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Lagerlegierung auf Al-Sn-Basis, daraus hergestellter Lagerwerk-
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stoff und damit versehendes Wellenlager Die Erfindung bezieht sich
auf eine Lagerlegierung auf Aluminium-Zinn(Al-Sn)-Basis, die hergestellt wird, indem
Zinn einer Aluminiummatrix und einem Lagerwerkstoff zugesetzt wird, der hergestellt
wird, indem die Lagerlegierung auf Al-Sn-Basis auf eine Stahlunterlage durch Preßschweißen
aufgebracht wird. Insbesondere ist die Lagerlegierung auf Al-Sn-Basis nach der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerlegierung hinsichtlich mehrerer Eigenschaften
verbessert wird, indem verschiedene Arten von Zusatzelementen benutzt werden. Das
heißt die Dauerfestigkeit wird sehr rbessert, indem das Absinken der Härte bei hohen
Temperaturen verringert wird und indem insbesondere die Vergröberung der Zinnteilchen
vermieden wird. Außerdem wird die Verschleißfestigkeit der Lagerlegierung erhöht,
um die Haltbarkeit gegenüber einer zu lagernden Welle zu verbessern, die eine harte
und rauhe Oberfläche hat. In dem Fall, in welchem die Lagerlegierung nach der Erfindung
für Lagervorrichtungen an Kurbelwellen
von Verbrennungsmotoren benutzt
wird, die harte Bedingungen verlangen, können demgemäß beträchtliche Vorteile erwartet
werden.
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In den vergangenen Jahren ist es erforderlich geworden, Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren
kompakt und mit hoher Leistung herzustellen. Außerdem müssen sie als Gegenmaßnahme
zu den Abgasbestimmungen mit Rückfördervorrichtungen u.dgl. versehen werden, die
ins Kurbelgehäuse übergetretenes unverbranntes Gemisch (durchblasendes Gas) rückfördern.
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Die Gebrauchsbedingungen für die Lagerwerkstoffe in Verbrennungsmotoren
sind desha-lb bei hohen Belastungen und hohen Temperaturen härter geworden. Unter
solchen harten Bedingungen neigen die herkömmlichen Lagerwerkstoffe zum Ausfall
durch Ermüdung und zu anomalen Verschleiß, durch die verschiedene Störungen der
Motoren hervorgerufen werden.
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In Verbindung mit den Wellen, die mit den Lagerwerkstoffen in Berührung
gebracht werden, besteht die Tendenz, daß die bislang hergestellten Schmiedewellen
durch weniger teuere Wellen aus Sphäroguß oder anderem rauhen Material ersetzt werden,
um die Herstellungskosten zu senken. Die Verbesserung in der Verschleißfestigkeit,
in der Beständigkeit gegen Fressen und in der Dauerfestigkeit bei hohen Temperaturen
ist deshalb um so mehr erforderlich.
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Beispiele für die Legierung auf Al-Sn-Basis, die zum Herstellen der
Lager von Verbrennungsmotoren im Stand der Technik benutzt wird, sind: Al (Rest)
- Sn (3,5 - 4,5) - Si (3,5 - 4,5) - Cu (0,7 - 1,3); Al (Rest) - Sn (4 - 8) - Si
(1 - 2) - Cu (0,1 - 2) - Ni (0,1 - 1); Al (Rest) - Sn (3 - 40) - Pb (0,1 - 5) -
Cu (0,2 - 2) -Sb (0,1 - 3) - Si (0,2 - 3) - Ti (0,01 - 1); Al - (Rest) -Sn (15 -
30) - Cu (0,5 - 2); und Al (Rest) - Sn (1 - 23) -Pb (1,5 - 9) - Cu (0,3 - 3) Si
(1 - 8), wobei die in Klammern gesetzten Werte die Gewichtsprozentsätze der Werkstoffkomponenten
angeben.
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Wenn diese herkömmlichen Legierungen für die Lager von Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren
unter harten Bedingungen, wie sie oben beschrieben worden sind, benutzt werden,
kommt es manchmal in kurzer Zeit zum Ausfall infolge Ermüdung, wenn die Motoren
ständig unter starken Belastungen betrieben werden. Das ist auf die Tatsache zurückzuführen,
daß die Temperatur des Schmieröls in einem Verbrennungsmotor während des durchgehenden
Vollastbetriebes sehr hoch wird, und beispielsweise kann die Temperatur des Schmieröls
in einer ölwanne 130 OC bis 150 OC erreichen, so daß die Temperatur der Gleitflächen
von Lagern ebenfalls sehr stark erhöht wird.
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Infolgedessen wird, da der eutektische Punkt einer solchen Legierung
in der Größenordnung von 225 OC liegt, die Härte der Legierung unter den Hochtemperaturbedingungen
schnell gering, was das Schmelzen und das Wandern der Sn-Komponente verursacht und
zur Folge hat, daß die Dauerfestigkeit gesenkt wird. Die Erfinder der vorliegenden
Erfindung haben eine Legierung hergestellt, deren Härte bei hohen Temperaturen nicht
verringert wird und bei der die Sn-Komponente kaum beweglich ist. Aus der Legierung
wurden durch Bearbeitung Lager für Verbrennungsmotoren hergestellt und diese wurden
Dauerversuchen unter dynamischen Belastungen bei hohen öltemperaturen ausgesetzt.
Dabei konnte die Verbesserung der Dauerfestigkeit, über die oben Überlegungen angestellt
worden sind, festgestellt werden.
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Zusätzlich zu dem Verringern der Dauerfestigkeit aufgrund des Verlustes
an Härte bei hohen Temperaturen, wie oben erwähnt, bewirkt die Vergröberung von
Zinnteilchen in dem Gefügebild von herkömmlicher Al-Sn-Legierung ebenfalls ein Absinken
der Dauerfestigkeit. Das heißt der Aluminiumlagerwerkstoff wird im allgemeinen hergestellt,
indem eine Al-Sn-Legierung durch Preßschweißen auf eine Stahlunterlage aufgebracht
wird, wobei ein Glühschritt nach dem Preßschweißen erforderlich ist, um die Haftfestigkeit
zwischen beiden Metallen zu verbessern.
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Das Glühen erfolgt im allgemeinen bei einer Temperatur unterhalb des
Punktes, an welchem sich eine intermetallische Al-Fe-Verbindung abscheidet, und
je höher die Behandlungstemperatur ist und je länger die Behandlungszeit ist, um
so grösser
wird die Haftfestigkeit. Tatsächlich wird, wenn die
herkömmliche Al-Sn-Legierung während des Glühens in einen Hochtemperaturzustand
gebracht wird, die Vergröberung der Aluminiumkorngrenzen und Zinnteilchen nachteiligerweise
in dem Legierungsgefügebild hervorgerufen. Das heißt, wenn die herkömmliche Aluminiumlagerlegierung
einem Glühvorgang ausgesetzt wird, um die Haftfestigkeit an der Stahlunterlage zu
verbessern, kommt es zur Vergröberung der Zinnteilchen, was das Verringern der Dauerfestigkeit
der Al-Sn-Legierung bei hohen Temperaturen zur Folge hat.
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Weiter sind diese herkörrmlichen Al-Sn-Lagerlegierungen hinsichtlich
ihrer Verschleißfestigkeit nicht gut genug. Insbesondere wenn Wellen mit harten
und rauhen Oberflächen, beispielsweise solche aus Sphäroguß, mit den Lagerlegierungen
in Berührung gebracht werden, wird die Verschleißfestigkeit stark verringert und
es kommt zu Ausfällen aufgrund von Ermüdung, was im Stand der Technik ein ernstes
Problem darstellt.
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Zum Beseitigen der oben beschriebenen Nachteile der herkömmlichen
Lagerlegierung auf Al-Sn-Basis schafft die Erfindung demgemäß eine Lagerlegierung
auf Al-Sn-Basis, bei der es zu einem relativ geringen Verlust an Härte bei hohen
Temperaturen kommt und die demgemäß eine hohe Dauerfestigkeit hat.
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Weiter schafft die Erfindung eine verbesserte Lagerlegierung auf Al-Sn-Basis,
in der es nicht oder nur zu mäßiger Vergröberung der Zinnteilchen während des Glühschrittes
oder während des Gebrauches unter Hochtemperaturbedingungen kommt, was eine höhere
Dauerfestigkeit ergibt.
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Ferner schafft die Erfindung eine Lager legierung auf Al-Sn-Basis
mit einer relativ hohen Verschleißfestigkeit, insbesondere gegenüber Wellen aus
harten und rauhen Materialien, wie Sphäroguß, der zum Herstellen von Kurbelwellen
von Verbrennungsmotoren benutzt wird.
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Schließlich schafft die Erfindung einen Lagerwerkstoff, der hergestellt
wird, indem die oben beschriebene Lagerlegierung auf die Oberfläche einer Stahlblechunterlage
aufgebracht wird, sowie Lager für Verbrennungsmotoren, die aus dem oben beschriebenen
Lagerwerkstoff hergestellt sind.
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Gemäß der Erfindung enthält die Lagerlegierung auf Al-Sn-Basis grundsätzlich
3 bis 7 Gew.% Sn; über 1 bis 10 Gew. insgesamt von zwei oder mehr als zwei der spezifizierten
Zusätze Cr, Si, Mn, Sb, Ti, Zr, Ni, Fe, W, Ce, Nb, V, Mo, Ba, Ca und Co, wobei über
1 bis 10 Gew.% Cr enthalten sind; 0,1 bis unter 0,8 Gew.% Cu und/oder Mg; Rest Aluminium.
Die Legierung kann weiter 9 Gew.% insgesamt von einem oder mehreren der Elemente
Pb, Bi, Tl, Cd und In enthalten, wodurch die Lagereigenschaften verbessert werden.
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Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 .
ein Diagramm, das die Verschleißverluständerungen von Legierungen mit der Zunahme
von Belastungen zeigt, die auf Stahlwellen ausgeübt werden, welche mit den Legierungen
in Berührung sind, und Fig. 2 ein Diagramm, das die Verschleißverluständerungen
von Legierungen mit der Zunahme von Belastungen zeigt, die auf Wellen aus Sphäroguß
ausgeübt werden, welche mit den Legierungen in Berührung sind.
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Die Lagerlegierung auf Al-Sn-Basis nach der Erfindung wird hergestellt,
indem das oben erwähnte Zinn (Sn) und zwei oder mehr als zwei der spezifizierten
Zusätze (zumindest Cr ist enthalten
) und Cu und/oder Mg der Aluminiummatrix
zugesetzt werden.
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In Verbindung mit der Menge an Zinn können die Paßfähigkeit und die
Schmiereigenschaften im allgemeinen mit zunehmendem Zinngehalt verbessert werden,
die Härte wird jedoch verringert. Die Belastbarkeit als Lager wird deshalb gering.
Wenn dagegen die Menge an Zinn klein wird, wird zwar die Belastbarkeit erhöht, die
Legierung ist jedoch als Lagerwerkstoff zu hart und die Paßfähigkeit wird schlechter.
Im Stand der Technik beträgt die obere Grenze des Zinngehalts im allgemeinen etwa
15% und die untereGrenze etwa 3%. Bei der Erfindung wird der Zinngehalt auf den
Bereich von 3 bis 7% begrenzt, in welchem die Belastbarkeit gut ist.
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Zwei oder mehr als zwei der spezifizierten Zusätze einschließlich
wenigstens Chrom, die unter Cr, Si, Mn, Sb, Ti, Zr, Ni, Fe, W, Ce, Nb, V, Mo, Ba,
Ca und Co ausgewählt werden, verbessern hauptsächlich die Ve-schleißfestigkeit.
Insbesondere führt der Zusatz von Chrom zu einer Erhöhung der Härte, zum Verhindern
des Erweichens bei hohen Temperaturen und zum Verhindern der Vergröberung von Zinnteilchen
beim Glühen. Die Zusatzmenge an Chrom beträgt 1, ausschließlich (d.h. mehr als -1),
bis 10% und die Zusatzmenge an anderen Elementen reicht von Spuren bis zu 108* Weiter
sollte die Gesamtzusatzmenge dieser spezifizierten Zusätze in dem Bereich von 1,
ausschließlich, bis 10% und vorzugsweise von 1 bis 6%, je nach Verwendungszweck,
liegen.
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Die Zusatzmenge an Chrom liegt erwünschtermaßen nahe bei 1%, damit
die höhere Härte erzielt wird und das Erweichen bei hoher Temperatur sowie die Vergröberung
der Zinnteilchen verringert werden. Wenn jedoch die Chrommenge kleiner als 1,0 Gew.%
ist, kann die Verbesserung der Verschleißfestigkeit nicht erwartet werden, obgleich
die Verbesserung der Härte bei hoher Temperatur erwartet werden kann. Wenn die Zusatzmenge
an Chrom 10 Gew.% übersteigt, wird zuviel von einer intermetallischen Al-Cr-Verbindung
abgeschieden und die Legierung wird als Lagerlegierung zu hart. Obwohl die Verschleißfestigkeit
verbessert wird, wird deshalb die Paßfähigkeit verschlechtert. Die Menge an Chrom
wird deshalb auf den Bereich von 1,0, ausschließlich, bis 10 Gew.% begrenzt. Insbesondere
bildet in Verbindung mit der Verbesserung der Härte bei hoher Temperatur das Chrom
eine feste Lösung (einen Mischkristall) in dem Aluminium, die die Rekristallisationstemperatur
des Aluminiums erhöht, und darüber hinaus verbessert die feste Lösung selbst die
Härte der Aluminiummatrix. Gleichzeitig wird die Härte der Chrom enthaltenden Legierung
größer, selbst wenn sie mehrmals gewalzt wird, was einen Gegensatz zum Gießen darstellt.
Mit der Erhöhung
der Rekristallisationstemperatur des Aluminiums
können die Motorenlager, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, ihre mechanischen
Eigenschaften beibehalten. Insbesondere kann das Absinken der Härte bei hohen Temperaturen
verringert werden und das Erweichen von Lagern in einem Hochtemperaturbereich kann
gut vermieden werden, wodurch die Haltbarkeit der Lager verbessert wird. Weiter
hat die intermetallische Al-Cr-Verbindung, die über der Grenze zur festen Lösung
ausgeschieden wird, eine Vickershärte von mehr als 370, so daß die Dispersion dieser
Verbindung der Lagerlegierung hilft, die Härte bei hoher Temperatur aufrechtzuerhalten.
Die Dispersion einer solchen intermetailischen Verbindung in richtiger Menge hat
deshalb eine günstige Auswirkung.
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Im folgenden wird die Auswirkung des Chromzusatzes zur Vermeidung
der Vergröberung der Zinnteilchen beschrieben. Die Vergröberung der Zinnteilchen
ist eine Erscheinung, die auf das Wandern von Aluminiumkorngrenzen und Zinnteilchen
bei sich auf hoher Temperatur befindlicher Al-Sn-Legierung zurückzuführen ist. Da
das
Chrom als die oben erwähnte intermetallische Al-Cr-Verbindung ausgeschieden wird,
die in der Aluminiumlegierungsmatrix verteilt wird, blockiert diese intermetallische
Verbindung direkt das Wandern der Aluminiumkorngrenzen und behindert gleichzeitig
das Wachstum von Aluminiumkristallkörnern. Das Wandern von Zinnteilchen wird deshalb
ebenfalls behindert und infolgedessen kann die Vergröberung der Zinnteilchen vermieden
werden. Das steht in Beziehung zu der Tatsache, daß die feinst verteilten Zinnteilchen
während der Wiederholung des Walzens und Glühens dort gehalten werden, wo sie sich
befinden, so daß die oben erwähnten verschiedenen Auswirkungen erzielt werden können.
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Weiter kann die Verflüssigung von Zinnteilchen, die einen niedrigen
Schmelzpunkt von etwa 232 OC haben, unter Hochtemperaturbedingungen wirksam verhindert
werden, weil die Zinnteilchen in einem feinst verteilten Zustand in der Aluminiummatrix
gehalten werden. Unter diesem Gesichtspunkt wird die Auswirkung des Verhinderns
des Absenkens der Härte verständlich.
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Vorstehend ist die Auswirkung des Verhinderns der Vergröberung der
Zinnteilchen in dem Glühschritt H-schrieben.
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Diese Auswirkung kann auch in dem Bearbeitungszustand des Lagerwerkstoffes
erwartet werden,in dem die Temperatur gleich der im Glühzustand ist. Demmgemäß kann
die Dauerfestigkeit im praktischen Gebrauch auch mit dem Blockieren des Erweichens
verbessert werden.
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Die Gesamtzusatzmenge an zwei oder mehr als zwei der oben angegebenen
Zusätze einschließlich Cr wird auf den Bereich von über 1 bis 10 Gew.% beschränkt.
Der Grund für die vorstehende Beschränkung ist folgender. Die ausgeschiedenen Substanzen
(oder kristallisierten Substanzen, dasselbe soll im folgenden gelten) dieser Elemente
sind in der Aluminiummatrix dispergiert, weshalb die Verschleißfestigkeit verbessert
werden kann. Wenn die Zusatzmenge des spezifizierten Zusatzes kleie als 1 Gew.%
ist, kann sich die Auswirkung des Zusatzes nicht ergeben, e oben dargelegt, während,
wenn die Zusatzmenge mehr als 10 Gew.% beträgt, zuviel Substanz ausgeschieden wird,
so daß die Anpaßbarkeit an das Walzen schlecht wird und das Wiederholen von Walzen
und Glühen schwierig wird. Weiter wird die Bildung der feinen Zinnteilchen blockiert.
Um diese unerwünschten Effekte vollständig zu beseitigen, ist die bevorzugte obere
Grenze auf 6 Gew.E oder so festgelegt worden.
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Die Ausscheidungsformen dieser spezifizierten Zusätze einschließlich
Cr sind die ausgeschiedenen Substanzen jedes augesetzten Elements, die der intermetallischen
Verbindungen zwischen den zugesetzten Elementen, die der intermetallischen Verbindungen
von Aluminium und zugesetzten Elementen und die der intermetallischen Verbindungen
von Aluminium und der intermetallisch« Verbindung von zugesetzten Elementen. Die
Verschleißfestigkeit kann durch die ausgeschiedenen Substanzen in allen Formen der
vorstehenden verbessert werden.
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Die Vickershärten dieser ausgeschiedenen Substanzen erreichen
mehrere
hundert, so daß die ausgeschiedenen Substanzen sehr hart sind und der Verschleiß
von Lagern, der durch die Reibung mit Wellen verursacht wird, durch die ausgeschiedenen
Substanzen beträchtlich verringert werden kann. Demgemäß kann ein ziemlich gutes
Resultat erzielt werden, wenn eine richtige Menge der ausgeschiedenen Substanz in
der Aluminiummatrix vorhanden ist. Der Bereich dey richtigen Menge reicht, wie oben
beschrieben, von huber 1 bis 10 Gew.%, und, wenn die Menge der ausgeschiedenen Substanz
in diesem Bereich liegt, kann die ausgeschiedene Substanz gleichmäßig dispergiert
werden und die Verschleißfestigkeit kann wirksam verbessert werden, ohne daß nachteilige
Effekte, wie das Absenken der Paßfähigkeit, hervorgerufen werden.
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ner Effekt der Verbesserung der Verschleißfestigkeit ist beträchtlich,
wenn das Lager eine Welle trägt, die eine harte und rauhe Oberfläche hat. Die Leistungsfähigkeit
des Lagers hängt im allgemeinen von der Härte und der Rauhigkeit des abzustützenden
Werkstoffes in großem Ausmaß ab. Wenn beispielsweise der herkömmliche Lagerwerkstoff
auf Al-Sn-Basis zum Abstützen einer Welle aus Sphäroguß benutzt wird, werden die
Eigenschaften des Lagers hinsichtlich Verhindern des Fressens und hinsichtlich der
Verschleißfestigkeit merklich verschlechtert. Da die Wellen aus Sphäroguß billig
hergestellt werden können, werden sie in jüngerer Zeit anstelle der qeschmiedeten
Stahlwellen weitgehend verwendet. In der Eisenmatrix der Welle sind weiche Graphitteilchen
verstreut. Wenn die Wellenoberfläche abgeschabt wird, werden deshalb blattartige
Schleifgrate um die Graphitteilchen herum gebildet. Wenn die Welle, die solche Schleifgrate
aufweist, gegenüber dem Lager unter starker Belastung verschoben wird, bei der die
Rauhigkeit der Welle und des Lagers und die Dicke des blfilms zwischen ihnen einander
gleich sind, wird die Lageroberfläche, die weicher als die Welle ist, abgeschliffen.
Wenn dieser Zustand andauert, wird die Oberfläche des Lagers rauh und der Spalt
zwischen dem Lager und der Welle wird groß, was zum Durchbrechen oder zum Verlust
des blfilms führt. Infolgedessen kommt es zu einer direkten Berührung zwischen der
Welle und dem Lager (d.h. zu
einem Metall-Metall-Kontakt>, die
zum Fressen beider Teile führt.
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In der Legierung nach der Erfindung ist dagegen die ausgeschiedene
Substanz, die in der Aluminiummatrix durch den Zusatz der obigen spezifizierten
Zusätze gebildet wird, härter als die oben erwähnten Schleifgrate der Welle aus
Sphäroguß. Die ausgeschiedene Substanz beseitigt deshalb die oben erwähnten Schleifgrate
von der Oberfläche der Welle und außerdem ist bei der ausgeschiedenen Substanz eine
Ubertragung und ein Anhaften von Metall kaum möglich. Der Verschleißvorgang der
Lageroberfläche kann deshalb innerhalb einer relativ kurzen Zeit auehalten werden,
um die Bildung eines stabilen blfilms zu bewirken. Infolgedessen können in bezug
auf die Welle aus Sphäroguß die Verschleißfestigkeit und die Eigenschaft des Verhindernsdes
Fressens des Lagers verbessert werden.
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In der Gruppe der spezifizierten Zusätze ist, wenn von Cr abgesehen
wird, der erwünschteste Zusatz Si gefolgt von Mn und Sb, danach Zr, Mo, Fe und Co,
dann Ni, Ti und Ce und weiter Nb, W und V und schließlich Ba und Ca. Das hängt von
der Tatsache ab, daß die Härte und die Gießbarkeit von Si ausgezeichnet sind, so
daß Si vorzugsweise benutzt wird. Die Reihenfolge der anderen Elemente ergibt sich
angesichts des Grades an gleichmäßiger Dispersion der intermetallischen Verbindungen
mit Aluminium oder anderen Elementen und der einfachen Gießbarkeit. Da Mo und Co
hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit etwas schlechter sind, ist es, wenn die
Korrosionsbeständigkeit im Gebrauch besonders verlangt wird, notwendig, darauf zu
achten, daß die Zusatzmenge dieser Elemente verringert und andere Elemente benutzt
werden.
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Außer den oben beschriebenen Zusammensetzungen der Erfindung kann
die Lagerlegierung weiter 0,1 bis unter 0,8 Gew.% insgesamt Kupfer (Cu) und/oder
Magnesium (Mg) enthalten. Das Kupfer und/oder Magnesium werden angesichts der Tatsache
zugesetzt, daß sie das Absinken der Härte bei hohen Temperaturen verringern. Wenn
die Zusatzmenge derselben kleiner als 0,1 Gew.* ist, ist der Anstieg der Härte nicht
so sehr zu erwarten. Wenn die Menge an Sn auf den oben beschriebenen schmalen Bereich
von 3 bis 7% beschränkt wird, wird, wenn die Menge an Cu und/oder Mg groß gemacht
wird, die Legierung zu hart und es kommt zum Verschleiß des in Kontakt befindlichen
Materials. Deshalb ist die Menge an Cu und/öder Mg erwünschtermaßen kleiner als
0,8 Gew.%.
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Weiter zeigt sich die Auswirkung des Zusatzes an Kupfer und/oder
Magnesium, wenn Chrom t'ieichzeitig zugesetzt wird, und der Effekt des Erhöhens
der Härte bei hohen Temperaturen ist nicht zu erwarten, wenn nur Kupfer und/oder
Magnesium zugesetzt werden. Wenn Kupfer und/oder Magnesium der Aluminiummatrix zugesetzt
werden, wird also die Härte beim Walzen stark erhöht, was im Vergleich zu dem Fall,
in welchem andere Elemente der Aluminiummatrix zugesetzt werden, bemerkenswert ist.
Es ist jedoch zu beachten, daß die Kupfer und/oder Magnesium enthaltende Aluminiummatrix
bei etwa 200°C leicht erweicht werden kann, weshalb nicht erwartet werden kann,
daß die Härte bei hohen Temperaturen aufrechterhalten wird. Wenn dagegen Kupfer.
und/oder Magnesium zusammen mit Chrom zugesetzt werden, wird dagegen die Härte,
die während des Walzens aufgrund der Auswirkung des Zusatzes von Kupfer und/oder
Magnesium erhöht wird, durch das Glühen nicht so stark gesenkt, was der Zusatz des
Chroms mit sich bringt. Diese Härte kann unter Hochtemperaturbedingungen aufrechterhalten
werden, weshalb die Lager legierung nach der Erfindung im Vergleich zu den bekannten
Legierungen eine höhere Härte bei hohen Temperaturen hat, die die Verbesserung der
Dauerfestigkeit ergibt.
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Weiter kann bei der Lager legierung nach der Erfindung die Eigenschaft,
ein Zinn enthaltendes Gleitmetall zu sein, weiter verbessert werden, indem insgesamt
mehr als null bis 9 Gew.% von einem oder mehreren der Elemente Blei (Pb), Wismut
(Bi), Indium (In), Thallium (Tl) und Cadmium (Cd) zugesetzt werden. Die Auswirkung
des Zusatzes von Blei,Wismut,Indium,Thallium und Cadmium zeigt sich,wenn sie zusammen
mit Chrom zugesetzt werden. Im Stand der Technik ist ins PJloe gefaßt worden, diese
Elemente Legierungen auf Al-Sn-Basis zuzusetzen, und der Zusatz ist in einigen Fällen
angewandt worden. Wenn jedoch nur diese Elemente der Legierung auf Al-Sn-Basis zugesetzt
werden, bilden sie Legierungen, bei denen der Nachteil, daß der Schmelzpunkt des
Zinns niedrig wird, nicht vermieden werden kann. Somit kommt es bei der bekannten
Legierung auf Al-Sn-Basis wahrscheinlich zum Schmelzen und zum Wandern des Zinns
bei niedrigen Temperaturen, wodurch das Wachstum von Zinnteilchen zu größeren und
gröberen Teilchen verursacht wird. Wenn eine solche Legierung als Lagerwerkstoff
benutzt wird, kommt es bei einem Betrieb unter ständiger starker Belastung zum teilweisen
Schmelzen und zum Abschaben. Erfindungsgemäß werden dagegen die Zinnteilchen durch
den Zusatz von Chrom fein gemacht und das Gefügebild wird bei hohen Temperaturen
in der Lager legierung nach der Erfindung beibehalten.
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Selbst wenn eines oder mehrere der oben genannten Elemente Blei, Wismut,
Indium, Thallium, Cadmium der Legierung zugesetzt werden, kann die Schmiereigenschaft
des Zinns verbessert werden, ohne daß die Nachteile des Standes der Technik auftreten.
Weiter kann die Lager legierung nach der Erfindung für ein Lager benutzt werden,
welches eine hohe Dauerfestigkeit haben muß, und ausserdem wird es möglich, die
Paßfähigkeit des Lagerwerkstoffes zu verbessern. Die Zusatzmenge von einem oder
mehreren der Elemente Blei, Wismut, Indium, Thallium, Cadmiumdie die obigen Effekte
hat, liegt, wie oben beschrieben, in dem Bereich von insgesamt mehr als null bis
9 Gew.%.
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Unter diesen Elementen sind Blei und Indium vorzuziehen, an die sich
Wismut und Cadmium und dann Thallium anschließen.
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Das hängt von der Tatsache ab, daß Blei und Indium unter Druck am
fließfähigsten sind, so daß die Gleiteigenschaften und die Paßfähigkeit gut werden.
Die nächsten Elemente, Wismut und Cadmium, sind im Vergleich zu Blei und Indium
etwas härter und haben höhere Schmelzpunkte. Das letzte Element, Thallium, hat ähnliche
Eigenschaften wie Blei und Indium, die Produktionsmenge vor Thallium ist jedoch
gering und es ist ein teueres Element. Ein oder mehrere der Elemente Blei, Wismut,
Thallium, Cadmium und Indium werden zusammen mit dem oben erwähnten Kupfer und/oder
Magnesium zugesetzt, wobei in diesem Fall das absinken der Hochtemperaturhärte verringert
und gleichzeitig
die Schmiereigenschaft des Zinns verbessert werden
kann.
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Die oben beschriebene Lagerlegierung auf Al-Sn-Basis wird hauptsächlich
für Gleitlager in Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren u.dgl. benutzt, wobei die Lagerlegierung
im allgemeinen auf Stahlblechunterlagen durch Preßschweißen aufgebracht und daran
anschließend zum Erhöhen der Haftfestigkeit geglüht wird.
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Bei den bekannten Legierungen auf Al-Sn-Basis kommt es jedoch zur
Verringerung der Härte, zum Schmelzen der Zinnteilchen usw., weil die Aluminiumkorngrenzen
und die Zinnteilchen in dem Legierungsgefüge wandern, was die Vergröberung der Zinnteilchen
zur Folge hat. Bei der Erfindung werden das Wandern der Aluminiumkorngrenzen und
das Wachstum von Aluminiumkristallteilchen wirksam vermieden, und zwar durch die
ausgeschiedene Substanz der intermetallischen Al-Cr-Verbindung, die in den Preßschweiß-
und Glühschritten erzeugt wird. Die Lagerlegierung nach der Erfindung ist deshalb
frei von den obigen nachteiligen Einflüssen des Glühens und infolgedessen kann die
Haftfestigkeit zwischen der Legierung auf Al-Sn-Basis und den Stahlblechunterlagen
durch Erhöhen der Glühtemperatur hoch gemacht werden. Da die obige Tatsache auf
den Fall angewandt werden kann, in welchem die Lagerlegierung nach der Erfindung
in Umstände versetzt wird, die der Temperatur des Glühens entsprechen, ist es ziemlich
bedeutsam, daß die Dauerfestigkeit durch das Verhindern der Erweichung verbessert
werden kann. Weiter wird auch die Verbesserung der VerschleiXfestigkeit beobachtet
und die Lagerlegierung ist besonders wirksam, wenn sie in Verbindung mit Wellen
aus Sphäroguß benutzt wird.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von mehreren Beispielen ausführlicher
beschrieben.
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Die folgende Tabelle A zeigt die Zusammensetzungen der Legierungen
(Proben) 1 bis 18 nach der Erfindung sowie von Vergleichslegierungen (Proben) 19
bis 21.
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Bei der Herstellung der Legierungen 1 bis 18 wurde Aluminiummaterial
in einem Gasofen geschmolzen und gemäß den Formeln von Tabelle A wurden Legierungen
auf der Basis Al-Cu, Al-Mg bzw. Al mit spezifizierten Zusätzen in das schmelzflüssige
Aluminium hinein aufgelöst. Anschließend daran wurden Sn und Pb, Bi und In, Tl und
Cd zugesetzt und es wurde eine Entgasung vorgenommen. Dann wurde das Metall in Formen
gegossen und anschließend wiederholt gewalzt und geglüht (350 OC), um Proben herzustellen.
Die Hochtemperaturhärten der Proben wurden dann gemessen. In dem nächsten Schritt
wurden diese Proben gewalzt und daran anschließend wurden die Legierungsproben auf
Stahlblechunterlagen durch Preßschweißen befestigt, um bimetallische Proben herzustellen.
Diese wurden dann geglüht und zu ebenen Lagern verarbeitet und ihre Dauerfestigkeit
unter dynamischen Belastungen wurde getestet. In gleicher Weise wie oben wurden
die Legierungen 19 - 21 für Vergleichstests hergestellt
und den
gleichen Tests unterworfen.
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Die Tabelle B zeigt die Ergebnisse der Messung der Vickershärten von
mehreren Legierungen bei einer gewöhnlichen Temperatur und bei 200 °C, die Ergebnisse
von Dauerfestigkeitstests unter dynamischen Belastungen und die Ergebnisse von Freßtests
mit Stahlwellen und Sphärogußwellen. Die obigen Dauerfestigkeitstests wurden ausgeführt,
indem jede Legierung mit 107-maliger Wiederholung unter den folgenden Bedingungen
belastet wurde und die Stärke der Belastungen, bei denen es zur Ermüdung kommt,
gemessen wurde, d.h. der Druck an der Dauerfestigkeitsgrenze durch diese Anzahl
von Wiederholungen.
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Testmaschine: Soda Dynamic Load Tester Gleitgeschwindigkeit: 400 -
470 m/min Schmieröl: SAE 10W30 Schmierung: Druck schmierung Öltemperatur: 140 +
5 OC öldruck: 0,5 MPa Material in Kontakt: Art: S 55 C Rauhigkeit: 1 pm Härte: HV
500 - 600 Lagergestalt: Durchm. x Breite: 52 x 20 mm halbgeteiltes Metall Rauhigkeit:
1 - 3
In den obigen Freßtests wurden die Belastungen beim Fressen
bei um 5 MPa (50 kg/cm²) zunehmenden Belastungen alle 20 min unter folgenden Bedingungen
gemessen. Das folgende Material (1) in Kontakt mit dem Lager wurde als Stahlwelle
benutzt und das Material (2) in Kontakt mit dem Lager wurde als Sphärogußwelle benutzt.
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Testmaschine: Ultrahochdruck-Freßtester Gleitgeschwindigkeit: 468
m/min Belastung: 5 MPa/20 min, stufenweiser Anstieg Schmieröl: SAE 10W30 Shmierung:
Druck schmierung bitemperatur: 140 + 5 OC Material (1) in Kontakt: Art: S 50 C Rauhigkeit:
0,3 - 0,8 pm Härte: HV 500 - 600 Material (2)in Berührung Art: Sphäroguß (DCI) Rauhigkeit:
0,3 - 0,8 pm Härte: HV 200 - 300 Lagergestalt: Durchm. x Breite: 52 x 20 mm halbgeteiltes
Metall Rauhigkeit: 1 - 3 pm Tabelle B zeigt, daß die Legierungen 1 - 18 nach der
Erfindung im Vergleich zu den Vergleichslegierungen 19 und 2 eine größere Härte
im Hochtemperaturbereich haben. Insbesondere angesichts der Tatsache, daß die Vergleichslegierung
20 bei gewöhnlicher Temperatur eine Härte hat, die höher ist als die von einigen
Legierungen nach der Erfindung, ist zu erkennen, daß die Geschwindigkeiten des Abfallens
der Härte im Hochtemperaturbereich in Verbindung mit den Legierungen nach der Erfindung
ziemlich niedrig sind.
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Weiter ergaben im Vergleich zu den Vergleichslegierungen 19 und 20
die Legierungen 1 - 18 nach der Erfindung relativ gute Ergebnisse hinsichtlich der
Dauerfestigkeiten. Weiter ergaben bei den Freßtests unter Verwendung von Sphärogußwellen
die Legierungen nach der Erfindung ausgezeichnete Ergebnisse. Weiter lieferte die
Vergleichslegierung 21 gute Ergebnisse hinsichtlich der Härte und der Dauerfestigkeit,
es ist jedoch zu erkennen, daß die Antifreßeigenschaft der Legierung ziemlich schlecht
ist.
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TABELLE A
| Legier. |
| Beisp.- Legierungsbestandteile (Gew.%) |
| Nr. Al Sn Cu Mg Pb Bi In Ti Cd Cr Mn Sb Ti Ni Fe Zr W Ce Nb
V Mo Ba Ca Co |
| 1 Re 3,0 0,1 1,1 6,0 |
| 2 " 4,0 0,5 5,0 3,0 |
| 3 " 5,0 0,3 6,0 1,5 |
| 4 " 6,5 0,7 2,0 8,0 |
| 5 " 4,0 0,5 4,0 1,1 0,2 |
| 6 " 5,0 0,2 0,5 3,0 5,0 |
| 7 " 6,0 0,5 1,0 0,5 2,0 2,0 0,5 0,5 |
| 8 " 3,0 0,2 0,2 7,0 0,5 0,5 1,0 4,0 3,0 |
| 9 " 5,0 0,5 2,0 3,0 1,5 1,0 |
| 10 " 5,0 0,5 3,0 2,0 0,5 |
| 11 " 5,0 0,6 4,0 3,0 0,1 2,0 |
| 12 " 4,0 0,2 4,0 4,0 1,0 |
| 13 " 3,0 0,1 3,0 1,5 1,0 2,0 |
| 14 " 5,0 0,5 3,0 2,0 2,0 1,0 |
| 15 " 5,0 0,5 4,0 1,5 3,0 1,0 |
| 16 " 5,0 0,3 3,0 1,0 2,0 1,0 1,0 |
| 17 " 5,0 0,3 1,0 2,0 1,0 2,0 0,1 |
| 18 " 6,5 0,5 2,0 4,0 |
| 19 " 6,0 |
| 20 " 5,0 2,0 |
| 21 " 5,0 2,5 1,3 2,0 08 |
Anm.: Re=Rest
T a b el l e B
| I b. Fress |
| Legier. . Härte 1mt) Dauer- (MPa) |
| Beisp.- gewöhnl. 200°C festigkeit 5 a - |
| Nr. Temperatur (MPa) t welle D C 1 |
| /O 1 |
| 2 4-5 0 |
| 3 45 ?-0 ~ |
| 2 52 Co 60 .6c |
| 5 < 1 |
| 6 + } 20 480 t E |
| 55 55 LT; 0 |
| 8 8 473 0 |
| 48 21 1 4&0 60 o |
| 9 lo coo& Oa |
| w w e |
| 1 & 0 |
| 12 4? m 4S 70 So20 0 |
| 13 36 l S ° |
| 14 20 |
| 15 X >1 < 80 |
| 16 3 |
| i7 48 -;jCn 'lo 0 |
| 18 42 20 Q0 Do vo |
| 9 2S 1 2 zu Co |
| 20 20 1 65 Qgo 65 10 |
| 21 c;n 2 zoom 0 |
In Fig. 1 sind die Ergebnisse von Reibungstests angegeben, bei
denen die Legierungen 2, 5 und 7 nach der Erfindung und die Vergleichslegierungen
19 und 20 verglichen und Stahlwellen (Material (1) in Kontakt) benutzt wurden. In
Fig. 2 sind die Ergebnisse von anderen Reibungstests gezeigt, in denen die Legierungen
dieselben wie in Fig. 1 sind und Wellen aus Sphäroguß (Oberflächenrauhigkeit: 1
pm, Härte HV 200-300) unter denselben Testbedingungen benutzt wurden.Aus den Fig.
1 und 2 ist zu erkennen, daß die Verschleißverluste der Legierungen 2, 5 und 7 nach
der Erfindung im Vergleich zu denen der Vergleichslegierungen 19 und 20 ziemlich
gering sind. Weiter zeigen die Fig. 1 und 2, daß die Auswirkung der Verbesserung
der Verschleiß--estigkeit, wenn Sphäroguß als Material in Kontakt benutzt wird,
im Vergleich zu dem Fall der Stahlwelle ziemlich klar ist.
-
Es sei angemerkt, daß in der Zusammensetzung der Legierung nach der
Erfindung das Aluminium (Al) selbstverständlich eine Spurenmenge an Verunreinigungen
enthalten kann, die durch die gewöhnliche Verfeinerungstechnik nicht beseitigt werden
können.
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Zusammenfassung: Die Erfindung betrifft eine Lagerlegierung auf Aluminium-Zinn(Al-Sn)-Basis
sowie Lagerwerkstoffe, die durch Aufbringen der Legierungen auf eine Stahlblechunterlage
durch Preßschweißen hergestellt werden. Die Lagerlegnerung auf Al-Sn-Basis enthält
3 bis 7 Gew.% Sn; übex bis 10 Gew.% insgesamt von zwei oder mehr als zwei der spezifizierten
Zusätze Cr, Si, Mn, Sb, Ti, Zr, Ni, Fe, W, Ce, Nb, V, Mo, Ba, Ca und Co, wobei über
1 bis 10 Gew.% Cr enthalten sind; 0,1 bis unter 0,8 Gew.% Cu und/oder Mg; Rest Aluminium.
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Die Legierung kann weiter 9 Gew.% insgesamt von einem oder mehreren
der Elemente Pb, Bi, Tl, Cd und In enthalten, wodurch die Lagereigenschaften verbessert
werden. In einer Legierung nach der Erfindung können die Vergröberung von Zinnteilchen
und das Absinken der Härte unter Hochtemperaturbedingungen relativ gering gehalten
werden, so daß die Verschleißfestigkeit und die Dauerfestigkeit der Legierung verbessert
werden. Lagerlegierungen nach der Erfindung können für Lager von Verbrennungsmotoren
benutzt werden, in denen im allgemeinen Sphäroguß für die Kurbelwellen benutzt wird.
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L e e r s e i t e