DE4128941C2

DE4128941C2 - Aluminiumlagerlegierungen mit ausgezeichneter Ermüdungsbeständigkeit und Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß

Info

Publication number: DE4128941C2
Application number: DE4128941A
Authority: DE
Inventors: Tadashi Tanaka; Masaaki Sakamoto; Koichi Yamamoto; Yoshiaki Sato; Tohru Kato
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 1990-08-31
Filing date: 1991-08-30
Publication date: 1995-06-29
Anticipated expiration: 2011-08-31
Also published as: US5162100A; KR920004593A; JPH04110438A; KR930011673B1; GB9118636D0; GB2247467A; GB2247467B; DE4128941A1; JPH0672278B2

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Aluminiumlegierung bestimmter Zusammenhang zur Herstellung der Gleitoberflächenschicht eines Verbundgleitlagers.

Herkömmliche Aluminiumlagerlegierungen werden beispielsweise in der JP-B-62-14 024 beschrieben. Diese Legierungen bestehen im wesentlichen aus 3 bis 40% Zinn (Sn), 0,1 bis 10% Blei (Pb), 0,2 bis 5% Kupfer (Cu), 0,1 bis 3% Antimon (Sb), 0,1 bis 3% Silicium (Si) und 0,01 bis 3% mindestens eines Ele ments aus der Gruppe Mangan (Mn), Vanadim (V), Magnesium (Mg) und Nickel (Ni).

Legierungen dieser Art besitzen zwar eine ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit und eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber einem fressenden Verschleiß, die für Gleitlager erforderlich sind, doch sind in neuerer Zeit Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungsverbrennungsmotoren entwickelt worden, die ein Bedürfnis nach Gleitlagern mit noch besseren Eigenschaften ergeben haben.

Aus der GB 597 113 ist weiterhin eine Aluminiumlagerlegierung bekannt, die aus 20 bis 75% Zinn, 0,02 bis 10% Silizium, bis 10% Blei, bis 6% Kupfer, bis 12% Antimon, bis 4,5% Titan, bis 0,35% Bor und Aluminium als Rest besteht. Aus Aluminium-Taschenbuch, 1974, Seite 145, ist es auch bekannt, daß zur Legierungsherstellung verwendetes Reinaluminium bis 0,06% Silizium enthalten kann. Schließlich ist es aus D. Altenpohl, "Aluminium und Aluminiumlegierungen", 1965, Seite 26 bis 31, bekannt, daß bei Aluminiumlegierungen Titanzusätze, insbesondere bei gleichzeitigem Zusatz von Bor, stark kornverfeinernd wirken.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine Aluminiumlegierung bestimmter Zusammensetzung zur Verwendung zur Herstellung der Gleitoberflächenschicht eines Verbundgleitlagers mit einer Gleitoberflächenschicht und einer Metallstützschicht, das eine verbesserte Beständigkeit gegen Ermüdung und fressendem Verschleiß aufweist, bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Verwendung einer Aluminiumlegierung, bestehend aus 3 bis 40% Zinn, 0,1 bis 10% Blei, 0,1 bis 5% Kupfer, 0,1 bis 3% Antimon, insgesamt 0,05 bis 1% Titan und Bor, Aluminium als Rest mit unvermeidbaren Verunreinigungen, zur Herstellung der Gleitoberflächenschicht eines Verbundgleitlagers mit einer Gleitoberflächenschicht und einer Metallstützschicht, das eine verbesserte Beständigkeit gegen Ermüdung und fressenden Verschleiß aufweist, mit der Maßgabe, daß der Titan- und Borgehalt so bemessen wird, daß die Gleichung

erfüllt ist, gelöst.

Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung weiterhin 0,1 bis 5 Gew.-% Silizium enthält.

Eine weitere, bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekenn zeichnet, daß die Legierung weiterhin insgesamt 0,01 bis 3 Gew.-% mindestens eines Elements aus der Gruppe Magnesium, Nickel, Vanadium, Mangan, Zirkonium, Chrom und Eisen enthält.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Diagramm, das die Ergebnisse von Ermüdungstests mit Verbundlagern wiedergibt;

Fig. ein Diagramm, das die Ergebnisse eines Tests auf fressenden Verschleiß mit einem Verbundlager wiedergibt, wobei eine Stahlwelle als paaren de Gleitelement verwendet worden ist;

Fig. 3 ein Diagramm, das die Ergebnisse des Tests auf fressenden Verschleiß mit einem Verbundlager wiedergibt, wobei eine Gußeisenwelle als paa rendes Gleitelement verwendet worden ist; und

Fig. 4 einen Querschnitt eines Beispiels des Halb hüllenlagers.

Aufgrund der folgenden Gründe, d. h. der Gründe für die oberen und unteren Begrenzungen der Verhältnismengen, hat die erfindungsgemäß zu verwendende Aluminiumlagerlegierung die vor stehend beschriebene Zusammensetzung.

a) Sn: 3 bis 40 Gew.-%

Das Zinn verbessert in der Legierung das Oberflächenver halten des Lagers, wie die Beständigkeit gegenüber einem fressenden Verschleiß, die Angleichbarkeit oder die Einbett barkeit. Die Anwesenheit von weniger als 3% Zinn reicht nicht aus, um die obigen Vorteile zu erhalten. Andererseits vermindert die Einarbeitung von mehr als 40% Zinn in erheb lichem Ausmaß die mechanischen Eigenschaften der Legierung.

b) Pb: 0,1 bis 10 Gew.-%

Das Blei verbessert in der Legierung die Beständigkeit ge genüber einem fressenden Verschleiß, die spanabhebende Bear beitbarkeit und die Affinität für Schmiermittel des Lagers. Die Anwesenheit von weniger als 0,1% Blei reicht nicht aus, um die obigen Vorteile zu erhalten. Andererseits gestaltet die Zugabe von mehr als 10% Blei die Herstellung einer feinen und gleichförmigen Dispersion von Blei in der Alumi niummatrix sehr schwierig.

c) Cu: 0,1 bis 5 Gew.-%

Das Kupfer erhöht in der Legierung die mechanische Festig keit der Aluminiummatrix und es verbessert die mechanischen Eigenschaften, wie die Lastbeständigkeit und die Ermüdungs beständigkeit des Lagers. Die Anwesenheit von weniger als 0,1% Kupfer reicht nicht aus, um die Last- und Ermüdungs beständigkeiten der Legierung zu verbessern. Andererseits verschlechtern Mengen von mehr als 5% Kupfer in erheblichem Ausmaß die Duktilität, so daß die plastische Verarbeitbar keit vermindert wird.

d) Sb: 0,1 bis 3 Gew.-%

Das Antimon gestattet in der Legierung den Erhalt einer feinen und gleichförmigen Dispersion von Blei in der Alu miniummatrix, und es verbessert die mechanischen Eigen schaften der Aluminiummatrix. Die Anwesenheit von weniger als 0,1% Antimon reicht nicht aus, um die obigen Vorteile zu erhalten. Andererseits ist die Zugabe von mehr als 3% Antimon unzweckmäßig, da hierdurch die Dehnung vermindert wird.

e) Ti und B insgesamt: 0,05 bis 1 Gew.-%

Der Gleichung

muß Genüge getan werden.

Die Zugabe von Titan und Bor führt zu harten, intermetalli schen Verbindungen (Hv: 2500 bis 3500) von TiB₂, wodurch die Festigkeit der Legierung bei gleichförmiger Dispergierung erhöht wird. Da TiB₂ die Mikrostruktur der Legierung verfei nert, erfolgt keine Verminderung der Dehnung, obgleich die Härte der Legierung erhöht wird. Die Anwesenheit von weniger als insgesamt 0,05% Titan und Bor reicht aus, um die vorge nannten Vorteile zu erhalten. Die Zugabe von mehr als ins gesamt 1% Titan und Bor erhöht die Brüchigkeit und ver schlechtert somit die plastische Verarbeitbarkeit der Legie rung. In dem erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungssystem, das relativ viele Legierungselemente enthält, kann, wenn der Wert von

kleiner als 0,1 ist, der Effekt der Zugabe von Titan und Bor nicht festgestellt werden. Wenn andererseits der Wert

größer als 0,35 ist, dann wird die Verbindung TiB₂ nicht ge bildet.

f) Si: 0,1 bis 5 Gew.-%

Silicium trägt zur Erhöhung der Festigkeit der Matrix bei und verbessert insbesondere die Kriechbeständigkeit der Le gierung innerhalb des Bereichs, in dem sich das Silicium in der Aluminiummatrix unter Bildung einer festen Lösung auf löst. Im Falle, daß Siliciumteilchen kristallisiert werden, verschleißt die weiche Aluminiummatrix in der Oberflächen schicht des Aluminiumelements, wenn das Element sich in gleitendem Kontakt mit einem paarenden Element befindet, wo durch die Oberfläche des Legierungselements mikroskopisch unregelmäßig wird. Die an der Oberfläche des Legierungsele ments erhaben vorliegenden Siliciumteilchen widerstehen der Gleitlast, während die Aussparungen als Ölreservoire wirken. Diese bringen die Verbesserung der Beständigkeit gegenüber einem fressenden Verschleiß der Legierung zustande. Ver streute, feine Siliciumteilchen polieren Vorsprünge oder Grate auf der Oberfläche einer Welle (insbesondere einer Gußeisenwelle) als paarendes Element, die gewöhnlich eine Anzahl von feinen Vorsprüngen hat. Wenn jedoch im Falle einer Stahlwelle die Legierung überschüssiges Silicium ent hält, dann beschädigt das Aluminiumelement die Welle. Ande rerseits sind Mengen von weniger als 0,1% Silicium nicht ausreichend, um die vorgenannten Effekte zu erhalten. Die Anwesenheit von mehr als 5% Silicium erhöht die Brüchigkeit der Legierung, wodurch die plastische Verarbeitbarkeit des Legierungselements verschlechtert wird.

g) Mindestens ein Element aus der Gruppe Mg, Ni, V, Mn, Zr, Cr und Fe: insgesamt 0,01 bis 3 Gew.-%

Weniger als insgesamt 0,01 Gew.-% des Elements bzw. der Ele mente reichen nicht aus, um die Ermüdungs- und Lastbestän digkeit der Legierung zu verbessern. Andererseits macht die Anwesenheit von mehr als insgesamt 3% des Elements bzw. der Elemente die Legierung brüchig.

Die Erfindung wird im Beispiel erläutert.

Beispiel

Streifen wurden aus erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen und her kömmlichen Legierungen mit den Zusammensetzungen gemäß Ta belle 1 hergestellt. Die einzelnen Streifen wurden auf die Oberseite einer Stahlplatte auf dem Wege über eine Alumi niumzwischenschicht aufgestapelt. Die jeweiligen Stapel wurden durch eine Walzmühle zur Walzverbindung bereitet. Hierauf wurden die walzverbundenen Stapel zu einem Halb hüllenlager (Verbundlager) mit einem Innendurchmesser von 53 mm, einer Breite von 17 mm und einer Ausgleitungsdicke (Dicke der Lagerlegierungsschicht) von 0,3 mm in einer Lagerherstellungsmaschine verformt. Das Halbhüllenlager 1 ist ein Gleitlager, das aus einer Gleitoberflächenschicht 2, hergestellt aus der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung einer Zwischenschicht 3, hergestellt aus Aluminium und einer Stützmetallschicht 4, hergestellt aus Stahl, besteht (vgl. Fig. 4).

Die Ergebnisse der Ermüdungstests und der Tests gegenüber einem fressenden Verschleiß, die mit den Verbundlagern durchgeführt wurden, sind in den Fig. 1, 2 und 3 darge stellt.

Diese Tests wurden bei den in den Tabellen 2 bis 4 gezeigten Bedingungen durchgeführt.

Die Tests auf fressenden Verschleiß wurden unter Verwendung von Stahl- bzw. Gußeisenwellen durchgeführt.

In diesem Beispiel wurde eine Aluminiumzwischenschicht ver wendet, doch kann auch eine Zwischenschicht aus Nickel ein gesetzt werden.

Aus den Testergebnissen geht hervor, daß die Erfindung die folgenden Vorteile mit sich bringt:

(1) Die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen haben im Vergleich zu herkömmlichen Legierungen eine verbesserte Ermüdungsbestän digkeit. Der Vergleich der herkömmlichen Legierungen, d. h. der Probekörper Nr. 1 bis 10, mit den erfindungsgemäßen Le gierungen, d. h. den Probekörpern 11 bis 20, mit gleichen Zu sammensetzungen, jedoch mit Ausnahme des Gehalts von Titan und Bor, zeigt, daß die Ermüdungsbeständigkeit der erfin dungsgemäßen Legierungen durch Zugabe von Titan und Bor ver bessert wird. Die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen, d. h. die Probekörper Nr. 21 bis 25, zeigen auch eine ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit.
(2) Die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen haben eine verbesserte Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß im Ver gleich zu den herkömmlichen Legierungen. Der Vergleich der Probekörper Nr. 1 bis 10 mit den Probekörpern 11 bis 20 zeigt, daß die Beständigkeit gegenüber einem fressenden Verschleiß der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen verbessert worden ist. Die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen, d. h. die Probekörper Nr. 21 bis 25, zeigen auch eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß.
(3) Allgemein gesprochen, ist der maximale Druck der Fest fressungsseite beim Test auf fressendem Verschleiß unter Verwendung einer Gußeisenwelle niedriger als beim Test auf fressenden Verschleiß, bei dem eine Stahlwelle verwendet wird. Bei Verwendung der Gußeisenwelle haben Legierungen, die relativ viel Silicium enthalten, eine höhere Beständig keit gegenüber fressendem Verschleiß. Dies resultiert aus dem polierenden Effekt des Siliciums auf Vorsprünge oder Grate auf der Oberfläche der Gußeisenwelle, wie es oben zum Ausdruck gebracht wurde.

Aus dem Vorstehenden wird ersichtlich, daß die erfindungs gemäß zu verwendenden Legierungen im Vergleich zu den herkömmlichen Legie rungen eine bessere Ermüdungsbeständigkeit und eine bessere Beständigkeit gegenüber einem fressenden Verschleiß haben.

Testbedingungen
Ermüdungstest
Testmaschine
Dynamische Lastermüdungs-Testmaschine
Drehzahl
4000 UpM
Testzeit	20 h @	Umfangsgeschwindigkeit	8,4 m/s @	Temperatur des Beschickungsöls	120°C @	Druck des Beschickungsöls	0,3 MPa @	Schmiermittelöl	Motoröl Nr. 20

Bewertung der Testergebnisse

Bei den Probekörpern wurde eine Ermüdung angenommen, wenn auf der Gleitoberfläche über 5% der gesamten Gleitoberflä che der Lagerprobekörper Risse gebildet worden waren.

Testbedingungen
Test auf fressenden Verschleiß
Testmaschine
Statische Lastwahrnehmungs-Testmaschine
Drehzahl
2000 UpM
Testzeit	Die Last erhöht sich um 4,9 MPa Stufe für Stufe, 10 min für jede Last @	Umfangsgeschwindigkeit	4,2 m/s @	Temperatur des Beschickungsöls	100°C @	Flußrate des Beschickungsöls	20 ccm/min @	Material der Welle	JIS S55C

Bewertung der Testergebnisse

Bei den Probekörpern wurde ein fressender Verschleiß ange nommen, wenn die Temperatur des Lagers auf der Rückseite über 220°C hinausging oder wenn die Stromstärke des Motors über 20A hinausging.

Testbedingungen
Test auf fressenden Verschleiß
Testmaschine
Statische Lastwahrnehmungs-Testmaschine
Drehzahl
2000 UpM
Testzeit	Die Last erhöhte sich um 4,9 MPa Stufe für Stufe, 10 min für jede Last @	Anfangsgeschwindigkeit	4,2 m/s @	Temperatur des Beschickungsöls	100°C @	Flußrate des Beschickungsöls	20 ccm/min @	Material der Welle	JIS FCD700

Bewertung der Testergebnisse

Claims

1. Verwendung einer Aluminiumlegierung, bestehend aus 3 bis 40% Zinn, 0,1 bis 10% Blei, 0,1 bis 5% Kupfer, 0,1 bis 3% Antimon, insgesamt 0,05 bis 1% Titan und Bor, Aluminium als Rest mit unvermeidbaren Verunreinigungen, zur Herstellung der Gleitoberflächenschicht eines Verbundgleitlagers mit einer Gleitoberflächenschicht und einer Metallstützschicht, das eine verbesserte Beständigkeit gegen Ermüdung und fressenden Verschleiß aufweist, mit der Maßgabe, daß der Titan- und Borgehalt so bemessen wird, daß die Gleichung erfüllt ist.

2. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1, die weiterhin 0,1 bis 5% Silizium enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 oder 2, die weiterhin insgesamt 0,01 bis 3% mindestens eines Elements aus der Gruppe: Magnesium, Nickel, Vanadium, Mangan, Zirkonium, Chrom und Eisen enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.