DE4201761A1

DE4201761A1 - Lagermetall fuer gross-dimensionierte motoren

Info

Publication number: DE4201761A1
Application number: DE4201761A
Authority: DE
Inventors: Tadashi Tanaka; Masaaki Sakamoto; Yoshiaki Satoh; Masahiro Nakano
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 1991-02-08
Filing date: 1992-01-23
Publication date: 1992-09-10
Also published as: GB9202766D0; KR920016733A; GB2252565B; JPH04259345A; GB2252565A; KR950005844B1; JP2705781B2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen für ein La germetall für groß-dimensionierte Motoren.

Die Erfinder der Erfindung haben schon als gegenwärtigen Stand der Technik für die Erfindung die japanischen Patent schriften Nr. 61-17 893 und 61-6 138 beschrieben.

Lagermetalle, die in dem oben erwähnten Stand der Technik be schrieben werden, haben eine gute Beständigkeit gegen den fressenden Verschleiß und gute Einbettbarkeit aber sind nicht immer befriedigend in bezug auf die Ermüdungsbeständigkeit im Hinblick auf den gegenwärtigen raschen Fortschritt der Ver brennungsmotoren. Deshalb besteht nun ein Bedürfnis nach ei nem Lagermetall mit einer besseren Ermüdungsbeständigkeit.

Mit dem oben erwähnten Problem des Stands der Technik im Blick, ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Lagermetall für groß-dimensionierte Motoren bereitzustellen, das eine ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit besitzt, ohne die Be ständigkeit gegen den fressenden Verschleiß zu beeinträchti gen.

Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Lagermetall für groß-dimensionierte Motoren bereitgestellt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es eine Stützmetallstahlschicht, eine auf der genannten Stützmetallstahlschicht gebildete Bindungs schicht aus Al oder einer Al-Legierung und eine auf der ge nannten Bindungsschicht gebildete Schicht aus einer Lagerle gierung bzw. einer Lagerlegierungsschicht enthält, wobei die genannte Schicht aus der Lagerlegierung aus 40 bis 50 Gew.-% Sn, 0,5 bis 10 Gew.-% Pb, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Cu und zum Rest Al und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird ein La germetall für groß-dimensionierte Motoren bereitgestellt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es eine Stützmetallstahl schicht, eine auf der genannten Stützmetallstahlschicht ge bildete Bindungsschicht aus Al oder einer Al-Legierung, eine auf der genannten Bindungsschicht gebildete Schicht aus einer Lagerlegierung und eine auf der genannten Schicht aus der La gerlegierung gebildete Oberflächenschicht, hergestellt aus einem Material aus der Gruppe Pb, Sn, und Legierungen davon, enthält, wobei die genannte Schicht aus der Lagerlegierung aus 40 bis 50 Gew.-% Sn, 0,5 bis 10 Gew.-% Pb, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Cu und zum Rest Al und erschmelzungsbedingten Verun reinigungen besteht.

Die obige Lagerlegierungsschicht kann weiterhin insgesamt nicht mehr als 5 Gew.-% mindestens eines Materials aus der Gruppe Mn, Ni, Si, Ag, Mg, Sb und Zn enthalten.

Gemäß dem oben erwähnten Stand der Technik sind mehr als 50 % Sn erforderlich, um die Beständigkeit gegen den fressenden Verschleiß sicherzustellen; aber, nach dem Stand der Technik kann die erwünschte Ermüdungsbeständigkeit nicht erhalten werden, wenn der Sn-Anteil 50% übersteigt.

Bei den erfindungsgemäßen Lagermetallen ist der Gehalt an Sn erniedrigt, um die Ermüdungsbeständigkeit zu verbessern, und Pb ist zugegeben, um eine Beständigkeit gegen den fressenden Verschleiß zu erreichen, die allgemein auf demselben Niveau liegt, wie es mit einem Erzeugnis nach dem Stand der Technik erreicht würde.

Der Grund für die spezifizierte Zusammensetzung einer jeden Schicht des Lagermetalls für groß-dimensionierte Motoren und die Wirkung, die durch jede Schicht erreicht wird, sollen nun für die vorliegende Erfindung im folgenden erklärt werden:

1) Die Stützmetallstahlschicht bzw. Stahlunterlagenschicht

Herkömmlicher, bekannter Stahl, wie er als Kohlenstoff stahl für eine gewöhnliche Struktur im JIS (Japanische Industrienorm) definiert ist, wird als Stützmetallstahl schicht des Lagermetalls der Erfindung verwendet.

2) Die Zwischenschicht

Die Zwischenschicht (Verbindungsschicht) verstärkt die Bindung zwischen der Stützmetallstahlschicht und der La gerlegierungsschicht. Die Zwischenschicht kann aufgebaut sein aus normalerweise verwendetem reinem Al oder einer Al-Legierung, die insgesamt nicht mehr als 0,1 bis 2 Gew.-% mindestens eines Materials aus der Gruppe Cu, Si, Mn und Zn enthält. Diese Aluminiumlegierung wird verwen det, wenn es erforderlich ist, eine größere Festigkeit zu erhalten.

Wenn der Gehalt an einem Zusatz (Zusätzen), die Al bei gefügt werden, um die obige Al-Legierung zu bilden, we niger als 0,1% beträgt, dann wird die beabsichtigte Wirkung durch den zugesetzten Bestandteil (die zugesetz ten Bestandteile) nicht erreicht, und deshalb ist die Untergrenze festgelegt. Wenn andererseits dieser Gehalt 2% übersteigt, führt dies zu Brüchigkeit und ist des halb für einen praktischen Gebrauch nicht geeignet.

3) Die Lagerlegierungsschicht a) Sn: 40 bis 50%

Bei Mengen weniger als 40% sind die Beständigkeit gegen den fressenden Verschleiß und die Einbettbar keit unzureichend. Übersteigt andererseits die Menge 50%, wird die Ermüdungsbeständigkeit unzu reichend.

b) Pb: 0,5 bis 10%

Pb wirkt mit Sn zusammen und bildet eine Legierung, die die Schmiereigenschaften von Sn und dessen Ver träglichkeit verstärkt. Falls die Menge weniger als 0,5% beträgt, wird die beabsichtigte Wirkung durch den Zusatz von Pb nicht erreicht. Überschreitet an dererseits diese Menge 10%, wird der Schmelzpunkt zu niedrig, und dies stellt ein Herstellungsproblem dar.

c) Cu: 0,1 bis 1,5%

Cu erhöht die Ermüdungsbeständigkeit, die eine der Lagereigenschaften ist. Zusätzlich verbessert es die Bindungsstärke der Lagerlegierungsschicht zu der Oberflächenschicht. Beträgt diese Menge weniger als 0,1%, wird die beabsichtigte Wirkung der Cu- Zugabe nicht erreicht. Übersteigt andererseits diese Menge 1,5%, wird die Legierungshärte zu hoch, so daß die anfängliche Verträglichkeit und die Einbettbarkeit in nachteiliger Weise beein trächtigt werden. Außerdem wird die Duktilität nachteilig beeinträchtigt, so daß die Produktion schwierig wird.

d) Insgesamt nicht mehr als 5% mindestens eines Mate rials ausgewählt aus der Gruppe Ni, Si, Ag, Mg, Mn, Sb und Zn

Eine oder mehrere dieser Substanzen werden zuge setzt, um die mechanische Festigkeit der Aluminium matrix zu verbessern. Übersteigt dieser Anteil 5%, so werden die anfängliche Verträglichkeit und die Einbettbarkeit nachteilig beeinträchtigt. Deshalb sollte die Obergrenze davon 5% betragen.

4) Die Oberflächenschicht

Diese Schicht wird bereitgestellt, um die Beständigkeit gegen den fressenden Verschleiß, die Einbettbarkeit, die anfängliche Verträglichkeit und etc. zu erhöhen. Die Oberflächenschicht ist hauptsächlich aus einem Material der Gruppe Pb, Sn und einer Legierung davon zusammenge setzt. Um die Leistungsfähigkeit weiter zu erhöhen, kön nen Cu und/oder In zugesetzt werden.

Weiterhin kann eine dünne Schicht, wie eine Plattierung aus Nickel, zwischen der Lagerlegierungsschicht und der Oberflächenschicht gebildet werden, um die Bindung zwi schen der Lagerlegierungsschicht und der Oberflächen schicht zu verbessern.

Die Oberflächenschicht kann auf der Lagerlegierungs schicht durch einen PVD-Prozeß, genauso wie durch eine galvanotechnische Methode gebildet werden.

Die vorliegende Erfindung wird nun genauer durch Beispiele beschrieben. Tabelle 1 zeigt die chemische Zusammensetzung verschiedener Beispiele von Lagerlegierungsschichten, die in erfindungsgemäßen Lagermetallen benutzt werden. Tabelle 2 zeigt die chemische Zusammensetzung verschiedener Beispiele von Lagerlegierungsschichten, die in herkömmlichen Lagerme tallen verwendet werden.

Die einzelnen Legierungsbleche mit den jeweiligen Zusammen setzungen, wie sie in den Tabellen 1 und 2 angegeben werden, wurden auf eine Aluminiumfolie aufgelegt, und wurden, zusam men damit, durch eine Walzmaschine gezogen, um ein zusammen gesetztes Verbundblech mit einer Dicke von 1 mm zu erhalten. Dieses Verbundblech wurde auf eine Stützmetallstahlplatte mit einer Dicke von 2 mm aufgelegt, und wurde zusammen damit ge walzt, um ein dreischichtiges Blech zu erhalten, das aus ei ner Lagerlegierungsschicht, der bindenden Zwischenschicht aus Al und der Stützmetallstahlschicht besteht. Die Dicke dieser aus drei Lagen zusammengesetzten Schicht betrug 1,65 mm. Die Dicke der Lagerlegierungsschicht dieser aus drei Lagen zusam mengesetzten Schicht betrug 0,42 bis 0,43 mm, die Dicke der Al-Zwischenschicht 0,02 bis 0,03 mm, und die Dicke der Stütz metallstahlschicht 1,2 mm. Dann wurde das dreischichtige Blech zu einem Lagermetall von halbkreisförmiger Gestalt mit einem Durchmesser von 53 mm und einer Länge von 17 mm ge preßt. Weiterhin wurden einige dieser Lagermetalle durch ein Elektroplattierungsverfahren unter Verwendung eines Borfluo ridbades mit einer Oberflächenschicht beschichtet, um dadurch ein vierschichtiges Verbundblech (Lagermetalle) bereitzustel len. Die Oberflächenschicht hat eine Dicke von 20 µm. Die dreischichtigen Lagermetalle und vierschichtigen Lagerme talle, die auf diese Art gebildet wurden, wurden einem Test auf fressenden Verschleiß und einem Ermüdungstest unterworfen.

Die Fig. 1 und 2 sind vergrößerte Querschnitte des dreischichtigen Lagermetalls und des vierschichtigen Lagerme talls. In diesen Figuren bezeichnen das Bezugszeichen 1 die Stützmetallstahlschicht, das Bezugszeichen 2 die Bindungs schicht aus Al, das Bezugszeichen 3 die Lagerlegierungs schicht, und das Bezugszeichen 4 die Oberflächenschicht.

Tabelle 3 zeigt die Bedingungen für den Ermüdungstest und Ta belle 4 die Bedingungen für den Test auf fressenden Ver schleiß. Tabelle 5 zeigt die Resultate des Ermüdungstests und Tabelle 6 die Resultate des Tests auf fressenden Verschleiß.

Tabelle 3 Bedingungen des Ermüdungstests

Testvorrichtung für die Bestimmung der Dynamischen Belastung

Einheit
Lagermetallgröße
53 Durchmesser×17 Länge×1,5 Dicke mm
Umdrehungen	3000 UpM
Geschwindigkeit	8,3 m/s
Schmieröl	SAE20
Einlaßtemperatur	60°C
Ölversorgungsdruck	3,0 kp/cm²
Schmiermethode	Ölzuführung zur Welle
Testzeit	20 h
Material der Welle	S55C
Rauhigkeit der Welle	1,0 R_max µm
Härte der Welle	55<H_RC

Bewertungsmethode
Bei den Probekörpern wurde eine Ermüdung angenommen, wenn das Gebiet mit Ermüdungserscheinungen im Ver hältnis zur Projektionsfläche des Lagers nicht weni ger als 5% betrug.

Tabelle 4 Bedingungen für den Test auf fressenden Verschleiß

Testvorrichtung zur Bestimmung der Statischen Belastung

Einheit
Innerer Durchmesser des Lagers
53 Durchmesser×13 Länge×1,5 Dicke mm
Umdrehungen	3000 UpM
Geschwindigkeit	10,0 m/s
Schmieröl	SAE209
Einlaßtemperatur	98∼102°C
Menge des zugeführten Öls	12,5 cm³/min
Material der Welle	S55C
Rauhigkeit der Welle	1,0<R_max µm

Testmethode
Eine stufenweise Methode in der die Last alle 10 Minu ten um 50 kp/cm² erhöht wird.

Bewertungsmethode
Ein fessender Verschleiß wird angenommen, wenn die Temperatur der Lagerrückseite 220°C übersteigt oder der elektrische Strom 20 A übersteigt.

Die vorliegende Erfindung erreicht die folgenden vorteilhaf ten Wirkungen:

1) Wie man den Resultaten des Ermüdungstests in Tabelle 5 entnehmen kann, hat jedes der Lager der vorliegenden Er findung eine verbesserte Ermüdungsbeständigkeit im Ver gleich zu den Lagern nach dem Stand der Technik. Dies wird erreicht durch eine Begrenzung des Sn-Gehalts auf nicht mehr als 50%.
2) Wie man den Resultaten des Tests auf fressenden Ver schleiß in Tabelle 6 entnehmen kann, hat jedes der Lager der Erfindung eine bessere Beständigkeit gegen fressen den Verschleiß als die Lager nach dem Stand der Technik. Dies wird erreicht durch die Tatsache, daß Pb zugefügt wird, um mit Sn legiert zu werden und dadurch die Schmiereigenschaft von Sn verbessert.
3) Wie man den vorhergehenden Testresultaten entnehmen kann, ist jedes der Lager der vorliegenden Erfindung, verglichen mit den Lagern nach dem Stand der Technik, in Bezug auf die Ermüdungsbeständigkeit verbessert, ohne daß die Beständigkeit gegen fressenden Verschleiß beein trächtigt würde.
4) Deshalb können die Produkte der Erfindung die zugrunde liegende Aufgabe erfüllen. Die Produkte der Erfindung können nämlich in passender Weise als Lagermetall für die neuen groß-dimensionierte Motoren verwendet werden, die eine erhöhte Ermüdungsbeständigkeit erfordern.

Claims

1. Lagermetall für groß-dimensionierte Motoren, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Stützmetallstahl schicht, eine auf der genannten Stützmetallstahlschicht ge bildete Bindungsschicht aus Al oder einer Al-Legierung und eine auf der genannten Bindungsschicht gebildete Schicht aus einer Lagerlegierung enthält, wobei die genannte Schicht aus der Lagerlegierung aus 40 bis 50 Gew.-% Sn, 0,5 bis 10 Gew.-% Pb, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Cu und zum Rest Al und erschmelzungs bedingten Verunreinigungen besteht.

2. Lagermetall für groß-dimensionierte Motoren dadurch gekennzeichnet, daß es eine Stützmetallstahl schicht, eine auf der genannten Stützmetallstahlschicht ge bildete Bindungsschicht aus Al oder einer Al-Legierung, eine auf der genannten Bindungsschicht gebildete Schicht aus einer Lagerlegierung und eine auf der genannten Schicht aus der La gerlegierung gebildete Oberflächenschicht, hergestellt aus einem Material aus der Gruppe Pb, Sn, und Legierungen davon, enthält, wobei die genannte Schicht aus der Lagerlegierung aus 40 bis 50 Gew.-% Sn, 0,5 bis 10 Gew.-% Pb, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Cu und zum Rest Al und erschmelzungsbedingten Verun reinigungen besteht.

3. Lagermetall nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die genannte Schicht aus der Lagerlegierung weiterhin insgesamt nicht mehr als 5 Gew.-% eines Materials aus der Gruppe Mn, Ni, Si, Ag, Mg, Sb und Zn, enthält.