DE960400C

DE960400C - Mehrschichten-Gleitlager

Info

Publication number: DE960400C
Application number: DEH23797A
Authority: DE
Original assignee: Hoeveler & Dieckhaus
Current assignee: Hoeveler & Dieckhaus
Priority date: 1955-05-03
Filing date: 1955-05-03
Publication date: 1957-03-21

Description

Mehrschichten-Gleitlager Als Gleitlager in hochbeanspruchten Motoren werden vielfach Drei- oder Mehrschichten-Verbundlager aus einer Stahlschale als Tragkörper, einer angegossenen Bleibronze als Zwischenschicht und einer auf diese aufgebrachten Laufschicht aus einer Blei und Zinn enthaltenden Legierung verwandt. Die Zwischenschicht weist üblicherweise etwa 2o bis 3o Anteile Blei und 7o bis 8o Anteile Kupfer auf, während die Laufschicht aus etwa 9o Blei- und Io Zinnanteilen od. ä. zu bestehen pflegt. Dem Zinn fällt dabei insbesondere die Aufgabe zu, die naturgemäße Korrosionsanfälligkeit des Bleis in der Laufschicht gegenüber dem heißen Schmieröl im Lagerbetrieb zu verringern. Einer solchen wie jeder zinnhaltigen Laufschicht haftet die Schwäche an, daß der Zinngehalt nicht beständig bleibt, vielmehr bei der Temperatur im Lagerbetrieb ein Teil des Zinns aus der Laufschicht in die Zwischenschicht abwandert. Hier verbindet das Zinn sich derart mit dem Kupfer, daß zwischen der Unterfläche der Laufschicht und der Oberfläche der Bleibronze-Zwischenschicht eine im Schliffbild grau erscheinende aus Kupfer-Zinn bestehende Zone sich ausbildet, bei der es sich um eine Phase des Kupfer-Zinn-Systems handelt, die in der Metallurgie als hart und spröde bekannt ist. Diese Zone ist den im Lagerbetrieb auftretenden dynamischen Beanspruchungen nicht gewachsen und führt dadurch zu einer Zerstörung des Lagers, daß als Folge von Rißbildungen in der versprödeten und brüchigen Zone es zu Ausbröckelungen oder Ablösungen im Bereich der Laufschicht kommt.
Diese zuerst bei einem flüssigen Angießen der zinnhaltigen Laufschicht auf die Bleibronze beobachtete graue Schwächezone läßt sich auch bei einer galvanischen Auftragung nicht vermeiden, tritt vielmehr bei längerer Betriebsdauer und entsprechender Wärmeeinwirkung ebenso in die Erscheinung. Die Bildung solcher spröden bruchgefährdeten Zonen läßt sich auch nicht dadurch hintanhalten, daß man für die Laufschicht statt einer Blei-Zinn-Legierung eine Bleischicht und eine auf diese gelegte Zinnschicht wählt, denn aus der Zinnschicht diffundieren im Laufe des Betriebes Teile in und durch die Bleischicht in die Bleibronze, wobei es alsdann wiederum zur Ausbildung der oben beschriebenen spröden bruchgefährdeten Kupfer-Zinn-Zone kommt.
Dieses Abwandern des Zinns ruft nicht nur die erwähnte Schwächezone im Bereich der Zwischenschicht hervor, sondern beeinträchtigt auch die Laufschicht, in welcher es zu einer mit dem Abdiffundieren des Zinns im Verhältnis stehenden Verarmung an Zinn und damit zu einer Korrosionsanfälligkeit der Laufschicht kommt.
Um dem Abwandern des Zinns zu begegnen, ist man schon dazu übergegangen, zwischen der Bleibronzeschicht und der aus einer galvanischen Blei-Zinn-Legierung oder einer Blei- und einer Zinnschicht bestehenden Laufschicht eine die Diffusion verhindernde Schicht, eine Diffusionssperrschicht, anzuordnen. Hierfür werden Eisen, Kobalt, Nickel und Silber sowie auch Messing als geeignete Metalle genannt. Selbst bei den dafür angegebenen Stärken von nur I bis 2,5 Tausendstelmillimeter sind die aufgeführten Metalle, bis auf das teure Silber, für den Lageraufbau Fremdkörper und können im Fall eines Abriebs der Laufschicht störend wirken. Auch bedeutet die Gefahr einer zu geringen oder zu starken Ausbildung der Sperrschicht eine zusätzliche Fehlerquelle, wodurch entweder die Sperrwirkung mehr oder weniger schwindet oder in dem angedeuteten Fall die für das Notlaufverhalten nachteilige Unhomogenität des Metalls der Sperrschicht sich besonders geltend macht.
Eine Diffusionssperrschicht zur Verhinderung des Abwanderns des Zinns in die Zwischenschicht und der Zinnverarmung in der Lauffläche könnte daher nur im Sinne eines notwendigen Übels in Kauf genommen werden. Es bedarf einer solchen Sperrschicht aber nicht, wenn nach Maßgabe des nachstehend erörterten Erfindungsgedankens verfahren wird, der auf folgenden Erkenntnissen beruht.
Die bisher für Lager der oben bezeichneten Art nahezu ausschließlich verwendete Bleibronze mit einem Kupfergehalt von etwa 7o bis 8o und einem Bleigehalt von etwa 2o bis 3o Gewichtsanteilen bildet ein Kupfergerüst mit eingelagerten Bleiteilen, wobei die Oberfläche der Bleibronze infolge der hohen Kupferkonzentration weit überwiegend sich aus Kupfer darstellt, zumal da wegen des höheren spezifischen Gewichts des Bleis im Verhältnis zum Kupfer diesen Bleianteilen nicht ein ihrem Komponentenverhältnis entsprechender, sondern nur ein um etwa ein Fünftel kleinerer Oberflächenbereich entspricht. Bei dem in fast geschlossenem Zusammenhang liegenden Kupfer wirkt sich die Betriebstemperatur im Lager dahin aus, daß das Zinn der Laufschicht bei seiner Abwanderung in die Zwischenschicht in erster Linie sich mit dem Kupfer legiert und nur in die wenigen Bleiteilchen diffundiert, die in dem zusammenhängenden Kupfergerüst für das Zinn erreichbar liegen. Das hat im Laufe des Lagerbetriebs unvermeidlich die Bildung der harten und spröden Kupfer-Zinn-Zone zwischen der Laufschicht und der Bleibronze der Zwischenschicht zur Folge.
Um eine solche zusammenhängende bruchgefährdete Zone zu verhindern, kommt es also darauf an, diese geschlossene Kupferoberfläche der Bleibronze zu vermeiden. Das ist dadurch zu erreichen, daß die Zusammensetzung der Bleibronze so gewählt wird, daß sich eine geringere und vor allem oberflächenmäßig nicht mehr zusammenhängende Kupferkonzentration ergibt, indem man den Kupfergehalt der Bleibronze im Verhältnis zum Bleigehalt entsprechend herabsetzt. Eine solche bleireichere Bleibronze weist bei entsprechender Schmelzführung eine Gefügebildung auf, bei welcher die Bleibronze nicht so sehr als ein zusammenhängendes Kupfergerüst mit Bleieinlagen, sondern mehr als ein Bleibett mit Kupfereinlagen sich darstellt, wobei die Kupferbestandteile insbesondere nicht mehr in einer oberflächenmäßig geschlossenen Kupferkonzentration auftreten.
Eine solche Oberflächenstruktur der Bleibronze läßt sich, wie Versuche ergeben haben, treffsicher erst von einem Bleigehalt an erzielen; der nicht unter 40, zweckmäßigerweise 45 bis So Bleianteile beträgt.
Bei einem Lager mit einer derartigen bleireichen Bleibronze als Zwischenschicht und einer zinnhaltigen Bleilegierung oder Schichten aus Blei und Zinn als Laufschicht tritt unter der Wärme im Lagerbetrieb folgender Vorgang ein. Ein Teil des in der Laufschicht befindlichen Zinns diffundiert in das reichlich frei liegende Blei der Bleibronze, welches theoretisch bis zu 19,5 % Zinn zu' lösen vermag. Ein weiterer Teil geht an die im Blei eingebetteten Kupferteile, und es bildet sich um diese ein Diffusionshof, welcher wiederum aus der oben beschriebenen harten, spröden Zinn-Kupfer-Phase besteht. Da aber die Oberflächenstruktur dieser bleireichen Bleibronze sich nunmehr nicht als zusammenhängende Kupferzone darstellt, sondern die mit dem Zinndiffusionsho:f umgebenen Kupferteile frei und gewissermaßen inselartig in dem weichen Bleibett angeordnet sind, vermögen sie keine mit der Gefahr einer Trennung ihres Zusammenhangs und damit einer Rißbildung verbundene Schwächezone zu bilden, von der eine Gefährdung der Laufschicht zu besorgen wäre. Sie wirken sich vielmehr als harte Kristalle im weichen Bett aus und dienen damit der Schaffung von Verhältnissen, wie sie wertbestimmend für die klassischen Lagerweißmetalle sind.
Eine solche bleireiche Bleibronze weist in höherem Maße als die üblichen mit nur 2o bis 30 Bleianteilen mit ihrer zu einem beträchtlichen Teil aus Kupfer bestehenden und daher meistens schon bedenklich harten Oberfläche die bei einem Lager erwünschten Eigenschaften auf, wie Einlauffähigkeit, Einbettungsvermögen, Abriebfestigkeit, Ermüdungsfestigkeit und allgemeines Gleitverhalten, wobei sie auch bezüglich ihrer Warmhärte und Belastungsfähigkeit höchsten Betriebsansprüchen genügt. Ihre wegen des höheren Bleigehalts geringere Korrosionsfestigkeit wird durch die damit andererseits erschlossene Möglichkeit der besonders wirksamen Zinnimprägnierung des Bleispiegels der Zwischenschicht mehr als ausgeglichen.
Bei Verwendung der bleireichen Bleibronze als Zwischenschicht erhält man die Oberflächenstruktur und den Gefügeaufbau im beschriebenen Sinne nicht nur bei galvanischer Aufbringung der zinnhaltigen Laufschicht, sondern ebenso auch bei flüssigem Angießen und ohne daß es dabei auf die Stärke der Zwischenschicht ankäme. Das bedeutet, daß man bei einem starkwandigen Diesellager mit entsprechendem Stützkörper und entsprechender Zwischenschicht, wenn eine galvanische Aufbringung unrationell ist, die zinnhaltige Laufschicht unbedenklich flüssig angießen kann.
Die Abwanderung des Zinns aus der Laufschicht geht theoretisch so lange vor sich, bis im Blei der Bleibronze und dem der Laufschicht bezüglich des Zinngehalts der Gleichgewichtszustand hergestellt bzw. im Blei der Bleibronze der Sättigungszustand erreicht ist. Geht man z. B. von einer Laufschicht mit etwa 9o Anteilen Blei und Io Anteilen Zinn aus, so wird die Zinnabwanderung sehr bald zu einer Verarmung an Zinn in der Lauffläche und damit dazu führen, daß der als Korrosionsschutz benötigte Zinngehalt von mindestens 5 Anteilen nicht mehr vorhanden ist. Der Zinngehalt in der Lauffläche muß daher so hoch vorgesehen werden, daß er im Dauerbetrieb nach eingetretenem Gleichgewichtszustand diesen Mindeststand nicht unterschreitet. Es ist mithin in der Laufschicht ein Zinnüberschuß vorzusehen, dessen Ausmaß sich nach dem Bleigehalt der Zwischenschicht und deren Stärkeverhältnis zur Laufschicht richtet. Bei einem Bleigehalt der Zwischenschicht von 4o Anteilen und einem Stärkeverhältnis der Zwischenschicht zur Laufschicht von Io:I wären in letzterer etwa 25 Anteile Zinn erforderlich, während bei demselben Schichtstärkenverhältnis ein Bleigehalt in der Zwischenschicht von 5o Anteilen in der Laufschicht einen Zinngehalt von etwa 3o Anteilen bedingen würde. Der Umstand, daß ein Teil des abdiffundierenden Zinns vom Kupfer der Bleibronze beansprucht wird, ist bei dieser Berechnung außer Ansatz geblieben und kann vernachlässigt werden, da das theoretische Höchstmaß der Abdiffusion des Zinns in die Bleibronze selbst bei einer maximalen Betriebstemperatur im Lager von etwa I5o° nicht erreicht wird, die Abdiffusion vielmehr in einer gewissen Tiefe der Bleibronzeschicht praktisch zum Stillstand kommt.
Ein anderer Weg zum angestrebten Erfolg bietet sich in der Weise, daß man auf die bleireiche Bleibronze reines Zinn aufgalvanisiert, wobei auf den Umstand abgestellt wird, daß aus dieser Zinnschicht nicht nur Zinn abwandert, sondern auch Blei in diese zuwandert, also eine Platzwechselreaktion stattfindet. Dadurch verschwindet die Reinzinnschicht an der Oberfläche, und es wird hier und im Blei der Bleibronze ein ausgeglichenes Blei-Zinn-Verhältnis geschaffen. Bei einer Stärke der bleireichen Bleibronzeschicht von z. B. 2 bis 4 Zehntelmillimeter wird d; angestrebte Erfolg mit einer Zinnschicht von I bis 2 Hundertstelmillimeter erreicht. Einer besonderen Laufschicht bedarf es alsdann nicht mehr.
Wenn bei einer Verwendung der bleireichen Bleibronze als Zwischenschicht auf eine besondere Laufschicht nicht verzichtet werden, diese vielmehr als eine definierte Laufschicht, etwa aus 9o Blei- und Io Zinnanteilen od. ä., bestehen und in diesen metallurgischen Werten konstant erhalten bleiben soll, so ist dazu die vorherige Schaffung des erforderlichen Gleichgewichtszustands notwendig und dieser in folgender Weise zu erzielen. Auf die hochbleihaltige Bleibronze wird zunächst eine reine Zinnschicht niedergeschlagen und diese durch eine Wärmebehandlung in der eutektischen Temperatur von I83° oder etwas mehr über etwa I2 bis 24 Stunden, je nach der Schichtstärke der Bleibronze, zum Eindiffundieren in das Blei gebracht. Die hierdurch geschaffene Blei-Zinn-Legierung in der Bleibronze wirkt als Ausgleichsschicht gegenüber der nunmehr auf die so zinnimprägnierte Bleibronze aufgetragene Blei-Zinn-Laufschicht und verhindert eine Zinnabwanderung aus der letzteren in die Bleibronze. Die Stärke dieser Reinzinnschicht ist so zu halten, daß nach ihrem Abdiffundieren der Zinngehalt des Bleis der Zwischenschicht etwa dem der Laufschicht entspricht.
Angesichts ihrer größeren Bleioberfläche bietet die bleireiche Bleibronze weiterhin die Möglichkeit, auch Indium mit dieser Bleibronze zu einer verbesserten legierungsmäßigen Wirkung zu bringen und hierdurch in besonders wirksamer Weise von dem die Lagereigenschaften fördernden Indium Gebrauch zu machen. Denn während bei einer bleiärmeren Bleibronze mit fast geschlossener Kupferoberfläche die Einwirkungsmöglichkeit des teueren Indiums nahezu auf letztere beschränkt bleibt, ohne daß es hier zu einer besonderen die Lagereigenschaften fördernden metallurgischen Nutzbarmachung kommt, verleiht das Indium, welches in die frei liegenden Bleianteile der bleireichen Bleibronze beträchtlich wirksamer eindiffundiert, dieser hierdurch hervorragende Lagereigenschaften.
Die Indiumimprägnierung der bleireichen Bleibronze kann wie bei der Zinnimprägnierung erfolgen, indem man statt Zinn Indium nimmt, auch kann man einer Zinnimprägnierung eine Indiumimprägnierung nachfolgen lassen oder Zinnindium gleichzeitig niederschlagen und alsdann zum Eindiffundieren bringen. Bei der Wärmebehandlung, die bei reinem Indium in 2 Stunden durchgeführt werden kann, ist dem Schmelzpunkt des Indiums mit I55° Rechnung zu tragen.
Auf diese Weise läßt sich ein hochleistungsfähiges Lager auch ohne eine besondere Laufschicht gewinnen, indem man reines Indium oder Zinnindium auf die bleireiche Bleibronze aufträgt und in diese zum Eindiffundieren bringt. Hierfür wären bei einer Stärke der Zwischenschicht von beispielsweise 2 bis 4 Zehntelmillimeter etwa I bis 2 Hundertstelmillimeter vorzusehen.
Wenn eine als Blei-Indium od. ä. bestehende definierte Legierung als in ihren metallurgischen Werten konstante Laufschicht vorgesehen werden soll, ist dem oben erörterten gleichliegenden Fall einer konstanten bleizinnhaltigen Laufschicht entsprechend durch vorherige Imprägnierung der bleireichen Bleibronze mit einer Indiumschicht die Herbeiführung des Gleichgewichtszustandes zwischen dem so zu schaffenden Indiumgehalt im Blei der Bleibronze und des Laufspiegels vorzusehen. Sinngemäß ebenso ist zu verfahren, wenn für die Laufschicht eine andere, etwa Zinn-Indium enthaltende Legierung gewählt wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: I. Mehrschichten-Gleitlager, bestehend aus einem Stahlstützkörper, einer mit diesem verbundenen Bleibronzeschicht als Zwischenschicht und einer Blei-Zinn-Legierung oder einer entsprechenden Blei- und Zinnschicht als Laufschicht, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zwischenschicht eine aufgegossene bleireiche Bleibronze mit 4o, vorzugsweise 45 bis 5o Anteilen Blei vorgesehen wird und die galvanisch oder flüssig aufgebrachte Laufschicht mindestens so viel Anteile an Zinn enthält, daß nach der im Lagerbetrieb erfolgten Zinnabwanderung in die Zwischenschicht und dem eingetretenen Gleichgewichtszustand im- Zinnverhältnis der beiden Schichten der verbleibende Zinngehalt in der Laufschicht noch ausreichenden Korrosionsschutz für diese bildet.
2. Mehrschichten-Gleitlager nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die als Laufschicht vorgesehene Legierung je nach dem Bleigehalt der Zwischenschicht und deren Stärkeverhältnis zur Laufschicht in ihrem Zinngehalt so bemessen wird, daß nach eingetretenem Gleichgewichtszustand im Zinnverhältnis der beiden Schichten der verbleibende Zinngehalt in der Laufschicht noch mindestens 5 Anteile beträgt.
3. Mehrschichten-Gleitlager, dadurch gekennzeichnet, daß auf die bleireiche Bleibronze nach Anspruch I eine reine Zinnschicht aufgebracht wird, daraus mittels einer besonderen Wärmebehandlung oder der Betriebswärme die zur Herbeiführung des Gleichgewichtszustandes und als Korrosionsschutz benötigten Zinnanteile in das Blei der Bleibronze eindiffundiert werden und die so erfolgte Zinnimprägnierung an die Stelle einer besonderen Laufschicht tritt.
4. Mehrschichten-Gleitlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beispielsweise bei einer Stärke der Zwischenschicht von 2 bis 4 Zehntelmillimeter die reine Zinnschicht mit I bis 2 Hundertstelmillimeter vorgesehen wird.
5. Mehrschichten-Gleitlager nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Zwischenschicht aufgebrachte zinnhaltige Laufschicht in ihren metallurgischen Gehalten konstant bleibt, indem auf die Zwischenschicht vor dem Aufbringen der Laufschicht zur Herbeiführung des Gleichgewichtszustandes im Zinngehalt der beiden Schichten zunächst eine reine Zinnschicht aufgetragen und mittels nachfolgender Wärmebehandlung in die bleireiche Bleibronze eindiffundiert und sodann auf die so imprägnierte Zwischenschicht die zinnhaltige Laufschicht aufgebracht wird.
6. Mehrschichten-Gleitlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der reinen Zinnschicht so bemessen wird, daß nach ihrem Abdiffundieren in die Zwischenschicht deren Zinngehalt dem Zinngehalt der für die Laufschicht vorgesehenen Legierung entspricht.
7. Mehrschichten-Gleitlager mit einer bleireichen Bleibronze nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß auf diese reines Indium oder eine Zinn-Indium-Legierung aufgebracht wird und daraus mittels einer besonderen Wärmebehandlung oder der Betriebswärme die zur Herbeiführung des Gleichgewichtszustandes und als Korrosionsschutz benötigten Indium-oder Zinn-Indium-Anteile in das Blei der Bleibronze eindiffundiert werden und die so erf@@@e Indium- bzw. Zinn-Indium-Imprägnierung an die Stelle einer besonderen Laufschicht tritt.
8. Mehrschichten-Gleitlager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß beispielsweise bei einer Stärke der Zwischenschicht von 2 bis 4 Zehntelmillimeter die reine Indium- bzw. Zinn-Indium-Schicht mit I bis 2 Hundertstelmillimeter vorgesehen wird. g. Mehrschichten-Gleitlager mit einer bleireichen Bleibronze nach Anspruch i als Zwischenschicht und einer Blei-Indium oder Blei-Zinn-Indium enthaltenden Legierung als Laufschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die bleireiche Bleibronze aufgebrachte Laufschicht in ihrem Indium- oder Zinn-Indium-Gehalt konstant bleibt, indem auf die Zwischenschicht vor dem Aufbringen der Laufschicht zur Herbeiführung des Gleichgewichtszustandes im Indium- bzw. Zinn-Indium-Gehalt der beiden Schichten zunächst eine reine Indium-bzw. Zinn-Indium-Schicht aufgetragen und mittels nachfolgender Wärmebehandlung in die bleireiche Bleibronze eindiffundiert und sodann auf die so imprägnierte Zwischenschicht die Indium oder Zinn-Indium enthaltende Legierung als Laufschicht aufgebracht wird. Io. Mehrschichten-Gleitlager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der reinen Indium- bzw. Zinn-Indium-Schicht so bemessen wird, daß nach ihrem Abdiffundieren in die Zwischenschicht deren Indium- bzw. Zinn-Indium-Gehalt etwa dem Gehalt an Indium bzw. Zinn-Indium in der für die Laufschicht vorgesehenen Legierung entspricht.