WO2003023241A2 - Pleuellagerschale- oder -buchse oder hauptlagerschale - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a connecting rod bearing shell or bush in internal combustion engines or a main bearing shell for mounting the crankshaft in internal combustion engines, made of a plain bearing composite material with a metallic, in particular made of steel support layer and a metallic sliding layer applied thereon.
  • connecting rod bearing elements namely connecting rod bearing shells enclosing the crank pin of a crankshaft and connecting rod bearing bushes enclosing the piston pin, which can be pressed into the small connecting rod bearing
  • resistance is required for connecting rod bearing shells even at high sliding speeds and medium loads
  • resistance is required for connecting rod bearing bushes under high loads and, in contrast, higher temperatures, but at low to moderate sliding speeds.
  • main bearing shells for crankshafts are characterized by the lower load occurring there compared to connecting rod bearing shells and the high sliding speed at relatively moderate temperatures. Main bearing shells must also be able to compensate for misalignment of the crankshaft.
  • connecting rod bearing bushes for use in the small connecting rod eye of an engine connecting rod, the sliding layer of which is made of a copper zinc alloy with a relatively high zinc content of approximately 30% by weight and with 2% by weight of manganese, 2% by weight of nickel, 2 wt .-% Aluminum and 1.8 wt .-% iron.
  • DE 44 11 762 AI discloses a plain bearing composite material in which a copper-zinc wrought alloy with a high zinc content of 28 to 32% by weight is applied to a steel support layer by roll cladding.
  • CH 223 580 discloses copper-zinc alloys, in particular for the production of machine parts subject to sliding loads with 2 to 8% by weight aluminum, 0.05 to 3% by weight silicon, 0.5 to 10% by weight manganese and 50 to 70% by weight copper. Up to 10% by weight of lead and 0.1 to 5.0% by weight of iron, nickel and cobalt can also be alloyed into the alloy.
  • DE 197 28 777 C2 discloses a layered composite material with a carrier layer and a bearing metal layer, in particular made of a copper-zinc alloy and a galvanically applied lead-free sliding layer based on tin. Proceeding from this, the present invention seeks to provide a plain bearing composite material which is suitable both for use as a connecting rod bearing shell and for use as a connecting rod bearing bush and main bearing shell for the crankshaft.
  • the sliding layer of the connecting rod bearing shell or connecting rod bearing bush or main bearing shell is formed from a copper-zinc alloy which contains 10-25% by weight of Zn, 1-3% by weight of Mn, 1-3% by weight. -% Ni and 2 - 6% by weight Fe, the rest copper and contamination-related components of a maximum of 0.1% by weight, in total up to max. 1 wt .-% and that the sliding layer is crystallized exclusively in the ⁇ -phase.
  • Plain bearing material can be obtained, which is particularly suitable with regard to signs of corrosion.
  • ß-brass tends to selective corrosion and acts as a sacrificial anode in the metallic connecting rod.
  • the high iron content has a hardening effect and increases the toughness of the material; it leads to grain refinement and increases the recrystallization temperature of the alloy.
  • the iron content is preferably 3.5 to 4.5% by weight.
  • the sliding layer consists of the above-mentioned components or consists of an alloy which additionally has 1-3% by weight of aluminum. Aluminum increases the strength of the alloy according to the invention somewhat.
  • a thin overlay layer facing the sliding partner is formed on the sliding layer, which is a galvanically applied tin layer or a tin layer with PTFE inclusions or a layer of aluminum sputtered onto a diffusion barrier layer -Tin alloy. If the overlay layer is to serve as a running layer, layer thicknesses of more than 10 ⁇ m are selected, and if it is only to serve as a running-in layer, layer thicknesses of ⁇ 5 ⁇ m are selected.
  • a preferred composition of the sliding layer of the connecting rod bearing shell or connecting rod bearing bush according to the invention comprises, in percentage by weight composition, Cu (remainder) Zn (19-21) Mn (1.5-2.5) Ni (1.5-2.5) Fe (3.5- 4,5) Al (1,5-2,5) and particularly preferably the sliding layer is a CuZn20Mn2Ni2Fe4Al2 alloy.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pleuellagerschale oder -buchse bei Verbrennungsmotoren oder eine Hauptlagerschale zur Lagerung der Kurbelwelle bei Verbrennungsmotoren, aus einem Gleitlagerverbundwerkstoff mit einer metallischen, insbesondere aus Stahl gebildeten Stützschicht und einer darauf aufgebrachten metallischen Gleitschicht; bei einem für alle genannten Anwendungen geeigneten Gleitlagerverbundwerkstoff ist die Gleitschicht von einer Kupfer-Zink-Legierung gebildet mit 10-25 Gew.-% Zn, 1-3 Gew.-% Mn, 1-3 Gew.-% Ni, 2-6 Gew.-% Fe Rest Kupfer sowie mit verunreinigungsbedingten Bestandteilen von jeweils max. 0,1 Gew.-%, in der Summe bis max. 1 Gew.-%, und die Gleitschicht ist ausschliesslich in der alpha -Phase kristallisiert.

Description

Pleuellagerschale- oder -buchse oder Hauptlagerschale
Besehreibung
Die Erfindung betrifft eine Pleuellagerschale oder -buchse bei Verbrennungsmotoren oder eine Hauptlagerschale zur Lagerung der Kurbelwelle bei Verbrennungsmotoren, aus einem Gleitlagerverbundwerkstoff mit einer metallischen, insbesondere aus Stahl gebildeten Stützschicht und einer darauf aufgebrachten metallischen Gleitschicht.
Die Anforderungen an Pleulellagerelemente, nämlich an den Kurbelzapfen einer Kurbelwelle umschließende Pleuellagerschalen und den Kolbenbolzen umschließende, in das kleine Pleuellager einpressbare Pleuellagerbuchsen, sind vielfältig. Zum einen wird für die Pleuellagerschalen die Beständigkeit auch bei hohen Gleitgeschwindigkeiten und mittleren Belastungen gefordert, zum anderen wird bei Pleuellagerbuchsen die Beständigkeit bei hohen Belastungen und demgegenüber höheren Temperaturen, jedoch bei geringen bis moderaten Gleitgeschwindigkeiten gefordert. Die Anforderungen an Hauptlagerschalen für Kurbelwellen sind geprägt durch die dort auftretende gegenüber Pleuellagerschalen geringere Belastung und die hohe Gleitgeschwindigkeit bei verhältnismäßig moderaten Temperaturen. Hauptlagerschalen müssen zudem im Stande sein, Fluchtungsfehler der Kurbelwelle auszugleichen.
Durch die Anmelderin sind Pleuellagerbuchsen für die Verwendung im kleinen Pleuelauge eines Motorpleuels bekannt geworden, deren Gleitschicht von einer Kupferzinklegierung mit einem verhältnismäßig hohen Zinkanteil von etwa 30 Gew.-% und mit 2 Gew.-% Mangan, 2 Gew.-% Nickel, 2 Gew.-% Aluminium und 1,8 Gew.-% Eisen besteht.
Aus EP 1 158 062 AI ist ein Kupfer-Zink-Aluminium- Knetwerkstoff sowie dessen Verwendung zur Herstellung von Lagerbuchsen für Pleuel und Kolben in Verbrennungsmotoren bekannt. Der Werkstoff besteht aus 63,5 bis 66,5 Gew.-% Kupfer, 2,0 bis 5,4 Gew.-% Aluminium, 4,1 bis 4,9 Gew.-% Mangan, 2,6 bis 3,4 Gew.-% Eisen, 1,1 bis 1,9 Gew.-% Nickel, Rest Zink und übliche Verunreinigungen. Aus den Ausführungsbeispielen ergibt sich ein Zinkgehalt von 20 bzw. 22 Gew.-%.
Aus DE 44 11 762 AI ist ein Gleitlagerverbundwerkstoff bekannt, bei dem auf eine Stützschicht aus Stahl eine Kupfer-Zink-Knetlegierung mit hohem Zinkgehalt von 28 bis 32 Gew.-% durch Walzplattieren aufgebracht ist.
DE 198 01 074 AI offenbart einen Gleitlagerverbundwerkstoff mit einer Kupfer-Zink-Legierung, für die ein Verhältnis von α~ zu ß-Phase von 1,5 bis 6 vorgeschlagen wird.
CH 223 580 offenbart Kupfer-Zink-Legierungen, insbesondere für die Herstellung von auf Gleitung beanspruchten Maschinenteilen mit 2 bis 8 Gew.-% Aluminium, 0,05 bis 3 Gew.-% Silizium, 0,5 bis 10 Gew.-% Mangan und 50 bis 70 Gew.-% Kupfer. Es können in der Legierung noch bis zu 10 Gew.-% Blei und 0,1 bis 5,0 Gew.-% Eisen, Nickel und Kobalt zulegiert sein.
DE 197 28 777 C2 offenbart einen Schichtverbundwerkstoff mit einer Trägerschicht und einer Lagermetallschicht, insbesondere aus einer Kupfer-Zink-Legierung und einer galvanisch aufgebrachten bleifreien Gleitschicht auf Zinnbasis . Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Gleitlagerverbundwerkstoff zu schaffen, der sich sowohl für den Einsatz als Pleuellagerschale als auch für den Einsatz als Pleuellagerbuchse und Hauptlagerschale für die Kurbelwelle eignet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Gleitschicht der Pleuellagerschale oder Pleuellagerbuchse oder Hauptlagerschale von einer Kupfer-Zink-Legierung gebildet ist, die 10 - 25 Gew.-% Zn, 1 - 3 Gew.-% Mn, 1 - 3 Gew.-% Ni und 2 - 6 Gew.-% Fe, Rest Kupfer sowie verunreinigungsbedingte Bestandteile von jeweils maximal 0,1 Gew.-%, in der Summe bis max. 1 Gew.-% aufweist und dass die Gleitschicht ausschließlich in der α-Phase kristallisiert ist.
Es wurde festgestellt, dass sich bei Auskristallisierung der Kupfer-Zink-Legierung ausschließlich in der α-Phase ein für die genannten Anwendungen geeigneter
Gleitlagerwerkstoff erhalten lässt, der sich vor allem im Hinblick auf Korrosionserscheinungen hervorragend eignet. ß-Messing neigt nämlich zur selektiven Korrosion und wirkt quasi als Opferanode in dem metallischen Pleuel. Der hohe Eisengehalt wirkt verfestigend und steigert die Zähigkeit des Werkstoffs; er führt zu einer Kornfeinung und erhöht die Rekristallisierungstemperatur der Legierung. Vorzugsweise beträgt der Eisengehalt 3,5 bis 4,5 Gew.-%.
Bei der Erfindung wurde festgestellt, dass bei einer Beschränkung des Zinkgehalts bis 25 Gew.-% sich ein Gefügeaufbau erreichen lässt, der ausschließlich in der α- Phase kristallisiert ist. Des Weiteren erweist es sich als ganz besonders vorteilhaft, wenn die Gleitschicht aus den vorstehend genannten Komponenten besteht oder aus einer Legierung besteht, die zusätzlich 1 - 3 Gew.-% Aluminium aufweist. Aluminium erhöht nämlich die Festigkeit der erfindungsgemäßen Legierung etwas.
Des Weiteren erweist es sich als vorteilhaft, wenn eine dünne, dem Gleitpartner zugewandte Overlay-Schicht auf der Gleitschicht ausgebildet ist, die eine galvanisch aufgebrachte Zinn-Schicht oder eine Zinn-Schicht mit PTFE- Einschlüssen oder eine auf eine Diffusionssperrschicht aufgesputterte Schicht aus einer Aluminium-Zinn-Legierung ist. Wenn die Overlay-Schicht als Laufschicht dienen soll, so werden Schichtdicken von über 10 μm gewählt, und wenn sie lediglich als EinlaufSchicht dienen soll werden Schichtdicken von < 5 μm gewählt.
Eine bevorzugte Zusammensetzung der Gleitschicht der erfindungsgemäßen Pleuellagerschale oder Pleuellagerbuchse umfasst in gewichtsprozentualer Zusammensetzung Cu(Rest) Zn(19-21) Mn(l,5-2,5) Ni(l,5-2,5) Fe(3,5-4,5) Al(l,5-2,5) und besonders bevorzugtermaßen ist die Gleitschicht eine CuZn20Mn2Ni2Fe4Al2-Legierung .

Claims

Patentansprüche
1. Pleuellagerschale oder -buchse bei Verbrennungsmotoren oder Hauptlagerschale zur Lagerung der Kurbelwelle bei Verbrennungsmotoren, aus einem
Gleitlagerverbundwerkstoff mit einer metallischen, insbesondere aus Stahl gebildeten, Stützschicht und einer darauf aufgebrachten metallischen Gleitschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht von einer Kupfer-Zink-Legierung gebildet ist mit 10 - 25 Gew.-% Zn, 1-3 Gew.-% Mn, 1-3 Gew.-% Ni, 2-6 Gew.-% Fe Rest Kupfer sowie mit verunreinigungsbedingten Bestandteilen von jeweils max. 0,1 Gew.-%, in der Summe bis max. 1 Gew.-%, und dass die Gleitschicht ausschließlich in der α-Phase kristallisiert ist.
2. Pleuellagerschale oder -buchse oder Hauptlagerschale nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht eine dünne dem Gleitpartner zugewandte Overlay-Schicht aufweist, die eine galvanisch aufgebrachte Schicht aus Zinn oder einer Zinnbasis- Legierung oder eine Zinn-Schicht mit PTFE-Einschlüssen oder eine auf eine Diffusionssperrschicht aufgesputterte Schicht aus einer Aluminium-Zinn- Legierung ist.
3. Pleuellagerschale oder -buchse oder Hauptlagerschale nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht zusätzlich 1-3 Gew.-% AI aufweist.
4. Pleuellagerschale oder -buchse oder Hauptlagerschale, nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisengehalt 3,5 bis 4,5 Gew.- % beträgt.
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