DE4328612C2

DE4328612C2 - Gleitlager für ein Gehäuse aus einer leichten Legierung

Info

Publication number: DE4328612C2
Application number: DE4328612A
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: 1992-08-28
Filing date: 1993-08-25
Publication date: 1997-06-12
Anticipated expiration: 2013-08-26
Also published as: JPH0826894B2; JPH0674238A; US5432013A; DE4328612A1; GB9317851D0; GB2270128A; GB2270128B

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleitlager für ein Gehäuse aus einer leichten Legierung, das in Verbrennungsmotoren von Automobilen oder dgl. verwendet wird. Dieses Lager weist eine Stützmetallschicht aus einer Kupferlegierung und eine Lagerschicht aus einer Aluminiumlegierung auf.

Es sind bereits verschiedene Arten von Gleitlagern be kannt. Im allgemeinen weist ein Gleitlager aus einer Alu miniumlegierung eine Lagerschicht aus einer Al-Sn-Legierung, Al-Pb-Legierung, Al-Zn-Legierung oder dgl. auf, die auf einem Stützmetall von JIS 3141SPCC, SAE 1010 oder dgl. gebildet ist. Die meisten in Gleitlagern verwendeten Stützmetalle bestehen aus kohlenstoffarmem Stahl, dessen Kohlenstoffgehalt gewöhnlich nicht mehr als 0,20% beträgt.

Gehäuse von solchen Lagern bestehen aus Gußstahl, Gußei sen, Kohlenstoffstahl oder legiertem Stahl. Sein Wärmeaus dehnungskoeffizient entspricht demjenigen des Stützmetalls des Lagers. Daher verbleiben selbst bei einem Temperatur anstieg während des Betriebs das Lager und das Gehäuse miteinander in einem innigen Kontakt, ohne daß sich dazwi schen ein Spalt ausbildet. Es ergeben sich daher beim Be trieb keine besonderen Probleme.

Was die Eigenschaften von herkömmlichen Gleitlagern be trifft, so hat man sich bislang hauptsächlich mit den Ei genschaften der Lagerlegierungsschicht beschäftigt. Was das Stützmetall betrifft, so haben seine Verarbeitbarkeit und seine Bindungseigenschaften Aufmerksamkeit gefunden.

In neuerer Zeit besteht im Hinblick auf die energiespa rende Bauart und das geringe Gewicht von Verbrennungsmoto ren von Automobilen die steigende Tendenz, zur Bildung der Motorblöcke, der Pleuelstangen und dgl., Aluminiumlegie rungen zu verwenden.

Wenn ein Gehäuse für ein Lager aus einer Aluminiumlegie rung hergestellt worden ist, dann unterscheidet sich der Wärmeausdehnungskoeffizient des Lagers mit einer herkömm lichen Stützmetallschicht erheblich von demjenigen des Ge häuses. Daher kann bei erhöhten Temperaturen kein enger Kontakt zwischen dem Lager und dem Gehäuse aufrecht erhal ten werden, so daß Fehlfunktionen, wie ein Ermüden oder ein fressender Verschleiß (d. h. eine Oberflächenbeschädi gung, die sich entwickelt, wenn eine geringe relative Be wegung periodisch zwischen zwei Kontaktoberflächen wieder holt wird) oder Wanderungserscheinungen (d. h. Erscheinun gen, bei denen sich eine Kupferplattierung, eine Flash-Plattierung und Ölcarbid lokal als Ergebnis einer periodi schen relativen Bewegung konzentrieren), auftreten. Ande rerseits besteht bei scharfen Betriebsbedingungen, wie beispielsweise bei hohen Motorgeschwindigkeiten, die als Ergebnis einer Hochleistungsbauart des Motors erhalten werden, das weitere Problem, daß sehr häufig Beschädigun gen, wie ein Festfressen, auftreten.

Es ist schon versucht worden, ein Übermaß zu erhöhen, um den Zustand eines engen Kontakts des Lagers mit dem Ge häuse bei hohen Temperaturen oder unter hohen Lasten zu verbessern. Ein Lager mit einem herkömmlichen Stützmetall aus kohlenstoffarmem Stahl hat aber nur eine niedrige Fe stigkeit. Beim Anheften an das Lager mit hoher Zusammen stellungsspannung verformt es sich über seine Elastizi tätsgrenze hinaus, wodurch ein Verziehen erfolgt. Schließ lich hat ein solches Lager einen niedrigen Wärmeübertra gungskoeffizienten, und es hat eine schlechtere Wärmeab leitung. Aus diesen Gründen ist es daher hinsichtlich der Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß nicht ganz zufriedenstellend.

In der GB 692 190 wird ein mehrschichtiges Gleitlager be schrieben, das aus einer Lagerschicht aus einer Aluminium legierung und einer aus Kupfer hergestellten Stützmetall schicht besteht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues Gleitlager aus einer Aluminiumlegierung bereitzustellen, das zusammen mit einem Gehäuse aus einer leichten Legierung (wie es durch Verwendung eines Aluminiumblocks unter Erhalt einer kompakten Bauart mit geringem Gewicht realisiert werden kann) verwendet werden kann, das Hochtemperaturbedingungen bestehen kann (d. h., daß es Deformationen des Gehäuses leicht folgen kann), welche bei einem Hochleistungsmotor auf grund eines Hochgeschwindigkeits- und Hochmotorenge schwindigkeitsbetriebs auftreten, und das schließlich aus gezeichnete Eigenschaften hinsichtlich der Abnutzungsbe ständigkeit, der Wanderungsbeständigkeit und der Bestän digkeit gegenüber fressendem Verschleiß bei Verwendung ei nes Stützmetalls aus einer Kupferlegierung mit ausgezeich neter Wärmeableitung aufweist.

Erfindungsgemäß wird, damit das Gleitlager mit einem leichten Gehäuse verwendet werden kann und damit auch Be schädigungen (z. B. ein Ermüden und ein Festfressen) bei hohen Temperaturen und hoher Belastung in einem Hochlei stungsmotor verhindert werden können, ein Stützmetall aus einer Kupferlegierung mit höherem Wärmeausdehnungskoeffi zienten und höherem Wärmeübertragungskoeffizienten als ei nes Stützmetalls aus Stahl verwendet. Dieses Stützmetall hat eine genügende Festigkeit, daß es als Stützmetall ein gesetzt werden kann.

Gegenstand der Erfindung ist daher das in den Patent ansprüchen definierte mehrschichtige Gleitlager zur Ver wendung für ein Gehäuse aus einer leichten Legierung.

Nachstehend werden die Grenzen der einzelnen Gehaltsberei che näher erläutert.

(1) Das Stützmetall der Kupferlegierung hat einen Wärme ausdehnungskoeffizienten von nicht weniger als 15 × 10^-6/°C, eine 0,2% Streckfestigkeit bzw. Streckgrenze von nicht weniger als 295 N/mm² und einen Wärmeübertragungsko effizienten von nicht weniger als 0,40 Cal/cm·sec·°C.
(i) Im Hinblick auf die Materialien für die in her kömmlichen Gleitlagern verwendeten Stützmetalle ist die plastische Verarbeitbarkeit von Wichtigkeit, die erhält lich ist, wenn das Lager gebildet wird, beispielsweise in eine Halb-Spaltungskonfiguration oder eine Flanschkonfigu ration. Die meisten solcher Stützmetallmaterialien sind kohlenstoffarme Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von nicht mehr als 0,20% und einem niedrigen Deformationswi derstand.

Das Lager für ein Gehäuse aus einer leichten Legierung muß ein erhöhtes Übermaß haben, wenn es an das Gehäuse an geheftet wird, damit das Lager dem Gehäuse verbessert fol gen kann. Zu diesem Zeitpunkt verkrümmt sich unter einer Zusammenstellungsspannung ein Lager mit niedriger Festig keit, d. h. aus einem kohlenstoffarmen Stahl mit einem Koh lenstoffgehalt von nicht mehr als 0,20%.

Daher ist eine 0,2% Streckfestigkeit bzw. Streckgrenze von nicht weniger als 295 N/mm² erforderlich.

Wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient geringer als 15 × 10^-6/°C ist, dann ist die Differenz zu dem Aluminiumge häuse zu groß, so daß das Übermaß bei hohen Temperaturen vermindert wird. Dies bewirkt eine Abnutzung oder eine Wanderung.

(ii) Bei einem Hochgeschwindigkeitsmotor steigt unter dem Einfluß der Reibungswärme die Temperatur des Lagers sowie die Temperatur des Öls an, wodurch die Dicke des Öl films vermindert wird und auch die Verschleißbeständigkeit der obersten Schicht verringert wird. Es ist daher zusätz lich zu den herkömmlichen Lagereigenschaften wichtig, daß die Wärme von dem Lager wirksam abgeleitet wird. Ein Lager mit einem Stützmetall aus einer Kupferlegierung mit hohem Wärmeübertragungskoeffizienten hat ausgezeichnete Wärme ableitungseigenschaften und überwindet daher das oben ge nannte Problem.

Wenn der Wärmeübertragungskoeffizient weniger als 0,40 Cal/cm·sec·°C beträgt, dann kann ein zufriedenstellender Effekt nicht erhalten werden.

Kupferlegierungen mit einem derart hohen Wärmeausdehnungs koeffizienten und derart hohem Wärmeübertragungskoeffizi enten sind Cu-Cr-Legierungen, Cu-Cd-Legierungen, Cu-Zr-Legierungen, Cu-Fe-P-Mg-Legierungen, Cu-Fe-P-Zn-Legierungen, Cu-Fe-Co-P-Sn-Legierungen oder Cu-Ni-Si-Mg-Legierungen.

(2) Oberste Schicht aus der Pb-Legierung

Wenn der Gesamtgehalt von Sn, In, Cu und Sb in der ober sten Schicht aus der Pb-Legierung für das Gleitlager weni ger als 2 Gew.-% beträgt, dann ist die mechanische Festig keit (z. B. die Härte und die Zugfestigkeit) schlechter. Weiterhin ist in diesem Fall auch die Korrosionsbeständig keit gegenüber organischen Säuren, die in dem Schmieröl vorliegen, verschlechtert.

Wenn andererseits dieser Gehalt über 30 Gew.-% hinausgeht, dann wird, insbesondere im Temperaturbereich von 100 bis 150°C, in dem das Gleitlager verwendet wird, die mechani sche Festigkeit stark erniedrigt. Der Gesamtgehalt der obigen Metalle in der obersten Schicht aus der Pb-Legierung ist daher auf 2 bis 30 Gew.-%, vorzugsweise auf 5 bis 25 Gew.-% begrenzt.

Im allgemeinen wird die oberste Schicht aus der Pb-Legierung durch Elektroplattieren gebildet. Sie kann aber auch durch alle beliebigen anderen Verfahren, wie Aufspritzen, gebildet werden. Das Herstellungsverfahren dieser obersten Schicht ist daher keinen besonderen Begrenzungen unterwor fen.

(3) Flash-Plattierung mit einer Dicke von 0,1 bis 10 µm

Der Hauptzweck der Flash-Plattierung besteht darin, rost verhindernde Eigenschaften und eine Anfangskompatibilität zu erhalten. Bei einer Dicke von weniger als 0,1 µm wird kein zufriedenstellender Effekt erhalten. Wenn anderer seits die Dicke höher als 10 µm ist, dann werden eher nachteilige Effekte bewirkt, anstatt daß der gewünschte Effekt erhöht wird. Weiterhin können in diesem Falle Wan derungserscheinungen vorliegen.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen na her erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt, der die Teile zeigt, die bei der Durchführung des Hochgeschwindigkeits-DS-Tests gegenüber fressendem Verschleiß verwendet werden; und

Fig. 2 ein Diagramm, das die Lastaufbringungseigenschaften beim Hochgeschwindigkeits-DS-Test gegenüber fressendem Verschleiß zeigt. Die Erfindung wird in den Beispielen erläutert.

Beispiel 1

Die einzelnen Legierungen zur Bildung einer Lagerschicht mit den Zusammensetzungen gemäß Tabelle 1 wurden bei 700- 800°C geschmolzen und durch Stranggießen zu Blöcken mit einer Dicke von 26 mm und einer Breite von 270 mm gegos sen.

Der gegossene Barren wurde bei 350-450°C vergütet. Sodann wurde die Oberfläche des Barrens abgeschnitten, und der Barren wurde gewalzt. Hierauf wurde das Walzprodukt wie derholt vergütet und zu einem Streifen mit einer Dicke von 1 mm fertiggewalzt. Sodann wurde der Streifen durch Walzen an ein Stützmetall (Streifen aus einer Cu-Cr-Legierung, Streifen aus einer Cu-Fe-Zn-P-Legierung und Streifen aus SPCC-Stahl (Vergleichsmaterial)) durch eine Aluminium zwischenschicht druckgebunden, um ein Bimetall-Material herzustellen. Das Bimetall-Material wurde sodann einer Wärmebehandlung unterworfen, und durch Pressen und spanab hebende Behandlung zu einem halbkreisförmigen Lager verar beitet (erfindungsgemäße Produkte: Probe Nrn. 1 bis 3 und 8 bis 10; herkömmliche Produkte: Probe Nrn. 15 bis 17). Der Außendurchmesser des halbkreisförmigen Lagers war 56 mm, und die Dicke des Stützmetalls betrug 1,2 mm. Die Dicke der Zwischenbindungsschicht betrug 0,05 mm, und die Dicke der Schicht aus der Lagerlegierung betrug 0,25 mm.

Beispiel 2

Die einzelnen Legierungen zur Bildung einer Lagerschicht mit den Zusammensetzungen gemäß Tabelle 1 wurden durch Pulverkompaktierung und Extrudieren zu einem Legierungs streifen mit einer Dicke von 1 mm verarbeitet. Dieser Le gierungsstreifen wurde wiederholt gewalzt und vergütet, um zu den vorbestimmten Abmessungen fertiggestellt zu werden. Sodann wurde der Legierungsstreifen durch Walzen auf ein Stützmetall durch eine Aluminiumzwischenschicht druckge bunden, wodurch ein Bimetall-Material gebildet wurde. Die ses Bimetall-Material wurde einer Wärmebehandlung unter worfen und sodann durch Pressen und spanabhebende Behand lung in ein halbkreisförmiges Lager verarbeitet (erfin dungsgemäße Produkte: Probe Nrn. 4, 5, 11 und 12; herkömm liche Produkte: Probe Nrn. 18 und 19). Dieses halbkreis förmige Lager hatte die gleichen Abmessungen wie das halb kreisförmige Lager des Beispiels 1.

Beispiel 3

Gußbarren wurden nach der gleichen Verfahrensweise wie im obigen Beispiel 1 hergestellt. Jeder Barren wurde wieder holt vergütet und gewalzt, um zu einem Streifen mit vorbe stimmten Abmessungen fertiggestellt zu werden. Sodann wurde der Streifen durch Walten an ein Nickel-plattiertes Stützmetall druckgebunden, wodurch ein Bimetall-Material erhalten wurde. Sodann wurde das Bimetall-Material einer Wärmebehandlung unterworfen und sodann durch Pressen und spanabhebende Behandlung zu einem halbkreisförmigen Lager verarbeitet (erfindungsgemäße Produkte: Probe Nrn. 6, 7, 13 und 14; herkömmliche Produkte: Probe Nrn. 20 und 21).

Dieses halbkreisförmige Lager hatte die gleichen Abmessun gen wie das halbkreisförmige Lager des Beispiels 1.

Beispiel 4

Eine Deckoberflächenschicht mit einer Dicke von 20 µm wurde durch herkömmliches Elektroplattieren auf der Ober fläche der einzelnen halbkreisförmigen Lager, die nach den Verfahren der Beispiele 1 bis 3 hergestellt worden waren, gebildet. Auf diese Weise wurden Endprodukte (halbkreis förmige Lager) erhalten (erfindungsgemäße Produkte: Probe Nrn. 6, 7, 13 und 14; herkömmliche Produkte: Probe Nrn. 20 und 21). Die so erhaltenen halbkreisförmigen Lager hatten die gleichen Abmessungen wie das halbkreisförmige Lager des Beispiels 1.

Testbeispiel 1

Es wurden verschiedene Eigenschaften, wie die Zugfestig keit und der Wärmeausdehnungskoeffizient der in den obigen Beispielen verwendeten Kupferlegierungsstreifen und Stahlstreifen, bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengestellt.

Testbeispiel 2

Um die Veränderung der Eigenschaften (Übermaß, Lager spannung und dgl.) der Lager je nach dem Material des Ge häuses und der Temperaturveränderung zu vergleichen, ist in Tabelle 3 ein Rechenbeispiel angegeben, bei dem der Pr-Wert (Druck in Radialrichtung) bei 20°C gleich 1 gesetzt wurde. Aus den Rechenergebnissen der Tabelle 3 wird er sichtlich, daß, obgleich im Falle eines Stahlgehäuses bei einem Lager mit einem herkömmlichen Stahlstützmetall keine Veränderungen auftreten, bei Lagern mit einem Stützmetall aus einer Kupferlegierung das Übermaß, die Lagerspannung und dgl. mit steigender Temperatur erhöht werden.

Andererseits nehmen bei einem Aluminiumgehäuse sowohl das Übermaß als auch die Lagerspannung bei steigender Tem peratur ab, und das Übermaß eines Lagers mit einem Stahl stützmetall bei 150°C ist nur halb so groß wie diejenige, die bei 20°C erhalten wird. Dies führt dazu, daß ein sol ches Lager hinsichtlich seiner Lagerfunktion ausfällt. An dererseits haben Lager mit einem Stützmetall aus einer Kupferlegierung selbst bei 150°C noch ein genügendes Über maß, so daß diese insbesondere für ein Aluminiumgehäuse ziemlich vorteilhaft sind.

Testbeispiel 3

Zum Vergleich der Beständigkeit gegenüber fressendem Ver schleiß bei Hochgeschwindigkeitsbedingungen wurde ein Ver gleichstest unter Verwendung einer Hochgeschwindigkeits-Testvorrichtung zur Bestimmung des fressenden Verschleißes durchgeführt. Die Testbedingungen sind in Tabelle 5 zusam mengestellt. Die Durchführungsweise des Tests auffressen den Verschleiß ist in Fig. 1 gezeigt. Der Zustand der Lastaufbringung beim Test auffressenden Verschleiß ist in Fig. 2 gezeigt.

Die Testvorrichtung wurde zuerst eine Stunde lang laufen gelassen und in einer solchen Weise betrieben, daß die statische Last bei einer Schmierölbeschickung mit einer Geschwindigkeit von 150 ml/min kumulativ zunahm. Ein fres sender Verschleiß wurde dann angenommen, wenn die Tempera tur der Hinterseite des Lagers über 200°C angestiegen war oder wenn ein Band als Ergebnis einer Veränderung der Dre hung glitt. Die Testergebnisse, d. h. die Lagerdrücke vor dem Auftreten eines fressenden Verschleißes (d. h. die ma ximalen Lagerdrücke, die keinen fressenden Verschleiß be wirkten), sind in Tabelle 4 zusammengestellt.

Aus den Testergebnissen der Tabelle 4 wird ersichtlich, daß die Beständigkeit der erfindungsgemäßen Produkte ge genüber fressendem Verschleiß im Vergleich zu herkömmli chen Produkten, insbesondere im Hochgeschwindigkeitsbe reich, stark verbessert worden sind.

Aus den Testergebnissen der Tabellen 3 und 4 wird ersicht lich, daß die erfindungsgemäßen Gleitlagermaterialien, die ein Lager zur Verwendung in einem Gehäuse aus einer leich ten Legierung (Gehäuse aus einer Aluminiumlegierung) und zur Verwendung in einem Hochgeschwindigkeitsmotor bilden, herkömmlichen Produkten (Vergleichsmaterialien) in ver schiedener Hinsicht überlegen sind.

Insbesondere haben die erfindungsgemäßen Gleitlagermate rialien bezüglich einem Gehäuse aus einer leichten Legie rung eine ausgezeichnete Fähigkeit, eine Deformation des Gehäuses zu absorbieren, da sie einen hohen Wärmeausdeh nungskoeffizienten haben. Auch sind bezüglich Hochge schwindigkeitsmotoren die erfindungsgemäßen Gleitlagerma terialien ziemlich wirksam, um den Temperaturanstieg des Lagers und des Schmieröls zu beschränken, da sie einen ho hen Wärmeübertragungskoeffizienten haben. Die erfindungs gemäßen Lager üben daher ihre Funktion sicher aus. Hier durch werden die vorteilhaften Effekte der vorliegenden Erfindung klar.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß die erfindungsgemä ßen Gleitlager mit einem Stützmetall aus einer Kupferle gierung selbst dann ein sehr gutes Verhalten zeigen, wenn bezüglich eines Gehäuses aus einer leichten Legierung ein großes Übermaß nicht erhalten wird. Sie können weiterhin bei scharfen Bedingungen, beispielsweise wenn die Tem peraturen des Lagers und des Schmieröls in den Hochge schwindigkeitsbereich von Verbrennungsmotoren hinein an steigen oder wenn die Trägheitskräfte des Gehäuses zuneh men, eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber fressen dem Verschleiß, eine ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit und eine ausgezeichnete Abriebbeständigkeit haben. Diese ausgezeichneten Eigenschaften werden durch herkömmliche mehrschichtige Gleitlager nicht erreicht.

Tabelle 2

Verschiedene Eigenschaften

Berechnungsbedingungen

1. Lagerabmessungen
Außendurchmesser: 56 mm
Dicke des Stützmetalls: 1,2 mm
Verhältnis von Gehäuseaußenseite/-innenseite
(Außendurchmesser des Gehäuses/Innendurchmesser des Gehäuses) : 1,5
2. Material des Stützmetalls
3. Material des Gehäuses

Tabelle 4

Ergebnisse des Hochgeschwindigkeits-DS-Tests auf fressenden Verschleiß

Tabelle 5

Bedingungen des Hochgeschwindigkeits-DS-Tests auf fressenden Verschleiß

Claims

1. Mehrschichtiges Gleitlager zur Verwendung für ein Ge häuse aus einer leichten Legierung, gekenn zeichnet durch eine Lagerschicht aus einer Alumi niumlegierung, in der die Massenanteile der Komponenten mindestens 5 bis 30% Sn, Cu, Pb, Sb, Si und/oder Zn und zum Rest Al und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen betragen, durch eine Zwischenbindungsschicht, die zwischen die Lagerschicht und die Stützmetallschicht aus der Kup ferlegierung gelegt ist, wobei die Zwischenbindungsschicht aus Aluminium oder Nickel besteht, und eine Stützmetall schicht, wobei die Stützmetallschicht aus einer Kupferle gierung, in der die Massenanteile der Komponenten entweder 1,15% Cr und zum Rest Cu oder 2,35% Fe, 0,12% Zn, 0,07% P und zum Rest Cu betragen, besteht.

2. Mehrschichtiges Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche der Lagerschicht eine oberste Schicht aus einer Pb-Legierung ausgebildet ist, in der die Massenanteile der Komponenten 2 bis 30% mindestens eines Elements aus der Gruppe Sn, In, Cu und Sb und zum Rest Pb betragen.

3. Mehrschichtiges Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der gesamten Oberfläche des Gleitlagers eine Flash-Plattie rungsschicht mit einer Dicke von 0,1 µm bis 10 µm ausge bildet ist, wobei die Flash-Plattierungsschicht aus Sn oder Pb hergestellt ist.