DE4312537C2

DE4312537C2 - Mehrschichtgleitlager aus Aluminiumlegierungen mit überlegener Verträglichkeit und überlegener Ermüdungsbeständigkeit

Info

Publication number: DE4312537C2
Application number: DE4312537A
Authority: DE
Inventors: Tadashi Tanaka; Masaaki Sakamoto; Yoshiaki Sato
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 1992-04-28
Filing date: 1993-04-16
Publication date: 1997-06-12
Anticipated expiration: 2013-04-17
Also published as: KR960003902B1; KR930021807A; GB9308798D0; DE4312537A1; JPH05302626A; GB2266564A; JPH0819946B2; GB2266564B; US5362574A

Description

Die Erfindung betrifft ein Mehrschichtgleitlager auf der Basis einer Aluminiumlegierung mit überlegener Verträg lichkeit bzw. Toleranz und überlegener Ermüdungsbeständig keit, das in starken Motoren von Automobilen und allgemei nen technischen Maschinen eingesetzt werden soll.

In der japanischen Patentschrift Nr. 62-14024 wird als ein herkömmliches Lager auf der Basis einer Aluminiumlegierung ein Lager beschrieben, bei dem das Lager eine Schicht aus einer Al-Sn-Legierung und ein Stützmetall aufweist, welche beide miteinander durch eine Zwischenbindungsschicht aus Al oder einer Al-Legierung verbunden sind. Die Härte ist niedrig, so daß durch Span-abhebende Fertigung ein Lager hergestellt werden kann. Die nichtgeprüfte japanische Pa tentpublikation Nr. 3-168411 beschreibt ein weiteres La ger, bei dem eine harte Al-Lagerlegierungsschicht und ein Stützmetall miteinander durch eine gut ausgewogene ver stärkende Zwischenschicht verbunden sind.

Von diesen herkömmlichen Lagern hat das erste eine ausge zeichnete Verträglichkeit und Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß, was wichtige Eigenschaften für ein Gleitlager sind. Mit dem Fortschritt der Geschwindigkeits erhöhung und Leistungssteigerung von Verbrennungsmotoren in den letzten Jahren ist jedoch die auf das Lager aus geübte Last ebenfalls stark erhöht worden. Dies führt zu dem Problem, daß Ermüdungserscheinungen und Rißbildungen insbesondere in der Zwischenbindungsschicht auftreten kön nen. Was das letztgenannte Lager betrifft, so ist es ande rerseits dringend erforderlich geworden, eine ausgezeich nete Ermüdungsbeständigkeit und eine derartige Verträg lichkeit bzw. Toleranz zu haben, daß das Lager einem Ver ziehen des Gehäuses und einer Veränderung der Wellenform folgen kann, wenn es als Hauptlager des Motors verwendet wird.

Aus der DE 40 37 746 A1 ist ein aus drei Schichten beste hendes Lager auf Basis von Aluminiumlegierungen bekannt, das aus einer Stahlstützschicht, einer Zwischenschicht aus einer Aluminiumlegierung mit 0,3 bis 5% Mangan, Kupfer und/oder Magnesium und Aluminium als Rest, sowie aus einer Lagerlegierungsschicht aus einer Aluminium-Zinn-Silicium- Legierung besteht, wobei die Zwischenschicht eine Härte von 40% bis 70% der Härte der Lagerlegierungsschicht, aus gedrückt in Vickers-Härte, besitzt.

Die US 4 471 029 beschreibt Legierungen für die Lager schicht von Mehrschichtgleitlagern, die aus 0,5 bis 5% Silicium, 1,5 bis 35% Zinn und Aluminium als Rest beste hen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Mehrschichtlager auf Ba sis von Aluminiumlegierungen (Gleitlager) bereitzustellen, das sowohl hinsichtlich der Verträglichkeit bzw. der Tole ranz als auch der Ermüdungsbeständigkeit ausgezeichnete Eigenschaften aufweist, und bei dem die oben genannten Probleme überwunden worden sind.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.

Gegenstand der Erfindung sind Mehrschichtlager mit der in den Patentansprüchen angegebenen Zusammensetzung.

Als nächstes werden die Gründe für die Gehaltgrenzen der einzelnen Schichten des erfindungsgemäßen Lagers näher er läutert.

(1) Die Härte der Lagerschicht aus der Aluminiumlegierung ist geringer als eine Vickers-Härte von 50 und die Härte der Zwischenbindungsschicht liegt im Bereich von minde stens 60% der Vickers-Werte der Lagerschicht aus der Alu miniumlegierung bis höchstens 120% der Vickers-Härte der Lagerschicht aus der Aluminiumlegierung.

Wenn die Härte der Lagerschicht aus der Aluminiumlegierung nicht weniger als eine Vickers-Härte von 50 ist, dann ist es un möglich, eine derartige Verträglichkeit bzw. Toleranz zu erhalten, so daß Verzerrungen bzw. Mißausrichtungen des Gehäuses und Veränderungen der Schaftform kompensiert bzw. ausgeglichen werden, wenn das Lager als Hauptlager des Mo tors verwendet wird. In diesem Falle fehlt nämlich dem La ger aus der Aluminiumlegierung die notwendige Verträglich keit und Anpaßbarkeit an die Welle.

Wenn die Härte der Zwischenbindungsschicht weniger ist als 60% der Härte der Lagerschicht aus der Aluminiumlegierung, dann kommt es bei der Verwendung des Lagers bei scharfen Bedingungen zu dem Problem, daß die Hauptkomponenten der Aluminiumlegierung der Lagerschicht in die Zwischenbin dungsschicht hineindiffundieren oder daß die Zwischenbin dungsschicht selbst an Ermüdungserscheinungen, Deformatio nen oder Rissen leidet.

Wenn andererseits die Härte der Zwischenbindungsschicht mehr als 120% der Härte der Lagerschicht aus der Alumini umlegierung beträgt, dann wird in unerwünschter Weise die Verträglichkeit bzw. Toleranz der Lagerlegierungsschicht verschlechtert.

(2) Die Gründe für die Gehaltgrenzen der Elemente der Alu miniumlagerlegierungsschicht sind wie folgt:

(2.1) Sn : 7 bis 15 Gew.-%

Diese Komponente verbessert das Oberflächenverhalten, wie die Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß, die Verträglichkeit bzw. Toleranz und die Einbettbarkeit als Lager. Wenn die zugegebene Menge von Sn weniger als 7% be trägt, dann ist dieser Effekt nicht ausreichend, während umgekehrt, wenn der Gehalt über 15% hinausgeht, die mecha nischen Eigenschaften der Lagerlegierungsschicht ver schlechtert werden, wodurch es unmöglich wird, das Lager bei scharfen Betriebsbedingungen einzusetzen.

(2.2) Si : 0,5 bis 3 Gew.-%

i) Si liegt in der Al-Matrix im Zustand einer festen Lö sung oder kristallisiert als Si-Teilchen mit hoher Härte vor, wodurch die Festigkeit der Legierung erhöht wird.
ii) Da die Si-Teilchen dispergiert sind, wird nur die Al- Matrix der Oberfläche, die weich ist, durch Verschleiß entfernt, so daß bei der Beobachtung im Mikroskop festge stellt wird, daß die Oberfläche ungleichmäßig gemacht wor den ist. Das Si wirkt in den konvexen Teilen dahingehend, daß eine hohe Last unter Aufrechterhaltung der Adhäsions beständigkeit getragen wird, während die konkaven Teile als Ölsumpf wirken. Auf diese Weise wird es möglich, den Bedingungen einer hohen Last eines dünnen Ölfilms und so gar eines Metall-Metall-Kontakts zu widerstehen.
iii) Die feinverteilten Si-Teilchen haben die Funktion, die Kante und Grate der paarenden Welle zu polieren, wo durch die Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß verbessert wird.
iv) Wenn die zugegebene Menge von Si weniger als 0,5% be trägt, dann können die oben beschriebenen erwarteten Ef fekte nicht erhalten werden. Wenn sie andererseits über 3% hinausgeht, dann wird die Lagerschicht aus der Aluminium legierung brüchig, was zu einer Verschlechterung der pla stischen Bearbeitbarkeit beim Walzen oder dergleichen führt.

(2.3) Mn, Mg, V, Ni : 0,01 bis 3 Gew.-% insgesamt

Um die Ermüdungsfestigkeit zu erhöhen, liegen diese Kompo nenten im Zustand einer festen Lösung in der Al-Matrix oder kristallisiert als zwischenmetallische Verbindung vor. Wenn die zugegebene Menge dieser Komponenten weniger als 0,01% ist, dann ist der erwartete Effekt nicht ausrei chend, während umgekehrt bei Mengen über 3% die Verträg lichkeit bzw. Toleranz verschlechtert wird und auch die plastische Verarbeitbarkeit verschlechtert wird.

(2.4) Cu : 0,2 bis 5 Gew.-%

Die Festigkeit der Al-Matrix wird durch Kupfer erhöht. Cu ist sehr wirksam um die Ermüdungsbeständigkeit zu erhöhen.

Wenn die zugegebene Menge weniger als 0,2% beträgt, dann ist dieser Effekt nicht ausreichend, während umgekehrt bei Mengen über 5% die Lagerschicht aus der Aluminiumlegierung zu hart wird, was dazu führt, daß die Verträglichkeit bzw. Toleranz und die plastische Verarbeitbarkeit verschlech tert wird.

(2.5) Pb : 0,1 bis 3 Gew.-%

Die Span-abhebende Bearbeitbarkeit und die Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß werden durch dieses Ele ment verbessert. Wenn die zugegebene Menge von Pb weniger als 0,1% beträgt, dann ist dieser Effekt nicht ausrei chend, während es umgekehrt bei Mengen über 3% sehr schwierig wird, daß sich das Pb gleichförmig in der Al-Ma trix dispergiert. Weiterhin wird im Falle, daß der Anteil von Pb über 3% hinausgeht, sogar die Festigkeit beein trächtigt.

(2.6) Sb : 0,1 bis 3 Gew.-%

Die mechanische Eigenschaft der Al-Matrix wird durch die ses Element verbessert. Wenn weiterhin Sb und Pb gleich zeitig vorhanden sind, dann hat das Sb den Effekt, daß das Pb in dem Al fein und gleichförmig dispergiert wird.

Wenn die zugegebene Menge von Sb weniger als 0,1% beträgt, dann ist dieser Effekt nicht ausreichend, während umge kehrt bei Mengen über 3% die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Dehnung, in ungünstiger Weise verringert werden.

(2.7) Ti : 0,01 bis 1 Gew.-%

Um die Ermüdungsbeständigkeit zu erhöhen, wird das Ti dazu veranlaßt, im Zustand der festen Lösung in der Al-Matrix oder kristallisiert als intermetallische Verbindung vorzu liegen. Wenn die zugegebene Menge von Ti weniger als 0,01% beträgt, dann ist dieser Effekt nicht ausreichend, während umgekehrt bei Mengen über 1% die Verträglichkeit bzw. To leranz und die plastische Verarbeitbarkeit verschlechtert werden.

(3) Zwischenschicht aus der Aluminiumlegierung

(3.1) Si, Cr, Zr, Ti, B, V, Fe : mindestens ein Element davon liegt in einer Gesamtmenge von 0 bis 3 Gew.-% vor.

Diese verstärkenden Elemente liegen in der Al-Matrix im Zustand einer festen Lösung vor, oder sie sind fein kri stallisiert oder ausgefällt, ohne daß irgendeine rauhe Verbindung gebildet wird.

Wenn die zugegebene Menge von mindestens einem der oben genannten Elemente über insgesamt 3 Gew.-% hinausgeht, dann wird die Zwischenschicht aus der Aluminiumlegierung zu hart.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen nä her erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 die Ergebnisse eines ersten Tests auf Ermüdung des Lagers; und

Fig. 2 die Ergebnisse eines zweiten Tests auf Ermüdung des Lagers.

Nachstehend wird die vorliegende Erfindung anhand bevor zugter Ausführungsformen näher erläutert.

Die Tabellen 1 und 2 zeigen die chemische Zusammensetzung von Lagerlegierungsschichten und Zwischenbindungsschichten von herkömmlichen (Vergleichs-)Lagern und erfindungsgemä ßen Lagern.

Die in den Tabellen 1 und 2 angegebenen Komponenten wurden üblichen Gieß- und Walzverfahren unterworfen, um Bleche aus der Aluminiumlagerlegierung und Bleche aus der Alumi niumlegierung für die Zwischenbindungsschicht herzustel len. Danach wurden die Bleche aus der Aluminiumlegierung für die Zwischenbindungsschicht auf die Oberfläche der Aluminiumlagerlegierungsblätter aufgelegt und miteinander mittels Walzen unter Bildung von Aluminiumverbundblechen druckverschweißt.

Ein Streifen aus kohlenstoffarmem Stahl (enthaltend 0,04 bis 0,35 Gew.-% Kohlenstoff), der als Stahlstützmetall diente, wurde auf das Verbundblech an der Seite der Zwi schenbindungsschicht aus der Aluminiumlegierung überlap pend aufgelegt, und das Ganze wurde mittels Walzen bei ei ner Reduktionsrate von 35 bis 50% druckverschweißt. Auf diese Weise wurden Mehrschichtlager aus Aluminiumlegierungen nach dem Stand der Technik und gemäß der Erfindung erhal ten.

Bei den so erhaltenen Mehrschichtlagern aus Aluminiumlegie rungen lag die Dicke der Zwischenbindungsschicht im Be reich von 0,02 bis 0,06 mm und die Dicke der Stützmetall schicht im Bereich von 1,17 bis 1,23 mm, wobei die Gesamt dicke jedes Materials 1,5 mm betrug.

Die Vickers-Härte der Lagerlegierungsschicht und der Zwi schenbindungsschicht und der Wert von (Härte der Zwischen bindungsschicht)/(Härte der Lagerlegierungsschicht) × 100 der einzelnen Lager sind in den Tabellen 1 und 2 zusammen gestellt.

Die Lager wurden unter Anwendung von zwei Arten von Ermü dungstests (Ermüdungstest , Ermüdungstest ) getestet.

Die Testbedingungen sind in den Tabellen 3 und 4 zusammen gestellt. Die Testergebnisse sind in den Fig. 1 und 2 gezeigt.

Bei dem Ermüdungstest wird die Testwelle in gleichförmi gen Kontakt mit den Testlagern gebracht, während bei dem Ermüdungstest die Testwelle in einen sehr unebenen Kon takt mit den Lagern über das gewöhnliche Ausmaß hinaus ge bracht wird, so daß die Lager eine große Verträglichkeit bzw. Toleranz haben müssen.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wurde keine Deckschicht verwendet, um die Effekte der Lagerlegierungs schicht und der Zwischenbindungsschicht klar aufzuzeigen. Es ist jedoch möglich, die gleichen Effekte, wie hierin beschrieben, selbst dann zu erhalten, wenn eine Deck schicht, beispielsweise aus einer Pb-Legierung darauf, ausgebildet wird.

Um weiterhin die Bindungsfestigkeit zu der Lagerschicht aus der Aluminiumlegierung zu verbessern, kann eine Zwi schenschicht von Cu oder Ni oder einer Legierung davon zwischen der Lagerschicht aus der Aluminiumlegierung und der Deckschicht vorgesehen sein.

Bei den in Tabelle 1 gezeigten Testlagern sind die Lager Nr. 1 bis Nr. 15 Vergleichslager zu den erfindungsgemäßen Lagern. Unter diesen haben die Lager Nr. 1, Nr. 3 und Nr. 14 jeweils eine Zwischenbindungsschicht mit einer Härte, die höher ist als die erfindungsgemäß begrenzte Obergrenze der Härte. Andererseits sind die Testlager Nr. 16 bis Nr. 29 der Tabelle 2 erfindungsgemäße Lager, in denen Lagerle gierungen entsprechend denjenigen der vorgenannten Ver gleichslager Nr. 1 bis Nr. 14, soweit es die chemische Zu sammensetzung betrifft, verwendet wurden. In Lager Nr. 15 wurde eine Lagerlegierung verwendet, die eine höhere Härte hatte, als die erfindungsgemäße Härtegrenze.

Die Analyse der Testergebnisse (Fig. 1 und 2) zeigt die folgenden Tatsachen auf. Die Ergebnisse des Ermüdungstests beweisen, daß bei allen erfindungsgemäßen Lagern eine Ermüdung bei einer höheren Last als bei den Vergleichsla gern auftritt, mit der Ausnahme, daß die Vergleichslager Nr. 1, Nr. 3 und Nr. 14 die gleichen Ergebnisse wie die Lager Nr. 16, Nr. 18 und Nr. 29 gemäß der Erfindung zei gen. Bei dem Ermüdungstest wurden bei den erfindungsge mäßen Lagern wesentlich bessere Ergebnisse erhalten als im Falle der Vergleichslager. Insbesondere trat selbst bei den Vergleichslagern Nr. 1, Nr. 3 und Nr. 14, die in Ermü dungstest den erfindungsgemäßen Lagern in keiner Weise unterlegen waren, bereits bei niedrigen Lasten eine Ermü dung auf. Als Grund hierfür wird angenommen, daß diesen Lagern die Verträglichkeit bzw. Toleranz und die Dämp fungsfähigkeit als Lager fehlt. Weiterhin erfolgte beim Lager Nr. 15, obgleich dies ausweislich der Ergebnisse des Ermüdungstests eine sehr gute Ermüdungsbeständigkeit zeigte, beim Ermüdungstest eine Ermüdung bei einer uner wartet niedrigen Last in manchen Fällen, wenn die Welle einen sehr ungleichmäßigen Kontakt mit dem Lager hatte.

Testbedingungen
Ermüdungstest 1
Testvorrichtung
Ermüdungstestvorrichtung

vom Soda-Typ
Umdrehungsgeschwindigkeit\|4000 U.p.m.
Testzeit	20 h
Umfangsgeschwindigkeit	11,1 m/sek.
Temperatur des Schmieröls	120°C
Druck des Schmieröls	0,3 MPa
Schmieröl	Motoröl 20

Testbedingungen
Ermüdungstest 2
Testvorrichtung
Ermüdungstestvorrichtung

vom Saphir-Typ
Umdrehungsgeschwindigkeit\|3250 U.p.m.
Testzeit	20 h
Umfangsgeschwindigkeit	9,0 m/sek.
Temperatur des Schmieröls	120°C
Druck des Schmieröls	0,3 MPa
Schmieröl	Motoröl 20

Claims

1. Mehrschichtlager aus Aluminiumlegierungen mit überle gener Verträglichkeit und überlegener Ermüdungsbeständig keit mit einem Stahlstützmetall, einer an das Stahlstütz metall gebundenen Zwischenbindungsschicht und einer an die Zwischenbindungsschicht gebundenen Lagerschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerschicht aus einer Aluminiumlegierung mit 7 bis 15 Gew.-% Zinn, 0,5 bis 3 Gew.-% Silicium und Aluminium als Rest mit erschmel zungsbedingten Verunreinigungen besteht, wobei die Härte der Lagerschicht geringer als eine Vickers-Härte von 50 ist, daß die Zwischenbindungsschicht aus einer Aluminium legierung mit mindestens einem Element aus der Gruppe: 0 bis 1,7 Gew.-% Mangan, 0 bis 1,2 Gew.-% Kupfer und 0 bis 1,8 Gew.-% Magnesium und Aluminium als Rest mit erschmel zungsbedingten Verunreinigungen besteht, und wobei die Vickers-Härte der Zwischenbindungsschicht im Bereich von 60% bis 120% der Vickers-Härte der Lagerschicht beträgt.

2. Mehrschichtlager nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung der Lagerschicht weiterhin mindestens ein Element aus der Gruppe: 0,2 bis 5 Gew.-% Kupfer, 0,1 bis 3 Gew.-% Blei, 0,1 bis 3 Gew.-% Antimon und nicht mehr als insgesamt 3 Gew.-% ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe: Mangan, Magnesium, Vanadium, Nickel und Titan enthält, wobei die Gesamt menge von Mangan, Magnesium, Vanadium und Nickel im Be reich von 0,01 bis 3% liegt und wobei der Gehalt an Titan 0,01 bis 1 Gew.-% beträgt.

3. Mehrschichtlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung der Zwischenbindungsschicht weiterhin mindestens ein Ele ment aus der Gruppe: Silicium, Chrom, Zirkonium, Titan, Bor, Vanadium und Eisen enthält, wobei die Gesamtmenge da von nicht mehr als 3 Gew.-% beträgt.

4. Mehrschichtlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Ober fläche der Lagerschicht eine Deckschicht aus Zinn, Blei oder einer Legierung mit Zinn und/oder Blei als Hauptkom ponenten aufgebracht ist.

5. Mehrschichtlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Ober fläche der Lagerschicht oder der Deckschicht eine Flash plattierte Schicht aus Zinn oder Blei oder einer Legierung mit Zinn und/oder Blei als Hauptkomponenten aufgebracht ist.