DE2937108A1

DE2937108A1 - Verfahren zur verguetung von gleitlegierungen, insbesondere gleitlagerlegierungen

Info

Publication number: DE2937108A1
Application number: DE19792937108
Authority: DE
Inventors: Duraid Mahrus; Antonio Couto Paulos
Original assignee: Metal Leve SA Industria e Commercio
Current assignee: Metal Leve SA Industria e Commercio
Priority date: 1978-09-15
Filing date: 1979-09-13
Publication date: 1980-03-27
Also published as: BR7806091A; US4267241A; DE2937108C2

Description

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Die !3rfin<5un.3 betrifft ein Verfahren zur Vergütung von Gleitlegierungen, insbesondere Gleitlagerlegierungen für die Beschichtung von Metall-, insbesondere Stahlstreifen bei aus einem Metallblech und einer darauf aufgebrachten Schicht einer Gleitlegierung bestehenden Verbundwerkstoffstreifen und bei aus solchen Verbundwerkstoffstreifen herstellbaren Erzeugnissen wie Schalen, Buchsen, Unterlagscheiben oder dergleichen Formen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Vergütungsverfahren solcher Gleitlegierungen, die zuvor hergestellt und als solche auf z. B. einen Stahlstreifen nach herkömmlichen Methoden, wie z. B. durch Gießen, Sintern und/oder durch mechanische Verbindung wie duron Walzen, aufgebracht werden mit dem Ziele, die Eigenschaften der mechanischen Festigkeit zu erhöhen.

Diese Gleitlegierungen haben eine Trockengleit- oder Schmierwirkung, und derartige Verbundstreifen finden vielfach Anwendung in der Herstellung von Lagerschalen für Verbrennungsmotoren und fir andere Maschinen, die mit Lagern ausgerüstet sind. Gewöhnlich erhalten diese mit Gleitlagerlegierungen bewehrten Stahlstreifen eine Vorbehandlung für die entsprechenden Abmessungen bzw. Dimensionierung und ihre Oberflächenqualität. Wenn die Beschichtung des Metall- oder Stahlstreifens mit einer Gleitlagerlegierung durch Sintern erfolgt, bringt man auf den Streifen metallisches Pulver auf, wobei die

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Gleitlagerlegierung, der gewünschten chemischen Zusammensetzung entsprechend, vorher legiert sein kann oder auch nicht. Diese Werkstoffkombination wird danach unter bestimmten Bedingungen gesintert, um eine Bindung zwischen den Pulverteilchen und der Metall- oder Stahloberfläche des Streifens zu erzielen. Wenn man hierfür das Verfahren des Gießens wählt, muß man den Metall- oder Stahlstreifen mit einer flüssigen Schicht der Gleitlagerlegierung der gewünschten chemischen Zusammensetzung versehen. Im Falle einer mechanischen Bindung wie z. B. durch Walzen wird die gewählte Gleitlagerlegierung durch rollenden Druck befestigt, wobei eine entsprechende Vorrichtung verwendet wird.

In jedem der genannten Verfahren werden die Verbundwerkstoffstreifen nachträglich thermischen und/oder mechanischen Behandlungen unterzogen, mit dem Ziele, gewisse physikalische Eigenschaften in den Gleitlagerschichten zu verbessern, wie sie für Lager erforderlich sind. Danach werden die Streifen, die durch eines der genannten Verfahren erhalten wurden, gewissen Behandlungen wie Schneiden, Umformen, Bearbeitung und Oberflächenbehandlung unterzogen mit dem Ziele, Lager, Büchsen und Unterlagscheiben zu erhalten.

Die so erhaltenen Gleitlagerschichten, die sich auf dem Stahlstreifen befinden, sind typisch für das Herstellungs-

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verfahren, das angewendet wurde, und für die chemische Zusammensetzung der gewählten Legierung. Im allgemeinen weisen solche Legierungen eine Struktur auf, die jeweils mindestens aus zwei Bestandteilen (Phasen) besteht, wobei der vorherrschende oder Hauptbestandteil, der die Grundmasse bildet, der höheren Schmelztemperatur und größeren Härte entspricht. Dieser härtere Hauptbestandteil bzw. diese härtere Phase umschließt beim Erstarren die weicheren Bestandteile (Phasen) der Legierung (welche den niedrigeren Schmelzpunkt aufweisen) in seinen Hohlräumen in Form von Dendriten oder von Kugeln, welche Inseln bilden und in den Lagern eine gewisse Schmierwirkung haben.

Die Größe und die gewöhnlich unregelmäßige Form dieser Inseln hängen grundsätzlich ab von der chemischen Zusammensetzung und der Gleichförmigkeit der Legierung bzw. Körnung, sowie von ihrer Erstarrungsgeschwindigkeit bei den verschiedenen Verfahren des Beschichtens und der Nachbehandlung des Stahlstreifens.

Es ist nicht wünschenswert, große oder zum Zusammenhang neigende Inseln in diesen Strukturen zu erhalten, weil sie die mechanischen Eigenschaften des Materials schädlich beeinträchtigen. Die gewünschten Gleiteigenschaften und mechanische Festigkeit hängen ab von einer guten Verteilung der weichen Phasen in der härteren Grundmasse .

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Hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung dieser Gleitlegierungen kommt der Abkühlungsgeschwindigkeit eine besondere Bedeutung zu, um Legierungen von richtiger und homogener Struktur zu erhalten, denn je größer die Abkühlungsgeschwindigkeit ist, desß feiner ist die Verteilung der weichen Phasen in der härteren Grundmasse.

Es ist jedoch schwierig und kostspielig, mit den herkömmlichen Verfahren der Beschichtung und Kachbehandlung dieser Gleitlegierungen eine genügend schn-elle Abkühlung zu erhalten, die die nötige Struktur garantiert.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu schaffen für die Vergütung von Gleitlegierungen, insbesondere solchen, die auf Metall- oder Stahlstreifen aufgebracht sind, um eine Veränderung der Struktur dieser Legierungen dahingehend zu erreichen, daß eine feinere Verteilung der weicheren Phasen in der härteren Grundmasse garantiert und eine Fein- bzw. Feinstkörnung sichergestellt ist. Es sollen Verbundwerkstoffstreifen hergestellt werden können, die aus einer Metall-, insbesondere Stahlschicht und einer Gleitlegierungsschicht bestehen, wobei die letztere Schicht in ihrer Struktur einer bedeutend feineren Verteilung der weicheren Phasen in der härteren Grundraasse entsprechen soll als bisher erreicht werden konnte. Außerdem soll in den aus solchen Verbundstreifen hergestellten fertigen Produkten, die aus einer Stahlschicht und einer Gleitle-

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gierungsschicht bestehen, eine Struktur der letzteren erzielt werden, die eine bedeutend feinere Verteilung der weicheren Phasen in der härteren G-run dm as se aufweist, wie sie bisher nicht zu erhalten war.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch, erreicht, daß die Jleitlegierung durcn einen oder mehrere stark konzentrierte Energie- oder Hitzestrahlen einer örtlich fortschreitenden, punktförmigen Schmelzung unterzogen wird, wobei der konzentrierte Energie- oder Hitzestrahl nach und nach über die gesamte Oberfläche der Gleitlegierung wandert und fur eine gute V/änneableitung an jedem einzelnen von dein Energie- oder Hitzestrahl verlassenen Punkt der Gleitlegierung gesorgt ist.

Der Energie- oder Hitzestrahl kann dabei elektronisch oder auf eine andere an si allbekannte Weise erzeugt und gesteuert werden.

In einer erfindungsgemäßen ifortbildung des Verfahrens ist der Energie- oder Hitzestrahl hinsichtlich seiner Intensität, seiner Fortbewegungsgeschwindigkeit und seiner Tiefenwirkung auf die Dicke der Gleitlegierungsschicht abgestimmt und derart auf eine punktförmige Fläche konzentriert, daß nach seiner Verschiebung von einem Schmelzpunkt auf einen Nachbarpunkt durch Wärmeableitung ein plötzliches Abkühlen der Schmelze bewirkt wird.

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Die Wärmeableitung von einem Schmelzpunkt kann dabei durch die benachbarte Masse selbst bewirkt werden. Im besonderen Falle von Verbundwerkstoffstreifen wird dann die Wärmeableitung von einem Schmelzpunkt in überwiegendem Maße von dem mit der Gleitlegierung beschichteten Metallstreifen bewirkt.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur plötzlichen Abkühlung der Schmelzpunkte und der beschleunigten Erstarrung der Gleitlegierung an diesen Schmelzpunkten eine zusätzliche Kühlung wie z. B. durch einen Gas- oder Wasserstrahl auf die Schmelzpunkte gerichtet und dem Energieoder Hitzestrahl nachgeführt.

Vorzugsweise erfolgt die Verschiebung des oder der Energie- oder Hitzestrahlen in Bezug auf die Gleitlegierung durch eine Längsverschiebung der Gleitlegierung einerseits und eine hin und her gehende Querverschiebung des oder der Energie- oder Hitzestrahlen.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ernält die Gleitlegierungsschicht in ihrer gesamten Ausdehnung und Tiefe eine Struktur mit einer feinen Verteilung des oder der weicheren Legierungsanteils( e) in dem Hauptbestandteil der Legierung durch punktförmige Schmelzung mittels eines oder mehrerer Energie- oder Hitzestrahlen.

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Hash einer besonderen erfindungsgemäßen Verfahrensweise wird die Gleitlegierungsschicht auf ein Stahlstück aufgebracht und die Gleitlegierungsschicht nach dem Aufbringen auf das Stahlstück in ihrer gesamten Ausdehnung und Tiefe mittels hoch konzentrierter Energie- oder Hitzestrahlen einer örtlich fortschreitenden, punktförmigen Schmelzung unterzogen. Dabei ist dann der Energie- oder Hitzestrahl hinsichtlich seiner Intensität und Tiefenwirkung vorzugsweise so abgestimmt, daß er auf das die Gleitlegierungsschicht tragende Stahl- oder Metallstück ohne Auswirkung bleibt.

Die punktartige Schmelzung der Gleitlegierungen erfolgt vorteilhafterweise unter einer oxydationsfreien Atmosphäre, d. h. unter Ausschluß von Sauerstoff.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhafterweise nicht nur bei der Herstellung einer Gleitlegierungsschicht, insbesondere Gleitlagerlegierungsschicht an sich oder eines VerbundwerkstoffStreifens aus einer Gleitlegierung auf vorzugsweise Stahl, sondern auch bei den aus einem solchen Verbundwerkstoffstreifen hergestellten Produkten angewendet werden.

Mit der Erfindung wird ein Verfahren zur Vergütung von Gleitlegierungen für die Beschichtung von Metall-₍insbesondere Stahlstreifen, von so vergüteten Verbundwerkstoff streifen und von aus solchen Verbundwerkstoffstrei-

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fen hergestellten Erzeugnissen geschaffen, nach dem die Gleitlegierungen, aufgetragen auf einen Stahlrücken, in ihrer gesamten Ausdehnung und Tiefe mittels hoch konzentrierter Energiestrahlen (elektronisch oder anders) einer punktförmigen Schmelzung unterzogen werden, wobei jeder Energiestrahl in seiner Intensität und Verschiebung sge sch wind igkeit auf die Verhältnisse und Bedingungen der Leitlegierungen abgestimmt ist, um eine punktförmige Schmelzung zu ermöglichen, in einer Tiefe, die der Dicke dieser G-leitlegierungen genau entspricht, wobei die Konzentration jedes Energiestranis so abgestimmt ist, daß eine plötzliche Abkühlung der Schmelze durch die den Schmelzpunkt umgebende Masse dieser Legierungen erfolgt, wenn der Energiestrahl von einem Schmelzpunkt zum anderen verschoben wird.

Durch die genaue Konzentrierung der Energie- oder Hitzestrahlen zur Schmelzung und der unter anderem dadurch ermöglichten schnellen Abkühlung der einzelnen Schmelzpunkte, die durch besondere Maßnahmen unterstützt werden kann, ergibt sich nach einem verhältnismäßig einfachen und leicht durchführbaren Verfahren eine feinste Verteilung der Bestandteile der Legierung ohne Bildung von Dendriten oder kugelförmigen Anhäufungen eines Bestandteils im Hauptbestandteil der Legierung.

Weitere Aufgabenstellungen, Merkmale und Vorteile der Er-

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findung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der anhängenden Zeichnung .

Fig. 1 zeigt schematisch einen Längsschnitt eines Verbundwerkstoff Streifens, der aus einer Stahlstützschicht und einer Gleitlegierungsschicht besteht, bevor er der Vergütung unterworfen wurde.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf den Verbundwerkstoff streifen nach Fig. 1 während der Vergütung seiner Gleitlegierungsschicht.

Fig. 3 zeigt schematisch einen Längsschnitt des Verbundwerkstoff Streifens während der Vergütung seiner Gleitlegierungsschicht.

Fig. 1 zeigt den otahlstreifen 20, auf den die Gleitlegierung 10 mittels herkömmlicher Verfahren aufgetragen wurde. Die Gleitlegierungsschicht 10 des Verbundwerkstoffstreifens weist eine Struktur auf, in der der weichere Bestandteil (Phase) 11 in Form von Inseln in dem härteren Hauptbestandteil (Phase) 12 verteilt ist.

VerfahrensgemäS wird nun die Oberfläche eines so strukturierten Verbundwerkstoffstreifens, die mit der Gleitlegierung beschichtet ist, einem oder mehreren Energie-

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oder Hitzestrahl bzw. Energie- oder Hitzestrahlen 30 (elektronisch oder anders) einer entsprechenden Energiequelle ausgesetzt, wobei jeder Energiestrahl besonders konzentriert ist; jeder Energiestrahl besitzt die Fähigkeit, die ihm ausgesetzte Oberfläche völlig abzuwandern, indem er Punkt für Punkt diese Oberfläche in einzelnen Flächen, die dem Querschnitt des jeweiligen Strahls 30 entsprechen, schmilzt. Die Energie jedes Strahls ist so gesteuert, daß sie die Legierung 10 nur in der nötigen liefe schmilzt, die genügt, um die Oberfläche zwischen Stahl und Gleitlegierung zu erreichen, ohne daß sie auch den Stahl erreicht bzw. sich auf diesen auswirkte.

Die punktförmige Schmelzung erfolgt in sehr kurzen Zeitabständen, da jeder Energiestrahl besonders konzentriert ist. Die Schmelzung muß in einer Kammer unter einer Schutzatmosphäre, die eine Oxydation des Materials während der Vergütung verhindert, durchgeführt werden.

Um die Vergütung durchzuführen, wird der Streifen zum Beispiel mit der Längsrichtung, wie sie durch den Pfeil L in Pig. 2 und 3 angedeutet ist, mit einer gewissen Geschwindigkeit bewegt, während dessen jeder Energiestrahl 30 sich senkrecht zur durch den Pfeil L angedeuteten Richtung hin- und hergehend, wie es durch die Pfeile T in der Fig. 2 angedeutet ist, mit einer Geschwindigkeit, die für die Schmelzung geeignet ist, in der Querrichtung zur Längsache des Verbundwerkstoffstreifens bewegt.

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Mittels Steuerung der Intensität der Energie jedes Strahls und seiner Verweilzeit über einem Punkt des Verbundwerkstoffstreifens kann man die vollständige Schmelzung bzw. Verflüssigung zwischen den Elementen der Legierung in den Punkten des Strahleinfalls 31 dieser Energie erreichen.

In dem Augenblick, in dem jeder Strahl einen Punkt verläßt und -zum nächsten übergeht, erfolgt eine plötzliche Abkühlung wegen des Wärmetransports bzw. der Wärmeabgabe von dem geschmolzenen Punkt zu der ihn umgebenden Masse aus Gleitlegierung und otahlrücken, die nicht von dem Strahl erreicht wurde. Diese Selbstabkühlung, die plötzlich verläuft, ruft eine unmittelbare Erstarrung des Bestandteils der Legierung hervor, die den höheren Schmelzpunkt besitzt, wobei der Bestandteil oder die Bestandteile des niedrigeren Schmelzpunktes in ihrem Kristallnetzwerk gefangen werden. Damit vermeidet, man die Anhäufung dieser Bestandteile bzw. Phasen des niedrigeren Schmelzpunktes in Form von Inseln und erhält eine besonders reine gleichmäßige und gleichmäßig gekörnte Verteilung des weicheren Bestandteils in dem Hauptbestandteil der Legierung.

Dieses rasche Erstarren des härteren Hauptbestandteils kann noch schneller erfolgen, wenn man durch äußere Mittel wie zum Beispiel durch Strahlen /on Gas oder Wasser zusätzlich abkühlt.

Wenn man die Geschwindigkeiten der Bewegung des Verbundwerkstoff streif ens ζ. B. in seiner Längsrichtung und

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des Über8treichens jedes der Energiestrahlen aufeinander abstimmt, kann man eine gleichmäßige Vergütung der ganzen Gleitlegierung erhalten, und zwar einmal zunächst eines Verbundstreifens, dann aber auch des aus einem Verbundstreifen, sei er vergütet oder noch nicht, hergestellten Erzeugnisses in einer bisher unerreichten Qualität.

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Claims

iISTAL LEVE 3.A. I ^D(JS TI, IA E COM3:;ΟΙΟ I.ua Brasilio Luz 535 04745 - Sao Paulo - J.P. -, Brasilien Verfahren zur Vergütung von "ileitle^ierungen, inabesondere fr 1 ei t lager legierungen Paten tan spräche

1. Verfahren zur Vergütung .on Grleitlegierungen für die Besohioatun-j on Metall-, insbesondere Stahlstreifen bei aus einem Metallblech und einer darauf aufgebrachten bcliient einer Gleitlegierung bestehenden Verbundwerkstoffstreifen und bei aus solchen Verbundwerkstoff streifen herstellbaren Erzeugnissen, dadurch .gekennzeichnet, da;3 die Gleitlegierung (10) durch einen oder mehrere, stark konzentrierte Energie- oaer Hitzestrahlen (30) einer örtlich fortschreitenden, punktförmigen Schmelzung unterzogen wird, wobei der konzentrierte Energieoder Hitzestrahl (30) nach und nach über die gesamte Oberfläche aer Gleitlegierung (10) wandert und für eine gute Wärmeableitung an jedem einzelnen «n dem Energie- oder Hitaetrahl (30) verlassenen Punkt der Gleitlegierung (10) gesorgt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Energie- oder Hitzestrahl (30) elektronisch

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oder auf eine andere an si2h bekannte Weise erzeugt und gesteuert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Energie- oder Hitzestrahl (30) hinsichtlich seiner Intensität, seiner Fortbewegungsgeschwindigkeit und seiner Tiefenwirkung auf die Dicke der Gleitlegierungsschicht (10) abgestimmt ist und daß er derart auf eine punktförmige Fläche konzentriert ist, daß nach seiner Verschiebung von einem Schmelzpunkt (31) auf einen Kachbarpunkt durch Wärmeableitung ein plötzliches Abkühlen der Schmelze bewirkt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableitung /on einem Schmelzpunkt (3"I) durch die benachbarte Masse selbst bewirkt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurc-n gekennzeichnet, daß im Falle von Verbundwerkstoffstreifen die Wärmeableitung von einem Schmelzpunkt (31) in überwiegendem Maße von dem mit der Gleitlegierung (10) beschichteten Metallstreifen (20) bewirkt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur plötzlichen Abkühlung der Schmelzpunkte (31) und der beschleunigten Erstarrung

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der Gleitlegierung (10) an diesen Schmelzpunkten (31) eine zusätzliche Kühlung wie z. B. durch einen Gasoder Wasserstrahl auf die Schmelzpunkte (31) gerichtet und dem Energie- oder Hitzestrahl (30) nachgeführt wird .

Verfahren nach einem der Ansprache 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung des oder der Energie- oder Hitzestrahlen (30) in Bezug auf die Gleitlegierung (10) durch eine Längsverschiebung der Gleitlegierung (10) einerseits und eine hin und ner gehende Querverschiebung des oder der Energie- oder Hitzestrahlen (30) erfolgt.

Verfahren nach, einem der An-sprliche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitlegierungsschicht (10) in ihrer gesamten Ausdehnung und Tiefe eine Struktur iiiit einer feinen Verteilung des oder der weicheren Legierungsanteils~(e) in dem Hauptbestandteil der Legierung durch punktförmige Schmelzung mittels eines oder mehrerer Energie- oder Hitzestrahlen erhält.

Verfahren na/h einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitlegierungsschicht (10) auf ein Ütahlstück (20) aufgebracht und die Gleitlegierungsschicht (10) nach dem Aufbringen auf das otaJalstück (20) in ihrer gesamten Ausdehnung und

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Tie.fe mittels hoch konzentrierter Energie- oder Hitzestrahlen einer örtlich fortschreitenden, punktförmigen Schmelzung unterzogen wird.

10. Verfahren nach einein der Anspräche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der xSnergie- oder Hitzestrahl (30) hinsichtlich seiner Intensität und Tiefenwirkung so abgestimmt wird, daß er auf das die Gleitlegierungsschicht (10) tragende Stahl- oder Metallstück (20) ohne Auswirkung bleibt.

11. Verfahren na:h einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die punktartige Scnmelzung der G-leitlegierungen (10) unter einer oxydationsfreien Atmosphäre erfolgt.

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