DE2356616C3

DE2356616C3 - Verwendung eines Materials für abriebbeständige Gleitlager

Info

Publication number: DE2356616C3
Application number: DE2356616A
Authority: DE
Inventors: Robert Clark Indianapolis Ind. Tucker Jun.
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1972-11-17
Filing date: 1973-11-13
Publication date: 1981-05-07
Also published as: CA1000127A; GB1456644A; DE2356616A1; FR2207193A1; US3941903A; DE2356616B2; CH591567A5; FR2207193B1; JPS4981235A

Description

Die Erfindung betrifft eine neue Verwendung für einen durch Flammspritzen eines binären Pulvergemisches auf eine Unterlage aufgebrachten Überzug, der in einer weicheren Komponente als Matrix eine darin eingebettete Komponente aus härterem Metalloxid enthält.

Überzüge dieser Art, die als binäre Pulvergemische durch Flammspritzen auf eine Unterlage aufgebracht werden und 10 bis 40 Gew.-°/o Aluminiumoxid in einer metallischen Grundmasse enthalten, sind aus der FR-PS 15 05 659 bekannt Derartige Überzüge sind ausschließlich für den Oxydationsschutz und für die elektrische Isolierung bestimmt; die metallische Grundmasse, die aus Chrom und Nickel bestehen kann, weist eine verhältnismäßig hohe Härte auf.

Es wurde nun gefunden, daß Überzüge als Laufschicht für Gleitlager verwendet werden können, die durch Aufspritzen eines Gemisches aus 3 bis 50 Vol.-% Aluminiumoxidteilchen mit einer Korngröße von 0,05 bis 100 μπι und als Rest aus einer Kupferlegierung mit 10 Gew.-% Aluminium (Aluminiumbronze), aus einer Aluminiumlegierung mit 12 Gew.-% Silicium oder aus metallischem Nickel auf eine feste Unterlage erhalten wurden und eine Härte von nicht mehr als 500 Vickers-Einheiten (gemessen bei 300 g Belastung) aufweisen.

Für die Beurteilung der Eignung eines Werkstoffes als Lagermaterial kommt es nicht nur darauf an, daß dieser Werkstoff unter den Belastungen der Lagerbeanspruchung eine ausreichend hohe Abriebbeständigkeit und Festigkeit aufweist; vielmehr sind noch eine Reihe von Eigenschaften erforderlich, die insgesamt Verhalten und Eignung des Lagermaterials bestimmen. Dazu gehören die Verträglichkeit, die ein Maß für die Heißlauf-Eigenschaften und die Vermeidung von Eigenschaften des »Fressens« unter dem Einfluß der Reibung, insbesondere beim Trockenlauf des Lagers, darstellt, ferner die Anpaßbarkeit, mit der die Fähigkeit umschrieben wird, durch die das Lager Fehlausrichtungen und andere Einbau- oder Betriebs-Fehler auszugleichen vermag, und ferner die Einbettungsfähigkeit, mit der das Lager Schmutz oder andere Fremdstoffteilchen ohne erhöhten Abrieb aufnehmen kann. Grundsätzlich kann davon ausgegangen werden, daß ein Lagermaterial diese letztgenannten Eigenschaften am besten entwickeln wird, wenn die Härte der Lauffläche nicht zu hoch ist, was jedoch nach gängiger Auffassung unter Umständen zu einer verringerten Verschleiß- und Abriebfestigkeit führt.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß bei der erfindungsgemäßen Verwendung der genannten Überzüge unter Einhaltung von Härtewerten von maximal 500, vorzugsweise zwischen 100 und 400 Vickers-Einheiten, die Einbettung von Schmutz und anderen Fremdstoffteilchen ebenso wie eine ausreichende Anpaßbarkeit des Lagers bei Fehlausrichtungen gewährleistet ist, ohne daß dadurch die Abrieb- oder Verschleißfestigkeit des Werkstoffes beeinträchtigt wird.

In der US-PS 29 88 322 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem auf einen Metallkörper eine Lagerschicht mit pulverförmigem Wolframcarbid hergestellt wird, indem ein binäres Gemisch durch Flammspritzen auf die Unterlage aufgebracht wird. Dabei besteht die eine Komponente aus Hartstoffen, wie Wolframcarbid oder Chromcarbid, während die andere danach ausgewählt wird, daß sie eine Matrix mit martensitischem oder austenitischem Gefüge bildet, also z.B. aus einer Chrom-Kohlenstoff-Molybdän-Mangan-Eisen-Legierung mit hoher Härte von 55 Rockwell C besteht Zusammen mit dem eingebetteten Wolframcarbid ergibt sich hier zwar eine harte und sehr abriebbeständige Laufschicht, die aber hinsichtlich der Einbettungsfähigkeit und der Anpaßbarkeit den Anforderungen nicht .genügt Der wesentliche Unterschied des bekannten Verfahrens gegenüber der erfindungsgemäßen Verwendung des Überzuges liegt darin, daß bei letzterem durch geeignete Auswahl der stofflichen und mengenmäßigen Zusammensetzung und der Teilchengröße des Aluminiumoxids eine solche Härte eingehalten wird, die eine optimale Kombination der Eigenschaften in bezug auf das Laufverhalten des Überzuges als Lagerlaufschicht ergibt

Wegen der überlegenen Abriebbeständigkeit des erfindungsgemäß zu verwendenden Materials kann die erforderliche Dicke der Lagerlauffläche beträchtlich verringert werden. Die Abriebbeständigkeit der Lagermaterialien ist vergleichbar mit der Abriebbeständigkeit von reinen mittels Plasma niedergeschlagenen Oxiden, Carbiden oder Nitriden, dennoch weisen diese Materialien den zusätzlichen Vorteil auf, daß sie leicht bearbeitet werden können, da sie hauptsächlich aus einer metallischen Komponente bestehen.

Die Aufbringung des Lagermaterials auf das Substrat, das aus metallischen Werkstoffen, Kohlenstoff, Graphit oder Kunststoffen bestehen kann, erfolgt auf die ruhende oder bewegte Unterlage mittels Flammsprühverfahren gemäß US-PS 28 61900 oder diesem äquivalenter Plasma-Sprühverfahren oder Schockwellenverfahren, wie sie in den US-PS 28 58 411; 30 16 447; 27 14 563; 29 50 867 und 29 64 420 beschrieben sind.

Das auf diese Weise aufgebrachte Lagermaterial zeigt eine lamellare Struktur aus ineinandergreifenden und überlappenden mikroskopischen Blättchen, die miteinander und mit dem Substrat ohne nennenswerte Legierungsbildung mechanisch verbunden sind, und aus harten Teilchen, die der duktilen Matrix zugesetzt worden sind. Diese harten Teilchen bewirken, daß die Abriebbeständigkeit und die Festigkeit erhöht werden, ohne daß der Abrieb an der Oberfläche des Gegengleitelementes zunimmt

Das bei der erfindungsgemäßen Verwendung entstehende Lagermaterial ist den üblichen bekannten Materialien merkbar überlegen, sogar den mittels Plasma-Verfahren oder Schockwellentechnik aufgebrachten bekannten Materialien, für die gefunden wurde, daß sie keine größere Abriebbeständigkeit als übliche geschmiedete oder gegossene Materialien gleicher Zusammensetzung aufweisen. Es muß daher

angenommen werden, daß die feinkörnige, lamellare MikroStruktur der aufgebrachten Materialien das Ausmaß der zwischen den berührenden Oberflächen während des Betriebes des Lagers haftenden Teilchen hemmt oder begrenzt

Obwohl die erfindungsgemäße Verwendung vor allem auf Oberzüge für Lagermaterialien, z. B. auf Lagerzapfen, Drehzapfen oder Zylinder gerichtet ist, können auch freistehende Strukturen gemäß der Erfindung ausgestaltet werden.

Der Gegenstand der Erfindung wird durch das nachstehende Beispiel erläutert, bei dem das Abriebverhalten und die Härte der Lagerlaufschicht im Vergleich zu der gängiger Lageriegierungen bestimmt sind. Die Messung wurde im Dow-Corning Alpha-Abriebprüfgerät, Modell LFW-I, vorgenommen. Die Untersuchung und die Eichung der Vorrichtung erfolgten in der gleichen Weise, wie sie in der ASTM-Testnorm D 2714-68 beschrieben sind. Bei dieser Untersuchung wird ein Ring mit einem Durchmesser von 35 mm und einer Breite von 8,64 mm mit konstanter Geschwindigkeit unter konstanter Belastung gegen einen Klotz oder Block gedreht, der 6,35 mm breit, 10,16 mm hoch und 15,75 mm lang ist. Die Prüfringe bestanden aus einsatzgehärtetem Stahl 4620 (1^58-63). Die als Mil H 5606 A bekannte hydraulische Flüssigkeit wurde als Schmiermittel zwischen dem geprüften Klotz und dem Ring verwendet, wenn der letztere mit einer Geschwindigkeit von 180 U/Min, was einer Oberflächengeschwindigkeit von 19,5 m/Min, entspricht, gedreht wurde. Die Versuchsdauer betrug 5400 Umdrehungen (was einer unter Gleitkontakt zurückgelegten Entfernung von 585 m entspricht) unter Belastungen von 13,6; 81,7 und 204,1 kg.

Beispiel 1 "

Es wurden die Abrieb- und Reibungseigenschaften einer Reihe von Lagermaterialien bestimmt, die aus einem oder mehreren der in der Folgenden Tabelle I aufgeführten Bestandteile hergestellt worden sind. Tabelle I Materialien

AMS 4640 geknetete Aluminiumbronze

LCU-2 mittels Plasma niedergeschlagene Aluminiumbronze

(Kupferlegierung mit 10 Gew.-% AI) Korngröße 0,04 mm und feiner

LA-6 mittels Plasma niedergeschlagenes Alumi

niumoxid (Al₂O₃) Korngröße 0,04 mm und feiner

Zusätze AI₂O₃

AI₂O₃ Al₂O₃

Linde B-Pulver (J-Al₂O₃)

- Korngröße 0,05 μπι Linde C-Pulver (AAl₂O₃)

- Korngröße 1,0 μπι LA-2-400-PuIver (AAl₂O₃

- Korngröße 37 μπι

Die Proben aus der gekneteten Aluminiumbronze-Legierung waren aus einem handelsüblichen Barren in wärmegehärtetem Zustand in Klötze geschnitten worden (nach der AMS-Spezifikation 4640). Mit LCU-2 wird eine mittels Plasma niedergeschlagene Aluminiumbronze-Legierung bezeichnet, die kommerziell von der Union Carbide Corporation erhältlich ist. Die weiteren Beispiele für Lagermaterialien, welche Gegenstände der vorliegenden Erfindung sind, wurden dadurch hergestellt, daß zuerst Pulver aus der LCU-2-Legierung mit Aluminiumoxid vermischt wurden und diese Mischung dann mittels Plasma auf Stahl-Substraten (Klötzen) niedergeschlagen wurde. Die dabei erhaltenen überzogenen Materialien wurden anschließend bearbeitet oder geschliffen bis zu einer endgültigen Dicke des Überzugs von 0,508 mm. Die erhaltenen Überzüge wurden mittels Neutronen-Aktivierungsanalyse untersucht, wobei die in den Spalten 1 und 2 der Tabelle II angegebene Zusammensetzung ermittelt wurde.

Tabelle II	2	3	4	5	6	7	8	9
1	Zusatz	Härte DPH₃₀₀	Belastung kg	VoI.- Abnahme des Klotzes 1(T⁶CiTi³	VoI.- Abnahme des Ringes 1(T⁶ cm⁵	Gesamt- VoI.- Abnahme 10~⁶ cm³	Abschlies- sende Temperatur des Klotzes C	Endgültiger Reibungs koeffizient
Bezeichnung	kein	234	13,6 81,7	927 5079	-	927 5079	42 108	0,23 0,26
Geknetete Aluminium bronze		243	13,6 81,7	312 1366	:	312 1366	41 72	0,14 0,14
Standard- Material LCU-2			204,1	2840	-	2840	139	0,14
	17,7	166	13,6 81,7	4,78 36,7	90	5 127	34 61	0,14 0,14
LCU-2 + Al₂O₃ (0,05 μπι)			204,1	138	492	630	109	0,14
	34,5	121	13,6 81,7	5.02 29,0	82 215	87 245	30 63	0,13 0,14
LCU-2 + Al₂O₃ (0,05 pm)			204.1	114	350	464	115	0.14

Fortsetzung

1 Bezeichnung

Zusatz

VoL-%

Härte DPHjco

Belastung VoL- VoL- Gesamt-

kg Abnahme Abnahme VoL-

des Kloses des Ringes Abnahme

1(T⁶ cm³ 10"⁶ cn? 10"⁶ cm³

8 9

Abschlies- Endgültiger sende Reibungs-Temperatur koeffiziem des Klotzes C

LCU-^Al₂O₃ 7,26 178

(Ιμΐη)

LCU-2 + Al₂O₃ 12,4 178

(1 μπι)

LCU-2 + Al₂O₃ 21,0 190

(Ιμπι)

LCU-2 + Al₂O₃ 40,5 180

(Ιμπι)

LCU-2+ Al₂O₃ 11,7 208

(37 μΐη)

LCU-2 + Al₂O₃ 40,9 206

(37 um)

Reines Al₂O₃ - 700

(LA-6)

(0,04 mm)

13,6

81,7

204,1

81,7 204,1

7,19 30,8 152

26,2 126

150 175 480

150

475

157 206 632

176 601

36

67

119

65 HS

0,15 0,14 0,14

0,16 0,12

13,6	5,01	150	155	37	0,16
81,7	21,8	195	217	71	0,16
204,1	120	515	635	117	0,12
13,6	2,91	40	43	36	0,13
81,7	18,7	145	164	63	0,14
204,1	67,2	390	458	108	0,14
13,6	2,99	-	3	36	0,15
81,7	14,4	200	214	69	0,14
204,1	156	555	711	106	0,14
13,6	2,94	70	73	32	0,15
81,7	18,2	230	248	70	0,14
204,1	127	675	802	104	0,13
81,7	10,8	262	273	57	0,13
204,1	42,6	652	695	114	0,14

Die in der Tabelle II aufgeführten Versuchsergebnisse stellen Mittelwerte aus zwei oder mehr Untersuchungen bei jeder Belastung (Spalte 4) dar. Die abschließend gemessene Temperatur des Klotzes (Spalte 8) und der endgültige Reibungskoeffizient (Spalte 9) stellen dynamische Werte dar, die aus einer ununterbrochenen Aufzeichnung dieser Parameter abgelesen wurden. Die Volumenverminderungen (Spalte 5 und 7) wurden aus den Schrammen im Abriebbereich der Klötze und aus den Gewichtsverlusten der Ringe bestimmt. Bei der Untersuchung der gekneteten Aluminiumbronze oder der mittels Plasma niedergeschlagenen Aluminiumbronze, LCU-2, traten keine merklichen Gewichtsverluste an den Ringen auf. Tatsächlich wurde eine willkürliche Zunahme oder Abnahme von angenähert Ar 10~⁶cm³ gemessen, infolge des Übergangs von Aluminiumbronze auf die Stahlringe und wegen Wägefehlern und da die Verluste an den Ringen in dieser Größenordnung unbeachtet blieben. Die Vickers-Härte-Werte für die untersuchten Proben bei der Bestimmung mittels einem Prüfgewicht von 300 g sind in Spalte 3 der Tabelle II aufgeführt.

Es ist leicht zu erkennen, daß das Ausmaß der Abnutzung (Spalte 7) des unmodifizierten LCU-2-Materials zumindest in der Größenordnung oder geringer ist, als das von gekneteter Aluminiumbronze. Tatsächlich hat die geknetete Aluminiumbronze der Belastung von 204,1 kg so schlecht standgehalten, daß die Messung nicht einwandfrei durchgeführt werden konnte. Die modifizierten Überzüge nach der vorliegenden Erfindung zeigen eine Abnutzung, die noch eine Größenordnung kleiner ist als die Abnutzung des Standard-Materials LCU-2. Sogar dann, wenn der Materialverlusi der Ringe mit den erfindungsgemäß modifizierten Bronzen bestimmt wurde, lagen die Gesamtverluste des Systems noch weit unter den Verlusten für das Standardmaterial LCU-2 oder für die geknetete Aluminiumbronze.

Ein Vergleich von Überzügen aus modifiziertem LCU-2-Material mit einem Überzug aus mittels Plasma niedergeschlagenem reinem Aluminiumoxid zeigt, daß selbst ein so geringer Zusatz wie etwa 7 Vol.-% Aluminiumoxid (AI2O3) ein Lagermaterial ergibt, das eine viel geringere Abnutzung bzw. kleinere Abnutzungsgeschwindigkeit aufweist Wird das gesamte System (Klotz plus Ring) betrachtet, so tritt bei den erfindungsgemäßen Materialien eine viel geringere Gesamtabnutzung auf als bei reinem Aluminiumoxid. Hierbei ist zu beachten, daß die erfindungsgemäß hergestellten Lagermaterialien mit einem Ein-Punkt-Werkzeug bearbeitet werden können, während reine Oxyde geschliffen werden müssen. Das heißt, die Herstellung und endgültige Bearbeitung dieser Lpgermaierialien erweist sich als wesentlich weniger teuer.

Die Reibungskoeffizienten (Spalte 9) der modifizierten Materialien nach der vorliegenden Erfindung sind ungefähr die gleichen, wie jene von unmodifizierten.

mittels Plasma niedergeschlagenen Matrixlegierungen. Hier ist zu beachten, daß das mittels Plasma niedergeschlagene Matrixmaterial einen deutlich kleineren Koeffizienten aufweist, als sein geknetetes Gegenstück und daß dieser Vorteil durch den Zusatz von harten Teilchen nicht verlorengeht.

Zusätzlich zu der Erhöhung der Abriebbeständigkeit von typischen, mittels Plasma niedergeschlagenen Lagerlegierungen führt der Zusatz von harten Teilchen gewöhnlich auch zu einem festeren Material. Dies wird durch die Messung der Festigkeit gegenüber Druckbeanspruchung des Standard-Materials LCU-2 und von solchem Material auf der Basis von LCU-2, das mit einem nominalen Zusatz von 15 Vol.-% Aluminiumoxid (AI2O3 mit einer Korngröße von 1 μιη) modifiziert worden ist, belegt.

Die Versuchsergebnisse, die bei radialer Messung (senkrecht zur Oberfläche des Überzugs) und in Längsrichtung (in der Ebene des Überzugs) bestimmt worden sind, bringt die folgende Tabelle III. Die Proben

Tabelle III

mit den Abmessungen 6x6x12 mm wurden aus einem freistehenden, 37 mm hohen Zylinder herausgeschnitten und lieferten Lagermaterial mit einem Innendurchmesser von 36 mm und einem Außendurchmesser von etwa 50 mm, was belegt, daß diese Materialien sowohl als feste Lager oder Einsätze, wie als Überzüge verwendet werden können.

Trotz des Anstiegs der mechanischen Festigkeit wurde keine deutliche Zunahme der Härte dieser Materialien (Tabelle II) beobachtet, und daher sollten sie die für die Matrixlegierung charakteristische Einbettung beibehalten. Untersuchungen mit unmodifizierten Beryllium-Kupfer-Legierungen haben gezeigt, daß, wenn es erforderlich ist, daß das lager höheren Belastungen ohne Deformierung standhält, dann die Festigkeit geeigneter, mittels Plasma niedergeschlagener Matrixlegierungen durch eine Wärmebehandlung erhöht werden kann, ohne daß nachteilige Auswirkungen auf deren Abriebbeständigkeit auftreten.

Überzug

Preßrichtung Elastizitätsmodul

10³ N/mm² Streckgrenze (Yield Strength)

N/mm²

Reißfestigkeit

(Ultimate

Strength)

N/mm²

Standard-Material LCU-2 längs

radikal

LCU-2 + 15 Vol.-% Al₂O₃ längs

radikal

430
405

622
512

635
667

705
871

Beispiel 2

Aus den Materialien, wie sie in der folgenden Tabelle aufgeführt sind, wurden Klötze 1 bis 5 hergestellt. Die mittels Plasma niedergeschlagenen Materialien wurden durch Vermischen von 15 Vol.-% Aluminiumoxid (AI2O3 mit einer Korngröße von 1 μπι, welches von der Union Carbide Corporation unter der Bezeichnung Aluminiumoxid Linde C bezogen wurde) mit nichtlegiertem Nickelpulver mit einer Korngröße von 0,04 mm und feiner hergestellt, oder mit einer Aluminiumlegierung, die unter der Typenbezeichnung 718 bekannt ist und ebenfalls eine Korngröße von 0,04 mm oder weniger aufweist

Die Mischungen wurden mittels Plasma auf Alpha-Abrieb-Klötzen niedergeschlagen und bis zu einer Dicke von 0,152 mm bearbeitet Ähnliche Proben wurden aus mittels Plasma niedergeschlagenen Oberzügen aus üblichem Nickelpulver (das unter der Bezeichnung LN-2 von der Union Carbide Corporation bezogen wurde) und aus Aluminiumpulver (das unter der Bezeichnung LAL-4 von der Union Carbide Corporation bezogen wurde) hergestellt. Diese überzogenen Proben wurden mit anderen Proben aus gekneteten Aluminiumlegierungen verglichen, die nach den Richtlinien der Aluminium Association of America als 2014-T6, 7075-T6 und 2014-T6 (anodisch behandelt) bezeichnet werden. Die Dow-Alpha-Abriebprüfvorrichtung wurde mit einer Geschwindigkeit von 180 U/min (Oberflächengeschwindigkeit von 19,5 m/Min.) für eine Versuchsdauer von 30 Minuten (5400 Umdrehungen) bei einer Belastung von 13,6 kg betrieben, wobei als Schmiermittel die hydraulische Flüssigkeit Mil H 56606 A verwendet wurde. In den Fällen, in denen die Abriebmarken sehr klein waren, wurden die Werte für die Belastung 13,6 kg aus Messungen mit 81,7 kg Belastung extrapoliert

Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle zusammengestellt, die zeigt, wie weitgehend das Abriebverhalten verbessert wird, ohne daß die Werte der Gesamthärte, die ein Maß für die übrigen Lagereigenschaften, wie insbesondere Anpaßbarkeit und Einbettung darstellen, erhöht werden.

Tabelle IV

Material

Abgeriebenes Volumen

Vickers-Härte*) (Belastung 300 g)

') Al (718) + 15 VoL-% Al₂O₃	5,7XlO-⁶Cm³	127
²) Ni (LN-2) + 15 VoL-% Al₂O₃	9,0XlO"⁶	100
³) LAL-4	1355,0 XlO"⁶	130-170**

Fortsetzung

10

Material

Abgeriebenes Volumen

Vickers-Härte*) (Belastung 300 g)

²) LN-2

⁴)2O14-T6A1 2014-T6 Al anodisch behandelt

⁵) 7075-T6 Al

1213,0XlO-⁶ 3460,0 X 10~⁶ 2370,0 X 10"⁶ 6000,0 X 10"⁶

150-275**

') 718 Al enthält 12 Gew.-% Si, Rest Al- Korngröße 0,04 mm und feiner.

²) LN-2 besteht aus nicht-legiertem Ni - Korngröße 0,04 mm und feiner.

³) LAL4 enthält 12 Gew.-% Si, Rest Al - Korngröße 0,075 mm und feiner.

⁴) 2014 enthäh 4,4 Gew.-% Cu, 0,9 Si, 0,8 Mn, 0,5 Mg, Rest Al.

⁵) 7075 enthält 2,5 Gew.-% Mg, 0,3 Cr, 5,6 Zn, 1,6Cu, Rest Al.

*) Alle Härtewerte wurden an Querschnitten des Überzugs parallel zur Oberfläche bestimmt

**) Herstellungsbedingter Härtebereich für handelsüblich erhältliche, mittels Plasma aufgebrachte Überzüge aus LAL-4 und LN-2.

Claims

Patentanspruch:

Verwendung eines Oberzuges, der durch Aufspritzen eines Gemisches aus 3 bis 50 Vol.-% Aluminiumoxidteilchen mit einer Korngröße von 0,05 bis 100 μπι und als Rest aus einer Kupferlegierung mit 10 Gew.-% Aluminium (Aluminiumbronze), aus einer Aluminiumlegierung mit 12 Gew.-% Silicium oder aus metallischem Nickel auf eine feste Unterlage erhalten wurde und eine Härte von nicht mehr als 500 Vickers-Einheiten (300 g Belastung) aufweist, als Laufschicht für Gleitlager.