DE4201793C2

DE4201793C2 - Lagermetall für groß-dimensionierte Motoren

Info

Publication number: DE4201793C2
Application number: DE4201793A
Authority: DE
Inventors: Tadashi Tanaka; Masaaki Sakamoto; Yoshiaki Satoh; Masahiro Nakano
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 1991-02-08
Filing date: 1992-01-23
Publication date: 1999-07-22
Anticipated expiration: 2012-01-24
Also published as: JP2705782B2; KR950005845B1; KR920016734A; GB2252564A; GB9202744D0; GB2252564B; DE4201793A1; JPH04350141A

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 61-17893. 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-diemensionierte 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.

Aus der DE-OS 28 09 797 ist bereits ein Lagermetall für groß-dimensionierte Motoren bekannt, das eine dreischichtige Struktur aus einem Stahlstützmetall, einer Klebstoffschicht aus Aluminium oder euer Aluminiumlegierung und einer Schicht aus einer Lagerlegierung aufweist, wobei die Lagerlegierung aus 50 bis 65 Gew.-% Sn, 0,5 bis 1 Gew.-% Cu, 0,5 bis 2 Gew.-% Pb und zum Rest aus Aluminium und erschmelzungsbe dingten Verunreinigungen besteht.

Aus der DE-AN W 1271 ist es weiterhin bekannt, daß bei Alumi nium-Lagerlegierungen durch die Zugabe von Blei oder Wismut die Gleit- und Notlaufeigenschaften sowie die Paßfähigkeit der Legierungen verbessert werden können.

Schließlich beschreibt die DE-OS 37 27 591 ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrschicht-Gleitelementes, bestehend aus einem Stützkörper, einer Gleitschicht und gegebenenfalls wei ten zwischen Stützkörper und Gleitschicht liegenden Schich ten, durch Aufbringung einer Schicht einer Aluminiumlegierung als Gleitschicht. Nach den Ausführungen dieser Druckschrift wird als Gleitschicht eine Aluminiumlegierung mit bestimmter Zusammensetzung, die auch 0,1 bis 5 Gew.-% Bi, Ag, Ni, Zn und/oder Cu enthalten kann, in einer Schichtdicke von 5 bis 50 µm aus einer aprotischen Lösung galvanisch abgeschieden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Lagermetall für groß-dimensionierte Motoren bereitzustellen, das gegen über den bekannten Lagermetallen gleicher Konstruktion eine bessere Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß und eine hohe Ermüdungsbeständigkeit hat.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Er findung, der wie in den Ansprüchen definiert ist, gelöst.

Gegenüber dem aus der DE-OS 28 09 797 bekannten Lagermetall unterscheidet sich das erfindungsgemäße Lagermetall vor allem dadurch, daß die Lagerlegierung kein Blei, sondern Wismut als Legierungsbestandteil enthält. Ein weiterer Unterschied zudem aus der obigen Druckschrift bekannten Lagermetall besteht darin, daß bei dem erfindungsgemäßen Lagermetall die Lagerle gierung 5 Gew.-% oder weniger Ag enthält.

Von der in der DE-AN W 1271 beschriebenen Aluminiumlegierung unterscheidet sich die Lagerlegierung des erfindungsgemäßen Lagermetalls dadurch, daß sie relativ große Mengen von Sn, nämlich 35 bis 65 Gew.-% enthält, wohingegen bei der bekann ten Aluminiumlegierung der Sn-Gehalt auf höchstens 8% be grenzt ist. Ein weiterer Unterschied zu der aus dieser Druck schrift bekannten Aluminiumlegierung besteht darin, daß die erfindungsgemäß verwendete Lagerlegierung zusätzlich 5 Gew.-% oder weniger Ag enthält.

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird auch durch die technische Lehre der DE-OS 37 27 591 weder vorweggenommen noch nahegelegt, da der in dieser Druckschrift beschriebenen Erfindung eine andersartige Aufgabenstellung zugrundeliegt, nämlich diejenige, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem in einfacherer und weniger aufwendiger Weise dünne Schichten von als Lagermetall geeigneten Aluminiumlegierungen auf Gleitele menten aufgebracht werden können. Nach den Angaben dieser Druckschrift wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Gleitschicht aus einer Aluminiumlegierung, die gegebenenfalls das Element Ag enthalten kann, in einer Schichtdicke von 5 bis 50 µm aus einer aprotischen Lösung galvanisch abgeschie den wird. Demgegenüber hat bei dem erfindungsgemäßen Lagerme tall die Schicht aus der Lagerlegierung eine erheblich höhere Dicke von vorzugsweise 0,2 bis 3 mm. Weiterhin erfolgt bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Lagermetalls die Auf bringung der Schicht aus der Lagerlegierung durch Verwalzen und nicht, wie im Falle der Entgegenhaltung, durch galvani sche Abscheidung. Schließlich läßt die in dieser Druckschrift beschriebene stoffliche Zusammensetzung der als Gleitschicht verwendeten Aluminiumlegierung eine sehr große Anzahl von Kombinationsmöglichkeiten der jeweiligen Legierungsbestand teile zu, ohne daß dem Fachmann konkrete Hinweise auf die le gierungstechnische Zusammensetzung der erfindungsgemäß ver wendeten Lagerlegierung gegeben werden.

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 µm 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 1

Lagermetalle der Erfindung

Tabelle 2

Lagermetalle nach dem Stand der Technik

Tabelle 3

Bedingungen für den Ermüdungstest

Tabelle 4

Bedingungen für den Test auf fressenden Verschleiß

Tabelle 5

Resultate des Ermüdungstests

Tabelle 6

Resultate des Tests auf fressenden Verschleiß

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.

Claims

1. Lagermetall für groß-dimensionierte Motoren mit einer mehrschichtigen Struktur aus einem Stahlstützmetall, einer Klebstoffschicht aus Al oder einer Al-Legierung und einer Schicht aus einer Lagerlegierung, wobei die Lagerlegierung aus 35 bis 65 Gew.-% Sn, 0,5 bis 10 Gew.-% Bi, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Cu, 5 Gew.-% oder weniger Ag und zum Rest Al und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.

2. Lagermetall nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß es als vierte Schicht eine Oberflä chenschicht aus Pb, Sn oder deren Legierungen enthält.

3. Lagermetall nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Lagerlegierung zusätzlich 5 Gew.-% oder weniger mindestens eines Materials aus der Gruppe, Mn, Ni, Si, Mg, Sb und Zn enthält.