ein Verfahren zum Erzeugen einer Lagermetallschicht auf einer Metalloberfläche geschaffen, bei de» eine Form oder Matrize mit einer

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von einem dünnen Rand umgebenen Aussparung verwendet wird. Dies Verfahren zeichnet sich dadurch aus_f daß gegebenenfalls die Oberfläche bzw. die Oberflächen, die das Lagermetall aufnehmen sollen, vorbereitet werden,' daß die Aussparung in der Form mit geschmolzenem. Lagermetall gefüllt wird, daß man das Lagermetall erstarren läßt, und daß anschließend das so erhaltene Element zur Beseitigung unerwünschter Teile der Form bearbeitet wird.

Die Form besteht aus einem Werkstoff, dessen Schmelzpunkt über dem des Lagermetalls liegt« Besonders geeignet ist eine Legierung auf Kupferbasis. Die Form kanu ein Präzisionsgußstück sein, wie es beispielsweise nach dem Wachsausschmelzverfahren herstellbar ist. Gewünschte Markierungen zur Kennzeichnung können während des Gießens der Form oder Matrize gebildet werden.

Im allgemeinen ist eine Oberflächenvorbereitung vor dem Eintauchen in das geschmolzene Lagermetall nötig. Fett, Oxyde und andere Schmutzstoffe müssen von den zu beschichtenden Oberflächen entfernt werden, um zu gewährleisten, daß eine sichere metallurgische YerbincEirag m±t dem Lagermetall entsteht. Der Zusammenhalt zwischen einem Formwerkstoff auf Ktipferbasis und einem Lagermetall kann verbessert werden, indem man die Form bzw, unterlagen zunächst verzinnt» Ein bevorzugtes O-berflächeiibehandlungsverfahren besteht aus folgenden Schrittens

1« Entfetten, der Oberflächen der Form,

2. Erhitzen der entfetteten Form auf eine Temperatur von 5O°C bis 100⁰C,

3. Aufbringen eines Abweisbelages auf diejenigen Oberflächenbereiche der Form* die nicht mit Zinn und Lagermetall beschichtet werden, sollen,

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4. Aufbringen einer dünnen Schicht eines Flußmittels auf die Oberfläche der Aussparung in der Form,

5. Aufhängen der mit Flußmittel versehenen Form oberhalb eines Zinnbades zur Vorerwärmen des Flußmittels, und

6. Eintauchen der Form in die Zinnschmelze zum Erzeugen einer Zinnschicht an den mit Flußmittel versehenen Oberflächenbereichen.

Vorzugsweise wird die Form aus dem Zinnbad nach etwa 30 Sekunden herausgenommen und die verzinnten Oberflächen mit einer Flußmittel-Bürste abgebürstet,um zu gewährleisten, daß alle Oberflächen in der Aussparung der Form gleichmäßig mit Zinn überzogen sind. Dann kann die Form erneut in das Zinnbad eingetaucht werden, und zwar noch einmal für ca. 30 Sekunden. Anschließend wird die Form aus dem Zinnbad herausgenommen, und überschüssiges Zinn kann mit einer Bürste von den Oberflächen der Form entfernt werden. Die verzinnte Form kann dann sofort mit geschmolzenem Lagermetall gefüllt werden. Das erfolgt vorzugsweise durch Eintauchen der Form in einen Bottich oder ein Gefäß, welches geschmolzenes Lagermetall enthält. Wenn man die Form gleichmäßig aus dem Gefäß mit der Lagermetallschmelze anhebt, wird die Aussparung in der Form bis zur Oberkante aller Ränder angefüllt. Danach kann das geschmolzene Lagermetall zwangsweise abgekühlt werden, indem man beispielsweise die Form auf einen "Wassertisch" (einen mit Wasser füllbaren Behälter, der tischartig flach sein oder einen solchen Einsatz haben kann) bringt oder zwangsweise Luftkühlung vorsieht. Sobald die Erstarrung erfolgt ist, kann das entstehende Element in einem Wasserbad vollkommen untergetaucht werden, um eine rasche Abkühlung zu erzielen. Anschließend kann das Element so behandelt werden,

daß noch vorhandener Abweisbelag z.B. im Sand-

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strahlverfahren entfernt wird. Danach wird es einer Oberflächenbehandlung unterzogen, um unerwünschte Teile der Form, im allgemeinen die Ränder derselben, zu entfernen. Das kann beispielsweise durch Fräsen der Oberfläche des Lagermetalls geschehen, um überschüssige Dicke an Lagermetall und einen Teil des Randes der Form abzutragen. Hierauf erfolgt eine Umrißbearbeitung, um den Rest des Randes zu beseitigen. Gegebenenfalls kann der Abweisbelag auch nach den Bearbeitungsschritten statt vorher entfernt werden.

Um ein Druckstück bzw. Axiallagerstück herzustellen, wird das Beschichtungsverfahren mit Lagermetall gemäß obiger Beschreibung durchgeführt, wobei die Anfangsform insgesamt die Gestalt des gewünschten Druckstücks hat. Hierbei kann es sich um einen Sektor eines zylindrischen Ringes handeln, der an seiner Basis einen schwalbenschwanζförmigen Verbindungsbereich aufweist. Nach dem Erstarren des Lagermetallbelages kann die Form wie oben beschrieben bearbeitet werden, um den Rand vom Druckstück abzutragen, worauf das Bearbeiten der Lagermetalloberfläche erfolgt, um die gewünschte Oberflächenbeschaffenheit zu erzielen. Das Druckstück kann herkömmlichen Oberflächenbearbeitungsverfahren unterzogen werden, z.B. einem anfänglichen Entgraten, auf das ein Oberflächenschleifen und endgültiges Entgraten folgt.

Es ist von Vorteil, eine Vielzahl solcher Formen gleichzeitig den verschiedenen Behandlungsschritten zu unterwerfen. Hierzu können sie in ein Gestell gemäß Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen eingebracht werden. Einige oder alle Verfahrensschritte können automatisch erfolgen.

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Das Verfahren gemäß der Erfindung kann zur Schaffung eines Oberflächenbelages aus einem beliebigen der üblichen Lagermetalle verwendet werden. Häufig werden diese als "Weißmetalle" bezeichnet, und dabei kann es sich um Legierungen auf der Basis von Zinn, Blei oder Antimon handeln. Im allgemeinen weisen sie mehrere der Elemente Zinn, Blei, Antimon, Kupfer, Zink, Arsen und Kadmium auf. Einige weniger gebräuchliche Lagermetalle können auch Nickel und Eisen enthalten. Typische Legierungsformeln (in Gewichtsanteilen) für Legierungen auf Zinn- und Bleibasis werden nachfolgend angegeben:

Weißmetall auf: Zinnbasis Bleibasis

78 -92 Zinn 4,5-13 Zinn

4 -IO Antimon 12 -17 Antimon

0,1- 5 Blei 0,1- 1 Kupfer

2,5- 8 Kupfer 0,1-1,5Arsen

0,1-1,5 Kadmium Rest: Blei

Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird auch eine Vorrichtung geschaffen, die geeignet ist, eine Vielzahl Formen aufzunehmen, die jeweils eine Metalloberfläche haben, in die eine Aussparung oder Vertiefung umgeben von einem dünnen Rand eingearbeitet ist und die einen keilförmigen unteren Bereich haben. Diese Vorrichtung ist zur Verwendung bei der Schaffung einer Lagermetallschicht in den Aussparungen der Formen geeignet. Die Vorrichtung z'eichnet sich aus durch einen ringförmigen Tisch mit einer Ringnut bzw. einem Ringkanal in der Oberseite, der a) insgesamt keilförmig mit nach oben konvergierenden Seitenwänden gestaltet ist, in dem b) eine Vielzahl von Schlitzen im Boden gebildet ist, die eine Verbindung zwischen der Unterseite des

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ringförmigen Tisches und der Oberseite ermöglichen, und c) dessen Außenrand (der die äußere Seitenwand des Ringkanals darstellt) an einer oder mehreren Stellen mit Ausnehmungen versehen ist/ um einen Weg zu schaffen, auf dem die Formen in den Ringkanal eingesetzt werden können. Diese Vorrichtung ist auch zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.

Die Erfindung erstreckt sich ausdrücklich auch auf nach dem erfindungsgemäßen Verfahren oder mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung unmittelbar oder mittelbar hergestellte Erzeugnisse, insbesondere (Lager-)Druckstücke.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand teilweise schematischer Darstellungen an einem Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung noch näher erläutert und einer bekannten Vorrichtung gegenübergestellt. Es zeigen:

Fig. la und ib eine Draufsicht und einen Schnitt längs A-A einer Vorrichtung gemäß der Erfindung (Maßstab 1:2);

Fig. 2a und 2b eine Draufsicht und einen Schnitt längs A-A einer Form zur Verwendung in einer Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 3a und 3b eine Draufsicht und einen Schnitt einer Vorrichtung zum Ausführen eines bekannten Verfahrens der Herstellung eines Lagermetallbelages auf einem Stützmaterial.

Wie aus den Figuren la und Ib hervorgeht, weist die Vorrichtung

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gemäß der Erfindung einen ringförmigen Tisch l aus Aluminiumbronze auf, der mit einer Ringnut 2 zwischen einem Außenrand und einem Innenrand 4 versehen ist. Vom Grund der Ringnut aus erstrecken sich Schlitze 5 zur gegenüberliegenden Seite des Tisches und ermöglichen eine Verbindung zwischen der Unterseite des ringförmigen Tisches und seiner Oberseite, durch die Zinn, Weißmetall und Wasser hindurchtreten können. Wie aus Fig. Ib zu entnehmen ist, ist die Ringnut 2 insgesamt keilförmig mit nach oben zusammenlaufenden Seitenwänden 6 und 7 nach Art einer Schwalbenschwanznut. Der Außenrand 3 des ringförmigen Tisches hat eine Ausnehmung 8, die einen Weg für das Einsetzen einer Vielzahl von Formen, wie der mit 9 bezeichneten, in die Ringnut 2 bildet. Wie aus den Figuren 2a und 2b hervorgeht, weist jede Form einen unteren, keilförmigen bzw. schwalbenschwanzförmigen Bereich 1Ö auf, der mit dem Hauptkörper 11 der Form verbunden ist. Ein dünner Rand 12 erstreckt sich ganz um eine Aussparung 13 in der Oberseite des Hauptkörpers der Form herum. An der Unterseite des keilförmigen Abschnittes 10 oder Form ist eine erhabene Rippe oder ein Wulst 14 gebildet.

Fig. 3a zeigt einen zylindrischen Ring aus Stützmaterial, der gemäß -einem herkömmlichen Verfahren zum Herstellen von Druckpolstern verwendet wird. Der zylindrische Ring wird in einer Vorrichtung behandelt, wie sie allgemein in Fig. 3b dargestellt ist. Diese Vorrichtung weist einen Außenring 20 und einen Innenring oder einen Innenkegel 21 auf, an denen der zylindrische Ring 22 jeweils umfangsseitig anliegt und zwischen denen er behandelt wird. Die Innenfläche des Außenringes 20 und die Außenfläche des Innenringes 21 sind so abgeschrägt, daß zylindrische

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Ringe 22 unterschiedlicher Abmessungen zwischen ihnen zur Behandlung aufgenommen werden können. Ehe geschmolzenes Lagermetall auf den zylindrischen Ring 22 gegossen werden kann, müssen gebildete Spalte, wie der bei 23 angedeutete, zwischen dem zylindrischen Ring 22 und dem Außenring 20 abgedichtet werden.

Die Erfindung bietet ein besseres Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Erzeugen einer Lagermetallschicht auf einer Metallfläche. Das Verfahren sieht die Verwendung einer Form mit einer von einem dünnen Rand umgebenen Aussparung vor. Diese Aussparung wird mit geschmolzenem Lagermetall gefüllt, welches man erstarren läßt. Die so erhaltene Struktur wird dann einer Oberflächenbearbeitung unterzogen, um unerwünschte Teile der Form zu entfernen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels noch näher erläutert.

Beispiel

Eine Form der in Fig. 2 der Zeichnungen dargestellten Gestalt wurde nach dem Wachsausschmelzverfahren hergestellt. Die Oberflächen der Form wurden entfettet und die Form anschließend auf eine Temperatur von ca. 100⁰C erhitzt. Alle Oberflächenbereiche der Form außer denjenigen, die die Aussparung begrenzten, wurden dann mit einem Abweisbelag in herkömmlicher Weise beschichtet. Dann wurde eine Vielzahl von Formen in einen ringförmigen Tisch gemäß Fig. 1 gebracht und eine dünne Schicht aus einem Flußmittel auf die Oberflächenbereiche der Aussparungen in jeder Form aufgebracht. Der die Formen enthaltende ringförmige Tisch wurde dann

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oberhalb eines Bades aus geschmolzenem Zinn hängend angebracht, und zwar in der Nähe der Oberfläche der Zinnschmelze, wo man ihn 2 bis 3 Minuten verweilen ließ oder so lange, bis der Belag aus Flußmittel an den Formoberflächen den Siedepunkt erreichte. Dann wurde der ringförmige Tisch mit den darin befindlichen Formen langsam in ein Zinnschmelzebad (auf einer Temperatur von 26O°C) abgesenkt, bis er darin völlig eingetaucht war. Nach 30 Sekunden wurde er herausgenommen. Die verzinnten Flächen der Formen wurden mit einer Flußmittel-Bürste abgebürstet, und anschließend wurde der ringförmige Tisch mit den Formen erneut weitere 30 Sekunden lang eingetaucht. Nach dem endgültigen Herausnehmen des ringförmigen Tisches und der Formen aus der Zinnschmelze wurden die Oberflächen der Aussparungen abgebürstet und geprüft, um sicherzustellen, daß sich ein kontinuierlicher Zinnüberzug auf den Oberflächen der Aussparung jeder Form gebildet hatte. Der die verzinnten Formen enthaltende Tisch wurde dann langsam in ein Gefäß mit Weißmetall einer Temperatur von 370 bis 41O°C abgesenkt. Der ringförmige Tisch wurde vorsichtig angehoben, um zu gewährleisten, daß jede Form vollkommen mit Weißmetallschmelze angefüllt war. Anschließend wurden die gefüllten Formen zu einem "Wassertisch" gebracht, um das Erstarren des geschmolzenen Weißmetalls zu bewirken. Ehe Wasser mit den Formen in Berührung gebracht wurde, wurde das flüssige Weißmetall in jeder Form mechanisch gerührt oder in Bewegung versetzt, um jegliche darin enthaltene Luft freizusetzen. Dann wurde der Wasserspiegel so weit angehoben, daß er den Schwalbenschwanzbereich 10 des Druckstücks (siehe Fig. 2) erreichte, was für ein vollständiges Erstarren der Schmelze ausreichte. Danach wurden die Druckstücke in einem Wasserbad untergetaucht und anschließend einer Sand-

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Strahlbehandlung ausgesetzt, um den Abweisbelag zu entfernen.

Die Druckstücke wurden anschließend einer Umrißbearbeitung unterzogen, um den Rand der Form vom Druckstück zu entfernen, und wur den danach gefräst, um die gewünschte Dicke an Weißmetall zu erzielen.

Die Kanten der Druckstücke wurden dann mit einem Schleifband entgratet. Danach unterzog man die Formbasis/Weißmetall-Verbindung einer Ultraschallprüfung. Die Weißmetalloberfläche und die eine Art Drehzapfen bildende Rippe 14 des Druckstücks wurden dann geschliffen und anschließend entgratet. Schließlich wurden die Druckstücke einer vorläufigen Prüfung unterworfen, danach geläppt und dann endgültig inspiziert, um sicherzustellen, daß sie glatte Oberflächen und exakte Abmessungen hatten.

Wenn man das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung anwendet, werden die Schwierigkeiten umgangen, die durch die Bildung eines Dammes an geschmolzenem Metall zwischen dem Innenring und dem Außenring bei der herkömmlichen Vorrichtung gemäß Fig. 3 verursacht werden. Darüber hinaus ist die Temperatursteuerung der verschiedenen Verfahrensstufen vereinfacht.

Ansprüche

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Leerseite

Claims

Ansprüche

■'l. Verfahren zum Erzeugen einer Lagermetallschicht auf

einer Metallfläche, dadurch gekennzeichnet , daß eine Form mit einer von einem dünnen Rand umgebenen Aussparung verwendet v/ird; daß die Aussparung (13) in der Form (9) mit geschmolzenem Lagermetall gefüllt wird; daß man das Lagermetall erstarren läßt; und daß anschließend das so erhaltene Element zum Entfernen unerwünschter Teile der Form bearbeitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Füllen der Form mit Lagermetall diejenigen Oberflächenbereiche, die Lagermetall aufnehmen sollen, vorbereitet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung (13) in der Form (9) durch Eintauchen der Form in ein Bad aus geschmolzenem Lagermetall mit Lagermetallschmelze gefüllt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß diejenigen Oberflächenbereiche, die Lagermetall aufnehmen sollen, verzinnt werden, ehe sie mit der Lagermetallschmelze in Berührung kommen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, Daß das Verzinnen der Oberflächenbereiche der Form durch Eintauchen der Form in ein Zinnschmelzebad bewirkt wird, wobei

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diejenigen Oberflächenbereiche der Form, die nicht mit Lagermetall beschichtet werden sollen, durch einen Abweisbelag geschützt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Form zumindest während desjenigen Verfahrensschrittes, bei dem die Aussparung (13) in der Form (9) mit Lagerraetallschmelze gefüllt wird, in einer Nut (2) eines ringförmigen Tisches (1) gehalten wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Erstarren des Lagermetalls das so erhaltene Element zum Entfernen der dünnen Ränder der Form und zum Erzeugen der gewünschten Oberflächenbeschaffenheit des Lagermetalls bearbeitet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Form als die Basis eines Druckstücks eingesetzt wird.
9. Vorrichtung, in die eine Vielzahl von Formen einsetzbar ist, die jeweils eine obere Metalloberfläche, eine von einem dünnen Rand umgebene Aussparung und einen keilförmigen Unterbereich aufweisen, insbesondere zur Erzeugung einer Lagermetallschicht in den Aussparungen der Formen, gekennzeichnet durch einen ringförmigen Tisch (1) mit einer Ringnut(2J in der Oberseite, die a) im wesentlichen keilförmig mit nach oben konvergierenden Seitenwänden (3,4) gestaltet ist, in der b) eine Vielzahl von Schlitzen (5) im Grund zur Schaffung einer Verbindung zwischen

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der Unterseite und der Oberseite des ringförmigen Tisches gebildet ist, und c) deren Außenrand (3), der die äußere Seitenwand der Ringnut (2) bildet, an einer oder mehreren Stellen mit einer Ausnehmung (8) versehen ist, die einen Weg zum Einsetzen der Formen (9) in die Ringnut (2) bildet.

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