DE3640328C2

DE3640328C2 -

Info

Publication number: DE3640328C2
Application number: DE19863640328
Authority: DE
Inventors: Michael 6501 Ober-Olm De Steeg; Peter 6203 Hochheim De Neuhaus; Albert 6000 Frankfurt De Roth
Original assignee: Glyco-Metall-Werke Daelen & Loos 6200 Wiesbaden De GmbH
Current assignee: Federal Mogul Wiesbaden GmbH
Priority date: 1985-05-31
Filing date: 1986-11-26
Publication date: 1989-02-09
Also published as: DE3640328A1

Description

Gegenstand des Hauptpatents ist ein Schichtwerkstoff für Gleitlagerelemente, z.B. Radial- bzw. Axial-Gleitlager, be stehend aus einer metallischen Stützschicht und einer auf der Stützschicht angebrachten Antifriktionsschicht aus Lager werkstoff aus Aluminiumbasis, ggf. versehen mit einer aufge brachten Bindungsschicht und Anpassungsschicht, wobei der Lagerwerkstoff eine nahezu homogene Alu miniumlegierung bestehend aus 1 bis 3 Gew.-%, vorzugsweise 1,5 bis 2,5 Gew.-% Nickel, 0,5 bis 2,5 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 2 Gew.-% Mangan und 0 bis 2 Gew.-% Blei und Rest Aluminium mit den üblichen zulässigen Verunreinigungen ist, und wobei in dem Lagerwerkstoff vorhandene Hartteilchen aus Nickel und Mangan bzw. nickelhaltige und/oder manganhaltige Hartteilchen im wesentlichen in Teilchengröße ≦5 µm vorliegen, und zwar weniger als 5, bevorzugt höchstens 1 Hartteilchen mit Teilchengröße ≧5 µm in einem Volumenelement eines Würfels von 0,1 mm Kantenlänge vorhanden sind. Der Schichtwerkstoff nach dem Hauptpatent ist mit hervorragenden Lagerwerkstoffeigenschaften ausgestattet und läßt sich unter günstigen, wirtschaftlichen Bedingungen unter reproduzierbarer Sicherstellung der gewünschten Lagerwerkstoffeigenschaften herstellen.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Lagerwerkstoff gemäß Haupt patent dahingehend zu verbessern, daß die Härte, die Zugfestigkeit und die Dauerfestigkeit des Lagerwerkstoffs unter Beibehaltung guter Dehnungswerte gesteigert werden und auch die gemäß dem Hauptpatent erzielten vorteil haften Herstellungsmöglichkeiten für den Schichtwerkstoff beibehalten bleiben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die den Lagerwerkstoff bildende Aluminiumlegierung einen Kupfer zusatz zwischen 0,02 und 1,5 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,8 Gew.-% enthält.

Die Begrenzung des erfindungsgemäßen Kupferzusatzes zwischen 0,02 Gew.-% und 1,5 Gew.-% bedeutet, daß der Kupferzusatz gegenüber dem als zulässige Verunreinigung im Aluminium ent haltenen Kupfergehalt in der Legierung merklich sein soll, aber andererseits nicht oberhalb solcher Zusatzmenge, bei der eine Aushärtung der Legierung eintreten könnte.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß neben der gemäß Hauptpatent vorhandenen Mischkristallverfestigung des Lager werkstoffs in der AlNiMn-Legierung mit Cu-Zusatz auch ternäre und quaternäre Phasen bzw. Kristallarten auftreten, die durch ihre Härte eine Steigerung der Festigkeitswerte der Al-Matrix bewirken. Als weiterer Vorteil der Erfindung bietet die AlNiMn Cu-Legierung die Möglichkeit, durch die Wahl entsprechender Wärmebehandlungstemperaturen bzw. Wärmebehandlungszyklen im Laufe ihrer Verarbeitung die Höhe der Festigkeitswerte nach Wahl und Erfordernis jedes Einsatzfalles gezielt zu steuern. Diese Steuerungsmöglichkeit beruht, soweit erkennbar, wahr scheinlich auf der Steuerung der Mischkristallübersättigung sowie der Größe und Menge der Ausscheidungen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an hand 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 Fig. 2 und

Fig. 4 einen Teilschnitt nach III-III der Fig. 2 in abgewandelter Ausführung.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Balkendiagramm handelt es sich um die Darstellung der dynamischen Belastbarkeit von Schicht werkstoff mit Antifriktionsschicht auf Aluminiumbasis, be zogen auf 200 Stunden. Die dynamische Belastbarkeit ist dabei zu ermitteln aus Restlastkurven von Underwood-Versuchen bei 150°C. Die in Vergleich gesetzten Schichtwerkstoffe hatten einen Stützwerkstoff aus Stahl und eine Antifriktionsschicht, die durch Aufplattieren eines Blechs aus gegossener Aluminium legierung ggf. unter Zwischenlage einer Folie aus Reinaluminium auf die Stützschicht aufgebracht war.

Die im Balkendiagramm der Fig. 1 in Vergleich gesetzten Schichtwerkstoffe sind wie folgt:

A: Stahl/AlNi2Mn1 gemäß Hauptpatent, ohne Bindungsschicht und Anpassungsschicht.
A1: Stahl/AlNi2Mn1 mit 0,5 Gew.-% Cu-Zusatz gemäß Erfindung, ohne Bindungsschicht und Anpassungsschicht.
B: Stahl/AlSn6, herkömmlich, ohne Bindungsschicht und Anpassungsschicht.
C: Stahl/AlSn20, herkömmlich, ohne Bindungsschicht und Anpassungsschicht.
D: Stahl/AlNi2Mn1/Ni/PbSn10Cu2 (galv.) gemäß Hauptpatent mit Ni-Bindungsschicht und PbSn10Cu2-Anpassungsschicht, beide galvanisch aufgebracht.
D1: Stahl/AlNi2Mn1Cu 0,5/Ni/PbSn10Cu2 (galv.) gemäß Erfindung Ni-Bindungsschicht und PbSn10Cu2-Anpassungsschicht, beide galvanisch ausgebracht.
E: Stahl/AlSn6/Ni/PbSn10Cu2 (galv.), herkömmlich, mit Ni-Bindungsschicht und PbSn10Cu2-Anpassungsschicht, beide galvanisch aufgebracht.
F: Stahl/AlZn5/Ni/PbSn10Cu2 (galv.), bekannter hochfester Al-Lagerwerkstoff mit Ni-Bindungsschicht und PbSn10Cu2- Anpassungsschicht, beide galvanisch aufgebracht.

Wie das Balkendiagramm zeigt, läßt sich mit einem Schichtwerkstoff mit Stützschicht aus Stahl und Antifriktionsschicht aus AlNi2Mn1 mit 0,5 Gew.-% Kupferzusatz eine dynamische Belastbarkeit von etwa 65 N/mm² erreichen, bevor Risse in der Aluminiumschicht feststellbar sind. Wie aus Teil D1 des Blockdiagramms ersichtlich, kann durch Anbringen einer Nickel-Bindungsschicht und einer PbSn10Cu2-Anpassungsschicht auf der Antifriktionsschicht die dynamische Belastung von Gleitlagern noch in den Bereich der normalerweise auftretenden Gleitschichtermüdung erhöht werden bis auf etwa 80 N/mm², bis Ermüdungsrisse in der Aluminiumschicht feststellbar sind. Solche Werte lassen sich mit den herkömmlichen, für mittlere Belastbarkeit vorgesehenen Gleitlagerwerkstoffen auf Aluminiumbasis nicht erreichen, wie dies die Beispiele B, C und E für AlSn6 und AlSn20 mit oder ohne Anpassungsschicht zeigen. Die dynamische Belastbarkeit von Gleitlagern mit Antifriktionsschicht aus gegossener AlNi2Mn1-Lagerlegierung mit Kupferzusatz zwischen 0,002 und 1,5 Gew.-% läßt somit eine Größenordnung erreichen, die sie bisher nur bei hochfesten Aluminium-Lagerwerkstoffen bekannt ist, beispielsweise dem im Beispiel F wiedergegebenen Lagerwerkstoff mit Antifriktionsschicht aus gegossener AlZn5-Legierung, wobei der ermüdungsfreie Lauf bei einer Antifriktionsschicht aus AlNi2Mn1-Lagerlegierung mit 0,5 Gew.-% Kupferzusatz noch oberhalb des ermüdungsfreien Laufes einer Antifriktionsschicht aus gegossener AlZn5-Legierung liegt, wenn bei beiden Antifriktionsschichten gleiche An passungsschicht vorgesehen wird. Dabei kann die bekannte gegossene AlZn5-Legierung nicht ohne die Anpassungsschicht eingesetzt werden und weist hinsichtlich anderer Lagerwerk stoff-Eigenschaften, wie Beständigkeit gegen Festfressen, Verschleißfestigkeit usw. wesentlich ungünstigere Eigen schaften auf als diejenige die für Lagerlegierungen auf Aluminium-Basis mit angegebenen geringen Zusätzen an Mangan, Nickel und Kupfer gefunden wurden.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen die Anwendung des Schichtwerk stoffs für Lagerschalen, d.h. aus zwei Gleitlagerhälften zusammengesetzte Gleitlager. Bei dem in Fig. 3 wiederge gebenen Gleitlager ist ein metallischer Stützkörper 1 aus Stahl vorgesehen. Auf diesen Stützkörper 1 ist eine Anti friktionsschicht 2 in der Dicke von 0,2 bis 0,5 µm aus AlNi2Mn1 mit 0,5 Gew.-% Kupferzusatz 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 Bindungs schicht 3 aus Nickel ist auf galvanischem Wege eine An passungsschicht 4 aus Weißmetall-Lagerlegierung der Zusammen setzung PbSn1OCu2 in einer Dicke von 0,05 bis 0,1 mm aufge bracht. Die Gesamtheit des Schichtwerkstoffs ist von einer vorzugsweise galvanisch aufgebrachten Korrosionsschutz schicht 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, aber insbesondere im Bereich der Stützschicht 1 einen wirksamen Korrosionsschutz bietet.

Im Beispiel der Fig. 4 ist die metallische Stützschicht 1 selbst als Schichtwerkstoff ausgebildet und zwar mit einer Stahlschicht 7 und einer Zwischenschicht 8 mit Notlaufeigen schaften, beispielsweise aus Bleibronze oder Zinnbronze. Beispielsweise könnte auch eine Zwischenschicht 8 aus AlZn5 benutzt werden. Auf diese Zwischenschicht 8 ist eine dünne Nickelschicht 9 (0,001 bis 0,002 mm) durch Kathodenzerstäubung als Diffusionssperre aufgebracht. Über diese Nickelschicht 9 ist durch Kathodenzerstäubung, vorzugsweise Hochleistungs- Kathodenzerstäubung unter Anwendung von Magnetfeldern die Antifriktionsschicht 6 aus Aluminium-Nickel-Mangan-Kupfer- Legierung mit 2,5 Gew.-% Nickelgehalt, 2 Gew.-% Mangangehalt und 0,5 Gew.-% Kupfergehalt, Rest Aluminium aufgebracht. Diese Antifriktionsschicht 6 ist wiederum überdeckt mit einer dünnen (0,001 mm bis 0,002 mm), durch Kathodenzerstäubung aufgebrachte Bindungsschicht 3, auf der wiederum eine Ein laufschicht oder Anpassungsschicht 4 aus Weißmetall-Lager legierung in einer Dicke von etwa 0,02 bis 0,03 mm durch Kathodenzerstäubung aufgebracht ist. Für das Aufbringen dieser Schichten kommen Kathodenzerstäubungs-Beschichtungs methoden in Betracht, wie sie beispielsweise aus dem Aufsatz von Hartmut Frey "Kathodenzerstäuben, Beschichtungsmethode mit Zukunft", VDI-Zeitung 123 (1981), Nr. 12, Seiten 519 bis 525 bekannt sind. Anstelle der Benutzung von Kathodenzer stäubungs-Beschichtungsmethoden könnten die Antifriktions schicht, die Bindungsschicht und die Anpassungsschicht sowie vorzusehende Diffusionssperrschichten auch durch Vakuum bedampfen oder auf galvanischem Wege aufgebracht werden.

Claims

Schichtwerkstoff für Gleitlagerelemente, z.B. Radial- bzw. Axial-Gleitlager, bestehend aus einer metallischen Stützschicht und einer auf der Stützschicht angebrachten Antifriktionsschicht aus Lagerwerkstoff auf Aluminium basis, ggf. versehen mit einer aufgebrachten Bindungs schicht und Anpassungsschicht, wobei 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.-%, vorzugsweise 1 bis 2 Gew.-%, Mangan und 0 bis 2 Gew.-% Blei und Rest Aluminium mit den üblichen zulässigen Verunreinigungen ist, und wobei in dem Lagerwerkstoff vorhandene Hartteilchen aus Nickel und Mangan bzw. nickelhaltige und/oder manganhaltige Hartteilchen im wesentlichen in Teilchengröße ≦5 µm vorliegen und zwar weniger als 5, bevorzugt höchstens 1 Hartteilchen mit Teilchengröße ≧5 µm in einem Volumenelement eines Würfels von 0,1 mm Kantenlänge vorhanden sind, nach Patent 35 19 452, dadurch gekennzeichnet, daß die den Lagerwerkstoff bildende Aluminiumlegierung einen Kupferzusatz zwischen 0,02 und 1,5 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,8 Gew.-% aufweist.