DE3519452C2

DE3519452C2 - Schichtwerkstoff für Gleitlagerelemente mit Antifriktionsschicht aus einem Lagerwerkstoff auf Aluminiumbasis

Info

Publication number: DE3519452C2
Application number: DE3519452A
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl.-Chem. Dr. 6365 Rosbach Hodes; Michael Dipl.-Ing. 6501 Ober-Olm Steeg
Original assignee: Glyco Metall Werke Daelen und Loos GmbH
Current assignee: Federal Mogul Wiesbaden GmbH
Priority date: 1985-05-31
Filing date: 1985-05-31
Publication date: 1987-04-02
Also published as: GB2175920A; DE3519452A1; ES8900234A1; FR2582759A1; GB2175920B; ES555551A0; BR8602489A; GB8610219D0; FR2582759B1

Abstract

Bei einem Schichtwerkstoff für Gleitlagerelemente ist auf einer metallischen Stützschicht eine Antifriktionsschicht aus einer nahezu homogenen Aluminiumlegierung aus 1 bis 3 Gew.-% Nickel, 0,5 bis 2,5 Gew.-% Mangan, 0 bis 2 Gew.-% Blei und Rest Aluminium gebildet. In dieser Antifriktionsschicht vorhandene Hartteilchen weisen im wesentlichen Teilchengröße &lE; 5 μm auf. Größere Hartteilchen sind nur in geringer Anzahl, nämlich weniger als 5 in einem Volumenelement eines Würfels von 0,1 mm Kantenlänge vorhanden. Die Aluminiumlegierung kann gegossen und als Blech auf die Stützschicht walzplattiert werden. Die den Lagerwerkstoff bildende Aluminiumlegierung kann auch durch Kathodenzerstäubung oder Vakuumbedampfen aufgebracht werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schichtwerkstoff für Gleitlagerelemente, z. B. Radial- bzw. Axial-Gleitlager, der aus einer metallischen Stützschicht und einer auf der Stützschicht angebrachten Antifriktionsschicht aus Lagerwerkstoff auf Aluminiumbasis besteht und ggf. mit einer aufgebrachten Bindungsschicht und Anpassungsschicht versehen ist.
Aluminium-Legierungen werden in weitem Umfang in Pleuel- und Kurbelwellen-Gleitlagern von Verbrennungskraftmaschinen seit Jahrzehnten erfolgreich benutzt.
In Verbrennungskraftmaschinen zu benutzende Gleitlagerwerkstoffe müssen hohen spezifischen Belastungen und hohen Temperaturen standhalten. Deshalb wurde in den letzten Jahren viel Mühe darauf verwendet, Gleitlagerlegierungen auf Aluminiumbasis mit hoher Beständigkeit gegen Festfressen, hoher Dauerfestigkeit und Verschleißfestigkeit bereitzustellen.
Aus US-PS 42 96 183 ist eine Aluminium-Zinn-Legierung bekannt, die im wesentlichen aus 3,5 bis 25 Gew.-% Zinn, 0,1 bis 1,0 Gew.-% Chrom, 0,5 bis 9 Gew.-% insgesamt von einem oder mehreren der Metalle Blei, Wismut, Indium und Cadmium sowie dem Rest Aluminium besteht. Aluminium- Zinn-Legierungen mit Zinngehalt oberhalb 3,5 Gew.-% sind jedoch Dispersionslegierungen, bei der das Zinn in mehr oder weniger feinen Teilchen in der Aluminiumbasis verteilt ist. Durch diese Aluminium-Zinn-Dispersion ist die Fähigkeit solcher Lagerwerkstoffe, hohen Betriebstemperaturen zu widerstehen, erheblich eingeschränkt. Andererseits ist die Einbettfähigkeit für Fremdstoffe bei geringem Zinngehalt vermindert, weil mit Hartteilchen zu rechnen ist, deren Entstehen auf die Bildung von harten intermetallischen Verbindungen und die Bildung von harten Mischkristallen der Legierungsbestandteile zurückzuführen ist.
IN PCT/JP 82 00 411, deutsche Veröffentlichung DE 32 49 133 T1 sind Lager aus einer Legierung auf Aluminium-Basis beschrieben, wobei in umfangreichen, ausführlichen Erläuterungen von der theoretischen Annahme ausgegangen wird, daß in einer solchen Legierung auf Aluminiumbasis Hartteilchen vorhanden sein sollen, die relativ groß sein müssen, damit die Gleitlagerlegierung gute Eigenschaften, insbesondere im Bezug auf Anpassungsfähigkeit und Widerstand gegen Festfressen erhält. In DE 32 49 133 T1 werden insbesondere Lagerlegierungen auf Aluminiumbasis als Mehrkomponentensystem beschrieben, in welchem neben den vorhandenen Hartteilchen auch niedrigschmelzende bzw. weiche Teilchen vorhanden sein sollen. Insgesamt handelt es sich bei den aus DE 32 49 133 T1 bekannten Lagerlegierungen um komplexe Systeme, deren Herstellung bereits kompliziert ist. Die Verarbeitung dieser Lagerlegierungen für die Herstellung von Schichtwerkstoff bzw. Gleitlagerelementen erfordert besondere Vorsicht, um Veränderungen im Mehrkomponenten- System zu vermeiden. Während des Betriebes solcher Gleitlagerelemente, insbesondere unter erhöhter Temperatur und hoher Belastung, wie sie in Verbrennungskraftmaschinen auftreten, lassen sich nachteilige Veränderungen in dem Mehrkomponenten-System dieser bekannten Lagerlegierungen auf Aluminiumbasis nicht mit der erforderlichen Sicherheit ausschließen.
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen Schichtwerkstoff für ein Gleitlagerelement mit einer Antifriktionsschicht aus Lagerlegierung auf Aluminiumbasis mit hervorragenden Lagerwerkstoffeigenschaften zu schaffen, bei dem die Herstellung des Schichtwerkstoffes bzw. das Gleitlagerelement unter günstigen wirtschaftlichen Bedingungen unter reproduzierbarer Sicherstellung der gewünschten Lagerwerkstoffeigenschaften gewährleistet ist und die gewünschten Lagerwerkstoffeigenschaften auch unter erschwerten Betriebsbedingungen erhalten bleiben.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Wie sich überraschenderweise in Verbindung mit der Erfindung herausgestellt hat, ist grundsätzlich für die Antifriktionsschicht aus Lagerlegierung auf Aluminiumbasis nur eine Kombination der Elemente Nickel und Mangan in kleinen Mengen mit dem Aluminium vorzusehen, um die gestellten Forderungen in bezug auf Dauerfestigkeit, Anpassungsfähigkeit und insbesondere Temperaturbeständigkeit der Antifriktionsschicht voll zu erfüllen. Der erfindungsgemäße Schichtwerkstoff läßt sich in wirtschaftlich günstiger Weise mit voller Reproduzierbarkeit der Lagerwerkstoffeigenschaften der Antifriktionsschicht herstellen und behält diese Lagerwerkstoffeigenschaften auch im Betrieb unter erhöhter Temperatur und der an Gleitlagerelementen in Verbrennungskraftmaschinen auftretenden dynamischen Belastung. Dabei genügen bereits die Zusätze von Mangan und Nickel an den angegebenen unteren Grenzen, um die gewünschten Lagerwerkstoffeigenschaften zu erreichen. Höhere Mangangehalte und Nickelgehalte als die oben angegebenen oberen Grenzen ergeben Ausscheidungen größerer Hartstoffteilchen, die sich im Gegensatz zu den Ausführungen in DE 32 49 133 T1 bei in Verbindung mit der Erfindung durchgeführten Verschleißversuchen als nachteilig herausgestellt haben.
Bevorzugt können für den die Antifriktionsschicht bildenden Lagerwerkstoff auf Aluminium-Basis Zusätze von etwa 1,5 bis 2,5 Gew.-% Nickel und 1 bis 1,5 Gew.-% Mangan vorgesehen werden. Geringe Bleizusätze können zugegeben werden, um bessere Zerspannbarkeit bei Anwendung niedriger Schnittgeschwindigkeiten für die Oberflächenbearbeitung zu erreichen.
Sofern beim erfindungsgemäßen Schichtwerkstoff der die Antifriktionsschicht bildende Lagerwerkstoff nicht vollständig homogen ist, kann er im Rahmen der Erfindung derart eingestellt werden, daß die in ihm vorhandenen Hartteilchen aus Nickel und Mangan oder nickelhaltigen und manganhaltigen Hartteilchen im wesentlichen Teilchengrößen ≤5 µm aufweisen, wobei weniger als 5, bevorzugt höchstens 1 Teilchen mit Teilchengröße ≤5 µm in einem Volumenelement eines Würfels von 0,1 mm Kantenlänge vorhanden sein soll.
Für den erfindungsgemäßen Schichtwerkstoff kann die Lagerlegierung auf Aluminium-Basis durch Schmelzen von bevorzugt Reinaluminium 99,0 oder besser und den Zusätzen der gewünschten Mengen an Nickel, Mangan und ggf. Blei nach herkömmlichen Schmelzverfahren hergestellt werden. Die geschmolzene Legierung kann gegossen und dann allseitig geschält bzw. gefräst werden. Auch ein Stranggießen oder Strangpressen der Legierung ist möglich. Anschließend läßt sich aus der Legierung in bekannter Arbeitsweise nach (wenn nötig) wiederholtem Walzen und Glühen ein Blech der gewünschten Dicke herstellen. Dieses Blech läßt sich nach vorheriger Behandlung ohne Zwischenschicht auf ein vorbereitetes Stahlblech walzplattieren. Der Stützwerkstoff kann dabei sowohl als Streifen oder auch als Band vorliegen. In einem solchen Herstellungsgang läßt sich Schichtwerkstoff herstellen, bei dem die Antifriktionsschicht aus dem Lagerwerkstoff auf Aluminium- Basis Schichtdicke zwischen 0,1 mm und 1 mm aufweist, vorzugsweise 0,2 mm bis 0,5 mm.
Der erfindungsgemäße Schichtwerkstoff läßt sich auch in hervorragender Weise in Beschichtungsmethoden durch Kathodenzerstäuben oder Vakuumbedampfen herstellen, wobei Schichtdicken für die Antifriktionsschicht von maximal 0,05 mm vorzusehen sind. Für erfindungsgemäßen Schichtwerkstoff mit in solchen Beschichtungsmethoden hergestellter Antifriktionsschicht empfiehlt es sich, einen Stützwerkstoff vorzusehen, der selbst Schichtwerkstoff ist, z. B. ein Stahl-Aluminium-Schichtwerkstoff oder ein Stahl-Bleibronze- Schichtwerkstoff, wobei die Beschichtung mit dem Lagerwerkstoff auf Aluminium-Basis an der Aluminiumseite bzw. der Bleibronzeseite vorzunehmen ist.
Der Schichtwerkstoff gemäß vorliegender Erfindung eignet sich auch ohne eine zusätzliche Überplattierung (overlay) zur Herstellung als Gleitlagerelement u. a. für Verbrennungskraftmaschinen, während für herkömmliche Gleitlagerelemente mit Gleitschicht auf Aluminium-Basis eine solche Überplattierung oftmals unentbehrlich ist. Eine zusätzliche Plattierung bzw. das Anbringen einer Anpassungsschicht ist bei dem Erfindungsgemäßen Schichtwerkstoff wegen der Quasi-Homogenität des Aluminium- Lagerwerk-stoffs mit geringen Zusätzen an Nickel und Mangan in einfacher Weise möglich und auch zu empfehlen, wenn eine Erhöhung der spezifischen Belastbarkeit des Gleitlagerelements erwünscht ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein Balkendiagramm für die dynamische Belastbarkeit;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Schichtwerkstoffs in Form einer Gleitlagerhälfte;
Fig. 3 einen Teilschnitt entsprechend III-III der Fig. 2 und
Fig. 4 einen Teilschnitt nach III-III der Fig. 2 in abgewandelter Ausführungsform.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Balkendiagramm handelt es sich um die Darstellung der dynamischen Belastbarkeit von Schichtwerkstoff mit Antifriktionsschicht auf Aluminium- Basis bezogen auf 200 Stunden. Die dynamische Belastbarkeit ist dabei ermittelt aus Restlastkurven von Underwood- Versuchen bei 150°C. Die in Vergleich gesetzten Schichtwerkstoffe hatten einen Stützwerkstoff aus Stahl und eine Antifriktionsschicht, die durch Aufplattieren eines Bleches aus gegossener Aluminiumlegierung ggf. unter Zwischenlage einer Folie aus Reinaluminium auf die Stützschicht aufgebracht war. Die im Balkendiagramm der Fig. 1 in Vergleich gesetzten Schichtwerkstoffe sind wie folgt:

A: Stahl/AlNi2Mn1 gemäß Erfindung, ohne Bindungsschicht und Anpassungsschicht.
B: Stahl/AlSn6, herkömmlich, ohne Bindungsschicht und Anpassungsschicht.
C: Stahl/AlSn20, herkömmlich, ohne Bindungsschicht und Anpassungsschicht.
D: Stahl/AlNi2Mn1/Ni/PbSn10Cu2 (Galv.) gemäß Erfindung mit Ni-Bindungsschicht und PbSn10Cu2 Anpassungsschicht, beide galvanisch aufgebracht.
E: Stahl/AlSn6/Ni/PbSn10Cu2 (Galv.), herkömmlich mit Ni-Bindungsschicht und PbSn10Cu2-Anpassungsschicht beide galvanisch aufgebracht.
F: Stahl/AlZn5/ni/PbSn10Cu2 (Galv.), bekannter hochfester Al-Lagerwerkstoff mit Ni-Bindungsschicht und PbSn10Cu2- Anpassungsschicht, beide galvanisch aufgebracht.

Wie das Balkendiagramm zeigt, läßt sich mit einem Schichtwerkstoff mit Stützschicht aus Stahl und Antifriktionsschicht aus AlNi2Mn1 eine dynamische Belastbarkeit von 60 N/mm² erreichen, bevor Risse in der Aluminiumschicht feststellbar sind. Wie aus dem Teil D des Blockdiagramms ersichtlich, kann durch Anbringen einer Nickel-Bindungsschicht und einer PbSn10Cu2-Anpassungsschicht auf der Antifriktionsschicht die dynamische Belastung von Gleitlagern noch in den Bereich der normalerweise auftretenden Gleitschichtermüdung erhöht werden, bis auf etwa 75 N/mm², bis Ermüdungsrisse in der Aluminiumschicht feststellbar sind. Solche Werte lassen sich mit den herkömmlichen, für mittlere Belastbarkeit vorgesehenen Gleitlagerwerkstoffen auf Aluminiumbasis erreichen, wie dies die Beispiele B, C, und E für AlSn6 und AlSn20 mit oder ohne Anpassungsschicht zeigen. Die dynamische Belastbarkeit von Gleitlagern mit Antifriktionsschicht aus gegossener AlNi2Mn1 Lagerlegierung erreicht somit eine Größenordnung, wie sie bisher nur bei hochfesten Al- Lagerwerkstoffen bekannt ist, beispielsweise dem im Beispiel F wiedergegebenen Lagerwerkstoff mit Antifriktionsschicht aus gegossener AlZn5-Legierung. Diese letztere Legierung ist aber nicht ohne Anpassungsschicht einsetzbar und weist hinsichtlich anderer Lagerwerkstoffeigenschaften wie Beständigkeit gegen Festfressen, Verschleißfestigkeit usw. wesentlich ungünstigere Eigenschaften auf als diejenigen, die für Lagerlegierungen auf Aluminium-Basis mit den angegebenen geringen Zusätzen an Mangan und Nickel gefunden wurden.
Die Fig. 2 bis 4 zeigen die Anwendung des Schichtwerkstoffes für Lagerschalen, d. h. aus zwei Gleitlagerhälften zusammengesetzte Gleitlager. Bei dem in Fig. 3 wiedergegebenen Gleitlager ist ein metallischer Stützkörper 1 aus Stahl vorgesehen. Auf diesen Stützkörper 1 ist eine Antifriktionsschicht 2 in Dicke von 0,2 bis 0,5 mm aus AlNi2Mn1 durch Walzplattieren direkt aufgebracht. Diese Antifriktionsschicht 2 ist durch elektronisches Plattieren, d. h. auf galvanischem Wege mit einer dünnen Nickelschicht 3 belegt, die eine Dicke von 0,001 bis 0,002 mm aufweisen kann. Über diese Bindungsschicht 3 aus Nickel ist auf galvanischem Wege eine Anpassungsschicht 4 aus Weißmetall-Lagerlegierung der Zusammensetzung PbSn10Cu2 in einer Dicke von 0,05 bis 0,1 mm aufgebracht. Die Gesamtheit des Schichtwerkstoffs ist von einer vorzugsweise galvanisch aufgebrachten Korrosionsschutzschicht 5 aus Zinn oder Zinn-Bleilegierung umgeben. Es handelt sich hierbei um einen dünnen Flash, der auf der Oberfläche der Anpassungsschicht 4 kaum in Erscheinung tritt, aber insbesondere im Bereich der Stützschicht 1 einen wirksamen Korrosionsschutz bietet.
Im Beispiel der Fig. 4 ist die metallische Stützschicht 1 selbst als Schichtwerkstoff ausgebildet und zwar mit einer Stahlschicht 7 und einer Zwischenschicht 8 mit Notlaufeigenschaften, beispielsweise aus Bleibronze oder Zinnbronze. Beispielsweise könnte auch eine Zwischenschicht 8 aus AlZn5 benutzt werden. Auf diese Zwischenschicht 8 ist eine dünne Nickelschicht 9 (0,001 bis 0,002 mm) durch Kathodenzerstäubung als Diffusionssperre aufgebracht. Über diese Nickelschicht 9 ist durch Kathodenzerstäubung, vorzugsweise Hochleistungs-Kathodenzerstäubung unter Anwendung von Magnetfeldern die Antifriktionsschicht 6 aus Aluminium-Nickel-Mangan-Legierung mit 2,5 Gew.-% Nickelgehalt und 2 Gew.-% Mangangehalt, Rest Aluminium aufgebracht. Diese Antifriktionsschicht 6 ist wiederum überdeckt mit einer dünnen (0,001 mm bis 0,002 mm), durch Kathodenzerstäubung aufgebrachten Bindungsschicht 3 überdeckt, auf der wiederum eine Einlaufschicht oder Anpassungsschicht 4 aus Weißmetall-Lagerlegierung in einer Dicke von etwa 0,02 bis 0,03 mm durch Kathodenzerstäubung aufgebracht ist. Für das Aufbringen dieser Schichten kommen Kathodenzerstäubungs-Beschichtungsmethoden in Betracht, wie sie beispielsweise aus dem Aufsatz von Hartmut Frey "Kathodenzerstäuben, Beschichtungsmethode mit Zukunft", VDI-Z 123 (1981) Nr. 12, Seiten 519 bis 525 bekannt sind.
Anstelle der Benutzung von Kathodenzerstäubungs-Beschichtungsmethoden könnten die Antifriktionsschicht, die Bindungsschicht und die Anpassungsschicht sowie vorzusehende Diffusionssperrschichten auch durch Vakuumbedampfen oder auf galvanischem Wege aufgebracht werden.

Claims

1. Schichtwerkstoff für Gleitlagerelemente, z. B. Radial- bzw. Axial-Gleitlager, bestehend aus einer metallischen Stützschicht und einer auf der Stützschicht angebrachten Antifriktionsschicht aus Lagerwerkstoff auf Aluminiumbasis, gegebenenfalls versehen mit einer aufgebrachten Bindungsschicht und Anpassungsschicht, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerwerkstoff eine nahezu homogene Aluminiumlegierung bestehend aus 1 bis 3 Gew.-%, vorzugsweise 1,5 bis 2,5 Gew.-% Nickel, 0,5 bis 2,5 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 2 Gew.-% Mangan, 0 bis 2 Gew.-% Blei und Rest Aluminium mit den üblichen zulässigen Verunreinigungen ist, wobei in dem Lagerwerkstoff vorhandene Hartteilchen aus Nickel und Mangan bzw. nickelhaltige und/oder manganhaltige Hartteilchen im wesentlichen in Teilchengrößen ≤5 µm vorliegen, und zwar weniger als 5, bevorzugt höchstens 1, Hartteilchen mit Teilchengröße ≤5 µm in einem Volumenelement eines Würfels von 0,1 mm Kantenlänge vorhanden sind.

2. Schichtwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antifriktionsschicht aus dem Lagerwerkstoff auf Aluminiumbasis eine Schichtdicke von 0,1 mm bis 1 mm, bevorzugt 0,2 mm bis 0,5 mm, aufweist.

3. Schichtwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antifriktionsschicht aus dem Lagerwerkstoff auf Aluminiumbasis in einer Dicke ≤0,05 mm mittels einer Beschichtungsmethode durch Kathodenzerstäuben oder Vakuumbedampfen aufgebracht ist.

4. Schichtwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Stützschicht zwei- oder mehrschichtig ausgebildet ist und die die Antifriktionsschicht tragende Schicht aus Notlaufeigenschaften aufweisendem Material besteht.

5. Schichtwerkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Stützschicht ein Stahl-Aluminium- Schichtwerkstoff oder ein Stahl-Bleibronze-Schichtwerkstoff ist, wobei die Antifriktionsschicht auf der Aluminium- Seite bzw. Bleibronze-Seite dieses Schichtwerkstoffes angebracht ist.