DE902694C - Verbundgleitlager auf Kupfer-Blei-Basis - Google Patents

Description

• Verbundgleitlager auf Kupfer-Blei-Basis Bleibronze, die als Lagerwerkstoff eine weitreichende Anwendung gefunden hat, weist noch eine Reihe von Nachteilen auf, die sich teilweise bei der Lagerfertigung, teilweise im Verhalten der fertigen Lager während des Laufes zeigen. Die Bleibronze besitzt zunächst ein unzulängliches Einbettungsvermögen für feste Verunreinigungen des Öles. Ihre Notlaufeigenschaften sind ebenfalls vielfach nicht ausreichend, weil das Blei beim Notlauf aus der Bleibronze herausschmilzt und sich in Form grober Schmelztropfen an der Lauffläche sammelt, wobei es zum großen Teil in die Öllöcher und Ölnuten einfließt und so zu Versagern führt. Die Fertigungsschwierigkeiten sind in den Eigenschaften und im Aufbau der Bleibronze begründet. Vor allen Dingen ist die Fertigung komplizierterer Lagerformen sehr schwierig und bringt verhältnismäßig hohe Ausschußzahlen mit sich.
• Die in Amerika im Flugmotorenbau verwendeten galvanischen Silberverbundlager mit einer dünnen Laufschicht aus Blei-Indium oder Blei-Zinn sind von den Nachteilen der Bleibronzelager weitgehend frei. Die Rohstofflage des Silbers und außerdem der hohe Preis dieses Edelmetalls stehen aber einer allgemeinen Anwendung der Silbergleitlager an Stelle von Bleibronzelagern in Deutschland entgegen.
• Es war deshalb wichtig, von der Bleibronze ausgehend ein Lager zu entwickeln, das von den fertigungstechnischen Nachteilen der normalen Bleibronzelager, hoher Materialaufwand, hoher Wärmeaufwand, hohe Ausschußzahlen usw., frei ist bei gleichwertigen, möglichst noch besseren Lagereigenschaften.
• Im Laufe der zahlreichen in dieser Richtung durchgeführten Versuche ergab sich nun, daß die der Bleibronze anhaftenden Mängel weitgehend beseitigt werden können, wenn man nicht eine Kupfer-Blei-Legierung als Lagerwerkstoff verwendet, sondern das Lager so aufbaut, daß Blei und Kupfer in getrennten Schichten auftreten. Ein solches als Verbundlager ausgebildetes Kupfer-Blei-Lager besteht aus der Stahlgrundschale, auf der sich eine Kupferschicht befindet, die etwa die Stärke des Bleibronzeausgusses bei normalen Bleibronzelagern hat. Auf dieser Kupferschicht befindet sich eine Bleischicht mit einer Dicke von 15 bis 30 µ. Für die Belastbarkeit eines solchen Lagers beim Lauf sind die Festigkeitseigenschaften der Kupferschicht maßgebend. Die Bleiauflage befähigt aber das Lager, die im Öl auftretenden festen Verunreinigungen besser aufzunehmen, als dies bei Bleibronzelagern der Fall ist, und so unschädlich zu machen. Ein gutes Notlaufverhalten dieser Lager ergibt sich auch dadurch, daß sich infolge der Gegenwart des Bleis auf der gesamten Lauffläche bei Notlauf überall ein flüssiger Bleifilm bilden kann, der ein Fressen des Kupfers mit der Stahlwelle unterbindet.
• Damit das Lager jedoch noch die für Hochleistungslager notwendigen Eigenschaften behält, darf die Bleiauflage eine bestimmte Höchstdicke nicht überschreiten. Um andererseits die vorzüglichen Notlaufeigenschaften und das Einbettungsvermögen für Fremdstoffe zu gewährleisten, darf eine bestimmte Mindestschichtdieke nicht unterschritten werden. Durch eingehende Versuche wurde festgestellt, daß die zulässige Mindestdicke bei 5 µ, die Höchstdicke bei etwa 5o µ liegt. Die Dicke der Kupferauflage richtet sich nach dem Verwendungszweck und den Arbeitsbedingungen bei der Lagerfertigung. Sie kann ohne eine Verminderung der Leistungsfähigkeit der Lager in manchen Fällen bis auf etwa o,2 mm herabgesetzt werden.
• Bei den geschichteten Lagern ist gegenüber den legierten Lagern das Verhältnis von Blei zu Kupfer wesentlich zugunsten des Kupfers verschoben. Bei einer mittleren Dicke der Kapferauflage von o,3 mm beträgt die Bleimenge, bezogen auf das Kupfer, 3,7 bzw. II% bei einer Dicke der Bleiauflage von Io bzw. 3o µ. Die Kupferschicht wird auf den Stahlgrundschalen zweckmäßig galvanisch zur Abscheidung gebracht. Bei einfacheren Lagerformen kann man auch kupferplattierte Bleche oder Rohre zur Lagerfertigung verwenden. Die galvanische Abscheidung bietet noch den Vorteil, daß bei der Kristallisation des Kupfers stengelförmige, sich mit zunehmender Dicke der Kupferauflage etwas fächerförmig verbreiternde Kristallite entstehen, deren bevorzugte Wachstumsrichtung mit der Stromlinienrichtung zusammenfällt und daher senkrecht zur Lauffläche der Lager liegt. Diese Form und Anordnung der Kristallite zur Lauffläche der Lager wirken sich günstig auf die Lagereigenschaften aus, so daß die galvanischen Lager ein besseres Verhalten zeigen als die aus mehr oder weniger gleichachsigen, polyedrischen Kristalliten aufgebauten Kupferschichten, wie sie bei der mechanischen Plattierung erhalten werden. Die Bleischicht kann auf galvanischem Wege im Schmelzfluß oder durch Spritzen und andere Verfahren aufgetragen werden. Vorteilhaft ist auch hier die galvanische Abscheidung, da eine gleichmäßige Verteilung und die Einhaltung bestimmter Schichtdicken so ohne weiteres zu erreichen sind und jede mechanische Nachbelarbeitung unterbleiben kann. Die galvanische Fertigung der geschichteten Kupfer-Blei-Lager erfordert im Gegensatz zu den normalen Bleibronzelagern keinen Wärmeaufwand, außerdem hat man in der Wahl der Zusammensetzung und des Zustandes der Grundschalen vollkommene Freiheit. Es entstehen nur leicht in den Feartigungsprozeß wieder zurückzubringende Kupferabfälle bei der mechanischen Nachbearbeitung der Kupferauflagen, Bleiabfälle gibt es praktisch nicht.
• Das Blei hat im reinen Zustand eine sehr geringe Härte, es nutzt sich daher leicht ab. Weiterhin ist die Legierungsaffinität zwischen Blei und Kupfer sehr gering. Im festen Zustande besteht nur eine äußerst geringe Löslichkeit. Das Kupfer wird daher auch vom flüssigen Blei nur unvollkommen benetzt, so daß bei längerer Notlaufzeit nicht immer die Gewähr dafür geboten ist, daß der flüssige Bleifilm, der sich an Stelle des Ölfilms beim Ausfallen des letzteren bilden soll, tatsächlich auch immer ungestört auftritt. Diesen Mangel des. Bleis kann man dadurch beheben, daß nicht Reinblei als Laufschicht, sondern eine Legierung Verwendiüng findet. Die Härte des Bleis und damit auch der Abnutzungswiderstand lassen sich durch galvanische Abscheidung von Hartbleiniederschlägen genügendsteigern. Diese Hartbleiniederschläge führen aber im Notlauf unter Umständen ebenfalls keine vollkommene Benetzung des Kupfers herbei. Zur Erreichung derselben erwiesen sich Zusätze zum Blei als zweckmäßig, die eine höhere Affinität zum Kupfer besitzen als das Blei, wobei gleichzeitig ihre Affinität zum Blei kleiner als zum Kupfer sein muß. Diese Bedingungen erfüllen beispielsweise Cadmium, Zinn, Indium und Antimon, die in Mengen bis zu 2o Gewichtsprozent dem Blei zulegiert werden. Die einwandfreie Abscheidung derartiger Bleilegierungen auf schmelzflüssigem Wege, ohne daß mechanische Nachbearbeitung erforderlich ist, bereitet Schwierigkeiten. Es ist zwar möglich; sie durch gleichzeitige galvanische Abseheidung der zwei Metalle zu bekommen. Allerdings gelingt es so kaum, Legierungen mit wiederholbaren Eigenschaften herzustellen.
• Eine technische Fertigung unter Betriebsbedingungen ist fast unmöglich. Es erwies sich daher als vorteilhaft, die herzustellenden Legierungen in der Weise zu gewinnen; daß schichtenweise übereinander zunächst das Blei und anschließend daran das betreffende Zusatzmetall abgeschieden werden. Durch entsprechende Wärmebehandlung werden beide dann miteinander zur Diffusion und Legierungsbildung gebracht. Wird das Zusatzmetall vor dem Blei galvanisch abgeschieden, so setzt es sich beider nachträglichen Wärmebehandlung bevorzugt mit dem Kupfer um. Die Bleischicht selbst bleibt dann mehr oder weniger frei von Zusatzmetall. Ein Lager dieser Art wird beispielsweise in folgender Weise gefertigt: Die mit der Kupferauflage versehenen, fertigbearbeiteten Schalen werden in einem galvanischen Bleibade üblicher Zusammensetzung mit einem Bleiniederschlag von 26 µ Dicke versehen. Danach wird unmittelbar auf dem Blei eine 4µ dicke Zinnschicht abgeschieden. Durch Erhitzen auf I50 bis r75° bringt man dann Blei und Zinn miteinander zur Legierungsbildung.
• Eine weitere Verbesserung der beschriebenen Lager auf Kupfer-Blei-Basis läßt sich auch noch auf andere Weise dadurch erreichen, daß zwischen Kupfer und Blei eine dünne Silberschicht aufgetragen wird. Silber und Blei bilden bei erhöhter Temperatur in erheblichem Maße Mischkristalle. Im Gegensatz zu Kupfer benetzt flüssiges Blei das Silber vollkommen. Bei Verwendung einer Zwischenschicht aus Silber ist daher die Gewähr dafür gegeben, daß im Notlauf überall dort, wo eine Überhitzung eintritt, sofort die Möglichkeit zur Bildung eines einwandfreien flüssigen Bleifilms gegeben ist. Erst bei längerer Notlaufzeit kann es allmählich so weit kommen, daß das gesamte Blei vom Silber aufgenommen wird und die flüssige Bleihaut verschwindet. Ein über die Mischkristallbildung hinausgehendes Anschmelzen des Silbers wirkt sich dagegen durch Wiederzunahme der Menge des flüssigen Metalls auf das Notlaufverhalten günstig aus. Um der vollkommenen Aufnahme des Bleis durch das Silber unter Bildung einer festen Mischkristallegierung zu begegnen, ist dafür Sorge zu tragen, daß die Dicke der Silberzwischenschicht die der Bleischicht nicht zu sehr überschreitet. Das Verhältnis der Dicke von Bleizu Silberschicht sollte zwischen ¼ und 4 liegen, vorzugsweise zwischen ½ und 2. Ein Lager dieser Art weist auf der Stahlstützschale beispielsweise folgenden Schichtenaufbau auf: Kupfer ................... o,35 mm Silber .................... o,oI5 mm Blei ...................... o,oI5 mm Indium ................... o,oo3 mm Wärmebehandlung bei Ioo°bewirkt durch Diffusion eine vollkommene Legierungsbildung zwischen Blei und Indium, so daß eine o,o18 mm dicke Blei-Indium-Auflage entsteht.

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE: I. Gleitlager auf Kupfer-Blei-Basis, dadurch gekennzeichnet, daß im Gegensatz zu den normalen Bleibronzelagern nicht Kupfer-Blei-Legierungen, sondern ein Zweischichtenlager mit einer unteren Kupfer- und einer oberen Bleischicht Anwendung findet.
2. 2. Gleitlager nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Bleischicht 5 bis 5o vorzugsweise Io bis 3o µ, beträgt.
3. 3. Gleitlager nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Blei weitere Metalle in Mengen bis zu 2o Gewichtsprozent zulegiert werden, die eine höhere Affinität zum Kupfer besitzen als das Blei und gleichzeitig eine Härtung des Bleis bewirken, wie z. B. Cadmium, Zinn, Indium, Antimon.
4. 4. Gleitlager nach Anspruch I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kupfer und Blei bzw. Bleilegierung sich noch eine Zwischenschicht von Silber befinden kann.
5. 5. Gleitlager nach Anspruch q, duldurch gekennzeichnet, daß d'as Verhältnis der Dicke der Silberschicht zu der der Blei- bzw. Bleilegierungss-chi-cht 1/4 bis q., vorzugsweise 1/z bis 3, beträgt. Angezogene .Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. q.20 773.