DE3121468C2

DE3121468C2 - Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Gleitmaterials

Info

Publication number: DE3121468C2
Application number: DE3121468A
Authority: DE
Inventors: Sanae Nagoya Mori
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 1980-07-14
Filing date: 1981-05-29
Publication date: 1985-07-18
Also published as: GB2080336A; DE3121468A1; JPS5739105A; GB2080336B; JPS5853044B2; US4365995A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stahlstreifen bzw. ein Stahlband, auf dem Pulver, welches Aluminium als Hauptbestandteil enthält, verteilt ist. Der Stahlstreifen wird auf eine Temperatur im Bereich von unter 15 ° C unter Zimmertemperatur abgekühlt. Das gekühlte Material wird sofort kaltgewalzt und dann gesintert, wodurch man ein mehrschichtiges Gleitmaterial erhält. Durch Abkühlen des Stahlstreifens und des darauf verteilten Pulvers auf eine Temperatur unter 15 ° C unter Zimmertemperatur kann ein Festfressen zwischen dem Pulver und den Walzen des Walzwerks vermieden werden.

Description

Die Erfindung betriff», ein Ve^hren zur Herstellung eines mehrschichtigen Gleitwerkstoffes.
Die Anmelderin hat Untersuchungen betreffend mehrschichtiger Gleitwerkstoffe durchgeführt und Vcrfahren entwickelt, die in den US-PS i\ 21 928 und 41 89 522 sowie der JA-AS 2441/30 beschrieben werden. Die in diesen Druckschriften beschriebenen Verfahren betreffen einmal ein Verfahren, bei dem ein Pulver auf ein Stahlband aufgebracht, gewalzt und dann gesintert wird, zum anderen ein Verfahren, bei dem der mehrschichtige Gleitwerkstoff aus dem erstgenannten Verfahren so oft. wie erforderlich, einer Walz- und Wärmebehandlung unterworfen wird.

Das dabei verwendete Pulver enthält Aluminium als Hauptbestandteil und mindestens ein metallisches Schmiermittel mit niedrigem Schmelzpunkt, wie Pb, Sn etc, und/oder ein Schmiermittel, wie Metallsulfid, Metalloxid, Metallfluorid etc, wobei deren Anteil 2 bis 40 Gew.-% beträgt. Anstelle des Aluminiumpulvers kann gegebenenfalls ein Aluminium-Legierungspulver mit Legierungspartnern aus der Gruppe Cu, Ni, Si, Mg und Zn mit einem Anteil von 0,1 bis 15 Gew.-% insgesamt eingesetzt werden.

Die bekannten Verfahren zur Herstellung mehrschichtiger Gleitwerkstoffe besitzen den Nachteil, daß sich die Oberfläche der Gleitschicht an der Oberfläche der Walzen des Walzwerks festfrißt.

Verlängert man die für die Herstellung erforderliche Zeit, so verursacht die Reibung zwischen den Walzen des Walzwerks und dem mehrschichtigen Gleitwerkstoff und die Wärme, die in dem Material bedingt durch plastische Deformation erzeugt wird, daß sich die Temperatur der Walzen eihöht, und diese Tcmperalursteiso gung ist für das Festfressen verantwortlich, welches die Fortführung der Produktion unmöglich macht.

Die zuvor erwähnte Erhöhung in der Temperatur bei der Walzstufe hat dazu geführt, daß die in dem Pulver

vorhandenen Zusatzstoffe, insbesondere die metallischen Schmiermittel mit niedrigem Schmelzpunkt, in dünner Garnform expandieren. Es wurde festgestellt, daß ein mehrschichtiger Gleitwerkstoff, in dem die garnariigen Zusatzstoffe einheitlich verteilt sind, schlechte Abnutzungseigenschaften aufweist, und daß ein laminares Abschälen längs der Phase aus Schmiermittelzusatzstoff mit niedrigem Schmelzpunkt stattfindet.

In der DE-AS 12 03 097 wird ein Verfahren zum Walzen von stückigem Aluminium zu dichten und festen Werkstücken beschrieben, bei dem bei niedriger Temperatur gewalzt wird und überraschenderweise kein Kleben des entstehenden Werkstückes stattfindet. Die Herstellung von Verbundgleitmaterialien wird in dieser Literaturstellc jedoch nicht beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Gleitwcrkstoffs zur Verfugung zu stellen, bei dem die zuvor erwähnten Nachteile des Standes der Technik nicht auftreten.

Erfindungsgemäß soll ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Glcitwerkstoffcs zur Verfugung gestellt werden, bei dem das Pulver und alles, was mit dem Pulver beim Kaltwalzen in Berührung kommt, unmittelbar vor dem Wal/cn auf Raumtemperatur bis 15°C darunter gekühlt werden. Dadurch wird ein Kleben b^r> der Oberfläche der Lcgierungsschieht des mehrschichtigen Gleilwerkstoffes auf der WalzcnobcrflSche des Wal/.geriistes vermieden.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Gleitwerkstoff«

durch Reinigen und/oder Aufrauhen der Oberflächen eines Stahlbandes oder eines mit Nickel plattierten

__ Stahlbandes,

H Abscheiden eines Pulvers für eine erste Schicht, welche Aluminium allein oder eine Aluminiumlegierung.

p Schmiermittel und metallische Schmiermittel mit niedrigem Schmelzpunkt enthält, auf der Oberfläche des

1§ Stahlbandes und Verteilen einer zweiten Schicht, die Aluminium als Hauptbestandteil und mindestens ein

& Schmiermittel enthält, auf dem Pulver der ersten Schicht, Kaltwalzen des doppelt beschichteten Stahlban- s

l>! des und

f-. Sintern des kaltgewalzten Verbundwerkstoffs bei einer Temperatur im Bereich von 280 bis 520"C

^ das dadurch gekennzeichnet ist, daß das beschichtete Stahlband, die Walzen des Walzgerüsies und die WaIz-

ψ emulsion vor jedem Kaltwalzen auf eine Temperatur im Bereich von Raumtemperatur und 15¹³C darunter

ν gekühlt werden. ίο

Ϋ- Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Gleitwerkstof-

Lc fes durch

*^l Reinigen und/oder Aufrauhen der Oberflächen eines Stahlbandes oder eines mit Nickel plattierten Stahlbandes,

\' Abscheiden eines Pulvers für eine erste Schicht, welche Aluminium oder eine Aluminiumlegierung,

f Schmiermittel und metallische Schmiermittel mit niedrigem Schmelzpunkt enthält, auf der Oberfläche des

~_r Stahlbandes und Verteilen einer zweiten Schicht, die Aluminium als Hauptbestandteil und mindestens ein

ί Schmiermittel enthält, auf dem Pulver der ersten Schicht und darauf Verteilen eines Pulvers für eine dritte

Schicht, welche Aluminium als Hauptbestandteil und mindestens ein Schmiermittel enthält, wobei die '-', Menge an Schmiermittel in der dritten Schicht größer als die in dei zweiten Schicht ist,

— Kaltwalzen des dreifach beschichteten Stahlbandes und

i'_t Sintern des kaltgewalzten Verbundwerkstoffs bei einer Temperatur im Bereich von 280 bis 520^cC,

f ι das dadurch gekennzeichnet ist, daß das beschichtete Stahlband, die Walzen des Walzgerüstes und die WaIz-

; emulsion vor jedem Kaltwalzen auf eine Temperatur im Bereich zwischen Raumtemperatur und 15° C darunter

gekühlt werden.

-' Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des J₁; mehrschichtigen Gleitwerkstoffes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

*.\ (-'ig. 2 eine schematische Ansicht des Gefüges des mehrschichtigen Gleitwerkstoffes, der gemäß einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform hergestellt worden ist;

F i g. 3 eine optische Mikrofotografie (lOOfach) eines Längsschnittes des erfindungsgemäß hergestellten mehrschichtigen Gleitwerkstoffes und

Fig.4 und 5 optische Mikrofotografien (lOOfach) eines Längsschnittes eines mehrschichtigen Gleitwerkstoffes, welcher gemäß dem Stand der Technik hergestellt wurde.

In F i g. 1 ist eine Abwickelmaschine (Rohstoffzufuhr) A dargestellt. Auf diese ist ein Stahlband 1 aufgewickelt, }■> das normalerweise aus kohlenstoffarmem Stahl (JIS G3141 SPCE) hergestellt ist und das auf seiner Oberfläche mit Ni, Cu etc. plattier^sein kann. Bei dem Ablaufen von der Abwickelmaschine A wird das Stahlband 1 durch einen Entfettungstank 2 geleitet, wo es mit Trichlorfluoräthylengas behandelt wird. Das Stahlband t wird dann zu einer Drahtbürste 3 geleitet, die die Oberfläche des Stahlbandes 1 aufrauht.

Nach di.r zuvor beschriebenen Vorbehandlung wird auf das Stahlband 1 ein Pulver 4 für die erste Schicht aufgetragen, die eine Grenz- oder Verbindungsschicht bildet (vgl. Tabelle 1). Die Auftragung erfolgt aus der ersten Auftragevorrichtung 5. Das Pulvere für die zweite Schicht, ein Legierungspulver (vgl. Tabelle 1), wird aus einer /weiten Auftragungsvorrichtung 7 auf der ersten Schicht verteilt. Die Menge an Pulver, die auf dem Stahlband aufgetragen wird, kann auf geeignete Weise ausgewählt werden, abhängig von der Verwendung des mehrschichtigen Glcitwcrkstoffes. Bevorzug! ist die erste Schicht des mehrschichtigen Gleitwcrksiuffes 0,0! bis ^ 0.25 mm-jnd die zweite Schicht 0,15 bis 1,5 mm dick.

D'inach wird das beschichtete Stahlband 1 in eine Kühlvorrichtung 8 geleitet, wo es auf eine Temperatur im Ik-reii-li von Raumtemperatur und i5°C darunter abgekühlt wird. Es gibt hinsichtlich dieser K ühlung verschiedene Varianten:

Die Kühlung kann beispielsweise mit einem Gebläse oder unter Druckanwendung erfolgen. ■->(>

Nach dem Abkühlen wird das beschichtete Stahlband 1 in einem Walzgerüst 9 so gewalzt, daß die mittlere Dichte der Pulverschichten auf über 90% der theoretischen Dichte eingestellt und die beiden Schichten miteinander und mit dem Stahlband 1 verbunden werden.

Zu diesem Zeitpunkt besitzt die Oberfläche der zweiten Schicht 2 (Legierungsschicht) eine Metallfarbe. Das beschichtete und gewalzte Band wird durch den Sinterofen 10 geleitet, wo ein Sintern in einem Temperaturereich zwischen 280 und 520⁰C durchgeführt wird. Das Sintern erfolgt normalerweise bei atmosphärischen Bedingungen, kann jedoch auch in inerter oder reduzierender Atmosphäre durchgeführt werden. Die optimale Siniertcmperatur kann, abhängig von der Zusammensetzung des Pulvermaterials und der Zeit, während der das Sintern erfolgt, variieren. Im allgemeinen gilt: )e kürzer die Zeit ist, während Jer das Sintern durchgeführt wird, um so höher muß die Sintertemperatur sein. Wenn jedoch die Temperatur 520⁰C überschreitet, können das «) Stahlband 1 und die Schicht auf dem Stahlband unter Bildung spröder, intermetallischer Verbindungen reagio ren. Nach verschiedenen Versuchen und Berechnungen wurde sichergestellt, daß bei einer Sintcrdaucr zwischen JO und 40 Minuten die Temperatur zwischen 470 und 500°C liegen sollte. Wenn die Sinterdauer weiter verkürzt werden soll, können andere geeignete Heizvorrichtungen, wie eine Hochfrequenz-Hcizvorrichuing. verwendet werden. Die folgenden Stufen werden in Abhängigkeit von der beabsichtigen Verwendung des Produktes h^r, ausgewählt.

Nach derSinterstufo wird das Hand I durch eine Kü'nl/.onc Π und dann durch eine Kühlvorrichtung 11 geleitti. wenn das Band in der Kühl/.one B nicht ausreichend auf unter Raumtemperatur gekühlt worden ist. !').;.

gekühlte Band wird in einem zweiten Walzgerüst 12 gewalzt, um die vorbestimmten Dimensionen zu erhalten.

Das dreischichtige Lagermaterial 13. das wie oben beschrieben hergestellt wurde, wird auf eine Wickelmaschine C aufgewickelt und durch einen Anlaßofen 14 geleitet, wo es bei einer Temperatur im Bereich von 280 bis 52O°C angelassen wird. Die optimale Anlaßtemperatur ist eine Funktion der Zusammensetzung des Pulvers und der Anlaßdaucr. Bevorzugt betragen die Anlaßtemperatur und -dauer 370 bis 440' C bzw. 4 bis 7 Stunden.

Der Anlaßofen 14 kann durch einen kontinuierlichen Anlaßofen ersetzt werden (nicht dargestellt).

Die Maßnahmen, die besonders bei den oben beschriebenen Verfahrensstufen beachtet werden müssen, sind im folgenden aufgeführt.

Fiin Kühlen ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vor jedem Walzen unbedingt erforderlich. Das Kühlen kann auf vielerlei Wegen durchgeführt werden. Das verwendete Kühlsystem kann eine Kühlung durch eine Gefriervorrichtung, ein Airjetsystem, ein Wassermantclsysu-m. das auf dem Kühlen mit einer Kühl vorrichtung bzw. einem Kühlturm beruht, ein Kühlen durch Kontakt mit Metall und ein Kühlen unter Verwendung von Trockeneis umfassen. Die erforderlichen kühleinrichiungcn können in Abhängigkeit von der Tempi.· ratur des Stahlbandes I vor dem Kühlen und der Geschwindigkeit der kontinuierlichen Beschickung mil dem is Band 1 variieren. Insbesondere sollte man beim Kühlen mittels der Kühlvorrichtung 8 darauf achten, daß keine Vibration des Pulvers auf dem Band 1 stattfindet, da eine ausreichende Verdichtung des Pulvers noch nicht erreicht wurde.

Wenn das Stahlband 1 unterkühlt wird, kann der feuchtigkeitsgehalt der Atmosphäre eine Bildung von "Tau suf dorn Stnhlbsnd I bewirken und däb«i Rö"i!£" die Piilverschichien r^uChteiii" bec!r,f!"S! werde". Es ii»! c!»hcr zu vermeiden, daß die Temperatur des Stahlbandes 1 auf eine Temperatur von weniger als 15^rC unter Raumtemperatur erniedrigt wird.

Es wurde gefunden, daß die Bedingungen, bei denen ein Kleben des Pulvers auf den Walzen auftritt, vom primären Walzen (mittels des Walzwerks 9) zum sekundären Walzen (mittels des Walzwerks 12) variieren. Bei dem primären Walzen wird im allgemeinen ein Walzschmieröl verwendet. Eine der auftretenden Schwicrigkci-2s ten ist die Kontrolle der Menge an zugeführiem Schmieröl. Wenn die Zufuhr an Schmieröl zu groß ist. dringt das öl in das Pulver ein. Wenn sie zu gering ist. tritt ein Kleben auf. Es ist daher wesentlich, die Zufuhr an Schmieröl genau zu kontrollieren.

In Tabelle 2 ist die Beziehung zwischen der Temperatur des Materials vor dem primären Walzen und dem Grad des Klcbens, das auftreten kann, dargestellt. Bei Raumtemperatur von 22 bis 2 !"('soll die Temperatur des ίο Materials vordem primären Walzen bevorzugt zwischen 18 und 22"C liegen.

Die Temperatur des Materials, das in dem primären Walzwerk 9 gewalzt wird, kann variieren.

Das Material zeigt im allgemeinen einen Temperaturanstieg von J bis 25 C von dem Wen vor dem Kaltwalzen.

Würde Schmieröl bei dem sekundären Walzen (mittels eines Walzwerks 12) verwendet, könnte es in die Poren des gesinterten Bandes eindringen und so für das sekundäre Walzen keine Wirkung haben. Daher wird kein Schmieröl, sondern ein festes Schmiermittel, wie Graphitpulver, eingesetzt.

In Tabelle 3 ist die Beziehung zwischen der Temperatur des Materials vor dem sekundären Walzen und dem Grad des Klebens dargestellt. Bei Raumtemperatur im Bereich von 19 bis 20°C liegt die Temperatur des Materials vor dem sekundären Walzen bevorzugt zwischen 8 und 20°C.

Das gesinterte und gekühlte Band zeigt im allgemeinen einen Temperaturanstieg von 11 bis 36" C während des sekundären Walzens.

Fig. 2 ist ein Modell des Gefüges eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten mehrschichtigen Gleitwerkstoffcs mit zwei Legierungsschichten 61 und 62. Die Zusammensetzungen der Schichten 61 und 62 sind in der Tabelle I aufgeführt; Lcgierungsschichioi enthält 10% Pb und als Rest Al. und die i.cgierungsschicht 62 enthält 30% Pb und als Rest Al. Aus den Fig. 2 und 3 ist erkennbar, daß clic Phase aus metallischem Schmiermittel mit niedrigem Schmelzpunkt nicht in feiner Garnform, sondern in Form von kleinen Körnern mit vielen Seiten vorliegt.

Fi g. J ist eine Mikrofotografie (lOOfach) des mehrschichtigen, erfindungsgemäß hergestellten Gleilwerkstof fesmit einer Grenzschicht 41 und einer Lcgicrungsschichtei.

Die Fig.4 und 5 sind Mikrofotografien (lOOfach) des mehrschichtigen Gleitwerkstoffcs. bei dem zwischen dem Band und den Walzen der Walzgerüste 9 und 12 ein Kleben stattgefunden hat. Es ist erkennbar, daß Jie Phase aus metallischem Schmiermittel mit niedrigem Schmelzpunkt in Form von feinem Garn vorliegt und dall auf der Oberfläche der Legierungsschicht 61 Unregelmäßigkeiten auftreten. Die Zusammensetzungen der Schichten des in den F i g. 3 bis 5 dargestellten mehrschichtigen Gleitwerkstoffes sind in Tabelle 4 aufgeführt. Aus dem Vorhergehenden folgt, daß man erfindungsgemäß gegenüber dem Stand der Technik die im folgenden zusammengefaßten Vorteile erhält:

1. Ein Kleben des Bandes wird bei jedem Kaltwalzen wirksam vermieden.

2. Die zusätzliche Kühlung beim Kaltwalzen ergibt eine minimale Verformung der Teilchen des Metallb0 Schmiermittels, wie Pb, Sn usw.. wodurch Körner mit polygonaler scharfer Gestalt erhalten werden. Die Lagcrlegierung besitzt folglich eine verbesserte Ermüdungsfestigkeit.

3. Durch die verbesserte Ermüdungsfestigkeit kann die Menge an metallischem Schmiermittel erhöht werden, wodurch der Einsatz bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten möglich ist.

Tabelle

Bestandteile (Gew.-%) Pb Sn Cu

Pulver für die erste Schicht (Grenzschicht) (4,41)	13,02	0,98	0.60	2.90	Rest
Pulver für die /weite Schicht		0,56	2.70	Rest

(l.cgierungsschicht)(6,61)

Bemerkung:

Die Zahlen in Klammern geben die in der Beschreibung verwendeten Bezugs/eichen an.

Tabelle

Tcmp.des Materials Ergebnisse

vordem primären Walzen (⁰C)

38-44 24-26

18-22 b-7

keine Stabilität des Schmiermittelölfilms auf den Walzenoberflächen

geringe Instabilität des Schmierölfilms auf den Walzenoberflächen

stabiler Sehmiermittelölfilm auf den Walyenoberflächen Taubildung auf dem Material und KiQbildung auf den Endteilen

Bemerkung:

Raumtemperatur(RT) - 22 bis 23'C.

Tabelle

Tcmp.dcs Materials vor dem sekundären Walzen ("C)

Ergebnisse

28-38 18-20 12-13

es tritt Kleben auf

vermindertes Kleben

kein Kleben

kein Kleben: die Walzen bleiben glänzend

kein Kleben;Taubildungaufdem Band

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspräche:

1. Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Gleitwerkstoffes

durch Reinigen und/oder Aufrauhen der Oberflächen eines Stahlbandes oder eines mit Nickel plattierten Stahlbandes,

Abscheiden eines Pulvers für eine erste Schicht, welche Aluminium allein oder eine Aluminiumlegierung, Schmiermittel und metallische Schmiermittel mit niedrigem Schmelzpunkt enthält, auf der Oberfläche des Stahlbandes und Verteilen einer zweiten Schicht, die Aluminium als Hauptbestandteil und mindestens ein Schmiermittel enthält, auf dem Pulver der ersten Schicht, Kaltwalzen des doppelt beschhhteten Stahlbandes und

Sintern des kaltgewalzten Verbundwerkstoffs bei einer Temperatur im Bereich von 280 bis 520° C,
dadurch gekennzeichnet, daß das beschichtete Stahlband, die Walzen des Walzgerüstes und die Walzemulsion vor jedem Kaltwalzen auf eine Temperatur im Bereich von Raumtemperatur und 15° C darunter gekühlt werden.

2. Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Gleitwerkstoffes durch

Reinigen und/oder Aufrauhen der Oberflächen eines Stahlbandes oder eines mit Nickel plattierten Stahlbandes,

Abscheiden eines Pulvers für eine erste Schicht, welche Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, Schmiermittel und metallische Schmiermittel mit niedrigem Schmelzpunkt enthält, auf der Oberfläche des iuhlbandes und Verteilen einer zweiten Schicht, die Aluminium als Hauptbestandteil und mindestens, ein Schmiermittel enthält, auf dem Pulver der ersten Schicht und darauf Verteilen eines Pulvers für eine dritte Schicht, welche Aluminium ais Hauptbestandteil und mindestens ein Schmiermittel enthält, wobei die Menge an Schmiermittel in der dritten Schicht größer als die in der zweiten Schicht ist.
Kaltwalzen des dreifach beschichteten Stahlbandes und
Sintern des kaltgewalzten Verbundwerkstoffs bei einer Temperatur im Bereich von 280 bis 520° C,

dadurch gekennzeichnet, daß das beschichtete Stahlband, die Walzen des Walzgerüstes und die Walzemulsion vor jedem Kaltwalzen -auf eine Temperatur im Bereich zwischen Raintemperatur und lä°C darunter gekühlt werden.