DE3906402C2 - Schichtwerkstoff für Gleitlagerelemente, z.B. Radialgleitlager bzw. Axialgleitlager - Google Patents
Schichtwerkstoff für Gleitlagerelemente, z.B. Radialgleitlager bzw. AxialgleitlagerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Schichtwerkstoff
für Gleitlagerelemente, bestehend
aus einer metallischen
Stützschicht und einer auf der Stützschicht
angebrachten Antifriktionsschicht aus Lagerwerkstoff
auf Aluminiumbasis,
wobei der
Lagerwerkstoff eine Aluminiumlegierung ist, die in
dem Aluminium mit den üblichen zulässigen
Verunreinigungen 1 bis 3%,
Massenanteile Nickel, 0,5 bis 2,5%,
Massenanteile Mangan, 0,02 bis 1,5%,
Massenanteile
Kupfer und 0,1 bis 2% Massenanteile Wismut
enthält, und Hartteilchen aus
Nickel und Mangan bzw. nickelhaltige und/oder
manganhaltige Hartteilchen aufweist, deren
Teilchengröße im wesentlichen ≦5 µm beträgt.
Der in der
DE 37 29 414 A1 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.
Ein aus DE-PS 36 40 328 bekannter Schichtwerkstoff
weist zwar hervorragende
Lagerwerkstoffeigenschaften auf verbunden mit erhöhter
dynamischer Belastbarkeit der aus solchem
Lagerwerkstoff hergestellten Antifriktionsschicht.
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.
Aus der bekanntgemachten deutschen Patentanmeldung
W 1271 (bekanntgemacht am 27. 09. 1951) sind
Aluminiumlegierungen mit Gehalten zwischen 0,6 und
10% Kupfer und 0,5 und 8% Blei bekannt, bei welchen
das Blei ganz oder teilweise durch Wismut oder Zinn bis max. 8%
ersetzt sein kann. Bei diesen bekannten Legierungen
fehlt die Bildung von Hartteilchen auf der Basis
von Nickel und Mangan in der Aluminiumbasis und damit
das vorteilhafte Zusammenwirken solcher
Hartstoffteilchen mit in der Matrix dispergiertem Zinn
oder Blei.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, den in der DE 37 29 4141 A1
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
eine Dispersionslegierung ist, die als dispergierte Phase
einen Zinnzusatz <8% bis 20%
Massenanteile aufweist.
Durch die gemeinsame Wirkung des gemäß der Erfindung - im Unterschied zu den aus DE 36 40 328 C2,
DE-AN W1271 und DE-Z, Glyco-Metallwerke, Ingenieurbericht,
Heft 1, Jahrgang 1984, S. 2, Sp. 2, Abs. 5, Z. 10-12 bekannten Gleitlager-Werkstoffen
- geschaffenen Dreiphasensystems von
Aluminium-Matrix, Hartteilchen und weichen
Dispersisonsteilchen, sowie durch die 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
10 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 Aluminium als auch
in Zinn lösbar sind. Dabei ist es insbesondere bei
der bevorzugten Menge des Zinnzusatzes zwischen
10 und 15 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 zwischen <8% und 10%
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.
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/AlNilMnl mit Cu-Zusatz (0,5 Gew.-%) B: Stahl/Al/AlNi2MnlCuBi mit Sn-Zusatz (10 Gew.%).
Al: Stahl/AlNilMnl 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 5 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 23 dunkel in der
Matrix aus AlNi2MnlCuBi-Kristallen 21 erscheinen.
Der in Fig. 4 ersichtliche, insbesondere an der
Stützschicht 11 als Korrosionsschutz wirkende Flash
14 aus Zinn oder Zinnbleilegierung kann an der als
Gleitfläche dienenden 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 ausgleichen.
Claims (4)
1. Schichtwerkstoff für Gleitlagerelemente,
bestehend aus einer metallischen Stützschicht
und einer auf der Stützschicht angebrachten
Antifriktionsschicht aus Lagerwerkstoff auf
Aluminium-Basis, wobei der Lagerwerkstoff eine
Aluminiumlegierung ist, die in dem Aluminium mit
den üblichen zulässigen Verunreinigungen 1 bis
3% Massenanteile Nickel, 0,5 bis 2,5%
Massenanteile Mangan, 0,02 bis 1,5 Massenanteile
Kupfer, 0,1 bis 2% Massenanteile Wismut und
Hartteilchen aus Nickel und Mangan bzw.
nickelhaltige und/oder manganhaltige
Hartteilchen aufweist, deren Teilchengröße im
wesentlichen ≦5 µm beträgt.
dadurch gekennzeichnet, daß
die den Lagerwerkstoff bildende
Aluminiumlegierung eine Dispersionslegierung
ist, die als dispergierte Phase einen Zinnzusatz
<8% bis 20% Massenanteile aufweist.
2. Schichtwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Zinnzusatz 10% und 15%
Massenanteile aufweist.
3. Schichtwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die den Lagerwerkstoff
bildende Aluminiumlegierung anstelle des
Zinnzusatzes einen Bleizusatz von <8% bis 10%
aufweist, der als Ausscheidung in der Matrix
(20) dispergiert ist.
4. Schichtwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der aus
der Aluminiumlegierung gebildeten
Antifriktionsschicht (12) und der Stützschicht
(11) eine Bindungsschicht (13) aus Reinaluminium
oder aus einer von ausgeschiedenen Zinnteilchen
und ausgeschiedenen Bleiteilchen freien
Aluminiumlegierung vorgesehen ist.
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Cited By (1)
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DE112004001910B4 (de) * | 2003-10-08 | 2011-07-21 | Miba Gleitlager Gmbh | Gleitschicht |
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DE3640328A1 (de) * | 1985-05-31 | 1988-06-09 | Glyco Metall Werke | Schichtwerkstoff fuer gleitlagerelemente mit antifriktionsschicht aus einem lagerwerkstoff auf aluminiumbasis |
DE3729414A1 (de) * | 1987-09-03 | 1989-03-16 | Glyco Metall Werke | Schichtwerkstoff fuer gleitlagerelemente mit antifriktionsschicht aus einem lagerwerkstoff auf aluminium-basis |
-
1989
- 1989-03-01 DE DE3906402A patent/DE3906402C2/de not_active Expired - Fee Related
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DE112004001910B4 (de) * | 2003-10-08 | 2011-07-21 | Miba Gleitlager Gmbh | Gleitschicht |
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