DE4037746C2

DE4037746C2 - Vefahren zum Herstellen eines Lagers aus einer Aluminiumlegierung

Info

Publication number: DE4037746C2
Application number: DE4037746A
Authority: DE
Inventors: Tadashi Tanaka; Masaaki Sakamoto; Yoshiaki Sato; Tohru Kato
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 1989-11-27
Filing date: 1990-11-27
Publication date: 1999-03-18
Anticipated expiration: 2010-11-28
Also published as: KR910010082A; KR940002490B1; US5112416A; GB9025720D0; JP2564012B2; GB2239059B; DE4037746A1; JPH03168411A; GB2239059A

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Lager aus einer Aluminiumlegierung mit einer verstärkten Verbindungszwi schenschicht, das hohe Ermüdungsbeständigkeit und Anpassungsfähigkeit an die Oberfläche ein er rotierenden Welle bei Verwendung für Automotoren mit hoher Leistung und übliche Industriemaschinen zeigt.

Als übliche Lager aus Aluminiumlegierungen für Maschinen mit hoher Belastung sind Al-Sn-Legierungen. Al-Sn-Si-Legierungen und Al-Zn-Legierungen bekannt, die z. B. in den geprüften japanischen Patentpublikatio nen Nr. 52-12 131, 62-14 024 und 57-14 742 beschrieben sind. Jedes dieser Materialien ist mit einer Stahlplatte direkt oder durch eine Nickelplattierungsschicht, reine Aluminiumschicht oder Aluminiumlegierungsschicht niedriger Härte (z. B. 20 Hv oder weniger), die dazwischen als Verbindungszwischenschicht angebracht sind, verbunden, wobei ein Lager gebildet wird.

Bei der jüngsten Zunahme der Belastung von Maschinen bzw. Motoren wurden die obenerwähnten Lager aus einer Aluminiumlegierung zu solchen mit größerer Ermüdungsbeständigkeit und größerer Härte (z. B. eine Härte von 50 Hv oder weniger) verbessert. Solche Lagerlegierungen bringen jedoch die folgenden Probleme, wenngleich selten, mit sich:

(a) Erstens, ein Lager, das durch direktes Verbinden einer Stahlplatte und einer Lagerlegierung oder durch Verbinden der beiden durch eine Nickelplattierungsschicht, die dazwischen als Verbindungszwischenschicht vorgesehen ist, hergestellt worden ist, besitzt wegen der Härte der verwendeten Legierung schlechte Anpas sungsfähigkeit an eine Welle. Folglich neigen diese Lager bei Verwendung im Zusammenhang mit einer Welle, bei der sie schlechte Ausrichtung bzw. Misalignment oder Bewegung am Kopfende (heading motion) zeigen, zu frühzeitiger Ermüdung.
(b) Im Falle eines Lagers, das durch Verbinden einer Stahlplatte und einer Lagerlegierung miteinander durch eine reine Aluminiumschicht oder durch eine Aluminiumlegierungsschicht mit niedriger Härte (z. B. 20 Hv oder weniger) hergestellt worden ist, diffundieren die Hauptkomponenten der Lagerlegierung bei Verwendung eines Lagers unter hoher Belastung in die Zwischenschicht geringerer Härte und reichern sich nahe der Grenzregion zwischen der Stützschicht aus Stahl und der Legierungszwischenschicht an. Folglich neigt die Stützschicht aus Stahl zum Abblättern von der Zwischenlegierungsschicht in einer solchen Grenzregion.
(c) Im Falle eines Lagers, das durch Verbinden einer Stahlplatte und der Lagerlegierung miteinander durch eine reine Aluminiumschicht oder durch eine Aluminiumlegierungsschicht niedriger Härte (z. B. 20 Hv oder weniger) hergestellt worden ist, verformt sich die Zwischenschicht wegen ihrer niedrigen Härte plastisch, so daß sie hervordringt oder aus der Endoberfläche des Lagers herauskommt, wenn ein solches Lager unter hoher Belastung verwendet wird.

Im Hinblick auf die obigen Ausführungen liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Lager aus einer Aluminiumlegierung mit einer verstärkten Verbindungszwischenschicht bereitzustellen, das hinsicht lich der konventionellen Techniken inhärenten Nachteile verbessert worden ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die insgesamt im Patentanspruch angegebenen Maßnahmen gelöst.

Das erfindungsgemäße Lager auf einer Aluminiumlegierung besitzt sowohl eine ausgezeichnete An passungsfähigkeit als auch Ermüdungsbeständigkeiten, wobei es die Nachteile, die den Lagern nach dem Stand der Technik inhärent sind, vermeidet, so daß es eine hohe Zuverlässigkeit als Lager zur Verwendung bei Maschinen bzw. Motoren mit hoher Leistung besitzt.

Im folgenden werden die Gründe beschrieben, weshalb die Härte der Verbindungszwischen schicht des Lagers aus einer Aluminiumlegierung mit einer verstärkten Verbindungszwischenschicht im Bereich von 40 bis 70% der der Lagerlegierung auf Aluminiumbasis liegt.

(a) Wenn die Härte der Verbindungszwischenschicht niedriger als 40% der der Lagerlegierung aus Alumini umbasis, ausgedrückt als Härte nach Vicker, ist, verursacht die Verwendung des Lagers unter schwierigen Bedingungen ein Diffundieren der Hauptkomponenten der Lagerlegierung auf Aluminiumbasis in die Verbin dungszwischenschicht oder verursacht, daß die Verbindungszwischenschicht per se sich verformt, so daß sie lokal hervordringt oder aus den Endoberflächen des Lagers herauskommt. Die Härte der Verbindungszwischen schicht sollte jedoch mindestens 25, ausgedrückt als Härte nach Vicker, betragen. Andererseits, wenn die Härte der Verbindungszwischenschicht größer als 70% der der Lagerlegierung auf Aluminiumbasis, ausgedrückt als Härte nach Vicker, ist, kann die Verbindungszwischenschicht nicht mehr als Polster dienen, so daß das Lager eine verschlechterte Anpassungsfähigkeit haben wird.
(b) In dem Fall, in dem die Lagerlegierung auf Aluminiumbasis eine ist, deren Vickersche Härte unter 50 beträgt, tritt Ermüdung davon unter Bedingungen hoher Last ein, wofür das vorliegende Lager verwendet werden soll.
(c) Die Elemente, die zur Verstärkung der Verbindungszwischenschicht verwendet werden, können Mn, Cu, Zn, Si und Mg sein, wovon jedes eine feste Lösung mit einer Al-Matrix bildet oder kristallisiert oder präzipitiert, aber keine grobkörnigen Verbindungen bildet. In diesem Fall ist es jedoch effektiv, mindestens eine Art, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Mn, Cu, Zn. Si und Mg zuzusetzen. Im Fall, in dem die Zugabe des ausgewählten Elementes nicht mehr als 0,3 Gehalts-% beträgt, kann durch die Zugabe keine Wirkung erhalten werden. Andererseits, wenn die Zugabe davon 5 Gehalts-% überschreitet, wird das Lager exzessiv hart.

Die Erfindung wird anhand der nachstehenden Beispiele näher erläutert.

Beispiele

Lagerlegierungsplatten auf Aluminiumbasis und Aluminiumlegierungsplatten zur Verwendung als Verbin dungszwischenschichten, die beide in Tabelle 1 gezeigt sind, wurden durch übliches Gießen und Walzen herge stellt. Als nächstes wurde jede Aluminiumlegierungsplatte zur Verwendung als Verbindungszwischenschicht auf die Lagerlegierungsplatte auf Aluminiumbasis aufgebracht, und anschließend wurden beide zusammen unter Druck verbunden, wodurch sich eine zusammengesetzte Aluminiumplatte ergab. Ein Stahlstreifen mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt (von 0,04 bis 0,35 Gew.-%), der zur Stützschicht aus Stahl des Lagers wird, wurde auf die zusammengesetzten Aluminiumplatten auf der Seite der Aluminiumlegierungsplatte für die Verbin dungszwischenschicht aufgebracht. Anschließend wurden beide durch Walzen mit einer Reduktionsrate von 35 bis 50% miteinander verbunden, wodurch ein Lagermaterial aus einer Aluminiumlegierung erhalten wurde. Dieses Lagermaterial wurde bearbeitet, um ein halbes Lager zu erhalten. Zu dieser Zeit lag die Dicke der Verbindungszwischenschicht im Bereich von 0,02 bis 0,12 mm, während die Dicke der Stützschicht aus Stahl im Bereich von 1,17 bis 1,23 mm lag. Die Dicke des Lagermaterials betrug 1,5 mm. Der Härtetest und der Test auf Ermüdung und der Test auf Ermüdungsbeständigkeit bei Kontakt mit lokal nicht gleichförmigem hohem Druck (die Bedingungen für die zuletztgenannten beiden Tests sind in den Tabellen 2 und 3 gezeigt) wurden an den so erhaltenen Lagern durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.

Zum Vergleich mit den erfindungsgemäßen Lagerproben wurden verschiedene Vergleichslagerproben unter den gleichen Bedingungen wie für die Herstellung der erfindungsgemäßen Lagerproben hergestellt. Im Falle der Vergleichslagerproben jedoch, deren Verbindungszwischenschichten aus Nickel sind, wurde eine Nickelplattie rungsschicht auf der Stahlplatte bereitgestellt, und anschließend wurde diese Nickelplattierungsschicht durch Druck mit der Lagerlegierung auf Aluminiumbasis verbunden, wodurch Vergleichslagerproben mit der Nickel plattierungsschicht mit 2 bis 4 µm hergestellt wurden. Im Fall der Vergleichslagerproben mit keiner Verbin dungszwischenschicht wurden die Lagerlegierungen direkt mit der Stahlplatte verbunden, wodurch Vergleichs lagerproben hergestellt wurden.

Die Tests auf Ermüdungsbeständigkeit bei Kontakt mit lokal nicht gleichförmigem hohem Druck unter den Bedingungen nach Tabelle 3 wurden in einem Zustand durchgeführt, in dem das Lager und eine Welle miteinan der in Kontakt mit extrem nicht gleichförmigem hohem Druck waren. Auf der anderen Seite wurden die Ermüdungstests unter den Bedingungen, die in Tabelle 2 gezeigt sind, mit den Lagern in gleichförmigem Kontakt mit einer Welle durchgeführt.

Bei Analyse der Ergebnisse der Ermüdungstests gemäß Tabelle 1 trat im Fall der Vergleichslagerproben Nr. 1-3, deren Lagerlegierungen auf Aluminiumbasis und Verbindungszwischenschichten eine jeweilige Härte von weniger als 50 Hv und weniger als 25 Hv besitzen, Ermüdung selbst bei dem Lager mit Verbindungszwischen schichten ein. Ferner zeigten die Vergleichslagerproben (Nr. 4 und Nr. 8), deren Verbindungszwischenschichten aus weichem Aluminium hergestellt sind, obwohl Lagerlegierungen auf Aluminiumbasis per se eine Härte von 50 Hv oder mehr besitzen, die folgenden Phänomene. Die Hauptkomponenten der Aluminiumlagerlegierungen diffundierten in die Verbindungszwischenschicht und sammelten sich so im Grenzbereich zwischen der Verbin dungszwischenschicht und der Stützschicht aus Stahl an. Als Ergebnis kam es zu einer unüblichen Abschälung oder die Verbindungszwischenschicht verformte sich plastisch, so daß sie aus den Endoberflächen des beteiligten Lagers hervorragte. Im Falle einer Vergleichslagerprobe, wie z. B. der Vergleichslagerprobe Nr. 7, die keine Verbindungszwischenschicht besaß, war die Bindungsstärke zwischen der Stutzschicht aus Stahl und der Lager legierung auf Aluminiumbasis unzureichend. Aus diesen Versuchsergebnissen ging hervor, daß die Lagerstruk tur mit einer Verbindungszwischenschicht niedriger Härte nicht unter tatsächlichen Betriebsbedingungen unter hoher Last bestehen kann. Ferner traten nach den Ergebnissen der Ermüdungsbestandigkeitstests bei Kontakt mit lokal nicht gleichförmigem hohem Druck Ermüdungsphänomene bei den Vergleichslagerproben (Nr. 2, 5 und 9), die die nickelplattierte Schicht als Verbindungszwischenschicht hatten, bei den Vergleichslagerproben (Nr. 3, 6 und 10), die eine Aluminiumleierung großer Härte als Verbindungszwischenschicht hatten, und bei den Vergleichslagerproben (Nr. 7 und 11), die keine Verbindungszwischenschicht hatten, ein. Umgekehrt trat bei den Vergleichslagerproben Nr. 1, 4 und 8, die ein weiches Aluminium als Verbindungszwischenschicht hatten, keine Ermüdung ein. Das liegt daran, daß diese weiche Verbindungszwischenschicht als Polster dient und das entste hende Lager sich einer Welle anpassen kann.

Bei jeder der Lagerproben Nr. 12 bis 15 nach der Erfindung wurde eine Verbindungszwischenschicht zwi schen der Lagerlegierung auf Aluminiumbasis mit einer Härte von nicht weniger als 50 Hv und der Stahlstütz schicht bereitgestellt, wobei die Verbindungszwischenschicht eine ausgewogene Härte hatte (die aus einer Aluminiumlegierung mit einer Härte von 40 bis 70% der Vickerschen Härte der Lagerlegierung auf Aluminium basis hergestellt ist), so daß gute Ergebnisse sowohl bei den Ermüdungstests als auch bei den Tests auf Ermüdungsbeständigkeit bei lokal nicht gleichförmigem hohem Druck erhalten werden. Dies liegt daran, daß die Lagerproben aus einer Aluminiumlegierung gemäß vorliegender Erfindung zwei ausgewogene Eigenschaften besitzen, d. h. hinsichtlich der Ermüdungsbeständigkeit und der Anpassungsfähigkeit an die Oberfläche einer rotierenden Welle.

Tabelle 2 Testbedingungen: Ermüdungstest Testmaschine für dynamische Last vom Sota-Typ

Umdrehungsgeschwindigkeit 4000 UpM
Testzeit 20 h
Geschwindigkeit 11.1 m/sec
Last auf der Lageroberfläche 4,10⁷

Pa (400 kg/cm²

)
Öleinlaßtemperatur 120°C
Ölzufuhrdruck 3,10⁶

Pa (3 kg/cm²

)
Schmieröl SAE20
Winkel für die Ölzufuhr fortgeschrittener Winkel: 45°

Tabelle 3 Testbedingungen: Vergleichstest auf Ermüdungsbeständigkeit bei Kontakt mit lokal nicht gleichförmigem hohem Druck Testmaschine für dynamische Last vom Dai-Do-Typ

Umdrehungsgeschwindigkeit 6000 UpM
Testzeit 20 h
Geschwindigkeit 16,6 m/sec
Last auf der Lageroberfläche 225,10⁵

Pa (225 kg/cm²

)
Öleinlaßtemperatur 130°C
Ölzufuhrdruck 1,5.10⁵

Pa (1,5 kg/cm²

)
Schmieröl 10W30
Winkel für die Ölzufuhr fortgeschrittener Winkel: 45°

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Lagers aus einer Alumini umlegierung mit einer Stützschicht aus Stahl, einer Ver bindungszwischenschicht und einer Lagerschicht auf Alumi niumbasis, bei dem durch Gießen und Walzen die Lagerschicht auf Aluminiumba sis, ausgewählt aus Al-Sn-Legierungen, Al-Sn-Si-Legierun gen und Al-Zn-Legierungen, und die Verbindungszwischen schicht aus 0,3 bis 5 Gew.-% mindestens eines Elements, ausgewählt aus der Gruppe Mn, Cu, Zn, Si und Mg, und zum Rest aus Al und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen hergestellt und unter Druck miteinander verbunden werden, der erhaltene Verbundkörper und die Stützschicht aus Stahl durch Walzen bei einer Reduktionsrate von 35 bis 50% mit einander verbunden werden, wobei die Verbindungszwischen schicht verstärkt ist und eine Vickers-Härte von nicht we niger als 25 sowie eine Vickers-Härte im Bereich von 40% bis 70% derjenigen der Lagerlegierungsschicht auf Alumini umbasis besitzt, wobei die Verbindungszwischenschicht wei terhin eine Dicke von 0,02 bis 0,12 mm aufweist und wobei die Lagerlegierungsschicht auf Aluminiumbasis eine Dicke von 0,2 bis 1,0 mm und eine Vickers-Härte von nicht weni ger als 50 besitzt.