DE2331498A1

DE2331498A1 - Verbesserungen von aluminiumlagerlegierungen (sprueh-guss-lager-band)

Info

Publication number: DE2331498A1
Application number: DE2331498A
Authority: DE
Inventors: William Albert Baker; Keith Graham Latimer; Peter John Read; Terence David Warren Reynolds; John Arthur Wheatley
Original assignee: Alcan Research and Development Ltd
Current assignee: Alcan Research and Development Ltd
Priority date: 1972-06-21
Filing date: 1973-06-20
Publication date: 1974-01-17
Also published as: IT992579B; CA1024833A; US3833983A; FR2189527B3; FR2189527A1

Description

DR. ING. E. HOFFMANN · DIPL·. ING. W. EITLE · DR. Ri?R. NAT. K. HOFFMANN

PATKBTAKWiLtK D-8000 MÖNCHEN »1 - ARABELLASTRASSE 4 ■ TELEFON (0811) »HO87

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Alcan Research and Development Limited, Montreal (Kanada)

Verbesserungen von Aluminiumlagerlegierungen (Sprüh-guß-

lager-band)

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Lagerlegierungen in Streifen- bzw. Bandform, die entweder mit einem Unterstützungsband bzw. -streifen aus Stahl oder anderem geeigneten Metall in Bandform verbunden sind oder in Form eines freitragenden Bandes für die Verbindung mit einem Unterstützungsband bzw. -streifen in einem nachfolgenden Vorgang.

Es ist bekannt, Aluminium, legiert mit wesentlichen Bleimengen, als Antifriktion-Abnutzungsoberflache eines, Lagers zu verwenden. Blei zeigt sehr niedrige Gleichge-

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wichtsfestlösungswerte in Aluminium.

Bei den üblichen Gußverfahren besteht die Gefahr, daß der Bleibestandteil infolge des Dichteunterschiedes von Blei und Aluminium ungleichmäßig verteilt wird und daß das Blei ein kontinuierliches interdendritisches Netzgefüge ausbildet. Dieses kontinuierliche Netzgefüge schwächt das Material erheblich und verringert die Zugfestigkeit und den Ermüdungswiderstand. Eine gewisse Verbesserung kann durch Bearbeitung oder Erhitzung, um das Gefüge aufzubrechen, bewirkt werden.

Es wurde somit festgestellt, daß die Abscheidung bzw. Ausfällung des Bleilegierungsbestandteils in Form von nicht verbundenen Teilchen, die über die Aluminiummatrix gleichförmig verteilt sind, zu einer erheblichen Verbesserung der Festigkeit und der Ermüdungsbeständigkeit der Legierung führen könnte. Es ist verständlich, daß die Teilchengröße des ausgefällten Legierungsbestandteils in hohem Maß durch die Geschwindigkeit, mit der das geschmolzene Metall während des Gußverfahrens abgekühlt wird, geregelt wird. Obwohl eine rasche Abschreckung üblicherweise bei den bekannten Verfahren zur Herstellung von Lagerlegierungen in Formen, die für die Lageranwendung geeignet sind, angewandt wird, haben diese trotzdem die Produktion von Aluminium-Bleilagerlegierungen mit einer gleichförmigen Verteilung der feinverteilten Bleiteilchen nicht gestattet.

Es ist ein Verfahren durch A.R.E. Singer in "Metals and Materials", Juni 1970, Seiten 246-257 zur Bildung eines Metallbandes durch das Mitreißen von feinen Tröpfchen aus geschmolzenem Metall in einem Gasstrom, vorzugsweise Stickstoff, und Aufschleuderung der mitgerissenen Tröpfchen gegen ein sich bewegendes Substrat unter Bildung eines etwas porösen, jedoch zusammenhängenden Streifens beschrieben worden, welcher sodann durch

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einen Heißwalζvorgang, d.h. Walzen bei einer Temperatur in dem Bereich von 2OO bis 5OO°C, verfestigt wird.

Es wurde nun festgestellt, daß durch die außergewöhnlich hohe Äbschreckungsgeschwindigkeit, die die Teilchen beim Aufprall auf das Zielsubstrat erfahren, dieses Verfahren zur Abscheidung eines Metalls auf einem Substrat zur Abscheidung des Bleibestandteils in Form eines sehr feinen teilchenförmigen Niederschlags führt, der gleichförmig in den individuellen Tröpfchen abgeschieden ist. Der nachfolgende Heißwalzschritt zur Verfestigung des Bandes bzw. Streifens würde zu einer weiteren Abscheidung des Bleilegierungsbestandteils, nicht jedoch zu dem unerwünschten kontinuierlichen Netzgefüge führen.

Da sich der Gasstrom anfänglich weitaus schneller als die Metalltröpfchen bewegt, werden die Tröpfchen durch ihre Berührung mit dem Gas derart abgekühlt, daß in Abhängigkeit von der Entfernung zwischen der Metallsprühdüse und dem Zielsubstrat, unter anderen Faktoren, die Tröpfchen ein wesentliches Ausmaß der Abkühlung vor Aufprall auf dem Ziel erfahren. Unter richtig gewählten Bedingungen trifft das Metall auf dem Zielsubstrat in Form von unterkühlten Tröpfchen auf, die sich abflachen und nahezu augenblicklich unter dem Einfluß der hohen Abschreckungsgeschwindigkeit auf der Zieloberfläche verfestigen. Die Bezeichnung "unterkühlte Tröpfchen" bezeichnet hier, daß die Metalltröpfchen, während sie unter Flüssigkeitsbedingungen verbleiben, auf eine Temperatur abgekühlt worden sind, die unter dem normalen Schmelzpunkt des Metalls liegt. Daher könnten diese auch als "überkühlte Tröpfchen" bezeichnet werden. , .

Gemäß der Erfindung wird eine Aluminiumlegierung, die 1 bis 10 % Pb (und gegebenenfalls andere Legierungsbestandteile) enthält, in Bandform durch Anwendung der vorstehend erwähnten

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Sprühgießtechnik und nachfolgendes Walzen ohne oder nach Abtrennung von dem Substrat, auf dem es abgeschieden worden ist, erzeugt. Somit kann, wenn die gesprühte Legierung auf einem Stahlstreifen abgeschieden wird, welcher einer Reduktion (reduction) unter den für die Verfestigung der durch den Sprühgießvorgang abgeschiedenen Aluminiumlegierung erforderlichen Walzbedingungen unterzogen werden kann, Werkstoffmaterial für die Lagerherstellung in einer einzigen Vorgangsfolge hergestellt werden.

Die Legierung kann bis zu 30 %, vorzugsweise jedoch nur bis zu 5 % Sn, bis zu 12 % Si und/oder bis zu etwa 5 % Cd enthalten, wie bereits für die Lagerlegierungen bekannt ist. Es kann auch bis zu etwa 2 % Cu zur Erzeugung einer höheren Festigkeit enthalten. Diese anderen Zusätze haben jedoch wenig oder gar keine Wirkung auf die Verteilung der Bleiteilchen in den abgeflachten, verfestigten Tröpfchen des auf dem Substrat abgeschiedenen Lagermetalls.

Bei diesem Verfahren wird ein Stützband bzw. eine Schweißunterlage aus Stahl (oder anderem für diesen Zweck geeigneten Material), vorzugsweise durch Sand- oder Schrot-Strahlung, zur Verbindung mit dem hierauf abgeschiedenen sprüh-gegossenen Metall erzeugt. Um eine feste Verbindung sicherzustellen, wird eine dünne Schicht aus Aluminium handelsüblicher Reinheit oder anderer geeigneten Zwischenprodukt-Aluminiumlegierung zuerst auf dem Stützband abgeschieden, bevor die Schicht der Lagerlegierung abgeschieden wird. In anderen Fällen ist es bevorzugt, ein Zwei-Schichtwerkstoffmaterial herzustellen, welches sodann mit einer geeigneten Stahlunterstützung in einem nachfolgenden Walzvorgang verbunden werden kann. In diesem Fall kann es erforderlich sein, die Oberfläche des Substrates derart vorzubereiten, daß eine permanente Adhäsion des sprüh-

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bzw. spritzgegossenen Metalls vermieden wird. Da die Adhäsion der Lagerlegierung gering ist, wird diese vorzugsweise zuerst auf das Substrat aufgebracht, wonach die Schicht aus Aluminium handelsüblicher Reinheit (oder aus anderem Material) zur Bildung der Zwischenschicht des Endlagers folgt. Nach dem Guß wird der Verbundstoff von dem Substrat abgelöst und durch Walzen verfestigt.

Wenn Werkstoffmaterial (stock material) zur Verbindung mit einer Stahlunterstützung durch einen nachfolgenden Walz-Verbindungsvorgang erzeugt wird, wird die Verfestigung des sprüh-gegossenen Materials vorzugsweise dadurch erreicht, daß der Heißwalzverfestigung eine Kaltwalzung (Reduktion zwischen 20 bis 50 %) vorausgeht. Es wird darauf hingewiesen, daß die Heißwalzverfestigung noch erforderlich ist, um die Tröpfchengrenzfilme zu brechen, um eine Zwischen-Tröpfchen-Verschweißung (interdroplet welding) zu gestatten.

Es ist bekannt, daß Aluminium mit Stahl durch dessen Zusammenwalzen unter geeigneten Temperatur- und Druckbedingungen verbunden werden kann. Aus diesem Grund wird gemäß einer weiteren Verbesserung das Werkstoffmaterial in Form eines "Drei-Schichten-Sandwich" erzeugt, das aus der Lagerlegierung besteht, die auf beiden Seiten mit einer dünnen Schicht Aluminium handelsüblicher Reinheit überzogen ist. Das Aluminium handelsüblicher Reinheit kann durch jegliche andere Legierung ersetzt werden, welche mit der Lagerlegierung während des Ablaufs des Verfahrens und mit einer Stahlunterstützung entweder im Verlauf der Abscheidung oder in einem nachfolgenden Walz-Verbindungsvorgang fest verbunden werden wird.

Die Funktionen der Schichten aus handelsüblich reinem Aluminium sind zweifach. Zuerst unterstützen sie die Heißwalzkonsolidierung erheblich, die zur Erzeugung einer Dreischichten-Legierung durchgeführt werden muß. Zum zweiten gestattet eine Schicht die maximale Adhäsion der Legierung an dem Stahlunter-

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stützungsband während der nachfolgenden Walzverbindung. Die äußere (und nun unerwünschte) Schicht aus handelsüblich reinem Aluminium würde automatisch durch den Endabstreifungsvorgang entfernt werden, der als Endverfahren zur Sicherstellung einer genauen Passung für das fertige Lager nach dem Walzformungsvorgang gegeben ist.

Durch diese Methodik werden weitere Vorteile erzielt. Es wäre nicht erforderlich, die Flächen des Dreischichtstreifens vor der Walzverbindung 2u identifizieren, um festzustellen, welche Seite das handelsüblich reine Aluminium aufweist, wie dies im Fall eines Zweischichtensystems der Fall wäre. Auch die Mengen an teuerem Blei (oder anderem Legierungsbestandteil) , die als Abfall bei den Drehspänen des Endbearbeitungsvorgangs anfielen, würden vernachläßigbar sein.

Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schicht der Aluminium-Bleilagerlegierung unter Bedingungen derart abgeschieden, daß beim Auftreffen auf das Substrat die Abkühlungsgeschwindigkeit der Tröpfchen zumindest 10 C/sec.

4 ο beträgt. Die Geschwindigkeit ist vorzugsweise etwa 10 C/sec. oder sogar höher. Um die gewünschte Abkühlungsgeschwindxgkeit beim Treffen des Substrates zu erzielen, wird die Tröpfchengröße auf unter 1 mm durch die Sprüh- bzw. Zerstäubungsbedingungen gebracht und, was noch bevorzugter ist, das Metall unter solchen Bedingungen versprüht, daß die Tröpfchengröße sich innerhalb eines Bereiches von 0.1 bis 0.2 mm befindet.

Wenn die Aufgabe gestellt ist, ein Unterstützungsband, das mit einer Lagerlegierung ausgefüttert ist, herzustellen, muß die Wahl des Substrates (Material und Dicke) mit den Erfordernissen der Lagerunterstützungsplatte und mit dem Verfahrenserfordernis, daß es zu einer weiteren Verwalzung fähig sein muß, vereinbar sein. Ein vergütetes Weichstahlblech einer Dicke von 0.72 mm (0.028 inch) , welches dur-ch Schrot- bzw.

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Grießstrahlung mit abschreckungsgegossenem eckigen Grieß zur Erzeugung einer gerauhten Oberfläche erzeugt wurde, ist verwendet worden. Es ist wünschenswert, die Oberflächenoxidation dadurch zu minimieren, daß eine unnötige Verzögerung zwischen dieser Oberflächenherstellung und der Sprühabscheidung der Zwischenschicht (oder Unterlage), auf die die Sprühabscheidung der Lagerlegierung selbst nachfolgt, vermieden ist. Die Wahl der Legierung für die Unterlage ist durch das Erfordernis des Erhalts einer maximalen Adhäsion der Endoberschicht bestimmt und entweder Aluminium handelsüblicher Reinheit oder eine Al-Si-Legierung (bis zu der eutektischen Zusammensetzung 12 % Si) ist geeignet.

Die Sprühbedingungen sind weniger kritisch für die Unterlage als für die Auflage der Lagerlegierung, welche in einem Beispiel eine Legierung mit 6 % Pb, 4 % Si, 1.1 % Cd, O.1 % Cu, 0.1 % Mg und Rest Aluminium darstellte. Die Legierung wurde von einer Temperatur von 85O°C mit einer Düse auf eine Substratentfernung von 3 50 mm (14 inch) versprüht. Es wurde Stickstoff als Sprühgas mit einem gemessenen Verbrauch von 1120 1/1 kg (18 cu.ft/1 Ib) des Metalls verwendet. Diese Bedingungen ergaben die gewünschte Struktur, die eine feinzerteilte zweite Phase »igte, zusammen mit der beibehaltenen Übersättigung in der Endsprühabscheidung und mit einer Kühlungsgeschwindigkeit, die aus der Mikrostruktur auf etwa

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10 C/sec. geschätzt wurde. Es wird darauf hingewiesen, daß diese genauen Angaben in Abhängigkeit von dem Entwurf der Düse, der Durchflußgeschwindigkeit, etc. mit dem Endziel verändert werden können, daß bei der Abscheidungsstufe die zuvor beschriebene erforderliche Struktur erreicht wird. Die Dicken der Unterlage- und Auflageabscheidung können so eingestellt werden, daß sie den Erfordernissen des endgewalzten Lagerlaminates entsprechen. Im vorliegenden Fall wurde es so eingestellt, daß die Endgesamtdicke der beiden Schichten

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nach dem Walzen 0.56 mm (0.022 inch) betrug, wovon 0.13 mm (0.005 inch) die Zwischenschichtunterlage von 99.7 % Aluminium war. Diese Dicken stellen jene nach der Verwalzung dar, welche in dem Temperaturbereich von 300 bis 450 C unter Verwendung der minimalen Vorhitze, die vor dem Verwalzen erforderlich ist, durchgeführt wird. Die angewandte Walzreduktion stellt die zur Aufbrechung der Abscheidungsstruktur und zur Entfernung der Porosität (to heal porosity) erforderliche dar, wobei dies nicht weniger als eine 60 %ige Reduktion der Abscheidung darstellen sollte. Die Wirkung des Heißwalzens auf die Struktur dient zur Bewirkung einer weiteren Ausfällung der zweiten Phase und des Wachstums der vorliegenden Teilchen der zweiten Phase, wenngleich ein Gefüge verbleibt, worin die feinverteilten und nicht verbundenen Teilchen der zweiten Phasen eine durchschnittliche Größe von < 1 ,um aufweisen können.

In anderen Fällen ist es bevorzugt, die Oberfläche des Substrates derart zu behandeln, daß das Zweischichten-Sprüh-Gußmetall von dem Substrat vor Verfestigung durch Verwalzung abgeschält werden kann. Das somit gebildete Lagerwerkstoffmaterial kann mit dem aluminierten Stahlband durch Walzverbindung in üblicher Weise verbunden werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch für die Herstellung von Al-Sn-Lagerlegierungen in getrennter Streifen- bzw. Bandform oder verbunden mit einer Stahlunterstützung angewandt werden.

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Claims

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Patentansprüche

f 1 .j Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungsmaterial zur Herstellung von Lagern, gekennzeichnet durch die Bildung eines Band- bzw. Streifenmaterials durch Versprühung von geschmolzener Aluminiumlegierung, die 1 bis 10 % Pb enthält, auf ein bewegtes Substrat und nachfolgende Verfestigung des Streifens des sprüh-abgeschiedenen Metalls, wobei das gesprühte Metall in einem Inertgasstrom unter derartigen Bedingungen mitgerissen wird, daß die Tröpfchen vor dem Auftreffen auf das Substrat im wesentlichen unterkühlt sind und die Kühlungsgeschwindigkeit zur Vervollständigung der Verfestigung nach Berührung mit dem Substrat für die Mehrzahl der Tröpfchen eine Geschwindigkeit von zumindest 10 C/sec. darstellt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung bis zu 12 % Si enthält.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die geschmolzene Aluminiumlegierung mit einer Schicht von sprüh-abgeschiedenem Aluminium oder Aluminiumlegierung, die zur Verbindung mit einer Stahlunterstützung geeignet sind, verbunden wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bindungsschicht auf einer Stahlunterstützung abgeschieden und hiermit im Verlauf der Abscheidung und vor Abscheidung der blei-enthaltenden Lagerlegierung verbunden wird,
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundstreifen aus bleienthaltender Lageraluminiumlegierung und der Verbindungsabscheidung von dem Substrat vor der Kompaktierung abgetrennt wird.

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6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten aus Aluminium oder Aluminiumlegierung für die Verbindung mit dem Stahl sprühabgeschieden und mit beiden Flächen der Schichten der sprühabgeschiedenen bleienthaltenden Aluminiumlegierung vor der Abtrennung des Verbundstreifens von dem Substrat verbunden werden.

7· Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundstreifen nach Abtrennung von dem Substrat vorzugsweise um 20 bis 50 % durch Kaltwalzung reduziert und sodann einer Heißkompaktierung unterworfen wird.

8- Verfahren zur Herstellung von Lagern unter Anwendung der Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch g e kennzeichnet , daß man einen Verbundstreifen mit einem Stahlunterstützungsstreifen durch Walzverbindung verbindet.

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