DE3906402A1 - Schichtwerkstoff fuer gleitlagerelemente, z.b. radialgleitlager bzw. axialgleitlager - Google Patents

Description

Gegenstand des Hauptpatents ist ein Schichtwerkstoff für Gleitlagerelemente, z.B. Radialgleitlager bzw. Axialgleitlager, der aus einer metallischen Stützschicht und einer auf der Stützschicht angebrachten Antifriktionsschicht aus Lagerwerkstoff auf Aluminiumbasis besteht und ggf. mit einer Bindungsschicht und einer aufgebrachten Anpassungsschicht versehen ist, wobei der Lagerwerkstoff eine Aluminiumlegierung ist, die in dem Aluminium mit den üblichen zulässigen Verunreinigungen 1 bis 3%, vorzugsweise 1,5 bis 2,5%, Massenanteile Nickel, 0,5 bis 2,5%, vorzugsweise 1 bis 2%, Massenanteile Mangan, 0,02 bis 1,5%, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,8%, Massenanteile Kupfer, 0,1 bis 2% Massenanteile Wismut und 0 bis 2% Massenanteile Blei enthält, und Hartteilchen aus Nickel und Mangan bzw. nickelhaltige und/oder manganhaltige Hartteilchen aufweisen kann, deren Teilchengröße im wesentlichen ≦5 µm beträgt. Der im Hauptpatent vorgeschlagene Schichtwerkstoff zeichnet sich durch gute Gleiteigenschaften und Notlaufeigenschaften des für die Antifriktionsschicht vorgesehenen Lagerwerkstoffs aus, wobei verbesserte Zerspanbarkeit und dadurch erleichterte und spanende Oberflächenbehandlung der Antifriktionsschicht ermöglicht ist.

Jedoch ergeben sich in der Praxis zunehmend erschwerte Betriebsbedingungen durch weitere Leistungssteigerung der die Gleitlagerelemente enthaltenden Maschinen, insbesondere Verbrennungskraftmaschinen, sowie erhöhte Drehzahlen der gelagerten Wellen, Verringerung der Masse der bewegten Teile, Verringerung der Toleranzen zwischen den gleitenden Teilen und dadurch bedingten geringeren Öldurchsatz und Verringerung der Schmierfilmdicken, so daß die hochbelasteten Gleitlager länger im Mischreibungsgebiet laufen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, den im Hauptpatent vorgeschlagenen Schichtwerkstoff für Gleitlagerelemente über die schon bestehende Güte der Notlauf- und Antifestfressungs-Eigenschaften hinaus dahingehend zu verbessern, daß neben der hohen dynamischen Belastbarkeit auch die hohen Anforderungen bezüglich verbesserter Reibungseigenschaften erfüllt werden. Insbesondere sollen diese verbesserten Eigenschaften auch bei erhöhten Drehzahlen der gelagerten Wellen erreicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die den Lagerwerkstoff bildende Aluminiumlegierung einen Zinnzusatz zwischen 0,5 und 20%, vorzugsweise zwischen 5 und 15%, Massenanteile aufweist.

Durch die gemeinsame Wirkung des an sich bekannten Kupferzusatzes bis zu 1,5 Gew.% und des erfindungsgemäßen Zinnzusatzes wird ein ermüdungsfreier Lauf von aus erfindungsgemäßem Schichtwerkstoff hergestellten Gleitlagerelementen bis zu Drehzahlen zwischen 6500 und 7000 Umdrehungen pro Minute erreicht. Der Zinnzusatz hat außerdem eine wesentliche Verbesserung der Gleiteigenschaften der Antifriktionsschicht zur Folge. Dies gilt insbesondere für den bevorzugten Zinnzusatz in der Größe zwischen 5 und 15 Gew.-%, bei der die Aluminiumlegierung den Charakter einer Aluminium/Zinn-Dispersionslegierung hat. Zudem wird durch die Zusätze an Kupfer, Nickel und Mangan eine verbesserte Mischkristallverfestigung hervorgerufen, einerseits durch das Auftreten von ternären und quaternären Phasen bzw. Mischkristallarten sowie durch verbesserte Bindung des Zinnzusatzes zum Aluminium bzw. der Zinnphase zur Aluminiummatrix, da Kupfer, Nickel und Mangan sowohl in Auminium als auch in Zinn lösbar sind. Dabei ist es insbesondere bei der bevorzugten Menge des Zinnzusatzes zwischen 5 und 10 Gew.-%, d.h. der Bildung von Aluminium/Zinn-Disper­ sionslegierung von besonderer Bedeutung, daß Nickel und Mangan mit dem Zinn harte Mischkristalle und harte intermetallische Verbindungen zu bilden vermögen. Es wird dadurch eine Aluminium/Zinn-Dispersionslegierung geschaffen, die sowohl in der Aluminiummatrix als auch in der Zinnphase sehr fein verteilte Hartteilchen enthält.

Als weiteren Vorteil bietet die erfindungsgemäß mit Zinnzusatz versehene AlNiMnCu-Legierung die Möglichkeit, durch die Wahl entsprechender Wärmebehandlungstemperaturen bzw. Wärmebehandlungszyklen im Lauf ihrer Verarbeitung die Höhe der Festigkeitswerte nach Wahl und Erfordernis jedes Einzelfalles gezielt zu steuern. Diese Steuerungsmöglichkeit beruht - soweit erkennbar - wahrscheinlich auf der Steuerung der Mischkristallübersättigung sowie der Größe und Menge der Ausscheidungen. Sofern es sich bei dem Lagerwerkstoff um eine Aluminium/Zinn-Dispersions­ legierung handelt, ist diese Mischkristallübersättigung sowohl in der Aluminiummatrix als auch in der Zinnphase anzunehmen.

Der Zinnzuzatz ergibt zusätzlich zur verbesserten Gleitfähigkeit eine verbesserte Notlaufeigenschaft des Lagerwerkstoffs, wobei der Kupferzusatz in diesem funktionellen Zusammenwirken der Legierungszusätze auch noch als Stabilisator für die erzielten Eigenschaften wirkt.

In Abwandlung der Erfindung kann anstelle des Zinnzusatzes der Bleizusatz auf zwischen 1% und 10% Massenanteile erhöht sein und vorzugsweise zwischen 1 und 5% Massenanteile betragen. Durch den Bleizusatz werden vergleichbare Vorteile erreicht, wie sie oben in Verbindung mit dem Zinnzusatz erläutert sind. Es läßt sich daher der erfindungsgemäße Schichtwerkstoff auch durch die Wahl eines Bleizusatzes anstelle des Zinnzusatzes abwandeln, wenn dies im Einzelfall als notwendig oder zweckmäßig erscheint.

In besonders vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der aus der Aluminiumlegierung gebildeten Antifriktionsschicht und der Stützschicht, insbesondere einer Stützschicht aus Stahl, eine Bindungsschicht aus Reinaluminium oder aus einer von ausgeschiedenen Zinnteilchen und ausgeschiedenen Bleiteilchen freien Aluminiumlegierung vorgesehen. Hierdurch wird die Bindung zwischen der Antifriktionsschicht und der Stützschicht, insbesondere einem Stahlrücken, wesentlich verbessert. Dies gilt insbesondere für den Fall, daß der die Antifriktionsschicht bildende Lagerwerkstoff als Aluminium-Dispersionslegierung mit Zinn oder Blei vorliegt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Balkendiagramm für die dynamische Belastbarkeit;

Fig. 2 ein Balkendiagramm für die erreichbaren Drehzahlen einer Welle in störungsfreiem Lauf;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Schichtwerkstoffes in Form einer Gleitlagerhälfte;

Fig. 4 einen Teilausschnitt entsprechend IV-IV der Fig. 3;

Fig. 5 einen vergrößerten Teilausschnitt V-V der Fig. 4 und

Fig. 6 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des Ausschnittes VI-VI der Fig. 5.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Balkendiagramm handelt es sich um die Darstellung der dynamischen Belastbarkeit von Schichtwerkstoff mit Antifriktionsschicht aus Lagerwerkstoff auf Aluminium-Basis, bezogen auf 200 Stunden. Die dynamische Belastbarkeit ist dabei zu ermitteln 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 gewalzten Blechs aus gegossener Aluminiumlegierung unter Zwischenlage einer Folie aus Reinaluminium auf die Stützschicht aufgebracht war.

Die im Balkendiagramm der Fig. 1 (Teil A) in Vergleich gesetzten Schichtwerkstoffe sind wie folgt: A: Stahl/AlNi2Mnl
Al: Stahl/AlNiMnl mit Cu-Zusatz (0,5 Gew.-%) B: Stahl/Al/AlNi2MnlCuBi mit Sn-Zusatz (10 Gew.%). Wie das Balkendiagramm der Fig. 1 zeigt, läßt sich mit einem Schichtwerkstoff mit Stützschicht aus Stahl, Antifriktionsschicht aus AlNi2MnlBi eine dynamische Belastbarkeit von etwa 60 N/mm² erreichen. Erhält die Aluminiumlegierung noch einen Kupferzusatz von beispielsweise 0,5 Gew.-%, so läßt sich die dynamische Belastbarkeit auf Werte zwischen 60 und 70 N/mm², beispielsweise etwa 65 N/mm², erhöhen (Al). Wie der Teil B des Balkendiagramms zeigt, wird mit einer Aluminiumlegierung AlNi2MnlBi mit Kupferzusatz von 0,5 Gew.-% und Zinnzusatz von 10 Gew.-% etwa gleiche dynamische Belastbarkeit erreicht, wie mit einer Aluminiumlegierung AlNi2MnlBi mit Cu-Zusatz von 0,5 Gew.%.

Jedoch ist die Aussagefähigkeit des Balkendiagramms gemäß Fig. 1 nur unvollständig, da die dynamische Belastbarkeit aus Underwood-Versuchen ermittelt ist, die Betriebsbedingungen an der Lagerung einer Welle mit etwa 4000 Umdrehungen pro Minute entsprechen. Wie das Balkendiagramm der Fig. 2 zeigt, sind jedoch die bei gleichbleibender dynamischer Belastbarkeit in störungsfreiem Lauf erreichbaren Drehzahlen eines Lagerzapfens bzw. einer gelagerten Welle von der Zusammensetzung der als Lagerwerkstoff der Antifriktionsschicht benutzten Aluminiumlegierung in erheblichem Maße abhängig. Aus Fig. 2 ist die Überlegenheit der untersuchten Legierung B gegenüber den Legierungen A und Al klar erkennbar. Es lassen sich mit einer Antifriktionsschicht aus der Legierung B Drehzahlen oberhalb 6500 in störungsfreiem Lauf erreichen. Darüber hinaus weist die Legierung B auch noch weitere verbesserte Lagerwerkstoff-Eigenschaften auf, die aus den Balkendiagrammen der Fig. 1 und 2 nicht ohne weiteres erkennbar sind. Es handelt sich hierbei insbesondere um verbesserte Beständigkeit gegen Festfressen, verbesserte Verschleißfestigkeit, verbesserte Gleiteigenschaften (verminderte Reibung) und verbesserte Notlaufeigenschaften. Dabei ist eine Anpassungsschicht oder Einlaufschicht nicht mehr erforderlich.

Die Fig. 3 bis 6 zeigen die Anwendung des Schichtwerkstoffs für Lagerschalen, d.h. aus zwei Gleitlagerhälften zusammengesetzte Gleitlager.

Bei dem in Fig. 4 wiedergegebenen Teilschnitt einer in Fig. 3 perspektivisch dargestellten Gleitlagerschale 10 ist ein metallischer Stützkörper 11 aus Stahl vorgesehen. Auf diesem Stützkörper 11 ist unter Zwischenlage einer Bindungsschicht 13 eine Antifriktionsschicht in der Dicke von 0,2 mm bis 0,5 mm aufgebracht. Die Bindungsschicht besteht im dargestellten Beispiel aus einer Reinaluminium-Folie. Es kommen jedoch auch Bindungsschichten aus Aluminiumlegierungen in Betracht, die jedoch frei sein sollen von ausgeschiedenen Zinnteilchen und/oder Bleiteilchen. Die Antifriktionsschicht 12 ist im dargestellten Beispiel aus der obengenannten Legierung B, nämlich AlNi2MnlCuBi mit einem Zinnzusatz von 10 Gew.-% gebildet. Die Gesamtheit des Schichtwerkstoffs bzw. der Gleitlagerschale 10 ist von einer vorzugsweise galvanisch aufgebrachten Korrosionsschicht aus Zinn oder Zinn/Blei-Legierung umgeben. Es handelt sich hierbei um einen dünnen Flash, der auf der Oberfläche der Antifriktionsschicht 12 kaum in Erscheinung tritt aber insbesondere im Bereich der Stützschicht 11 einen wirksamen Korrosionsschutz bietet.

Wie Fig. 5 zeigt, bildet AlNi2MnlCuBi mit Sn-Zusatz von 10 Gew.-% eine Dispersionslegierung, bei der die ausgeschiedenen Zinnteilchen dunkel in der kristallisierten Matrix aus AlNi2MnlCuBi erscheinen. Die Einbindung dieser ausgeschiedenen Zinnteilchen in die AlNi2MnlCuBi-Matrix läßt sich in der rasterelektronenmikroskopischen Aufnahme der Fig. 6 deutlicher erkennen. Dabei sind in dieser Aufnahme auch Hartteilchen 22 innerhalb der AlNi2MnlCuBi-Kristalle 21 der Matrix erkennbar, wobei an den in Fig. 6 hell erscheinenden Bindungsbereichen 24 der Matrix-Kristalle 21 zu den ausgeschiedenen Zinnteilchen 23 bevorzugt Mischkristallbereiche mit erhöhtem Gehalt an Kupfer, Nickel und Mangan anzunehmen sind, wobei auch die ausgeschiedenen Zinnteilchen an ihren diesen Bindungsbereichen 24 benachbarten Bereichen Gehalte an Nickel, Zinn und Kupfer aufweisen können, die in Art von Mischkristallen verbesserte Bindung zu den Bindungsbereichen 24 der Matrixkristalle 21 aufweisen können. Es ist daher mit verbesserter Bindung zwischen den Matrixkristallen 21 und den Zinnteilchen 23 an diesen Bereichen 24 anzunehmen.

Der in Fig. 4 ersichtliche, insbesondere an der Stützschicht 11 als Korrosionsschutz wirkende Flash 14 aus Zinn oder Zinnbleilegierung kann an der als Gleitfläche dieneneden freien Oberfläche der Antifriktionsschicht 12 in Art eines ersten Festschmiermittels beim Einlaufen wirken und dabei evtl. Unebenheiten in der Oberfläche der Antifriktionsschicht 12 aus Aluminiumlegierung bzw. Aluminium-Dispersionslegierung auszugleichen.

Bezugzeichenliste:

10 Gleitlagerschale
11 Stützschicht
12 Antifriktionsschicht
14 Flash
21 AlNi2MnlCuBi-Kristalle
22 Hartteilchen
23 Zinnteilchen
24 Bindungsbereich

Claims (3)

1. Schichtwerkstoff für Gleitlagerelemente, z.B. Radialgleitlager bzw. Axialgleitlager, bestehend aus einer metallischen Stützschicht und einer auf der Stützschicht angebrachten Antifriktionsschicht aus Lagerwerkstoff auf Aluminium-Basis, ggf. versehen mit einer Bindungsschicht und aufgebrachten Anpassungsschicht, wobei der Lagerwerkstoff eine Aluminiumlegierung ist, die in dem Aluminium mit den üblichen zulässigen Verunreinigungen 1 bis 3, vorzugsweise 1,5 bis 2,5%, Massenanteile Nickel, 0,5 bis 2,5%, vorzugsweise 1 bis 2%, Massenanteile Mangan, 0,02 bis 1,5, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,8, Massenanteile Kupfer, 0,1 bis 2% Massenanteile Wismut und 0 bis 2% Massenanteile Blei enthält und Hartteilchen aus Nickel und Mangan bzw. nickelhaltige und/oder manganhaltige Hartteilchen aufweisen kann, deren Teilchengröße im wesentlichen ≦5µm beträgt, nach Patent (Patentanmeldung P 37 29 414.8), dadurch gekennzeichnet, daß die den Lagerwerkstoff bildende Aluminiumlegierung einen Zinnzusatz zwischen 0,5 und 20%, vorzugsweise zwischen 5 und 15%, Massenanteile aufweist.

2. Schichtwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Zinnzusatzes der Bleizusatz auf zwischen 1% und 10% Massenanteile erhöht ist und vorzugsweise zwischen 1 und 5% Massenanteile beträgt.

3. Schichtwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der aus der Aluminiumlegierung gebildeten Antifriktionsschicht (12) und der Stützschicht (11), insbesondere einer Stützschicht aus Stahl, eine Bindungsschicht (13) aus Reinaluminium oder aus einer von ausgeschiedenen Zinnteilchen und ausgeschiedenen Bleiteilchen freien Aluminiumlegierung vorgesehen ist.