DE4323448A1

DE4323448A1 - Lager auf der Basis einer Aluminiumlegierung

Info

Publication number: DE4323448A1
Application number: DE4323448A
Authority: DE
Inventors: Tadashi Tanaka; Masaaki Sakamoto; Tohru Kato; Yoshiaki Sato
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 1992-07-16
Filing date: 1993-07-13
Publication date: 1994-01-20
Anticipated expiration: 2013-07-14
Also published as: DE4323448C5; JPH0633175A; GB9314807D0; GB2268754A; US5453244A; JP2901218B2; GB2268754B; DE4323448C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Lager auf der Basis einer Alumi niumlegierung, das hauptsächlich für Verbrennungsmotoren von Automobilen verwendet wird und das selbst bei scharfen Bedingungen eine ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit be sitzt. Das Lager hat eine kompakte Größe und eine ge wichtsparende Bauart, um Treibstoff zu sparen. Es kann auch eine Hochgeschwindigkeits- oder Hochleistungsbauart haben, um eine hohe Leistung zu erhalten.

Bislang sind Al-Sn-Legierungen, Al-Si-Sn-Legierungen, Al-Zn- Legierungen und Al-Zn-Si-Legierungen dazu verwendet worden, um Lager auf Aluminiumbasis für Verbrennungsmotoren herzu stellen. Eine solche Al-Zn-Si-Legierung wird bereits in der japanischen Patentanmeldung Nr. 1-140284 beschrieben.

In neuerer Zeit sind aber bei Verbrennungsmotoren zur Treib stoffersparnis solche mit kompakter Bauart und mit geringe rem Gewicht sowie mit hoher Abgabeleistung erforderlich ge worden. Die Motoren werden unter schärferen Bedingungen bei höheren Temperaturen, höherer Geschwindigkeit und unter hö herer Last betrieben. Die durch herkömmliche Lagermateria lien, wie Al-Sn-Legierungen, Al-Si-Sn-Legierungen, Al-Zn-Le gierungen und Al-Zn-Si-Legierungen, erhältliche Ermüdungs beständigkeit ist daher für diese Zwecke nicht mehr ausrei chend.

Im Falle von herkömmlichen Materialien, wie beispielsweise Al-Si-Cd-Legierungen, tritt weiterhin beim Verschleiß der Deckschicht das Problem der Beständigkeit gegenüber fres sendem Verschleiß auf. Das in solchen Materialien enthaltene spezielle Element Cd bringt Verschmutzungsprobleme mit sich. Bei Verbrennungsmotoren, die so ausgelegt sind, daß sie bei hoher Geschwindigkeit und unter hoher Last arbeiten, wird der Film des Schmieröls dünn, so daß die Ermüdungsbestän digkeit und die Beständigkeit gegenüber fressendem Ver schleiß ungenügend werden. Die japanische Patentanmeldung Nr. 1-140284 richtet sich auf die Verbesserung einer sol chen, nicht ausreichenden Ermüdungsbeständigkeit und nicht ausreichender Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß. Trotzdem hat dieses Lager bei scharfen Betriebsbedingungen eine nicht ausreichende Ermüdungsbeständigkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obigen Prob leme des Stands der Technik zu überwinden und ein neues La ger auf Aluminiumbasis bereitzustellen, das selbst bei scharfen Betriebsbedingungen (d. h. hoher Temperatur bei ho her Geschwindigkeit und unter hoher Last) eine erheblich verbesserte Ermüdungsbeständigkeit im Vergleich zu den herkömmlichen Lagern auf Legierungsbasis besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Material ge löst, das als wesentliche Komponenten Al, Zn, Cu und weiter hin Mg, Mn, Pb, V und Ti-B enthält. Bei diesem Material ist (1) die Festigkeit der Matrix durch die Zugabe von Mn und V erhöht und (2) Ti-B oder Ti-B plus Sr zugesetzt worden, um die Korngröße der Struktur zu verfeinern, damit die Ermü dungsbeständigkeit erhöht wird.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Lager auf der Basis einer Aluminiumlegierung, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es eine Lagerlegierungsschicht aus 1 bis 10 Gew.-% Zn, 0,1 bis 5 Gew.-% Cu, 0,05 bis 3 Gew.-% Mg, 0,1 bis 2 Gew.-% Mn, 0,1 bis 5 Gew.-% Pb, 0,1 bis 2 Gew.-% V, insgesamt 0,03 bis 0,5 Gew.-% Ti-B, Rest Al und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen aufweist.

Die Lagerlegierungsschicht kann weiterhin nicht mehr als 8% Si enthalten.

Die Lagerlegierungsschicht kann weiterhin 0,05 bis 0,5% Sr enthalten.

Die Lagerlegierungsschicht kann weiterhin mindestens eine Art von 0,05 bis 5%, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ni, Co und Cr, enthalten.

Die Lagerlegierungsschicht kann durch Druck mit einer Stahl stützmetallschicht verbunden sein.

Eine Zwischenbindungsschicht aus Al oder einer Al-Legierung kann zwischen die Lagerlegierungsschicht und die Stahlstütz metallschicht zwischengelegt sein und damit verbunden sein.

Eine Deckschicht aus einer Bleilegierung kann auf einer Oberfläche der Lagerlegierungsschicht gebildet sein.

Nachstehend werden die Gründe für die Begrenzungen der je weiligen Legierungselemente wie folgt erläutert:

(1) Zn: 1 bis 10 Gew.-%

[1] Zn liegt in der Al-Matrix im Zustand einer festen Lösung vor, wodurch das Raumgitterintervall dahingehend verändert wird, daß die Haftungseigenschaft von Al erniedrigt wird. [2] Zn wird gegenüber Al bevorzugt oxidiert, so daß die Ge fahr eines harten Films aus Al-Oxid vermieden wird. [3] Zn steigert die Affinität gegenüber dem Schmieröl.

Wenn die zugegebene Menge von Zn weniger als 1% beträgt, dann werden die Beständigkeit gegenüber fressendem Ver schleiß und die Ermüdungsbeständigkeit schlechter. Wenn der Zn-Gehalt mehr als 10% beträgt, dann tritt das Risiko einer Spannungskorrosionsrißbildung auf. Weiterhin erfolgt in die sem Fall eine Verminderung der Zähigkeit. Wenn auf der Ober fläche der obigen Legierung eine Deckschicht aus einem wei chen Material gebildet worden ist, dann wird in diesem Fall auch die Bindungseigenschaft, beispielsweise gegenüber einer Elektroplattierung, beeinträchtigt. Schließlich werden die Druckverbindungseigenschaften beim Walzen in nachteiliger Weise beeinflußt. Aus diesen Gründen ist der Zn-Gehalt auf 1 bis 10 Gew.-% begrenzt.

Vorzugsweise liegt dieser Gehalt im Bereich von 2 bis 8 Gew.-%.

(2) Mg: 0,05 bis 3 Gew.-%

Mg liegt in der Al-Matrix im Zustand einer festen Lösung vor, oder es ist als intermetallische Verbindung ausgefällt, wodurch die Ermüdungsbeständigkeit verbessert worden ist.

Wenn die zugegebene Menge von Mg weniger als 0,05% beträgt, dann wird durch eine solche Zugabe kein Effekt erzielt. Wenn andererseits der Gehalt über 3% hinausgeht, dann wird die Legierung zu hart, so daß die Verträglichkeit und die Zähig keit schlechter werden. Dazu kommt noch, daß in diesem Fall die Walzeigenschaften der Al-Legierung beeinträchtigt wer den.

(3) Mn: 0,1 bis 2 Gew.-%

Mn liegt in der Al-Matrix im Zustand einer festen Lösung vor, oder es ist als intermetallische Verbindung ausgefällt, wodurch die mechanischen Eigenschaften bei hoher Temperatur verbessert werden.

Wenn die zugegebene Menge von Mn weniger als 0,1 Gew.-% be trägt, dann wird durch eine solche Zugabe kein Effekt er zielt. Wenn andererseits der Gehalt über 2% hinausgeht, dann wird die intermetallische Verbindung vergröbert, wo durch die Legierung brüchig wird. Dazu kommt noch, daß die Walzeigenschaften der Al-Legierung in diesem Falle nachtei lig beeinflußt werden.

(4) Pb: 0,1 bis 5 Gew.-%

Pb verbessert die Schneidfähigkeit und die Beständigkeit ge genüber fressendem Verschleiß.

Wenn die zugegebene Menge von Pb weniger als 0,1% beträgt, dann wird durch eine solche Zugabe kein Effekt erzielt. Wenn andererseits der Gehalt über 5% hinausgeht, dann wird das Pb in der Al-Matrix nur schwierig dispergiert. Schließlich wird in diesem Fall auch die Festigkeit erniedrigt.

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

Cu erhöht die Festigkeit der Al-Matrix und verbessert die Ermüdungsbeständigkeit.

Wenn die zugegebene Menge von Cu weniger als 0,1% beträgt, dann wird durch eine Zugabe kein Effekt erzielt. Wenn die Menge andererseits über 5% hinausgeht, dann wird die Legie rung zu hart und die Verträglichkeit wird in nachteiliger Weise beeinflußt. Dazu kommt noch, daß in diesem Fall die Zähigkeit erniedrigt wird.

(6) Sr: 0,05 bis 0,5 Gew.-%

Das Sr bewirkt, daß das Si sehr fein kristallisiert. Es be wirkt eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften (ins besondere der Dehnung).

Wenn die zugegebene Menge weniger als 0,05% beträgt, dann wird kein Effekt erzielt. Wenn andererseits der Gehalt über 0,5% hinausgeht, dann wird die Duktilität verringert.

(7) Ti-B: insgesamt 0,03 bis 0,5%

Es wird eine harte intermetallische Verbindung von TiB₂ ge bildet und gleichförmig dispergiert, wodurch die Festigkeit der Legierung erhöht wird. Weiterhin wird hierdurch auch die Korngröße verfeinert.

Wenn die Gesamtmenge von Ti und B weniger als 0,03% ist, dann können die obigen Effekte nicht erhalten werden. Wenn andererseits die Menge über 0,5% hinausgeht, dann wird die Legierung brüchig, wodurch die plastische Verarbeitbarkeit beeinträchtig wird.

(8) Si: nicht mehr als 8%

[1] Si-Teilchen mit hoher Härte (Hv etwa 600) werden disper giert, und als Ergebnis wird nur die weiche Al-Matrix an der Oberfläche verschlissen, so daß die Oberfläche mikroskopisch in der Weise aufgerauht wird, daß sie feine Löcher und Vor sprünge aufweist. Das Si an den Vorsprüngen ermöglicht, daß die Legierung hohen Lasten widerstehen kann, während die Antianhaftungseigenschaften (Beständigkeit gegenüber einem Anhaften) aufrechterhalten wird. Die Löcher üben eine solche Funktion wie ein Ölsumpf aus, und sie ermöglichen es, daß die Legierung hohen Lasten und Kontakt mit Metallen wider steht. Sie ermöglichen es auch, daß die Legierung mit einem dünnen Ölfilm gut funktioniert.

[2] Wenn die Al-Matrix einen Moment lang mit einer paaren den Welle in Metall-Metall-Kontakt gebracht wird, dann wird ein Festfressen der Lagerlegierung wegen der Beständigkeit des Si auf der Oberfläche gegenüber einem Anhaften und der Nichtfließfähigkeit der Al-Matrix verhindert. Diese Nicht fließfähigkeit wird durch das darin als Kern vorliegende Si bewirkt.

(9) V: 0,1 bis 2 Gew.-%

V liegt in der Al-Matrix im Zustand einer festen Lösung vor, oder es ist als intermetallische Verbindung ausgefällt, wo durch die mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen verbessert werden.

Wenn die zugegebene Menge von V weniger als 0,1% beträgt, dann wird durch eine solche Zugabe kein Effekt erzielt. Wenn andererseits der Gehalt über 2% hinausgeht, dann wird die intermetallische Verbindung vergröbert, und die Duktilität wird in nachteiliger Weise beeinflußt.

(10) Mindestens eine Art von Ni, Co und Cr: 0,05 bis 5%

Eine oder mehrere dieser Substanzen liegen in der Al-Matrix im Zustand einer festen Lösung vor oder bilden durch Ausfäl lung eine intermetallische Verbindung. Hierdurch wird die Festigkeit der Legierung erhöht, so daß die Ermüdungsbestän digkeit gesteigert wird.

Wenn der Gehalt weniger als 0,05% beträgt, dann wird kein derartiger Effekt erzielt. Wenn andererseits der Gehalt über 5% hinausgeht, dann wird die Legierung brüchig, und die Zähigkeit und die Duktilität werden erniedrigt.

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

Fig. 1 eine diagrammartige Darstellung der Ermüdungsbe ständigkeit von Streifen aus den erfindungsgemäßen Legierungen sowie von Streifen aus herkömmlichen Legierungen;

Fig. 2 eine diagrammartige Darstellung der Ermüdungs eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierungen und von herkömmlichen Legierungen;

Fig. 3 die Gestalt eines Probekörpers;

Fig. 4 ein Diagramm, das das Lastmuster beim Ermüdungs test zeigt; und

Fig. 5 eine schematische Ansicht einer Ermüdungstest vorrichtung.

Die Erfindung wird in den Beispielen erläutert.

Beispiel 1

Die Legierungen mit den Zusammensetzungen gemäß Tabelle 1 wurden bei 700 bis 800°C aufgeschmolzen und durch kontinu ierliches Gießen zu einem Zaggel mit einer Dicke von 2,54 cm und einer Breite von 270 mm verformt.

Der Zaggel wurde bei 350 bis 450°C vergütet. Nach dem Schneiden der Oberfläche wurde der Zaggel gewalzt.

Das Vergüten und das Walzen wurden weiter wiederholt, um das Produkt mit der vorbestimmten Größe fertigzustellen. Auf diese Weise wurden die in Tabelle 1 gezeigten Streifen einer Lagerlegierung gemäß der Erfindung (Proben Nr. 1 bis 19) und aus einer herkömmlichen Legierung (Proben Nr. 20 bis 25) er halten. Aus diesen Legierungsstreifen wurden die in Fig. 3 gezeigten Probekörper hergestellt. Zum Vergleich ihrer Ermü dungsbeständigkeiten wurden Ermüdungstests in einer Ermü dungstestvorrichtung mit einem Lastmuster gemäß Fig. 4 durchgeführt.

Die Ergebnisse der Tests sind in Fig. 1 zusammengestellt. Die Testbedingungen sind in Tabelle 3 gezeigt.

Aus Fig. 1 wird ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Pro dukte hinsichtlich der Ermüdungsbeständigkeit herkömmlichen Produkten überlegen sind.

Beispiel 2

Durch die gleiche Verfahrensweise wie in Beispiel 1 wurden Streifen aus Legierungen erhalten. Die einzelnen Streifen wurden durch Druck mit einer Stahlstützmetallplatte verbun den, wodurch ein Bimetallmaterial hergestellt wurde. Das Bi metallmaterial wurde bei 300 bis 400°C vergütet und sodann zu einem halbkreisförmigen Lager mit einem Innendurchmesser von 53 mm, einer Breite von 17 mm und einer Schichtdicke der Lagerlegierung von 0,3 mm verformt. Auf diese Weise wurden Lager gemäß der Erfindung (Proben Nr. 1 bis 19) und herkömmliche Lager (Proben Nr. 20 bis 25) erhalten.

Was die Stahlstützmetallplatte betrifft, so kann beispiels weise eine Stahlstützmetallplatte verwendet werden, die mit Ni plattiert ist. Eine Begrenzung auf die Stahlstützmetall platte dieses Beispiels ist nicht vorgesehen.

Beispiel 3

Eine Oberflächenschicht (Deckschicht) mit einer Dicke von 20 µm wurde durch herkömmliches Elektroplattieren auf der Oberfläche der einzelnen halbkreisförmigen Lager nach der gleichen Verfahrensweise wie in den Beispielen 1 und 2 her gestellt. Auf diese Weise wurden erfindungsgemäße Produkte (Proben Nr. 1 bis 19) und herkömmliche Produkte (Proben 20 und 23 bis 25) gemäß Tabelle 2 erhalten.

Diese Lager wurden auf die Ermüdungsbeständigkeit getestet.

Bei dem in Fig. 5 gezeigten Ermüdungstest wurde ein induk tionsgehärtetes Material gemäß JIS S55C als Wellenmaterial verwendet. Der Test wurde unter einem Zwangsschmierungszu stand bei einer Wellengeschwindigkeit von 4000 UpM 20 h lang durchgeführt. Die Ermüdungslast wurde gemessen. Die Ergeb nisse dieses Tests sind in Fig. 2 zusammengestellt. Die Testbedingungen sind in Tabelle 4 gezeigt.

Aus den Testergebnissen der Fig. 2 wird ersichtlich, daß alle Produkte gemäß der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der Ermüdungsbeständigkeit herkömmlichen Produkten überlegen sind.

Tabelle 2

Probelager

Tabelle 3

Tabelle 4

Aus den Testergebnissen der Fig. 1 und 2 wird ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Gleitlager im Vergleich zu her kömmlichen Lagern eine wesentlich bessere Ermüdungsbestän digkeit haben. Sie können daher ihre Lagerfunktion selbst bei scharfen Gebrauchsbedingungen, wie bei hoher Geschwin digkeit und unter hoher Last, ausüben.

Claims

1. Lager auf der Basis einer Aluminiumlegierung, da durch gekennzeichnet, daß es eine La gerlegierungsschicht aus 1 bis 10 Gew.-% Zn, 0,1 bis 5 Gew.-% Cu, 0,05 bis 3 Gew.-% Mg, 0,1 bis 2 Gew.-% Mn, 0,1 bis 5 Gew.-% Pb, 0,1 bis 2 Gew.-% V, insgesamt 0,03 bis 0,5 Gew.-% Ti-B, Rest Al und erschmelzungsbedingten Verunreini gungen aufweist.

2. Lager auf der Basis einer Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerlegierungsschicht weiterhin nicht mehr als 8 Gew.-% Si enthält.

3. Lager auf der Basis einer Aluminiumlegierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerlegierungsschicht weiterhin 0,05 bis 0,5 Gew.-% Sr enthält.

4. Lager auf der Basis einer Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Lagerlegierungsschicht weiterhin 0,05 bis 5 Gew.-% mindestens eines Elements aus der Gruppe Ni, Co und Cr enthält.

5. Lager auf der Basis einer Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß das Lager eine Stahlstützmetall schicht aufweist, die durch Druck mit der Lagerlegierungs schicht verbunden worden ist.

6. Lager auf der Basis einer Aluminiumlegierung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager eine Zwischenbindungsschicht aus Al oder einer Al-Legierung aufweist, welche zwischen die Lagerlegierungs schicht und die Stahlstützmetallschicht gelegt worden ist und damit verbunden worden ist.

7. Lager auf der Basis einer Aluminiumlegierung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich net, daß auf der Oberfläche der Lagerlegierungsschicht eine Deckschicht aus einer Bleilegierung gebildet worden ist.