DE4231862A1

DE4231862A1 - Metall-lager fuer grossmotoren

Info

Publication number: DE4231862A1
Application number: DE4231862A
Authority: DE
Inventors: Tadashi Tanaka; Masaaki Sakamoto; Yoshiaki Sato; Masahiro Nakano
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 1991-10-02
Filing date: 1992-09-23
Publication date: 1993-04-08
Also published as: GB2260338A; GB2260338B; JPH0599229A; GB9220753D0; JP2532778B2; KR930008174A; KR950006648B1

Description

Die Erfindung betrifft Metall-Lager für Großmotoren, bei denen das Metall-Lager hervorragende Eigenschaften hinsicht lich der Ermüdungsbeständigkeit und der Beständigkeit gegen über einem fressenden Verschleiß aufweist.

Legierungen nach dem Stand der Technik haben erwünschte Ei genschaften, wie Ermüdungsbeständigkeit, Beständigkeit gegen über fressendem Verschleiß, Einbettbarkeit und Affinität. Alle diese Eigenschaften sind von extremer Wichtigkeit für Metall-Lager von Großmotoren. Es sind schon verschiedene Le gierungen vorgeschlagen worden, bei denen die Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß und die Ermüdungsbeständig keit verbessert worden sind. Jedoch müssen im Hinblick auf die raschen Fortschritte der derzeitigen Verbrennungskraftma schinen Metall-Lager unter scharfen Bedingungen eingesetzt werden. Aus diesem Grunde sind nunmehr Metall-Lager mit gün stigen Eigenschaften sowohl hinsichtlich der Ermüdungsbestän digkeit als auch der Beständigkeit gegenüber fressendem Ver schleiß erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Metall-Lager vom Al- Sn-Typ mit einem hohen Gehalt an Sn für Großmotoren bereitzu stellen, das vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich der Er müdungsbeständigkeit und der Beständigkeit gegenüber fressen dem Verschleiß hat.

Bei solchen Legierungen ist es im allgemeinen so, daß bei Er höhung des Sn-Gehalts die Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß verbessert wird und die Ermüdungsbeständigkeit verschlechtert wird. Andererseits wird bei abnehmenden Gehal ten an Sn die Ermüdungsbeständigkeit verbessert, obgleich sich die Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß ver schlechtert. Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Bestän digkeit gegenüber fressendem Verschleiß selbst bei geringen Sn-Mengen durch Zugabe von Pb zu erhöhen. Gemäß einem weite ren Vorschlag ist eine Verbesserung dadurch erzielt worden, daß die Ermüdungsbeständigkeit auf ihrem Niveau gehalten wer den kann, wenn man selbst bei großen Sn-Mengen Bi zusetzt.

Die oben erwähnte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Me tall-Lager für Großmotoren gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es drei Schichten, nämlich eine Stahlstützschicht, eine Zwischenbindungsschicht und eine Lagerlegierungsschicht enthält, wobei die Zwischenbindungsschicht aus Reinaluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, wobei die ge nannte Lagerlegierungsschicht aus 35 bis 65 Gew.-% Sn, insge samt 0,5 bis 10 Gew.-% Pb und Bi, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Cu, und zum Rest im wesentlichen Al und erschmelzungsbedingten Ein schlüssen besteht.

Durch die Erfindung wird ein weiteres Metall-Lager für Groß motoren bereitgestellt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es vier Schichten, nämlich eine Stahlstützschicht, eine Zwi schenbindungsschicht, eine Lagerlegierungsschicht und eine Oberflächenschicht enthält, wobei die Zwischenbindungsschicht aus Reinaluminium oder einer Al-Legierung hergestellt ist, wobei die genannte Lagerlegierungsschicht aus 35 bis 65 Gew. % Sn, insgesamt 0,5 bis 10 Gew.-% Pb und Bi, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Cu, und zum Rest im wesentlichen Al und erschmelzungs bedingten Einschlüssen besteht; und wobei die Oberflächen schicht aus Pb oder Sn oder einer Legierung von pb und/oder Sn besteht.

Im Falle der ersten und der zweiten Ausführungsform kann die Lagerlegierungsschicht zusätzlich mindestens eine Komponente aus weiteren Elementen, ausgewählt aus der Gruppe Mn, Ni, Si, Ag, Mg, Sb und Zn, enthalten, wobei der Gesamtgehalt dieser zusätzlichen Elemente nicht mehr als 5 Gew.-% beträgt.

Nachstehend werden die Gründe für die Festlegung der Zusam mensetzung (Ober- und Untergrenze) jeder Schicht der erfin dungsgemäßen Metall-Lager näher erläutert.

1) Stahlstützschicht bzw. Stahlunterlageschicht:

Zu ihrer Herstellung wird ein herkömmlicher Stahl, bei spielsweise ein "structural carbon"-Stahl, wie er in der Japanischen Industrienorm festgelegt ist, verwendet. Die bevorzugte Dicke der Stahlunterlage sollte im Bereich von 1 mm bis 20 mm liegen.

2) Zwischenbindungsschicht:

Diese Schicht liefert eine bessere Haftung zur Verbin dung der Stahlunterlage mit der Lagerlegierungsschicht. Diese Schicht besteht aus reinem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, wobei mindestens eine Art von weite ren Elementen, wie Cu, Si, Mn und Zn, in einer Menge von 0,1 bis 2 Gew.-% zugesetzt worden sein kann. In dieser Zusammensetzung hat die Zugabe der Elemente keinen Ef fekt. Sie ist weiterhin auch dann insignifikant, wenn die in Gew.-% ausgedrückte Menge des weiteren Elements weniger als 0,1 % beträgt. Mengen von mehr als 2 Gew.-% sind ungeeignet, da dann die Zwischenbindungsschicht brüchig wird. Die bevorzugte Dicke der Zwischenbindungs schicht sollte im Bereich von 0,01 mm bis 0,15 mm lie gen.

3) Lagerlegierungsschicht:

Die bevorzugte Dicke der Lagerlegierungsschicht sollte im Bereich von 0,2 mm bis 3 mm liegen.

a) Sn: 35 bis 65 Gew.-%
Hauptzweck der Zugabe der Komponente Sn ist die Er zielung einer Schmierwirkung. Bei Mengen von weni ger als 35 Gew.-% werden die Beständigkeit gegen über fressendem Verschleiß und die Einbettbarkeit unzureichend. Bei Mengen von mehr als 65 Gew.-% wird die Ermüdungsbeständigkeit der Lagerlegie rungsschicht unzureichend. Weiterhin werden in die sem Fall die Gießeigenschaften verschlechtert.
b) Pb und Bi: insgesamt 0,5 bis 10 Gew.-%
Sowohl Pb als auch Bi dienen dazu, die Sn-Eigen schaften der Schmierung und der Affinität zu ver stärken. Weiterhin wird Bi mit Sn deswegen legiert, um die Härte der Sn-Phase zu erhöhen, was eventuell zu einer Verbesserung der Ermüdungsbeständigkeit beiträgt. Die Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß und die Ermüdungsbeständigkeit können nämlich gleichzeitig durch das gemeinsame Vorliegen von pb und Bi in der Sn-Phase verbessert werden.
Der Effekt der weiteren Elemente wird nicht er zielt, wenn die Gewichtsmenge jedes der weiteren Elemente, Pb und Bi, weniger als 0,1 Gew.-% beträgt und wenn die Gesamtmenge dieser Elemente weniger als 0,5 Gew.-% ist. Wenn weiterhin die Gesamtmenge von Pb und Bi über 10 Gew.-% hinausgeht, dann fällt der Schmelzpunkt zu stark ab, so daß eine unzurei chende Festigkeit bei hohen Temperaturen hervorge rufen wird. Weiterhin kommt es in diesem Falle zu Herstellungsschwierigkeiten.
c) Cu: 0,1 bis 1,5 Gew.-%
Der Zweck der Zugabe der komponente Cu besteht darin, die Ermüdungsbeständigkeit des Lagers sowie die Bindungskraft mit der Oberflächenschicht zu verbessern. Der Effekt der weiteren Elemente wird nicht erhalten, wenn der Gehalt des weiteren Ele ments Cu weniger als 0,1 Gew.-% ist. Andererseits wird bei Mengen von mehr als 1,5 Gew.-% die Härte der Legierung zu hoch, wodurch die Anfangsaffinität und die Einbettbarkeit und dergleichen verschlech tert werden. In diesem Fall erschwert auch die Ver ringerung der Duktilität die Herstellung des Mate rials.
d) Mn, Ni, Si, Ag, Mg, Sb und Zn: Gesamtmenge von min destens einer dieser Komponenten nicht mehr als 5 Gew.-%.
Der Zweck der Zugabe dieser Komponenten besteht darin, die mechanischen Festigkeitseigenschaften der Aluminiummatrix zu verbessern. Wenn die Gesamt menge dieser zugegebenen Komponenten über 5 Gew.-% hinausgeht, dann werden die Eigenschaften der Affi nität und der Einbettbarkeit verschlechtert. Aus diesem Grunde wird daher die Obergrenze bei insge samt 5 Gew.-% angesetzt.

4) Oberflächenschicht:

Der Zweck für die Vorsehung dieser Schicht besteht darin, die Beständigkeit gegenüber fressendem Ver schleiß, die Einbettbarkeit und die Affinität und der gleichen unter den verschiedenen Eigenschaften des La gers zu verbessern. Die Oberflächenschicht besteht hauptsächlich aus Pb, Sn, und ihren Legierungen. Cu und/oder In können als weitere Elemente zur Verbesserung der Eigenschaften der Oberflächenschicht zugesetzt wer den.

Eine dünne Schicht, wie eine Nickelplattierung, kann zwischen der Lagerlegierungsschicht und der Oberflächen schicht vorgesehen sein, so daß eine bessere Bindung der Lagerlegierungsschicht mit der Oberflächenschicht er zielt wird.

Zum Beschichten der Oberflächenschicht können PVD oder dergleichen zur Bindung zusätzlich zu einem Elektroplat tieren eingesetzt werden.

Eine bevorzugte Dicke der Oberflächenschicht ist im Be reich zwischen 1 und 30 µm.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Metall-La gers mit 3 Schichten; und

Fig. 2 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Metall-La gers mit 4 Schichten.

Die Tabellen 1 und 2 zeigen die metallurgische Zusammenset zung der Lagerlegierungsschichten, die für die erste und die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Metall-Lager verwendet werden und der herkömmlichen Al-Sn-Lagerlegierungs schichten.

Die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lagers ist ein dreischichtiges Verbundelement (bestehend aus einer La gerlegierungsschicht, einer Zwischenbindungsschicht und einer Stahlstützschicht) mit einer Dicke von 1,65 mm. Das Lager ist durch folgende Stufen hergestellt worden: ein Legierungsblech mit der Zusammensetzung gemäß Tabelle 1 und Tabelle 2, und eine Aluminiumfolie werden miteinander laminiert und verbun den, indem sie auf einem Walzenstuhl verwalzt werden. Auf diese Weise wird ein Verbundblech mit einer Gesamtdicke von 1 mm hergestellt. Sodann werden das Verbundblech und die Stahl unterlage mit einer Dicke von 2 mm durch Verwalzen unter Druck miteinander verbunden. Auf diese Weise wird erfolgreich das oben genannte dreischichtige Verbundelement erhalten.

Die Dicke der Lagerlegierungsschicht beträgt 0,42 mm bis 0,43 mm. Diejenige der Zwischenbindungsschicht beträgt 0,02 mm bis 0,03 mm, und diejenige der Stahlunterlage beträgt 1,2 mm. Das dreischichtige Verbundelement wird verpreßt, um ein viel schichtiges Lager mit einem halbkreisförmigen Querschnitt zu ergeben, das einen Durchmesser von 53 mm und eine Länge von 17 mm hat. Dieses wird sodann bei den in Tabelle 3 angegebe nen Bedingungen den Tests auf fressenden Verschleiß und Ermü dungsbeständigkeit unterworfen. Die Fig. 1 zeigt einen ver größerten Querschnitt des ersten Metall-Lagers, bestehend aus drei Schichten gemäß der Erfindung. In der Fig. 1 bedeuten die Bezugszeichen 1, 2 und 3 die Stahlstützschicht, die Zwi schenbindungsschicht bzw. die Lagerlegierungsschicht. Die Er gebnisse der Tests auf Ermüdungsbeständigkeit und fressenden Verschleiß des ersten Metall-Lagers sind in Tabellen 5 bzw. 6 angegeben.

Das zweite Metall-Lager gemäß der Erfindung ist ein vier schichtiges Verbundelement, das durch folgende Stufen herge stellt worden ist: zuerst wird bei den gleichen Bedingungen, wie bei der Herstellung des ersten Metall-Lagers das drei schichtige Metall-Lager hergestellt. Auf die Oberfläche der Lagerlegierung wird durch Elektroplattierung eine Oberflä chenschicht aufgeschichtet. Dies geschieht bei den Bedingun gen, wie sie üblicherweise bei Verwendung eines Borfluorid bads angewendet werden. Die Bedingungen sind in Tabelle 7 zu sammengestellt. Auf diese Weise wird erfolgreich das oben er wähnte vierschichtige Verbundelement mit einer Oberflächen schicht mit einer Dicke von 20 µm erhalten. Diese Verbundele mente werden bei den in den Tabellen 3 und 4 angegebenen Be dingungen auf fressenden Verschleiß und Ermüdungsbeständig keit getestet.

Die Fig. 2 ist ein vergrößerter Querschnitt des Metall-Lagers mit vier Schichten. In der Fig. 2 bedeuten die Bezugszeichen 1, 2, 3 und 4 eine Stahlstützschicht, eine Zwischenbindungs schicht, eine Lagerlegierungsschicht und eine Oberflächen schicht. Die Ergebnisse der Tests auf Ermüdungsbeständigkeit und fressenden Verschleiß des zweiten Metall-Lagers sind ebenfalls in den Tabellen 5 bzw. 6 angegeben.

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung weist folgende Vor teile auf:

1) Aus den Testergebnissen der Tabellen 5 und 6 wird er sichtlich, daß durch Zugabe von Bi die Ermüdungsbestän digkeit ohne Beeinträchtigung der Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß verbessert worden ist.
So wird beispielsweise ein erfindungsgemäßes Lager Nr. 7 gebildet, wenn zum Lager Nr. 19 nach dem Stand der Tech nik der Lagerlegierungsschicht 3,5 Gew.-% Bi zugesetzt werden. Obgleich die Ergebnisse des Tests auf fressenden Verschleiß für beide Lager Nr. 7 und 19 gleich, d. h. 1.025 kp/cm², waren, lag ein Unterschied in den Ergebnis sen des Ermüdungstests vor, da die Ermüdungsgrenze des Lagers Nr. 19 nach dem Stand der Technik 225 kp/cm² be trug und diejenige des erfindungsgemäßen Lagers Nr. 7 250 kp/cm² betrug. Das bedeutet, daß die Ermüdungsbeständig keit des erfindungsgemäßen Lagers verbessert worden war. Diese Verbesserung wird durch die höhere Härte der Sn- Phase erzielt, indem Bi zugesetzt wird, damit Sn mit Bi legiert wird, was zu der Verbesserung der Ermüdungsbe ständigkeit beiträgt. Herkömmlicherweise neigt eine Al- Lagerlegierung mit einem hohen Prozentgehalt an Sn zu niedrigeren Ermüdungsgrenzen. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Zugabe von Bi wurde jedoch die Verschlechte rung der Ermüdungsbeständigkeit verhindert.
2) Aus den Testergebnissen der Tabellen 5 und 6 wird er sichtlich, daß die Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß durch Zugabe von Pb verbessert wurde, ohne daß die Ermüdungsbeständigkeit beeinträchtigt wurde.
So wird beispielsweise das erfindungsgemäße Lager Nr. 1 dadurch gebildet, daß 5,0 Gew.-% zu der Lagerlegierungs schicht des Lagers Nr. 16 nach dem Stand der Technik zu gegeben werden. Obgleich die Ergebnisse des Ermüdungs tests für beide Lager Nr. 1 und 16 gleich, d. h. 200 kp/cm², waren, lag ein Unterschied hinsichtlich der Er gebnisse des Tests auf fressenden Verschleiß vor. Die Lastgrenze des Lagers Nr. 16 nach dem Stand der Technik betrug nämlich 1.025 kp/cm², während diejenige des erfin dungsgemäßen Lagers Nr. 1 1.050 kp/cm² betrug. Dies be weist eine Verbesserung der Beständigkeit gegenüber fres sendem Verschleiß durch die Erfindung. Somit wird die Schmiereigenschaft des Sn durch die Zugabe von Pb verbes sert.
3) Die oben gezeigten günstigen Testergebnisse sind als syn ergistischer Effekt der Verbesserung der Ermüdungsbestän digkeit, erhalten durch Zugabe von Bi, und der Verbesse rung der Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß, erhalten durch Zugabe von Pb, realisiert worden.
4) Aufgrund der obigen Umstände kann daher das erfindungsge mäße Metall-Lager für die derzeitigen Großmotoren verwen det werden, die sowohl eine überlegene Beständigkeit ge genüber fressendem Verschleiß als auch eine überlegene Ermüdungsbeständigkeit erfordern.

Tabelle 3

Bedingungen des Ermüdungstests

Dynamische Lasttestmaschine

Bewertungsmaßstab

Wenn der ermüdete Teil 5% oder mehr der vorspringenden Fläche des Lagers ist, dann wird dies als "Ermüdung" angesehen.

Tabelle 4

Bedingungen des Tests auf fressenden Verschleiß

Statische Lasttestmaschine

Testmethode

Stufenmethode: Erhöhung der Belastung um 50 kp/cm² alle 10 Minuten.

Bewertungsmaßstab

Wenn die Rückseitentemperatur des Lagers über 220°C hinausgeht oder wenn der Stromwert über 20 A hinausgeht, dann wird dies als "Festfressen" angesehen.

Tabelle 5

Ergebnisse des Ermüdungstests

Tabelle 6

Ergebnisse des Tests auf fressenden Verschleiß

Tabelle 7

Bedingungen der Elektroplattierung der Oberflächenschicht

Claims

1. Metall-Lager für Großmotoren, dadurch gekenn zeichnet, daß es drei Schichten, nämlich eine Stahlstützschicht, eine Zwischenbindungsschicht und eine La gerlegierungsschicht enthält, wobei die Zwischenbindungs schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung herge stellt ist, wobei die genannte Lagerlegierungsschicht aus 35 bis 65 Gew.-% Sn, insgesamt 0,5 bis 10 Gew.-% Pb und Bi, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Cu, und zum Rest im wesentlichen Al und er schmelzungsbedingten Einschlüssen besteht.

2. Metall-Lager für Großmotoren, dadurch gekenn zeichnet, daß es vier Schichten, nämlich eine Stahlstützschicht, eine Zwischenbindungsschicht, eine Lager legierungsschicht und eine Oberflächenschicht enthält, wobei die Zwischenbindungsschicht aus Al oder einer Al-Legierung hergestellt ist, wobei die genannte Lagerlegierungsschicht aus 35 bis 65 Gew.-% Sn, insgesamt 0,5 bis 10 Gew.-% Pb und Bi, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Cu, und zum Rest im wesentlichen Al und erschmelzungsbedingten Einschlüssen besteht; und wobei die Oberflächenschicht aus Pb oder Sn oder einer Legierung von Pb und/oder Sn besteht.

3. Metall-Lager für Großmotoren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerlegie rungsschicht weiterhin mindestens eine Komponente aus der Gruppe Mn, Ni, Si, Ag, Mg, Sb und Zn enthält, wobei der Ge samtgehalt der genannten weiteren Komponente nicht mehr als 5 Gew.-% beträgt.

4. Metall-Lager für Großmotoren nach einem der vorstehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenbindungsschicht mindestens eine Komponente, aus gewählt aus Cu, Si, Mn und Zn in einer Gesamtmenge von 0,1 bis 2 Gew.-% enthält.