DE3519452A1 - Schichtwerkstoff fuer gleitlagerelement mit antifriktionsschicht aus einem lagerwerkstoff auf aluminiumbasis - Google Patents

Schichtwerkstoff fuer gleitlagerelement mit antifriktionsschicht aus einem lagerwerkstoff auf aluminiumbasis

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DE3519452A1 DE19853519452 DE3519452A DE3519452A1 DE 3519452 A1 DE3519452 A1 DE 3519452A1 DE 19853519452 DE19853519452 DE 19853519452 DE 3519452 A DE3519452 A DE 3519452A DE 3519452 A1 DE3519452 A1 DE 3519452A1
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Description

Dipl.-Phys. Heinrich Seids · Patentanwalt · Bierstadter Höhe 15 . Postfach 5105-6200 Wiesbaden! . 1^g (0 6121) 56 2022
Schichtwerkstoff für Gleitlagerelement mit Antifriktionsschicht aus einem Lagerwerkstoff auf Aluminium-Basis
Die Erfindung betrifft einen Schichtwerkstoff für Gleitlagerelement, z.B. Radial- bzw. Axial-Gleitlager,
der aus einer metallischen Stützschicht und einer auf ! der Stützschicht angebrachten Antifriktionsschicht aus ; 5 Lagerwerkstoff auf Aluminiumbasis besteht und ggf. mit einer aufgebrachten Bindungsschicht und Anpassungsschicht versehen ist.
Aluminium-Legierungen werden in weitem Umfang in Pleuel- und Kurbelwellen-Gleitlagern von Verbrennungsmotoren seit Jahrzehnten erfolgreich benutzt.
In Verbrennungsmotoren zu benutzende Gleitlagerwerkstoffe ! müssen hohen spezifischen Belastungen und hohen Temperaturen standhalten. Deshalb wurde in den letzten Jahren
viel Mühe darauf verwendet, Gleitlagerlegierungen auf i
; 15 Aluminiumbasis mit hoher Beständigkeit gegen festfressen,
hoher Dauerfestigkeit und Verschleißfestigkeit bereit-' zustellen.
In PCT/JP 82/00411, deutsche Veröffentlichung DE 32 49 ! T1 sind Lager aus einer Legierung auf Aluminium-Basis beschrieben, wobei in umfangreichen, ausführlichen
Erläuterungen von der theoretischen Annahme ausgegangen wird, daß in einer solchen Legierung auf Aluminium-Basis Hartteilchen vorhanden sein sollen, die relativ j groß sein müssen, damit die Gleitlagerlegierung gute • 25 Eigenschaften, insbesondere im Bezug auf Anpassungsfähigkeit und Widerstand gegen Festfressen erhält. In DE 3249133 werden insbesondere Lagerlegierungen auf Aluminium Basis als Mehrkomponentensystem beschrieben, in welchem
Dipl.-Phys. Heinrich Seids . Patentanwalt · Bierstadter Höhe 15 · Postfach 5105 . 6200 Wiesbaden i -'1^ (0 6121) 56 20
neben den vorhandenen Hartteilchen auch niedrigschmelzende bzw. weiche Teilchen vorhanden sein sollen. Insgesamt handelt es sich bei den aus DE-32 49 133 T1 bekannten Lagerlegierungen um komplexe Systeme, deren Herstellung bereits kompliziert ist. Die Verarbeitung dieser Lager-
legierungen für die Herstellung von Schichtwerkstoff J bzw. Gleitlagerelementen erfordert besondere Vorsicht, : um Veränderungen im Mehrkomponenten-System zu vermeiden. Während des Betriebes solcher Gleitlagerelemente, insbesondere unter erhöhter Temperatur und hoher Belastung, : wie sie in Verbrennungskraftmaschinen auftreten, lassen ' sich nachteilige Veränderungen in dem Mehrkomponenten- ; System dieser bekannten Lagerlegierungen auf Aluminium-Basis nicht mit der erforderlichen Sicherheit aus-15 schließen.
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen Schichtwerkstoff für ein Gleitlagerelement mit einer Antifriktionsschicht aus Lagerlegierung auf Aluminium-Basis mit hervorragenden Lagerwerkstoffeigenschaften zu schaffen, i bei dem die Herstellung des Schichtwerkstoffes bzw. j das Gleitlagerelement unter günstigen wirtschaftlichen ί Bedingungen unter reproduzierbarer Sicherstellung der gewünschten Lagerwerkstoffeigenschaften gewährleistet ist und die gewünschten Lagerwerkstoffeigenschaften auch unter erschwerten Betriebsbedingungen erhalten bleiben.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Lagerwerkstoff eine nahezu homogene Aluminiumlegierung, bestehend aus 1 bis 3 Gew.-% Nickel, 0,5 bis 2,5 Gew.-% Mangan, 0 bis 2 Gew.-% Blei und Rest Aluminium mit den üblichen |
zulässigen Verunreinigungen ist.
Wie sich überraschender Weise in Verbindung mit der Er- j findung herausgestellt hat, ist grundsätzlich für die j Antifriktionsschicht aus Lagerlegierung auf Aluminiumbasis!
Dipl.-Phys. Heinrich Seids · Patentanwalt · Bierstadter Höhe IS · Postfach 5105 ■ 6200 Wiesbaden I . ^ (0 61 21) 56 20
nur eine Kombination der Elemente Nickel und Mangan in kleinen Mengen mit dem Aluminium vorzusehen, um die gestellten Forderungen in Bezug auf Dauerfestigkeit, Anpassungsfähigkeit und insbesondere Temperaturbeständigkeit der Antifriktionsschicht voll zu erfüllen. Der erfindungsgemäße Schichtwerkstoff läßt sich in wirtschaftlich günstiger Weise mit voller Reproduzierbarkeit der Lagerwerkstoffeigenschaften der Antifriktionsschicht herstellen und behält diese Lagerwerkstoffeigenschaften auch im Betrieb unter erhöhter Temperatur und der an Gleitlager elementen in Verbrennungskraftmaschinen auftretenden dynamischen Belastung. Dabei genügen bereits die Zusätze von Mangan und Nickel an den angegebenen unteren Grenzen, um die gewünschten Lagerwerkstoffeigenschaften zu erreichen. Höhere Mangangehalte und Nickelgehalte als die oben angegebenen oberen Grenzen ergeben Ausscheidungen größerer Hartstoffteilchen, die sich im Gegensatz zu den Ausführungen in DE 32 49 133 T1 bei in Verbindung mit der Erfindung durchgeführten Verschleißversuchen als nachteilig herausgestellt haben.
Bevorzugt können für den die Antifriktionsschicht bildenden Lagerwerkstoff auf Aluminium-Basis Zusätze von etwa 1,5 bis 2,5 Gew.-% Nickel und 1 bis 1,5 Gew.-% Mangan vorgesehen werden.
Geringe Bleizusätze können zugegeben werden, um bessere Zerspanbarkeit bei Anwendung niedriger Schnittgeschwindigkeiten für die Oberflächenbearbeitung zu erreichen.
Sofern beim erfindungsgemäßen Schichtwerkstoff der die Antifriktionsschicht bildende Lagerwerkstoff nicht vollständig homogen ist, kann er im Rahmen der Erfindung derart eingestellt werden, daß die in ihm vorhandenen Hartteilchen aus Nickel und Mangan oder nickelhaltigen und manganhaltigen Hartteilchen im wesentlichen Teilchengrößen < 5 um aufweisen, wobei weniger als 5, bevorzugt
DipL-Phys. Heinrich Seids · Patentanwalt · Bierstadter Höhe 15 · Postfach 5105 ■ 6200 Wiesbaden 1 . Ίξ5 (Ο 6121) 56 20
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höchstens 1 Teilchen mit Teilchengröße > 5 um in einem Volumenelement eines Würfels von 0,1 mm Kantenlänge vorhanden sein soll.
Für den erfindungsgemäßen Schichtwerkstoff kann die Lagerlegierung auf Aluminium-Basis durch Schmelzen von bevorzug Reinaluminium 99,0 oder besser und den Zusätzen der gewünschten Mengen an Nickel, Mangan und ggf. Blei nach : herkömmlichen Schmelzverfahren hergestellt werden. Die geschmolzene Legierung kann gegossen und dann allseitig ; 10 geschält bzw. gefräst werden. Auch ein Stranggießen oder J Strangpressen der Legierung ist möglich. Anschließend ; läßt sich aus der Legierung in bekannter Arbeitsweise nach (wenn nötig) wiederholtem Walzen und Glühen ein Blech der gewünschten Dicke herstellen. Dieses Blech läßt sich nach vorheriger Behandlung ohne Zwischenschicht auf ein vorbereitetes Stahlblech walzplattieren. Der Stützwerkstoff kann dabei sowohl als Streifen oder auch als Band vorliegen. In einem solchen Herstellungsgang läßt sich Schichtwerkstoff herstellen, bei dem die Anti-
[ 20 friktionsschicht aus dem Lagerwerkstoff auf Aluminium-Basis Schichtdicke zwischen 0,1 mm und 1 mm aufweist, vorzugsweise 0,2 mm bis 0,5 mm.
Der erfindungsgemäße Schichtwerkstoff läßt sich auch in hervorragender Weise in Beschichtungsmethoden durch Kathoden ί 25 zerstäuben oder Vakuumbedampfen herstellen, wobei Schicht- ; dicken für die Antifriktionsschicht von maximal 0,05 mm ι vorzusehen sind. Für erfindungsgemäßen Schichtwerkstoff mit in solchen Beschichtungsmethoden hergestellter Antifriktionsschicht empfiehlt es sich, einen Stützwerkstoff . 30 vorzusehen, der selbst Schichtwerkstoff ist, z.B. ein j \ Stahl-Aluminium-Schichtwerkstoff oder ein Stahl-Bleibronze-I ; Schichtwerkstoff, wobei die Beschichtung mit dem Lager- j , werkstoff auf Aluminium-Basis an der Aluminiumseite bzw.
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der Bleibronzeseite vorzunehmen ist.
Der Schichtwerkstoff gemäß vorliegender Erfindung eignet sich auch ohne eine zusätzliche Überplattierung (overlay) zur Herstellung als Gleitlagerelement u.a. für Verbrennungskraftmaschinen, während für herkömmliche Gleitlagerelemente mit Gleitschicht auf Aluminium-Basis eine solche überplattierung oftmals unentbehrlich ist. Eine zusätzliche Plattierung bzw. das Anbringen einer Anpassungsschicht ist bei dem Erfindungsgemäßen Schichtwerkstoff wegen der Quasi-Homogenität des Aluminium-Lagerwerk-stoffs mit geringen Zusätzen an Nickel und Mangan in einfacher Weise möglich und auch zu empfehlen, wenn eine Erhöhung der spezifischen Belastbarkeit des Gleitlagerelements erwünscht ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Balkendiagramm für die dynamische Belastbarkeit;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Schichtwerkstoffs in Form einer
Gleitlagerhälfte;
Fig. 3 einen Teilschnitt entsprechend III-III der
Figur 2 und
Fig. 4 einen Teilschnitt nach III-III der Figur 2 in abgewandelter Ausführungsform.
Bei dem in Figur 1 gezeigten Balkendiagramm handelt es sich um die Darstellung der dynamischen Belastbarkeit von Schichtwerkstoff mit Antifriktionsschicht auf Aluminium-Basis bezogen auf 200 Stunden. DTe dynamische Belastbar- j keit ist dabei ermittelt aus Restlastkurven von Underwood-Versuchen bei 1500C. Die in Vergleich gesetzten Schicht-
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werkstoffe hatten einen Stützwerkstoff aus Stahl und eine Antifriktionsschicht, die durch Aufplattieren eines Bleches aus gegossener Aluminiumlegierung ggf.
j unter Zwischenlage einer Folie aus Reinaluminium auf 5 die Stützschicht aufgebracht war.
; Die im Balkendiagramm der Figur 1 in Vergleich gesetzten
Schichtwerkstoffe sind wie folgt: \
A: Stdhl/AINi2Mn1 gemäß Erfindung, ohne Bindungsschicht > und Anpassungsschicht.
10 B: Stahl/AlSnö, herkömmlich, ohne Bindungsschicht und j
Anpassungsschicht. j
C: Stahl/AlSn20, herkömmlich, ohne Bindungsschicht und
Anpassungsschicht.
D: Stahl/A.lNiZMni/Ni/PbSniOCuZ (GaIv.) gemäß Erfindung
j 15 mit Ni-Bindungsschicht und PbSn10Cu2 Anpassungsschicht
j beide galvanisch aufgebracht.
E: Stahl/AlSn6/Ni/PbSn10Cu2 (GaIv.), herkömmlich mit Ni-Bindungsschicht und PbSniOCuZ-Anpassungsschicht beide galvanisch aufgebracht.
F: Stahl/AiZn5/Ni/PbSn10Cu2 (GaIv.), bekannter hochfester j Al-Lagerwerkstoff mit Ni-Bindungsschicht und PbSnIOCu2-i Anpassungsschicht, beide galvanisch aufgebracht. ί
Wie das Balkendiagramm zeigt, läßt sich mit einem S-chicht-j werkstoff mit Stützschicht aus Stahl und Antifriktions- !
schicht aus A1Ni2Mη 1 eine dynamische Belastbarkeit von j 60 N/mm2 erreichen, bevor Risse in der Aluminiumschicht j feststellbar sind. Wie aus dem Teil D des Blockdiagramms j ersichtlich, kann durch Anbringen einer Nickel-Bindungs- j sch,ent und einer PbSn10Cu2-Anpassungsschicht auf der j Antifriktionsschicht die dynamische Belastung von ; Gleitlagern noch in den Bereich der normalerweise auf- · tretenden Gleitschichtermüdung erhöht werden, bis auf I etwa 75 N/mm2, bis Ermüdungsrisse in. der Aluminiumschicht · feststellbar sind. Solche Werte lassen sich mit den her- ' kömmlichen, für mittlere Belastbarkeit vorgesehenen Gleit-·
BAD ORIGINAL
ί Dipl.-Phys. Heinrich Seicls ■ Patentanwalt · bkrstadter Höhe 15 · Postfach 5105 · 6200 Wiesbaden 1 · 1JSf' (0 6121) 56 20 22 j
lagerwerkstoffen auf Aluminiumbasis erreichen, wie dies
die. Beispiele B, C und E für AlSn6 und AlSn20 mit oder
ohne Anpdssungsschicht zeigen. Die dynamische Belast-
\ barkeit von Gleitlagern mit Antifriktionsschicht aus
gegossener AlNi2Mn1 Lagerlegierung erreicht somit eine
\ Größenordnung, wie sie bisher nur bei hochfesten Al- j
\ Lagerwerkstoffen bekannt ist, beispielsweise dem im '
Beispeil F wiedergegebenen Lagerwerkstoff mit Anti- '
friktionsschicht aus gegossener AlZn5-Legierung. Diese =
letztere Legierung ist aber nicht ohne Anpassungsschicht j
einsetzbar und weist hinsichtlich anderer Lagerwerkstoff- ;
eigenschaften wie Beständigkeit gegen Festfressen, !
Verschleißfestigkeit usw. wesentlich ungünstigere Eigen- i
ι schäften auf als diejenigen, die für Lagerlegierungen
auf Aluminium-Basis mit den angegebenen geringen Zusätzen ; an Mangan und Nickel gefunden wurden.
ι Die Figuren 2 bis 4 zeigen die Anwendung des Schichtwerkstoffes für Lagerschalen, d.h. aus zwei Gleitlagerhälften
zusammengesetzte Gleitlager. Bei dem in Figur 3 wiederge- . ι 20 gebenen Gleitlager ist ein metallischer Stützkörper 1 j : aus Stahl vorgesehen. Auf diesen Stützkörper 1 ist eine j Antifriktionsschicht 2 in Dicke von 0,2 bis 0,5 mm aus S AlNi2Mn1 durch Walzplattieren direkt aufgebracht. Diese ; Antifriktionsschicht 2 ist durch elektrochemisches ! Plattieren, d.h. auf galvanischem Wege mit einer dünnen
: Nickelschicht 3 belegt, die eine Dicke von 0,001 bis 0,002 | : mm aufweisen kann, über diese Bindungsschicht 3 aus Nickel
ist auf galvanischem Wege eine Anpassungsschicht 4 aus
Weißmetall-Lägerlegierung der Zusammensetzung PbSn10Cu2
in einer Dicke von 0,05 bis 0,1 mm aufgebracht. Die
Gesamtheit dea Schichtwerkstoffs ist von einer vorzugsweise galvanisch aufgebrachten Korrosionsschutzschicht 5
aus Zinn oder Zinn-Blei legierung umgeben. Es handelt
sich hierbei um einen dünnen Flash, der auf der Oberfläche der Anpassungsschicht 4 kaum in Erscheinung tritt,
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aber insbesondere im Bereich der Stützschicht 1 einen wirksamen Korrosionsschutz bietet.
Im Beispiel der Figur 4 ist die metallische Stützschicht 1 selbst als Schichtwerkstoff ausgebildet und zwar mit einer Stahlschicht 7 und einer Zwischenschicht 8 mit Notlaufeigenschaften, beispielsweise aus Bleibronze oder Zinnbronze. Beispielsweise könnte auch eine Zwischen- j schicht 8 aus AlZn5 benutzt werden. Auf diese Zwischen- j schicht 8 ist eine dünne Nickelschicht 9 (0,001 bis 0,002 mm) durch Kathodenzerstäubung als Diffusionssperre auf- j gebracht, über diese Nickelschicht 9 ist durch Kathoden- \ zerstäubung, vorzugsweise Hochleistungs-Kathodenzerstäubungi unter Anwendung von Magnetfeldern die Antifriktionsschicht j 6 aus Aluminium-Nickel-Mangan-Legierung mit 2,5 Gew.-% Nickelgehalt und 2 Gew.-% Mangangehalt, Rest Aluminium j aufgebracht. Diese Antifriktionsschicht 6 ist wiederum |
überdeckt rc it einer dünnen (0,001 mm bis 0,002 mm), durch Kathodenzerstäubung aufgebrachten Bindungsschicht 3 überdeckt, auf der wiederum eine Einlaufschicht oder j Anpassungsschicht 4 aus Weißmetall-Lagerlegierung in einer J Dicke von etwa 0,02 bis 0,03 mm durch Kathodenzerstäubung j aufgebracht, ist. Für das Aufbringen dieser Schichten kommen Kathodenzerstäubungs-Beschichtunysmethoden in Betracht, wie sie beispielsweise aus dem Aufsatz von j Hartmut Frey "Kathodenzerstäuben, Beschichtungsmethode mit Zukunft", VDI-Z 123 (1981) Nr. 12, Seiten 519 bis 525 bekannt sind.
Anstelle der Benutzung von Kathodenzerstäubungs-Beschichtungsmethoden könnten die Antifriktionsschicht, die Bindungsschicht und die Anpassungsschicht sowie vorzu- j sehende Diffusionssperrschichten auch durch Vakuumbedampferi oder auf galvanischem Wege aufgebracht werden. ;
BAD QfIlGINAL

Claims (8)

PATENTANWALT DIPL.-PHYS. HEINRIcA5S1IIfo 6200 Wiesbaden 1 · Bierstadter Höhe 15 · Postfach 5105 · Telefon (0 6121) 56 20 22 Postgiro-Konto Frankfurt/Main 1810 08-602 · Bank: Deutsche Bank 306 571 · Nass. Sparkasse 120 040 Wiesbaden, den 30. Mai 1985 G 579 VNR: 107565 S/ha Glyco-Metall-Werke Daelen & Loos GmbH Stielstraße 11 6200 Wiesbaden Schichtwerkstoff für Gleitlagerelement mit Antifriktionsschicht aus einem Lagerwerkstoff auf Aluminiumbasis Patentansprüche
1) Schichtwerkstoff für Gleitlagerelement, z.B. Radial-Axial-Gleitlager, bestehend aus einer metallischen Stützschicht und einer auf der Stützschicht angebrachten Antifriktionsschicht auf Aluminiumbasis, gegebenen· falls versehen mit einer aufgebrachten Bindungsschicht und Anpassungsschicht,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Lagerwerkstoff eine nahezu homogene Aluminiumlegierung bestehend aus 1 bis 3 Gew.-%, vorzugsweise 1,5· bis 2,5 Gew.-% Nickel, 0,5 bis 2,5 Gew.-Ϊ, vorzugsweise 1 bis 2 Gew.-%, Mangan, 0 bis 2 Gew.-% Blei und Rest Aluminium mit den üblichen zulässigen Verunreinigungen ist.
2) Schichtwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Lagerwerkstoff vorhandene Hartteilchen aus Nickel und Mangan bzw. nickelhaltige und/oder manganhaltige Hartteilchen im wesentlichen in Teilchengrößen < 5 [im vorliegen, wobei weniger als 5,
ORIGINAL IMSFECTED
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-2- 3?19452
bevorzugt nöchstens 1 Hartteiichen mit Teilchen > 5 pm in einem Volumenelement eines Würfels von 0,1 mm Kantenlänge vorhanden sind.
3) Schichtwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge-5 kennzeichnet, daß die metallische Stützschicht aus Stahl besteht.
4) Schichtwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, : dadurch gekennzeichnet, daß die Antifriktionsschicht ; aus dem Lagerwerkstoff auf Aluminiumbasis eine Schicht-10 dicke von 0,1 mm bis 1 mm, bevorzugt 0,2 mm bis ! 0,5 mm, aufweist.
5) Schichtwerkstoff nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennj zeichnet, daß die Antifriktionsschicht durch direktes
Walzplattieren eines Bleches aus dem Lagerwerkstoff ! 15 auf Aluminiumbasis auf die Stahloberfläche der Stützj schicht gebildet ist.
6) Schichtwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn-' zeichnet, daß die Antifriktionsschicht aus dem Lagerwerkstoff auf Aluminiumbasis in einer Dicke < 0,05 mm mittels einer Beschichtungsmethode durch Kathodenzerstäuben oder Vakuumbedampfen aufgebracht ist.
7) Schichtwerkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Stützschicht zwei- oder mehrschichtig ausgebildet ist und die die Antifriktionsschicht tragende Schicht aus Notlaufeigenschaften aufweisendem Material besteht.
8) Schichtwerkstoff nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Stützschicht ein Stahl-Aluminium-Schichtwerkstoff oder ein Stahl-Bleibronze-Schichtwerkstoff ist, wobei die Antifriktionsschicht
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auf der Aluminium-Seite bzw. Bleibronze-Seite dieses Schichtwerkstoffes angebracht ist.
DE19853519452 1985-05-31 1985-05-31 Schichtwerkstoff fuer gleitlagerelement mit antifriktionsschicht aus einem lagerwerkstoff auf aluminiumbasis Granted DE3519452A1 (de)

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