DE2504256C2 - Hochbelastbare Aluminiumlagerlegierung - Google Patents

Description

Cadnium,
Kupfer,
Nickel,

Mangan und Reinaluminium

bis 3,5%
1,0% bis 13%
0,75% bis 1,25%
1.25% bis 1,75%

mit zulässigen Beimengungen als Rest besteht.

Die Erfindung betrifft eine hochbelastbare Aluminium-Lagerlegierung aus Cadmium. Kupfer. Nickel, Mangan und Aluminium mit zulässigen Beimengen als Rest.

In der DE-PAW 127l/40b ist eine Lagerlegierung beschrieben, die (theoretisch) diese Komponenten enthalten kann. Die Patentschrift lehrt, daß Blei in einer Menge von 0,5 bis 8% einer Aluminiumlegierung Gleitcigenschaften verleiht, und daß das Blei ganz oder tciH» eise von anderen Metallen, u. a. ist Cadmium gci'.innt. ersetzt »erden kann. Kupfer kann in einer Menge von 0.6 bis 10% vorliegen. Zur Abwandlung mechanischer Eigenschaften (welche ist nicht angege ben) kann die Legierung u. a. auch Nicke!. Eisen und Mangan, jeweils in Mengen bis zu 2%, enthalten. Die bekjnntc Legierung ist insbesondere für Gleitlager im Kleinmaschinenbau bestimmt.

Die Erfindung itt auf hochbelastbare La^crlegierun gen. insbesondere des Typs gerichtet, der sich zur Herstellung von Lagerbestandteilen zur Verwendung in kolbcnbrennkraftmotoren hoher Leistung eignet. Eine typische hochbelastbare Aluminiumlagerlegierung der Art. wie sie bisher fur solche Lagerweikstoffe verwendet wurde, ist in der US-PS 27 60 860 offenbart. Außer dieser Lagerlegierung sind viele alternative Aluminiumlegierungen zur Herstellung von Lagerbc standtcilcn. welche hohen Beanspruchungen ausgesetzt werden, beispielsweise Pleuelstangen und Haupilagcr von Brennkraftmotoren, einschließlich Dieselmotoren, sowie Druckscheiben. Futter und Gleit- und Flanschteger in anderen Teilen des Motors und Getricbebestandteile von f ahrzeugantriebssystemen. vorgeschlagen und verwendet worden.

Die zunehmende Verschärfung von Betriebsbedin gungen. denen Lager des vorstehenden Typs infolge von Konstruktionsneuerungen zur Erhöhung der Leistung von Brennkraftmotoren ausgesetzt sind, hat unter Umständen zum vorzeitigen Versagen von Lagerlegic rungen des Standes der Technik geführt. Abwandlungen solcher Legierungen zur Verbesserung ihrer mechanischen Fcstigkeitseigenschaften und ihrer Ermüdungsbeständigkeit, sogar besondere Wärmebehandlungen des Lagerbestandteils nach Formverfahren, sind bisher wegen der schädlichen Wirkung solcher Abwandlungen auf andere erwünschte und notwendige Eigenschaften, einschließlich Beständigkeit der Lagerfutter gegen Korrosion. Kavitation und Abrieb, sowie ihre Gleitfähigkeit. Einbettungsfähigkeit und Anpassungsfähigkeit ohne Erfolg gewesen. Die Eigenschaft der Legierung, kontinuierlich gießbar zu sein und zu einem streifenförmigen Werkstoff gewalzt werden zu können, ohne daß sie Seigerung und/oder Warmsprödigkeit zeigt, und daß

ϊ sich der Lagerwerkstoff nachfolgend durch Walzen mit einem Träger aus Stahl verbinden läßt, sind ebenfalls notwendige Voraussetzungen für eine kommerziell annehmbare Lagerlegierung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

lu Aluminium-Lagerlegierung zu schaffen, die neben den anderen erwünschten guten Eigenschaften einen erheblich besseren Ermüdungswiderstand als die bekannten Aluminium-Lagerlegierungen aufweist.

Die Aufgabe wird durch eine hochbelastbare

Aluminium-Lagerlegierung nach dem Patentanspruch gelöst.

Es ist gefunden worden, daß sich Aluminium-Lagerlegierungen mit erheblich verbessertem Ermüdungswiderstand ohne Verschlechterung der anderen er-

>o wünschten Eigenschäften erhalten lassen, wenn man Cadmium. Kupfer, Nickel und Mangan zusetzt. und zwar innerhalb bestimmter enger Konzentrationsbereiche. Die erfindungsgemäße Legierung weist auch eine Verbesserung der Zugfestigkeit auf und läßt sich unter Anwendung herkömmlicher Massenproduktionsverfahren, ohne spezielle Wärmebehandlung, herstellen und /u Lagerbestandteilen verarbeiten.

Es ist gefunden worden, daß Mangan in Kombination mit Kupfer und Nickel als Legierungsbestandteil eine

ίο unerwartete Zunahme in der Zugfestigkeit. Streckgrenze. Ermüdungsbeständigkeit und Härte des Lagermaterials ergibt, während es gleichzeitig ausgezeichnete Beständigkeit gegen Korrosion und Abrieb sowie ausgezeichnete Gleitfähigkeit. Einbettungsfähigkeit und

}5 Anpassungseigenschaften schafft.

Mit der Lagerlegierung nach der Erfindung lassen sich \ erbund- oder Bimetallstreifen herstellen, welche einen Träger aus Stahl enthalten, auf dessen einer oder auf beiden Oberflächen ein Futter der Lagerlegierung bruchfest aufgebrach: ist. Der Verbundliigerwerkstoff läßt sich herstellen, indem man einen Streifen der Aluminium-Lagerlegirrung auf einen Stahlstreifen legt, deren einander zugewandte Flächen vorgereinigt worden sind, das Ganze auf eine erhöhte Temperatur

4S von etwa 315 C bi* etwa 427 C erhitzt und danach Druck aufbringt, beispielsweise durch Walzen, um eine Verminderung in der Dicke des Aluminiumlegieriingsstrcifens vor etwa 40% bis etwa 70% zu bewirken und gleichzeitig ein Verschweißen oder der beiden Streifen zu einer Einheit zu erzielen. D«*r sich ergebende Bimetallstreifen kann leicht nach herkömmlichen Arbeitsweisen in Gleit- und Flanschlager und Futter der gewünschten Größe und Gestalt geschnitten, gestanzt, gepreßt und geformt werden. Die t-agerflächen der sich ergebenden l.agerbestandteile werden vorzugsweise mit einer metallischen Auflage, beispielsweise Zinn. Blei. Kupfer. Indium und Legierungen daraus, beispielsweise einer Blei-Zinn Kupfer Legierung versehen, um Einreiß und Hochbelastleistung zu steigern.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung.

Die Prozentangaben in der Beschreibung und in den Ansprüchen bedeuten Gewichtsprozent, wenn nicht ander 3 vermerkt.

Die Aluminium-Lagerlegierung besteht aus 2.5% bis 3,5% Cadmium, 1,0% bis 1,5% Kupfer, 0,75% bis 1,25% Nickel. 1,25% bis 1,75% Mangan und Aluminium mit zulässigen Beimengungen als Rest. Gemäß einer

bevorzugten Ausführungsform enthält die Aluminium-Lagerlegierung nominell 3,0% Cadmium, 1,25% Kupfer, 1,0% Nickel, 1,5% Mangan und Rest Aluminium mit zulässigen Beimengungen.

Das Cadmium verleiht der Lagerlegierung Schmierfähigkeit und Gleitfähigkeit, um die gewünschten Laufeigenschaften zu schaffen Es wurde gefunden, daß Cadmium unter 2.5% unzureichende Schmierfähigkeit ergibt, wogegen Mengen über 3,4% zu Seigerung und Warmsprödigkeit führen, wodurch die Fähigkeit zum Herstellen durchgehender Gußteile der Aluminium-Lagerlegierung beeinträchtigt wird.

Kupfer und Nickel verleihen der Legierung Härte und Festigkeit. Kupfer- und Nickelmengen unter dem spezifizierten Minimum führen zu unzureichender Härte, Zähigkeit und Zugfestigkeit in der resultierenden Legierung, wogegen Mengen dieser beiden Bestandteile über den spezifizierten Maximalwerten zu übermäßiger Härte und Brüchigkeit führen, wodurch die Lagerkennzahlen des Materials beeinträchtigt werden, während gleichzeitig die Schwierigkeit zum Verarbeiten der Legierung und zum Herstellen von Lagerbeslandteilen daraus zunimmt.

Mangan in Kombination mit Kupfer und Nickel tragt zu einer unerwarteten Verbesserung in den mechanischen Eigenschaften und der Errr.üdiingsbeständigkeit der Lagerlegierung bei; wenn es innerhalb der Grenzen von 1.25% bis 1.75% verwendet wird, beeinträchtigt es die anderen wünschenswerten Lagerkennzahlen der Legierung nicht. Es wurde gefunden, daß Mangan unter 1.25% der Legierung unzureichende Zugfestigkeit und Ermudungsbestandifkc.it verleiht, wogegen Mengen von über 1.75% eine Verminderung an Härte. Zugfestigkeit und Ermüdungsbesta.idigkeit in der Legierung bewirken und ebenfalls Seigerung und Ungleichmäßigkeit der Legierung . ahrend eines kontinuierlichen Gießens daraus verursachen. Mangan wird vorzugsweise als Vorlegierung aus Aluminium-Mangan zugesetzt.

Außerdem kann die Legierung zulässige Beimengungen enthalten, welche man gewöhnlich in Handclsqualitäten der Legierungsbestandte-Ie antrifft und welche die wünschenswerten Lagereigenschaften der Legierung nicht nachteilig beeinflussen. Unter den vorhandenen zulässigen Beimengungen überwiegt Eisen und kann in Mengen bis zu etwa 03% und vorzugsweise unter etwa 0.3% zugelassen werden, Eisenmengen wesentlich über 03% verursachen eine Verminderung in den Reibungscharakteristiken der Legierung infolge der Bildung unerwünschter harter Stellen in dem Lagerfutter, welche zu übermäßigem Wellenverschleiß beitragen. Eine überschüssige Eisenmenge trägt auch zur Seigerung der Legierung während des kontinuierlichen Gießens bei.

Die vorstehende Lagerlegierung wird nach Gießen und Walzen durch Erhitzen auf eine Temperatur von etwa 482"C während einer Stunde getempert und danach langsam gekühlt. Im allgemeinen könnt·· Temperaturen von etwa 400°C bis etwa 510"C und Zeitspannen von etwa einer halben bis etwa drei Stunden während der Temperbehandlung angewandt werden. Der resultierende getemperte Streifen hat folgende Eigenschaften: eine Härte von 59, gemessen an -, einer Rockwell-Skala (Rl5T); eine Zugfestigkeit von 193,05 MPa; eine Elastizitätsgrenze von 7239 MPa; eine Dehnung von 26%. Der sich ergebende Legierungsstreifen wurde nachfolgend mit einem Unterlagestreifen aus Stahl durch Walzen verbunden, wobei ein Verbindungs-

in verfahren durch Walzen angewandt wurde, wit es nachfolgend beschrieben wird. Das sich ergebende Futter nahm als ein Ergebnis der Kaltverfestigung, welcher es unterworfen wurde, an Härte (75 R 15T) zu, hatte eine Zugfestigkeit von 248,2! MPa, eine

ii Elastizitätsgrenze von 234,42 MPa und eine Dehnung von ~-°/o.

Besonders zufriedenstellende Ergebnisse werden erhalten, wenn die Legierung in der Form eines Futters auf der Fläche eines Unterlagestreifens aus bspw.

.ip Flußstahl, verwendet wird. Beispielsweise kann der Stahlstreiftn sowohl aus SAE 1010 als auch SAF. 1020 und !0K) oder dergleichen sein Das Verbinden der Aluminium-Lagerlegierung mit der Fläche des Unterlagematerials kann durch irgendeine der verschiedenartig

?) gen Verfahren erzielt werden, von denen die kontinuierliche Verbindungsmeihode durch Walzen, wie sie in der US-PS 30 78 563 beschrieben ist, ein bevorzugtes Verfahren darstellt. Geiiäß der in der vorerwähnten US-PS offenbarten Walzenanordnung ist der Druck.

ίο welcher auf die äußere Fläche des Aluminiumstreifens ausgeübt wird, wesentlich größer als der auf den Stahlstreifen angelegte, wodurch eine Kaltverfestigung der Stahlunterlage auf das Mindestmaß zurückgeführt wird, während gleichzeitig eine Dickenverminderung in dem Aluminiumstreifen von mindestens 40% und vorzugsweise von 50% bis 75% und mehr gewährleistet ist. Es werden besonders befriedigende Ergebnisse mit der vorliegenden Lagerlegierung erzielt, wenn die beiden aufeinandergelegten Streifen auf eine Temperatür von eiwa 315''C bis et*a 4?7 C · orerhitzt sind, wenn sie in die Walzenanordnung eintreten.

Beschleunigte Laboratonumsmotoi prüfung von Pleuellagern, welche mit der erfindungsgemaßen Lagerlegierung hergestellt waren, wurden durchgeführt. Die Legierung bestand aus 3% Cadmium. 1.25% Kupfer. 1 % Nickel. 1.5% Mangan und Aluminium mit den zulässigen Beimengungen als Rest. Der Legierung war eine Blei-Zinn-Kupfer-Legierung (SAK !9) einer Dicke von 0.0025 bis 0,005 mm aufgalvanisiert, so daß die Gleitflächen ausgezeichnete Gleitfähigkeit und ßcsiän digkeit gegen Korrosion. Ermüdung und Abrieb besaßen, während sie gleichzeitig gute Einbettungsf» higkeits- und Anpassungscharaktenstiken aufwiesen Lager der vorstehenden Art zeigten überlegene Leistung und Lebensdauer im Vergleich zu Lagern, welche aus alternativen Aluminium-Lagerlegierungen der bisher verwendeten Typen hergestellt waren, wenn sie identischen Prüfbedingungen unterworfen wurden.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Hochbelastbare Aluminium-Lagerlegierung aus Cadmium, Kupfer. Nickel, Mangan und Aluminium mit zulässigen Beimengungen als Rest, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerlegierung zur Erzielung hohen Ermüdungswiderstands aus