DE4201793A1 - Lagermetall fuer gross-dimensionierte motoren - Google Patents

Lagermetall fuer gross-dimensionierte motoren

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung an einem Lagermetall für groß-dimensionierte Motoren.
Der Erfinder beschrieb als Stand der Technik die japanischen Patentschriften Nr. 61-6138 und 61-17 893. Diese Lagermetalle für groß-dimensionierte Motoren nach Stand der Technik haben eine gute Beständigkeit gegen den fressenden Verschleiß und eine gute Einbettbarkeit gegenüber fremden Materialien. Aber diese Lagermetalle für groß-dimensionierte Verbrennungsmoto­ ren haben oft noch nicht die Ermüdungsbeständigkeit erreicht, die wegen der in letzter Zeit raschen Entwicklung auf dem Ge­ biet der Verbrennungsmotoren erforderlich ist. Deshalb war ein Lagermetall für groß-dimensionierte Verbrennungsmotoren mit einer überlegeneren Ermüdungsbeständigkeit erforderlich.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Lagerme­ tall für groß-dimensionierte Motoren bereitzustellen, das eine bessere Beständigkeit gegen den fressenden Verschleiß und eine hohe Ermüdungsbeständigkeit hat.
Ein erster Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung eines La­ germetalls für groß-dimensionierte Motoren ist dadurch ge­ kennzeichnet, daß es eine dreischichtige Struktur enthält, die ein Stahlstützmetall, eine (bindende) Klebstoffschicht aus Al (Aluminium) oder einer Al-Legierung und eine Lagerle­ gierungsschicht bzw. eine Schicht aus der Lagerlegierung um­ faßt, wobei die chemische Zusammensetzung der Lagerlegie­ rungsschicht aus 35 bis 65 Gew.-% Sn (Zinn), 0,5 bis 10 Gew.-% Bi (Wismuth), 0,1 bis 1,5 Gew.-% Cu (Kupfer), und zum Rest aus Al und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.
Ein zweiter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung eines Lagermetalls für groß-dimensionierte Motoren ist dadurch ge­ kennzeichnet, daß es eine vierschichtige Struktur enthält, die ein Stahlstützmetall, eine Klebstoffschicht aus Al oder einer Al-Legierung, eine Lagerlegierungsschicht und eine Pb (Blei), Sn oder eine Legierung davon enthaltende Oberflächen­ schicht umfaßt, wobei die chemische Zusammensetzung der La­ gerlegierungsschicht aus 35 bis 65 Gew.-% Sn, 0,5 bis 10 Gew.-% Bi, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Cu, und zum Rest aus Aluminium und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.
Ein dritter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung eines Lagermetalls für groß-dimensionierte Motoren ist dadurch ge­ kennzeichnet, daß es eine dreischichtige Struktur enthält, die ein Stahlstützmetall, eine Klebstoffschicht aus Al oder einer Al-Legierung und eine Lagerlegierungsschicht umfaßt, dabei besteht die chemische Zusammensetzung der Lagerlegie­ rungsschicht aus 35 bis 65 Gew.-% Sn, 0,5 bis 10 Gew.-% Bi, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Cu, zu 5 Gew.-% oder weniger aus min­ destens einem Material aus der Gruppe Mn (Mangan), Ni (Nickel), Si (Silizium), Ag (Silber), Mg (Magnesium), Sb (Antimon) und Zn (Zink), und zum Rest aus Al und erschmel­ zungsbedingten Verunreinigungen.
Ein vierter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung eines Lagermetalls für groß-dimensionierte Motoren ist dadurch gekennzeichnet, daß es eine vierschichtige Struktur enthält, die ein Stahlstützmetall, eine Klebstoffschicht aus Al oder einer Al-Legierung, eine Lagerlegierungsschicht, und eine Oberflächenschicht aus Pb (Blei), Sn oder einer Legierung da­ von umfaßt, dabei besteht die chemische Zusammensetzung der Lagerlegierungsschicht aus 35 bis 65 Gew.-% Sn, 0,5 bis 10 Gew.-% Bi, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Cu, und zu 5 Gew.-% oder weni­ ger aus mindestens einem Material aus der Gruppe Mn, Ni, Si, Ag, Mg, Sb und Zn, und zum Rest aus Aluminium und erschmel­ zungsbedingten Verunreinigungen.
Das Stützmetall hat vorzugsweise eine Dicke von 1 bis 20 mm. Die Klebstoffschicht hat vorzugsweise eine Dicke von 0,01 bis 0,15 mm. Die Lagerlegierungsschicht hat vorzugsweise eine Dicke von 0,2 bis 3 mm. Die Oberflächenschicht hat vorzugs­ weise eine Dicke von 1 bis 30 µm.
Die Erfindung wird anhand der Fig. 1 und 2 veranschau­ licht.
Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm des Querschnitts eines dreischichtigen Lagermetalls der vorliegenden Erfin­ dung; und
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm des Querschnitts eines vierschichtigen Lagermetalls der vorliegenden Erfin­ dung.
Gründe für die Bewertung der chemischen Zusammensetzungen der Schichten des Lagermetalls für groß-dimensionierte Verbren­ nungsmotoren in der vorliegenden Erfindung werden nachstehend erklärt. Die Wirkungen davon werden ebenfalls nachstehend er­ klärt.
1. Stahlstützmetall
Es besteht aus einem bekannten Stahl, z. B. ein gewöhnlich strukturierter Kohlenstoffstahl, wie er in der japani­ schen Industrienorm (JIS) definiert ist.
2. Zwischenschicht
Sie wird bereitgestellt, um die Haftfähigkeit oder Klebe­ fähigkeit zwischen dem Stützmetall und der Lagerlegierung zu erhöhen. Sie besteht aus reinem Aluminium. Wenn es die Festigkeit der Klebeschicht erfordert, kann sie aus einer Al-Legierung bestehen, die 0,1 bis 2 Gew.-% oder weniger mindestens eines Materials aus der Gruppe Cu, Si, Mn und Zn als Zusatzmittel enthält.
Falls der Anteil des Zusatzmittels weniger als 0,1 Gew.-% beträgt, ist es nicht wirksam. Andererseits, falls es 2 Gew.-% übersteigt, ist die Zwischenschicht zu spröde um handhabbar zu sein.
3. Lagerlegierungsschicht
  • a) Anteil an Sn: 35 bis 65 Gew.-%
    Falls der Anteil an Sn weniger als 35 Gew.-% beträgt, sind die Beständigkeit des Lagers gegen den fressen­ den Verschleiß und die Einbettbarkeit von Sn unzurei­ chend. Wenn er andererseits 65 Gew.-% übersteigt, läßt die Ermüdungsbeständigkeit und die Gießbarkeit der Lagerlegierungsschicht nach.
  • b) Anteil an Bi: 0,5 bis 10 Gew.-%
    Bi-Legierungen mit Sn verbessern die Schmiereigen­ schaft und die Verträglichkeit von Sn. Das Legieren von Bi und Sn erhöht die Härte einer Schicht aus Sn, was zu einer Verbesserung der Ermüdungsbeständigkeit der Lagerlegierungsschicht beiträgt. Deshalb verbes­ sert das Legieren die Ermüdungsbeständigkeit der La­ gerlegierung, ohne die Festigkeit der Aluminiummatrix zu verändern oder die anfängliche Verträglichkeit der Lagerlegierungsschicht zu vermindern.
    Falls der Gehalt an Bi weniger als 0,5 Gew.-% be­ trägt, ist der Zusatz von Bi unwirksam. Übersteigt er andererseits 10 Gew.-%, so wird der Schmelzpunkt der Lagerlegierung sehr stark erniedrigt, was unter dem Gesichtspunkt der Herstellung ein Problem darstellt.
  • c) Gehalt an Cu: 0,1 bis 1,5 Gew.-%
    Cu erhöht die Ermüdungsbeständigkeit, eine der La­ gereigenschaften, der Lagerlegierung und die Haftfe­ stigkeit zwischen der Lagerlegierungsschicht und der Oberflächenschicht. Falls der Gehalt an Cu weniger als 0,1 Gew.-% beträgt, ist der Zusatz von Cu unwirk­ sam. Übersteigt er andererseits 1,5 Gew.-%, so wird die Härte der Lagerlegierung in einem sehr starken Maße erhöht, was die anfängliche Verträglichkeit des Lagers, die Einbettbarkeit und die Duktilität der La­ gerlegierungsschicht vermindert. Folglich ist eine Herstellung der Lagerlegierung schwierig.
  • d) 5% oder weniger mindestens eines Materials aus der Gruppe Ni, Si, Ag, Mg, Mn, Sb und Zn
    Diese Elemente werden zugesetzt, um die mechanische Festigkeit der Aluminiummatrix zu erhöhen. Falls der Anteil eines Elements mehr als 5 Gew.-% beträgt, ver­ mindert es die anfängliche Verträglichkeit und die Einbettbarkeit der Lagerlegierungsschicht.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wer­ den nachstehend beschrieben. Tabelle 1 zeigt die chemischen Zusammensetzungen der Lagerlegierungsschichten, die in dem Lagermetall der vorliegenden Erfindung verwendet wurden. Ta­ belle 2 zeigt die chemischen Zusammensetzungen von Lagerle­ gierungsschichten nach dem Stand der Technik. Jede Kombina­ tion von Schichten, die aus einer Legierung der Zusammenset­ zung der Tabellen 1 und 2 und einer aufgelegten Aluminiumfo­ lie bestand, wurde durch eine Walzmaschine gerollt, wodurch ein 1 mm dickes Verbundblech entstand. Das Verbundblech wurde auf ein 2 mm dickes Stahlstützmetall aufgelegt und dann durch ein Walz-Preß-Verfahren gebunden, wodurch ein 1,65 mm dickes dreischichtiges Verbundblech entstand (d. h. einer Lagerlegie­ rungsschicht, einer klebenden Zwischenschicht aus Al und ei­ nem Stahlstützmetall). In dem entstandenen Verbundblech be­ trug die Dicke der Lagerlegierungsschicht 0,42 bis 0,43 mm, die Dicke der Aluminiumzwischenschicht ist 0,02 bis 0,03 mm und die Dicke des Stützmetalls 1,2 mm. Jedes dreischichtige Verbundblech wurde zu 17 mm langen Lagermetallen gepreßt, wo­ bei jede einen halbkreisförmigen Abschnitt mit einem Durch­ messer von 53 mm hatte. Die Oberfläche einiger der entstan­ denen Lagermetalle wurde mit einer 20 um dicken Metallplat­ tierung bedeckt, die durch ein galvanotechnisches Verfahren in einem bekannten Borfluoridbad hergestellt wurde, so daß ein aus vier Schichten bestehendes Lagermetall erhalten wurde. Die Lagermetalle mit der dreischichtigen und vier­ schichtigen Struktur wurden in einem Test auf Beständigkeit gegen fressenden Verschleiß und in einem Ermüdungstest unter­ sucht. Abb. 1 zeigt einen vergrößerten Querschnitt des dreischichtigen Lagermetalls der Erfindung. Abb. 2 zeigt den vergrößerten Querschnitt des vierschichtigen Lagermetalls der Erfindung. Das Stahlstützmetall ist mit dem Bezugszeichen 1, die Aluminium-Klebeschicht mit dem Bezugszeichen 2, die Lagerlegierungsschicht mit dem Bezugszeichen 3 und die Ober­ flächenschicht mit dem Bezugszeichen 4 angezeigt.
Tabelle 3 zeigt die Bedingungen für den Ermüdungstest für das Lagermetall. Tabelle 4 zeigt die Bedingungen für den Test auf fressenden Verschleiß für das Lagermetall. Tabelle 5 zeigt die Resultate des Ermüdungstests. Tabelle 6 zeigt die Resul­ tate des Tests auf den fressenden Verschleiß.
Tabelle 3
Bedingungen für den Ermüdungstest
Tabelle 4
Bedingungen für den Test auf fressenden Verschleiß
Tabelle 5
Resultate des Ermüdungstests
        Die schwarzen Zonen zeigen an, daß die Testresultate innerhalb des Bereichs der
schwarzen Zonen variierten.
Tabelle 6
Resultate des Tests auf fressenden Verschleiß
        Die schwarzen Zonen zeigen an, daß die Testresultate innerhalb des Bereichs der
schwarzen Zonen variierten.
Die vorliegende Erfindung hat folgende Vorteile:
  • 1. Tabelle 5 zeigt, daß die Ermüdungsbeständigkeit eines je­ den Lagermetalls der Erfindung höher ist als für Lagerme­ talle nach dem Stand der Technik. Hierbei kann festgehal­ ten werden, daß das Legieren von Bi mit Sn die Härte der Sn-Schicht erhöht und dadurch zur Verbesserung der Ermü­ dungsbeständigkeit des Lagermetalls beiträgt. Früher hatte die Ermüdungsbeständigkeit einer Al-Legierung, die einen großen Anteil an Sn einschloß, die Tendenz abzuneh­ men wegen des großen Anteils an Sn. Aber der erfindungs­ gemäße Zusatz von Bi kann die Erniedrigung der Ermüdungs­ beständigkeit verhindern.
  • 2. Tabelle 6 zeigt, daß die Beständigkeit gegen den fressen­ den Verschleiß eines jeden Lagermetalls der Erfindung höher ist, als für Lagermetalle nach dem Stand der Tech­ nik. Dies ist der Fall, weil das Legieren von Bi mit Sn die Schmiercharakteristik von Sn verbessert.
  • 3. Die Ergebnisse der Ermüdungstests und der Tests auf fres­ senden Verschleiß zeigen, daß die Ermüdungsbeständigkeit und die Beständigkeit gegen den fressenden Verschleiß der Lagermetalle der Erfindung höher sind als die der Lager­ metalle nach dem Stand der Technik.
  • 4. Deshalb sind die Lagermetalle der Erfindung anwendbar auf neue Lager für groß-dimensionierte Verbrennungsmotoren, die höhere Ermüdungsbeständigkeit und eine höhere Bestän­ digkeit gegen den fressenden Verschleiß erfordern.

Claims (3)

1. Lagermetall für groß-dimensionierte Motoren, dadurch gekennzeichnet, daß es eine dreischichtige Struktur aus einem Stahlstützmetall, einer Klebstoffschicht aus Al oder einer Al-Legierung, und einer Schicht aus einer Lagerlegierung enthält, wobei die chemische Zusammensetzung der Schicht aus der Lagerlegierung aus 35 bis 65 Gew.-% Sn, 0,5 bis 10 Gew.-% Bi, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Cu und zum Rest Al und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.
2. Lagermetall für groß-dimensionierte Motoren dadurch gekennzeichnet, daß es eine vierschichtige Struktur aus einem Stahlstützmetall, einer Klebstoffschicht aus Al oder einer Al-Legierung, einer Schicht aus einer La­ gerlegierung und einer Oberflächenschicht aus Pb, Sn oder de­ ren Legierungen enthält, wobei die chemische Zusammensetzung der Schicht aus der Lagerlegierung aus 35 bis 65 Gew.-% Sn, 0,5 bis 10 Gew.-% Bi, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Cu und zum Rest Al und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.
3. Lagermetall für groß-dimensionierte Motoren nach An­ spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Schicht aus der Lagerlegierung 35 bis 65 Gew.-% Sn, 0,5 bis 10 Gew.-% Bi, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Cu, 5 Gew.-% oder weniger mindestens eines Materials aus der Gruppe Mn, Ni, Si, Ag, Mg, Sb und Zn und zum Rest Aluminium und erschmelzungsbe­ dingte Verunreinigungen enthält.
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