DE2928004C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer zinnhaltigen Alu­ miniumlegierung für Lager, die hergestellt wird, indem Zinn einer Aluminiummatrix zugesetzt wird, und wobei die Aluminiumlegierung bevorzugt auf eine Stahlstützschale durch Preßschweißen aufgebracht wird. Insbesondere ist die Aluminiumlegierung, die gemäß der Erfindung verwendet wird, hinsichtlich mehrerer Eigenschaften dadurch verbessert, daß verschiedene Arten von Zusatzelementen benutzt werden. Das heißt die Dauerfestigkeit wird sehr verbessert, indem das Absinken der Härte bei hohen Temperaturen verringert wird und indem insbesondere die Vergröberung der Zinnteilchen vermieden wird. Außerdem wird die Verschleißfestigkeit der Aluminiumlegierung erhöht, um die Haltbarkeit gegenüber einer zu lagernden Welle zu verbessern, die eine harte und rauhe Oberfläche hat. In dem Fall, in welchem die Aluminiumlegierung, die nach der Erfindung Verwendung findet, für Lagervorrichtungen an Kurbelwellen von Verbrennungsmotoren benutzt wird, die harte Bedingungen verlangen, können demgemäß beträchtliche Vorteile erwartet werden.

In den vergangenen Jahren ist es erforderlich geworden, Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren kompakt und mit hoher Leistung herzustellen. Außerdem müssen sie als Gegenmaßnahme zu den Abgasbestimmungen mit Rückfördervorrichtungen u. dgl. versehen werden, die ins Kurbelgehäuse übergetretenes unverbranntes Gemisch (durchblasendes Glas) rückfördern. Die Gebrauchsbedingungen für die Lagerwerkstoffe in Verbrennungsmotoren sind deshalb bei hohen Belastungen und hohen Temperaturen härter geworden. Unter solchen harten Bedingungen neigen die herkömmlichen Lagerwerkstoffe zum Ausfall durch Ermüdung und zu anomalem Verschleiß, durch die verschiedene Störungen der Motoren hervorgerufen werden.

In Verbindung mit den Wellen, die mit den Lagerwerkstoffen in Berührung gebracht werden, besteht die Tendenz, daß die bislang hergestellten Schmiedewellen durch weniger teuere Wellen aus Sphäroguß oder anderem rauhen Material ersetzt werden, um die Herstellungskosten zu senken. Die Verbesserung in der Verschleißfestigkeit, in der Beständigkeit gegen Fressen und in der Dauerfestigkeit bei hohen Temperaturen ist deshalb um so mehr erforderlich.

Beispiele für die zinnhaltige Aluminiumlegierung, die zum Herstellen der Lager von Verbrennungsmotoren im Stand der Technik benutzt wird, sind:
Al (Rest) - Sn (3,5-4,5) - Si (3,5-4,5) - Cu (0,7-1,3);
Al (Rest) - Sn (4-8) - Si (1-2) - Cu (0,1-2) - Ni (0,1-1);
Al (Rest) - Sn (3-40) - Pb (0,1-5) - Cu (0,2-2) - Sb (0,1-3) - Si (0,2-3) - Ti (0,1-1);
Al - (Rest) - Sn (15-30) - Cu (0,5-2); und
Al (Rest) - Sn (1-23) - Pb (1,5-9) - Cu (0,3-3) Si (1-8),
wobei die in Klammern gesetzten Werte die Gewichtsprozentsätze der Werkstoffkomponenten angeben.

Aus der GB-PS 5 97 113 ist eine Aluminiumlagerlegierung bekannt, die sich für eine Verwendung bei höheren Temperaturen in Verbrennungsmaschinen eignet und aus 0,02 bis 10% Silizium, 20 bis 75% Zinn, bis zu insgesamt 15% Antimon, Nickel, Mangan, Eisen, Magnesium, Blei, Kupfer und/oder Kadmium, bis zu jeweils 4,5% und insgesamt bis 5% Chrom, Wismut, Thallium und/oder Titan und Aluminium als Rest besteht, wobei der Magnesiumgehalt 5%, der Bleigehalt 10%, der Kupfergehalt 6% und der Kadmiumgehalt 10% nicht überschreiten darf. Diese bekannte Alumimiumlegierung kann auf Stahlstützschalen aufgebracht werden und eignet sich für eine Verwendung unter höheren Temperaturen, z. B. für Pleuellager in Verbrennungsmaschinen.

Aus Aluminiumtaschenbuch, 13. Auflage, 1974, S. 311, 926, ist es bekannt, Stahlstützschalen auf Aluminiumlagerlegierungen durch Preßschweißen aufzubringen.

Wenn diese herkömmlichen Legierungen für die Lager von Kraft­ fahrzeugverbrennungsmotoren aber unter den harten Bedingungen, wie sie oben beschrieben worden sind, benutzt werden, kommt es manchmal in kurzer Zeit zum Ausfall infolge Ermüdung, wenn die Motoren ständig unter starken Belastungen betrieben werden. Das ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Temperatur des Schmieröls in einem Verbrennungsmotor während des durchgehenden Vollastbetriebes sehr hoch wird, und beispielsweise kann die Temperatur des Schmieröls in einer Ölwanne 130°C bis 150°C erreichen, so daß die Temperatur der Gleitflächen von Lagern ebenfalls sehr stark erhöht wird. Infolgedessen wird, da der eutektische Punkt einer solchen Legierung in der Größenordnung von 225°C liegt, die Härte der Legierung unter den Hochtemperaturbedingungen schnell gering, was das Schmelzen und das Wandern der Zinnkomponente verursacht und zur Folge hat, daß die Dauerfestigkeit gesenkt wird. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die Verwendung einer zinnhaltigen Aluminiumlegierung gefunden, die so hergestellt wird, daß ihre Härte bei hohen Temperaturen nicht verringert wird und ihre Sn-Komponente kaum beweglich ist. Aus der Legierung wurden durch Bearbeitung Lager für Verbrennungsmotoren hergestellt und diese wurden Dauerversuchen unter dynamischen Belastungen bei hohen Öltemperaturen ausgesetzt. Dabei konnte die Verbesserung der Dauerfestigkeit, über die oben Überlegungen angestellt worden sind, festgestellt werden.

Zusätzlich zu dem Verringern der Dauerfestigkeit aufgrund des Verlustes an Härte bei hohen Temperaturen, wie oben erwähnt, bewirkt die Vergrößerung von Zinnteilchen in dem Gefügebild von herkömmlicher Al-Sn-Legierung ebenfalls ein Absinken der Dauerfestigkeit. Das heißt der Aluminiumlagerwerkstoff wird im allgemeinen hergestellt, indem eine Al-Sn-Legierung durch Preßschweißen auf eine Stahlunterlage aufgebracht wird, wobei ein Glühschritt nach dem Preßschweißen erforderlich ist, um die Haftfestigkeit zwischen beiden Metallen zu verbessern. Das Glühen erfolgt im allgemeinen bei einer Temperatur unterhalb des Punktes, an welchem sich eine intermetallische Al- Fe-Verbindung abscheidet, und je höher die Behandlungstemperatur ist und je länger die Behandlungszeit ist, um so größer wird die Haftfestigkeit. Tatsächlich wird, wenn die herkömmliche Al-Sn-Legierung während des Glühens in einen Hochtemperaturzustand gebracht wird, die Vergröberung der Aluminiumkorngrenzen und Zinnteilchen nachteiligerweise in dem Legierungsgefügebild hervorgerufen. Das heißt, wenn die herkömmliche Aluminiumlagerlegierung einem Glühvorgang ausgesetzt wird, um die Haftfestigkeit an der Stahlunterlage zu verbessern, kommt es zur Vergröberung der Zinnteilchen, was das Verringern der Dauerfestigkeit der Al-Sn-Legierung bei hohen Temperaturen zur Folge hat.

Weiter sind diese herkömmlichen Al-Sn-Lagerlegierungen hinsichtlich ihrer Verschleißfestigkeit nicht gut genug. Insbesondere wenn Wellen mit harten und rauhen Oberflächen, beispielsweise solche aus Sphäroguß, mit den Lagerlegierungen in Berührung gebracht werden, wird die Verschleißfestigkeit stark verringert und es kommt zu Ausfällen aufgrund von Ermüdung, was im Stand der Technik ein ernstes Problem dar­ stellt.

Zum Beseitigen der oben beschriebenen Nachteile war es daher Aufgabe der Erfindung, eine zinnhaltige Aluminiumlegierung für Lager anzugeben, bei der es zu einem geringen Absinken der Härte bei hohen Temperaturen kommt und die demgemäß eine hohe Dauerfestigkeit hat.

Diese Aufgabe wird durch die Verwendung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Weiter kommt es bei der erfindungsgemäßen Verwendung einer zinnhaltigen Aluminiumlegierung nicht zur Vergröberung der Zinnteilchen während des Glühschrittes oder während des Gebrauches unter Hochtemperaturbedingungen, was eine hohe Dauerfestigkeit ergibt.

Ferner hat die zinnhaltige Aluminiumlegierung, die gemäß der Erfindung verwendet wird, eine hohe Verschleißfestigkeit, insbesondere gegenüber Wellen aus harten und rauhen Materialien, wie Sphäroguß, der zum Herstellen von Kurbelwellen von Verbrennungsmotoren benutzt wird.

Die gemäß der Erfindung verwendete Lagerlegierung auf Al-Sn-Basis besteht grundsätzlich aus 3,5-35 Gew.-% Sn, 0,1-1,0 Gew.-% Cr; insgesamt 1-10 Gew.-% von einem oder mehreren der Legierungszusätze Si, Mn, Sb, Ti, Zr, Ni und Fe; während der Rest Aluminium ist. Zum Verbessern der Lagereigenschaften kann diese Lagerlegierung auf Al-Sn-Basis zusätzlich insgesamt bis zu 3 Gew.-% Cu und/oder Mg und außerdem insgesamt bis zu 9 Gew.-% von einem oder mehreren der Elemente Pb, Bi und In enthalten. In Verbindung mit den oben genannten Zusätzen verhindert der Zusatz an 0,1 bis 1,0 Gew.-% Cr insbesondere das Absinken der Härte bei hohen Temperaturen und außerdem die Vergröberung der Sn-Teilchen. Weiter ist anzunehmen, daß die spezifizierten Zusätze eine beträchtliche Auswirkung auf die Verbesserung der Verschleißfestigkeit haben.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 Diagramme, welche die Änderungen der Härte bei Temperaturänderungen für gemäß der Erfindung verwendete Lagerlegierungen auf Al-Sn- Basis und für bekannte Lagerlegierungen desselben Typs zeigen;

Fig. 2 Diagramme, welche die Änderungen der Dauerfestigkeitsgrenzen mit Änderungen von Öltemperaturen für die nach der Erfindung verwendeten Lagerlegierungen auf Al-Sn-Basis und für bekannte Legierungen zeigen;

Fig. 3 Diagramme, welche die Änderungen im Reibungsmoment bei Belastungserhöhungen für die Legierungen zeigen;

Fig. 4 Diagramme, welche die Verschleißverluständerungen von Legierungen mit der Zunahme von Belastungen zeigen, die auf Stahlwellen ausgeübt werden, welche mit den Legierungen in Berührung sind;

Fig. 5 Diagramme, welche die Verschleißverluständerungen von Legierungen mit der Zunahme von Belastungen zeigen, die auf Wellen aus Sphäroguß ausgeübt werden, welche mit den Legierungen in Berührung sind;

Fig. 6 Diagramme, welche die Freßflächendrücke von Legierungen zeigen, die mit aus Sphäroguß hergestellten Wellen in Berührung sind; und

Fig. 7 ein Diagramm, welches die Freßflächendrücke von Legierungen zeigt, die mit aus Sphäroguß hergestellten Wellen unter verschiedenen Versuchsbedingungen in Berührung sind.

Die Lagerlegierung auf Al-Sn-Basis, die nach der Erfindung Verwendung findet, wird hergestellt, indem, wie oben erwähnt, Sn und Cr sowie ein oder mehrere Elemente der oben spezifizierten Zusätze der Aluminiummatrix zugesetzt werden.

Obgleich das Zinn hauptsächlich zu Schmierzwecken zugesetzt wird, hängt der Grund, warum der Zinngehalt auf den Bereich von 3,5 bis 35 Gew.-% beschränkt wird, von der Tatsache ab, daß der Zusatz von Zinn in einer Menge von mehr als 35 Gew.-% die Eigenschaften der Paßfähigkeit und der niedrigen Reibung zwar verbessert, jedoch die Härte der Lagerlegierung verringert. Wenn dagegen die Menge an Zinn kleiner als 3,5 Gew.-% ist, wird die Lagerlegierung hart und hat hinsichtlich der Paßfähigkeit u. dgl. unzulängliche Eigenschaften. Gemäß dem Stand der Technik werden als obere Grenze der Zinnmenge etwa 15% der Al-Sn-Legierung angesehen, um Zinnteilchen getrennt zu dispergieren, weil davon ausgegangen wird, daß, wenn mehr als 15% Zinn enthalten sind, die Zinnteilchen in der Aluminiummatrix nicht in getrenntem Zustand vorhanden sein können, sondern vielmehr in einem kontinuierlichen Zustand vorhanden sind und die Härte bei hoher Temperatur niedrig wird. Bei der Erfindung ist der Zusatz von Zinn bis zu 35 Gew.-% jedoch ohne jeden praktischen Nachteil durch die Auswirkung des Zusatzes der anderen Elemente möglich geworden. Die Zusatzmenge an Zinn in dem Bereich von 3,5 bis 35 Gew.-% kann in Übereinstimmung mit erwarteten Verwendungszwecken richtig bestimmt werden. Die zugesetzte Zinnmenge wird, allgemein gesagt, in dem Bereich von 3,5 bis 35% klein gemacht, wenn ein Lager eine große Belastung erhält, während für Fälle geringer Belastung der Lagerlegierung viel Zinn in diesem Bereich zugesetzt werden kann. Wenn andererseits die Gefahr des Fressens besteht, kann die Zinnzusatzmenge in dem Bereich von 3,5 bis 35% erhöht werden, während, wenn keine Gefahr des Fressens besteht, die Zinnmenge in diesem Bereich verringert werden kann. In jüngeren Fällen wird jedoch die Lagertemperatur aufgrund des eine hohe Temperatur aufweisenden Öls hoch und bewirkt die Verformung des Lagers, an die sich Fressen und Ermüdung anschließen. Die Zusatzmenge an Zinn kann deshalb unter dem Gesichtspunkt bestimmt werden, die Verformung bei hohen Temperaturen zu verringern.

Der Zusatz von Chrom (Cr) bewirkt, daß die Härte der Legierung vergrößert wird und die Legierung am Erweichen bei hohen Temperaturen gehindert wird, so daß die Vergröberung der Zinnteilchen selbst beim Glühen nicht auftritt. Zuerst werden die Effekte zum Erhöhen der Härte und zum Vermeiden des Erweichens der Legierung bei hohen Temperaturen beschrieben. Wenn die Menge an Chrom kleiner als 0,1 Gew.-% ist, kann die Verbesserung der Härte bei hoher Temperatur nicht erwartet werden. Wenn die Chromzusatzmenge 1,0 Gew.-% übersteigt, kann die intermetallische Al-Cr-Verbindung nicht fein und gleichmäßig dispergiert werden, was weiter unten noch näher beschrieben ist, weshalb die Auswirkung des Zusatzes gering wird. Demgemäß wird die Chromzusatzmenge auf den Bereich von 0,1 bis 1,0 Gew.-% beschränkt. Insbesondere bildet in Verbindung mit der Verbesserung der Härte bei hoher Temperatur das Chrom eine feste Lösung in dem Aluminium, die die Rekristallisationstemperatur des Aluminiums erhöht, und darüber hinaus verbessert die feste Lösung selbst die Härte der Aluminiummatrix. Gleichzeitig wird die Härte der Chrom enthaltenden Legierung höher, selbst wenn sie mehrmals gewalzt wird, was einen Gegensatz zum Gießen darstellt. Mit der Erhöhung der Rekristallisationstemperatur des Aluminiums können die Motorenlager, die hohen Temperaturen ausgesetzt werden, ihre mechanischen Eigenschaften beibehalten. Insbesondere kann das Absenken der Härte bei hohen Temperaturen verringert werden und das Erweichen von Lagern in einem Hochtemperaturbereich kann gut vermieden werden, wodurch die Haltbarkeit der Lager verbessert wird. Weiter hat die intermetallische Al-Cr-Verbindung, die über der Grenze der festen Lösung ausgeschieden wird, eine Vickershärte von mehr als etwa 370, so daß die Dispersion dieser Verbindung der Lagerlegierung hilft, die Härte bei hoher Temperatur aufrechtzuerhalten. Die Dispersion einer solchen intermetallischen Verbindung in richtiger Menge hat deshalb eine günstige Auswirkung. Der Bereich der Chrommenge ist, wie oben beschrieben, 1,0 Gew.-% oder weniger, und, wenn die Chrommenge innerhalb dieses Bereiches liegt, ergibt sich eine feine und gleichmäßige Abscheidung der intermetallischen Verbindung und die Härte der Lagerlegierung wird erhöht.

Im folgenden wird die Auswirkung des Chromzusatzes zur Vermeidung der Vergröberung der Zinnteilchen beschrieben. Die Vergröberung der Zinnteilchen ist eine Erscheinung, die auf das Wandern von Aluminiumkorngrenzen und Zinnteilchen bei sich auf hoher Temperatur befindlicher Al-Sn-Legierung zurückzuführen ist. Da das Chrom als die oben erwähnte intermetallische Al-Cr-Verbindung ausgeschieden wird, die in der Aluminiumlegierungsmatrix feinst verteilt wird, blockiert die intermetallische Verbindung direkt das Wandern der Aluminiumkorngrenzen und behindert gleichzeitig das Wachstum von Aluminiumkristallkörnern. Das Wandern von Zinnteilchen wird deshalb ebenfalls behindert und infolgedessen kann die Vergröberung der Zinnteilchen vermieden werden. Das steht in Beziehung zu der Tatsache, daß die feinst verteilten Zinnteilchen während der Wiederholung des Walzens und Glühens dort gehalten werden, wo sie sich befinden, so daß die oben erwähnten verschiedenen Auswirkungen erzielt werden können. Diese Erscheinung kann beobachtet werden, wenn die Menge an Zinn klein ist, die Auswirkung wird jedoch größer, wenn die Menge an Zinn relativ groß ist (mehr als etwa 10 Gew.-%). Insbesondere in dem Fall, in welchem die Zinnmenge etwa 15 Gew.% übersteigt und in welchem die Zinnteilchen in einem kontinuierlichen Zustand vorhanden sind, wird die Auswirkung des Zusatzes merklich. Weiter ist selbst dann, wenn die Menge an Zinn kleiner als 10 Gew.-% ist, die Auswirkung des Chromzusatzes selbstverständlich gemäß den Verwendungsbedingungen und Einsatzzwecken der Legierung erwartungsgemäß ausreichend.

Weiter kann die Verflüssigung von Zinnteilchen, die einen niedrigen Schmelzpunkt von etwa 232°C haben, unter Hochtemperaturbedingungen wirksam verhindert werden, weil die Zinnteilchen in einem feinst verteilten Zustand in der Aluminiummatrix gehalten werden. Unter diesem Gesichtspunkt wird die Auswirkung des Verhinderns des Absenkens der Härte verständlich.

Vorstehend ist die Auswirkung des Verhinderns der Vergröberung der Zinnteilchen in dem Glühschritt beschrieben. Diese Auswirkung kann auch in dem Verarbeitungszustand des Lagerwerkstoffes erwartet werden, in dem die Temperatur gleich der im Glühzustand ist. Demgemäß kann die Dauerfestigkeit im praktischen Gebrauch auch mit dem Blockieren des Erweichens verbessert werden.

Hauptsächlich zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit werden ein oder mehrere Elemente der Gruppe der spezifizierten Zusätze, wie Silicium (Si), Mangan (Mn), Antimon (Sb), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Nickel (Ni) und Eisen (Fe) zugesetzt. Die Zusatzmenge jedes dieser Elemente liegt innerhalb des Bereiches einer Linie bis 10 Gew.-%, während die Gesamtmenge dieser Elemente nicht mehr als 10 Gew.-% beträgt und vorzugsweise in dem Bereich von 1 bis 6 Gew.-% liegt, wobei diese Menge gemäß dem Verwendungszweck festgelegt werden kann. Der Grund für die vorstehende Beschränkung ist folgender. Die ausgeschiedenen Substanzen (oder kristallisierten Substanzen, dasselbe soll im folgenden gelten) dieser Elemente sind in der Aluminiummatrix dispergiert, weshalb die Verschleißfestigkeit verbessert werden kann. Wenn die Zusatzmenge des spezifizierten Zusatzes kleiner als 1 Gew.-% ist, kann sich die Auswirkung des Zusatzes nicht ergeben, während, wenn die Zusatzmenge mehr als 10 Gew.-% beträgt, zuviel Substanz ausgeschieden wird, so daß die Anpaßbarkeit an das Walzen schlecht wird und das Wiederholen von Walzen und Glühen schwierig wird. Weiter wird die Bildung der feinen Zinnteilchen blockiert. Um diese unerwünschten Effekte vollständig zu beseitigen, ist die bevorzugte obere Grenze auf 6 Gew.-% festgelegt worden.

Die Ausscheidungsformen dieser spezifizierten Zusätze sind die ausgeschiedenen Substanzen jedes zugesetzten Elementes, die der intermetallischen Verbindungen zwischen den zugesetzten Elementen, die der intermetallischen Verbindungen von Aluminium und zugesetzten Elementen und die der intermetallischen Verbindungen von Aluminium und der intermetallischen Verbindung von zugesetzten Elementen. Die Verschleißfestigkeit kann durch die ausgeschiedenen Substanzen in allen Formen der vorstehenden verbessert werden.

Die Vickershärten dieser ausgeschiedenen Substanzen erreichen mehrere hundert, so daß die ausgeschiedenen Substanzen sehr hart sind und der Verschleiß von Lagern, der durch die Reibung mit Wellen verursacht wird, durch die ausgeschiedenen Substanzen beträchtlich verringert werden kann. Demgemäß kann ein ziemlich gutes Resultat erzielt werden, wenn eine richtige Menge der ausgeschiedenen Substanz in der Aluminiummatrix vorhanden ist. Der Bereich der richtigen Menge reicht, wie oben beschrieben, von 1 bis 10 Gew.-%, und, wenn die Menge der ausgeschiedenen Substanz in diesem Bereich liegt, kann die ausgeschiedene Substanz gleichmäßig dispergiert werden und die Verschleißfestigkeit kann wirksam verbessert werden, ohne daß nachteilige Effekte, wie das Absenken der Paßfähigkeit, hervorgerufen werden.

Der Effekt der Verbesserung der Verschleißfestigkeit ist beträchtlich, wenn das Lager eine Welle trägt, die eine harte und rauhe Oberfläche hat. Die Leistungsfähigkeit des Lagers hängt im allgemeinen von der Härte und der Rauhigkeit des abzustützenden Werkstoffes in großem Ausmaß ab. Wenn beispielsweise der herkömmliche Lagerwerkstoff auf Al-Sn-Basis zum Abstützen einer Welle aus Sphäroguß benutzt wird, werden die Eigenschaften des Lagers hinsichtlich Verhindern des Fressens und hinsichtlich der Verschleißfestigkeit merklich verschlechtert. Da die Wellen aus Sphäroguß billig hergestellt werden können, werden sie in jüngerer Zeit anstelle der geschmiedeten Stahlwellen weitgehend verwendet. In der Eisenmatrix der Welle sind weiche Graphitteilchen verstreut. Wenn die Wellenoberfläche abgeschabt wird, werden deshalb blattartige Schleifgrate um die Graphitteilchen herum gebildet. Wenn die Welle, die solche Schleifgrate aufweist, gegenüber dem Lager unter starker Belastung verschoben wird, bei der die Rauhigkeit der Welle und des Lagers und die Dicke des Ölfilms zwischen ihnen einander gleich sind, wird die Lageroberfläche, die weicher als die Welle ist, abgeschliffen. Wenn dieser Zustand andauert, wird die Oberfläche des Lagers rauh und der Spalt zwischen dem Lager und der Welle wird groß, was zum Durchbrechen oder zum Verlust des Ölfilms führt. Infolgedessen kommt es zu einer direkten Berührung zwischen der Welle und dem Lager (d. h. zu einem Metall-Metall-Kontakt), die zum Fressen beider Teile führt.

In der Legierung, die nach der Erfindung Verwendung findet, ist dagegen die ausgeschiedene Substanz, die in der Aluminiummatrix durch den Zusatz von einem oder mehreren Elementen der oben spezifizierten Zusätze gebildet wird, härter als die oben erwähnten Schleifgrate der Welle aus Sphäroguß. Die ausgeschiedene Substanz beseitigt deshalb die oben erwähnten Schleifgrate von der Oberfläche der Welle und außerdem ist bei der ausgeschiedenen Substanz eine Übertragung und ein Anhaften von Metall kaum möglich. Der Verschleißvorgang der Lageroberfläche kann deshalb innerhalb einer relativ kurzen Zeit aufgehalten werden, um die Bildung eines stabilen Ölfilms zu bewirken. Infolgedessen können in bezug auf die Welle aus Sphäroguß die Verschleißfestigkeit und die Eigenschaft des Verhinderns des Fressens des Lagers verbessert werden.

In der Gruppe der spezifizierten Zusätze ist Silicium der am bevorzugtesten verwendete Zusatz, da Silicium selbst hart ist, da die intermetallische Verbindung zwischen Silicium und anderen Elementen ebenfalls hart ist und da die Silicium enthaltende Al-Sn-Legierung ausgezeichnete Gießeigenschaften hat. In Anbetracht der obigen Eigenschaften kommen Chrom, Mangan und Antimon nach dem Silicium. Im Range nach Chrom, Mangan und Antimon folgen Titan, Zirkonium und Nickel, da letztere etwas schlechtere Gießeigenschaften haben. Das Element Eisen kann benutzt werden, wenn die Rostschutzeigenschaft kein Problem darstellt.

Zusätzlich zu den oben beschriebenen Zusammensetzungen der nach der Erfindung verwendeten Lagerlegierung kann diese bis zu 3 Gew.-% Kupfer (Cu) und/oder Magnesium (Mg) enthalten. Kupfer und/oder Magnesium werden in Anbetracht der Tatsache zugesetzt, daß sie das Verringern der Härte bei hohen Temperaturen reduzieren. Der bevorzugte Bereich des Zusatzes von ihnen reicht von 0,1 bis 2,0 Gew.-%. Wenn die Menge, in der sie zugesetzt werden, kleiner als 0,1 Gew.-% ist, kann der Anstieg der Härte nicht so sehr erwartet werden, während, wenn die Zusatzmenge mehr als 3,0 Gew.-% beträgt, die Legierung zu hart wird und die Walzeigenschaft verschlechtert wird und außerdem die Rostschutzeigenschaft verschlechtert wird. Weiter erhöht bezüglich Magnesium der Zusatz von mehr als 3 Gew.-% die Härte, der Anstieg der Härte während der Walzbearbeitung wird jedoch zu groß, weshalb ein zufriedenstellendes Walzen nicht ausgeführt werden kann und es schwierig wird, ein ziemlich feines Zinngefügebild zu erhalten. Weiter ist es wahrscheinlich, daß sich das als eine feste Lösung in der Aluminiummatrix vorhandene Magnesium während des Glühens abscheidet und deshalb die Verstärkung der Aluminiummatrix durch die feste Lösung dank der Abscheidung des überschüssigen Magnesiums nicht erwartet werden kann. Das bevorzugte Zusatzverhältnis beträgt deshalb nicht mehr als 2,0 Gew.-%. Wenn Kupfer und/oder Magnesium der Aluminiummatrix zugesetzt werden, wird also die Härte beim Walzen stark erhöht, was im Vergleich zu dem Fall, in welchem andere Elemente der Aluminiummatrix zugesetzt werden, bemerkenswert ist. Es ist jedoch zu beachten, daß eine Kupfer und/oder Magnesium und kein Chrom enhaltende Aluminiummatrix bei etwa 200°C leicht erweicht werden kann, weshalb nicht erwartet werden kann, daß die Härte bei hohen Temperaturen aufrechterhalten wird. Da bei der erfindungsgemäß verwendeten Legierung Kupfer und/oder Magnesium aber zusammen mit Chrom zugesetzt werden, wird die Härte, die während des Walzens aufgrund der Auswirkung des Zusatzes von Kupfer und/oder Magnesium erhöht wird, durch das Glühen nicht so stark gesenkt, was der Zusatz des Chroms mit sich bringt. Diese Härte kann unter Hochtemperaturbedingungen aufrechterhalten werden, weshalb Lagerlegierung, die nach der Erfindung Verwendung findet, im Vergleich zu den bekannten Lagerlegierungen eine höhere Härte bei hohen Temperaturen hat, die die Verbesserung der Dauerfestigkeit ergibt. Wenn Kupfer und Magnesium gleichzeitig zugesetzt werden, ist es erwünscht, daß die Gesamtmenge von ihnen nicht mehr als 3 Gew.-% beträgt, wobei die Menge des Kupfers selbst nicht mehr als 2 Gew.-% beträgt.

Weiter kann bei der Lagerlegierung, die nach der Erfindung verwendet wird, die Eigenschaft, ein Zinn enthaltendes Gleitmetall zu sein, weiter verbessert werden, indem insgesamt bis zu 9 Gew.-% von einem oder mehreren der Elemente Blei (Pb), Wismut (Bi) und Indium (In) zugesetzt werden. Die Auswirkung des Zusatzes von Blei, Wismut und Indium zeigt sich, da sie zusammen mit Chrom zugesetzt werden. Im Stand der Technik ist ins Auge gefaßt worden, diese Elemente Legierungen auf Al-Sn-Basis zuzusetzen, und der Zusatz ist in einigen Fällen angewandt worden. Wenn jedoch nur diese Elemente der Legierung auf Al-Sn- Basis zugesetzt werden, bilden sie Legierungen, bei denen der Nachteil, daß der Schmelzpunkt des Zinns niedrig wird, nicht vermieden werden kann. Somit kommt es bei der bekannten Legierung auf Al-Sn-Basis wahrscheinlich zum Schmelzen und zum Wandern des Zinns bei niedrigen Temperaturen, wodurch das Wachstum von Zinnteilchen zu größeren und gröberen Teilchen verursacht wird. Wenn eine solche Legierung als Lagerwerkstoff benutzt wird, kommt es bei einem Betrieb unter ständiger starker Belastung zum teilweisen Schmelzen und zum Abschaben. Bei der erfindungsgemäß verwendeten Aluminiumlegierung werden dagegen die Zinnteilchen durch den Zusatz von Chrom fein gemacht, und das Gefügebild wird bei hohen Temperaturen in der Aluminiumlegierung beibehalten. Selbst wenn eines oder mehrere der oben genannten Elemente Blei, Wismut und Indium der Legierung zugesetzt werden, kann die Schmiereigenschaft des Zinns verbessert werden, ohne daß die Nachteile des Standes der Technik auftreten. Weiter kann die Lagerlegierung, die nach der Erfindung verwendet wird, für ein Lager benutzt werden, welches eine hohe Dauerfestigkeit haben muß, und außerdem wird es möglich, die Paßfähigkeit des Lagerwerkstoffes zu verbessern. Die Zusatzmenge von einem oder mehreren der Elemente Blei, Wismut und Indium, die die obigen Effekte hat, liegt, wie oben beschrieben, in dem Bereich von insgesamt bis zu 9 Gew.-%. Weiter ist es erwünscht, daß die Gesamtzusatzmenge an Blei, Wismut, Indium und Zinn nicht mehr als 35 Gew.-% beträgt. Eines oder mehrere der Elemente Blei, Wismut und Indium kann zusammen mit dem oben genannten Kupfer und/oder Magnesium zugesetzt werden, wobei in diesem Fall das Absenken der Hochtemperaturhärte verringert und gleichzeitig die Schmiereigenschaften des Zinns verbessert werden kann.

Die oben beschriebene Verwendung der Lagerlegierung auf Al-Sn-Basis erfolgt hauptsächlich für Gleitlager in Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren u. dgl., wobei die Lagerlegierung im allgemeinen auf Stahlstützschalen durch Preßschweißen aufgebracht und daran anschließend zum Erhöhen der Haftfestigkeit geglüht wird. Bei den bekannten Legierungen auf Al-Sn-Basis kommt es jedoch zur Verringerung der Härte, zum Schmelzen der Zinnteilchen usw., weil die Aluminiumkorngrenzen und die Zinnteilchen in dem Legierungsgefüge wandern, was die Vergröberung der Zinnteilchen zur Folge hat. Bei der Erfindung werden das Wandern der Aluminiumkorngrenzen und das Wachstum von Aluminiumkristallteilchen wirksam vermieden, und zwar durch die ausgeschiedene Substanz der intermetallischen Al-Cr-Verbindung, die in den Preßschweiß- und Glühschritten erzeugt wird. Die Lagerlegierung, die nach der Erfindung verwendet wird, ist deshalb frei von den obigen nachteiligen Einflüssen des Glühens, und infolgedessen kann die Haftfestigkeit zwischen der Legierung auf Al-Sn-Basis und den Stahlblechunterlagen durch Erhöhen der Glühtemperatur hoch gemacht werden. Da die obige Tatsache auf den Fall angewandt werden kann, in welchem die Lagerlegierung gemäß der Erfindung unter Umständen verwendet wird, die der Temperatur des Glühens entsprechen, ist es ziemlich bedeutsam, daß die Dauerfestigkeit durch das Verhindern der Erweichung verbessert werden kann. Weiter wird auch die Verbesserung der Verschleißfestigkeit beobachtet und die Lagerlegierung ist besonders wirksam, wenn sie in Verbindung mit Wellen aus Sphäroguß benutzt wird.

Wenn alle Eigenschaften in Betracht gezogen werden, wie die Anpaßbarkeit an Gießen und Walzen, das Haftvermögen an einer Stahlunterlage, die Verarbeitbarkeit, die Eigenschaft des Verhinderns des Fressens, die Verschleißfestigkeit und die Gleiteigenschaft, so beträgt die bevorzugte Zusammensetzung der Lagerlegierung, die nach der Erfindung verwendet wird, 7,5-25 Gew.-% Sn; 0,1-0,7 Gew.-% Cr; 1,0-6,0 Gew.-% aus der Gruppe der spezifizierten Zusätze; 0,1-2,0 Gew.-% Cu und/oder Mg; 0,5-5,0 Gew.-% von einem oder mehreren der Elemente Pb, Bi und/ oder In; Rest Al. Wenn die oben genannten Elemente Pb, Bi und/oder In nicht zugesetzt werden, kann die Menge an Zinn auf 10-30 Gew.-% erhöht werden. Weiter kann der Zusatz an Cu und/ oder Mg entfallen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von mehreren Beispielen ausführlicher beschrieben.

Die folgende Tabelle A zeigt die Zusammensetzungen von Legierungen (Proben) 3a-27a, die nach der Erfindung verwendet werden, sowie von Vergleichslegierungen (Proben) 28a-34a.

Bei der Herstellung der Legierungen 3a-27a wurde ein Aluminiummaterial in einem Gasofen geschmolzen und gemäß den Formeln von Tabelle A wurden Legierungen auf Al-Cr-, Al-Cu-, Al-Mg-, Al-Si-, Al-Mn-, Al-Sb-, Al-Ti-, Al-Fe- bzw. Al-Zr-Basis in dem geschmolzenen Aluminium aufgelöst. Anschließend daran wurden Sn und Pb, Bi und In zugesetzt und es wurde eine Entgasung vorgenommen. Dann wurde das Metall in Formen gegossen und anschließend wiederholt gewalzt und geglüht (350°C) um Proben herzustellen. Die Hochtemperaturhärte der Proben wurde dann gemessen. In dem nächsten Schritt wurden diese Proben gewalzt und daran anschließend wurden die Legierungsproben auf Stahlblechunterlagen durch Preßschweißen befestigt, um bimetallische Proben herzustellen. Diese wurden dann geglüht und zu ebenen Lagern verarbeitet und ihre Dauerfestigkeit unter dynamischen Belastungen wurde getestet. In gleicher Weise wie oben wurden die Legierungen 28a bis 34a für Vergleichstests hergestellt und den gleichen Tests unterworfen.

Tabelle A

Fig. 1 zeigt die Vickershärten der vorstehenden Legierungen bei erhöhten Temperaturen. Dieses Diagramm zeigt, daß die Vickershärte im Hochtemperaturbereich bei den Legierungen 3a-27a, die nach der Erfindung verwendet werden, insgesamt höher ist als bei den Vergleichslegierungen 28a-34a. In dem Fall der Vergleichslegierung 30a ist die Härte im Niedertemperaturbereich zwar hoch, ihre Härte nimmt jedoch mit steigender Temperatur schnell ab. Dagegen ist bei den Legierungen 3a-27a, die nach der Erfindung verwendet werden, der Grad der Verringerung der Härte mit steigender Temperatur gering. Demgemäß kann die Änderung der Zustände von Lagern mit der Änderung der Temperatur gering gemacht werden. Weiter ist die Härte von Legierungen, die Cu und/oder Mg enthalten, beträchtlich höher als die von anderen über dem gesamten Temperaturbereich. Darüber hinaus ist bei ihnen die Verringerung der Härte mit steigender Temperatur im Vergleich zu der Legierung 30a gering und insbesondere die Härte der Cu und/oder Mg enthaltenden Legierungen wird bei der Temperatur von 200°C aufrechterhalten. Diese Tatsache hängt offensichtlich von dem Zusatz an Cu und/oder Mg ab. Weiter wird hinsichtlich des Gefügebildes der Legierungen die Vergröberung der Zinnteilchen durch das Glühen nach dem Verbinden mit der Stahlunterlage in den Legierungen 3a-27a, die nach der Erfindung verwendet werden, nicht be­ obachtet.

Fig. 2 zeigt die Ergebnisse von Dauerfestigkeitstests unter dynamischen Belastungen in Verbindung mit den Legierungen 4a, 10a und 17a, die nach der Erfindung verwendet werden, und den Vergleichslegierungen 33a und 34a. In diesen Tests wurden die Drücke an Dauerfestigkeitsgrenzen bei verschiedenen Temperaturen unter Hochdruckschmierung mit Schmieröl mit konstanter Temperatur und unter Verwendung eines abgeschreckten Wellenwerkstoffes AISI 1055 und einer Wellendrehzahl von 3000 U/min und unter 10⁷maliger Wiederholung der Beanspruchung, was allgemein zum Messen des Ermüdungszustandes von Stahl ange­ wandt wird, gemessen. Dieses Diagramm zeigt, daß die Drücke an Dauerfestigkeitsgrenzen der Legierungen 33a, 34a bei hohen Temperaturen zwar niedrig werden, daß jedoch die Grade des Verringerns dieser Werte bei den Legierungen 4a, 10a, 17a, die nach der Erfindung verwendet werden, kleiner sind als die bei den obigen Vergleichslegierungen. Obgleich die Differenz im Druck an der Dauerfestigkeitsgrenze zwischen der Legierung, die nach der Erfindung verwendet wird, und der Vergleichslegierung nicht so groß ist wie bei niedrigen Temperaturen, ist offensichtlich, daß die Legierung, die nach der Erfindung verwendet wird, der bekannten Vergleichslegierung in diesem Wert unter Hochtemperaturbedingungen überlegen ist. Weiter beziehen sich die Testergebnisse, die in Fig. 2 gezeigt sind, auf einige der Legierungen, die nach der Erfindung verwendet werden, und auf die Vergleichslegierungen, wobei aber klar ist, daß ähnliche Ergebnisse in Verbindung mit den anderen erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen erzielt werden.

Fig. 3 zeigt die Änderungen der Reibungsmomente bei zunehmender Belastung in Verbindung mit den Legierungen 10a und 4a und der Vergleichslegierung 33a. Bei diesen Tests wurden abgeschreckte Wellenwerkstoffe AISI 1055 bei einer Drehzahl von 1000U/min und bei Hochdruckschmierung mit einer konstanten Öltemperatur (140°C) benutzt und die Änderung des Reibungsmoments mit zunehmender Belastung wurde unter Verwendung eines Oszillographen gemessen. Gemäß dem Diagramm von Fig. 3 treten Reibungsmomentspitzen bei zunehmender Belastung bei der bekannten Legierung 33a auf und die Werte sind stark schwankend. Im Fall der Legierung 4a nimmt das Reibungsmoment allmählich zu, ohne daß es zur Bildung irgendeiner Spitze kommt, und die kuppelförmigen Änderungen im Reibungsmoment werden bei Beendigung des Belastungsanstiegs beobachtet. In dem Fall der Legierung 10a, die nach der Erfindung verwendet wird, wird das Reibungsmoment mit zunehmender Belastung allmählich erhöht, und es wird keine unerwünschte Änderung in dem Reibungsmoment beobachtet. Es ist deshalb klar, daß die Legierung, die nach der Erfindung verwendet wird, insbesondere die Legierung 10a, die Blei enthält, in ihrer Paßfähigkeit ausgezeichnet ist und nicht frißt. Die schwankenden Spitzenwellen bei der bekannten Legierung 33a bedeuten mit anderen Worten, daß der Ölfilm auf der Gleitfläche teilweise durchbrochen ist, wodurch ein fester Kontakt verursacht wird, und, wenn dieser Kontakt sich wiederholt, der volle Durchbruch (Fressen) erfolgt. Die Legierung 10a, die nach der Erfindung verwendet wird und solche Wellenformen nicht aufweist, ist hinsichtlich der Paßfähigkeit und der Eigenschaft des Verhinderns des Fressens vorteilhafter.

Fig. 4 zeigt die Ergebnisse von Reibungstests, in welchen die Legierungen 4a, 10a und 17a, die nach der Erfindung verwendet werden, und die Vergleichslegierungen 28a, 29a und 33a miteinander verglichen werden.

In diesen Tests wurde der abgeschreckte Wellenwerkstoff AISI 1055 bei 1000 U/min unter Hochdruckschmierung bei einer konstanten Öltemperatur (120°C) benutzt. Die Rauhigkeit der Wellenoberfläche betrug 1 µm und die Verschleißverluste wurden mit Zunahme der Belastungen gemessen. Aus diesem Diagramm ist zu erkennen, daß die Verschleißverluste der Legierungen 4a, 10a und 17a, die nach der Erfindung verwendet werden, im Vergleich zu denen der Vergleichslegierungen 28a, 29a und 33a ziemlich klein sind. Diese Tatsache hängt von dem Hinzufügen der spezifizierten Zusätze, wie Si und Mn, ab.

In Fig. 5 sind die Ergebnisse von weiteren Reibungstests gezeigt, in denen die Legierungen die gleichen wie in Fig. 4 sind und Wellen aus Sphäroguß unter gleichen Testbedingungen benutzt wurden. Im Vergleich mit den Fällen von Fig. 4 sind die Unterschiede in den Abriebverlusten zwischen den Legierungen 4a, 10a und 17a und den Vergleichslegierungen 28a, 29a und 33a groß. Die Auswirkung in der Verbesserung der Verschleißfestigkeit durch den Zusatz der spezifizierten Zusätze wie Si, Mn, Sb, Ti, Ni, Zr und Fe, wird, wie oben beschrieben, deutlich, wenn die Welle aus Sphäroguß im Vergleich zu dem Fall der Stahlwelle benutzt wird.

Fig. 6 zeigt die Ergebnisse von Freßtests für die Legierungen 4a, 10a, 17a, 28a, 29a, 33a. Diese Tests wurden mit Wellen aus Sphäroguß bei 1000 U/min unter Hochdruckschmierung bei einer konstanten Öltemperatur (140°C) durchgeführt und die statischen Belastungen zum Verursachen des Fressens wurden gemessen. Die Freßflächendrücke der Legierungen, die die spezifizierten Zusätze enthielten (4a, 10a, 17a, sind hoch. Vor allem die Legierungen (10a, 17a), die weiter Pb enthalten, haben ausgezeichnete Antifreßeigenschaften.

Fig. 7 zeigt die Ergebnisse von Freßbelastungstests, die unter Verwendung eines ebenen Freßtesters ausgeführt wurden. In den Tests wurde ein 18 mm^⌀ - Teststück (Oberflächenrauhigkeit 0,9 bis 1,1 µm) gegen eine rotierende Scheibe mit einer Gleitgeschwindigkeit von 13 m/s gepreßt, wobei die Scheibe aus Sphäroguß (Oberflächenrauhigkeit 0,4 bis 0,5 µm, maximale Tiefe der Vertiefung des Graphitteilchens 20 µm) bestand und die Belastung beim Auftreten des Fressens gemessen wurde. Die Preßkraft wurde alle 20 min um 2 MPa (20 kg/cm²) erhöht. Als Schmiermittel wurden Öl SAE 30 und Dieselkraftstoff (Leichtöl) in dem Verhältnis 2 : 1 miteinander gemischt und 0,2 cm³/min des Gemisches wurden dem gleitenden Teil zugeführt. Wie die Ergebnisse nach Fig. 6 sind die Antifreßeigenschaften der Legierungen 10a und 17a, die nach der Erfindung verwendet werden, offensichtlich gut.

Es sei angemerkt, daß in der Zusammensetzung der Legierung, die nach der Erfindung verwendet wird, das Aluminium (Al) selbstverständlich eine Spurenmenge an Verunreinigungen enthalten kann, die durch die gewöhnliche Verfeinerungstechnik nicht beseitigt werden können.

Claims (8)

1. Verwendung einer zinnhaltigen Aluminiumlegierung aus 3,5 bis 35% Zinn, 0,1 bis 1% Chrom, insgesamt 1 bis 10% von einem oder mehreren der Legierungszusätze Silicium, Mangan, Antimon, Titan, Zirkonium, Nickel, Eisen und Aluminium als Rest für hochtemperaturbeständige Lager, mit der Maßgabe, daß sie durch Gießen sowie anschließendes wiederholtes Walzen und Glühen hergestellt ist, so daß das Zinn in Form von feinen Teilchen dispergiert und durch eine ausgeschiedene intermetallische Verbindung aus Chrom und Aluminium in dem dispergierten Zustand gehalten wird und die weiteren Legierungszusätze in ausgeschiedener Form dispergiert sind.

2. Verwendung einer zinnhaltigen Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, die 10 bis 30% Zinn, 0,1 bis 0,7% Chrom und 1 bis 6% von einem oder mehreren der Legierungszusätze Silicium, Mangan, Antimon, Titan, Zirkonium, Nickel, Eisen und als Rest Aluminium enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer zinnhaltigen Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, die zusätzlich insgesamt bis zu 3% Kupfer und/oder Magnesium enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung einer zinnhaltigen Aluminiumlegierung nach Anspruch 3, die 0,1 bis 2% Kupfer und/oder Magnesium enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

5. Verwendung einer zinnhaltigen Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die außerdem insgesamt bis zu 9% von einem oder mehreren der Elemente Blei, Wismut und Indium enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

6. Verwendung einer zinnhaltigen Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, die 7,5 bis 25% Zinn, 0,1 bis 0,7% Chrom, 1 bis 6% von einem oder mehreren der Legierungszusätze Silicium, Mangan, Antimon, Titan, Zirkonium, Nickel und Eisen, 0,1 bis 2% Kupfer und/oder Magnesium, 0,5 bis 5% von einem oder mehreren der Elemente Blei, Wismut und Indium enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

7. Verwendung einer zinnhaltigen Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für den Zweck nach Anspruch 1, mit der Maßgabe, daß sie mit einer Stahlstützschale preßverschweißt ist.

8. Verwendung einer zinnhaltigen Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für den Zweck nach Anspruch 7, mit der Maßgabe, daß sie in Verbindung mit Wellen aus Sphäroguß verwendet wird.