DE69510360T2

DE69510360T2 - Bimetallisches Folienband für Gleitlager und Verfahren zur Herstellung dieses Bandes

Info

Publication number: DE69510360T2
Application number: DE69510360T
Authority: DE
Inventors: Denys Da Cunha Flores; Joaquim De Oliveira Ramos; Carlos Dos Santos
Original assignee: Metal Leve SA Industria e Commercio
Current assignee: Metal Leve SA Industria e Commercio
Priority date: 1994-10-13
Filing date: 1995-07-28
Publication date: 1999-12-30
Anticipated expiration: 2015-07-29
Also published as: MX9702729A; WO1996011800A1; ES2133789T3; ATE181278T1; EP0785866A1; EP0785866B1; BR9403710A; DE69510360D1; US6221515B1; UY24038A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bimetallstreifen, der bei der Bildung von Gleitlagern für Verbrennungsmotoren verwendet wird und der einen Streifen aufweist, der aus einem Antifriktionsmaterial oder Gleitmaterial aus einer auf Aluminium basierenden Legierung hergestellt ist, die üblicherweise Silizium, Zinn und Kupfer enthält, und der auf einem Stahlträgerstreifen haftet. Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zur Herstellung dieses Bimetallstreifens.

Hintergrund der Erfindung

Verbrennungsmotoren wurde so konzipiert, daß sie mit immer größeren Geschwindigkeiten und Lasten arbeiten, dabei braucht man zwangsweise Gleitlager, die diesen zunehmend härteren Betriebsbedingungen durch verbesserte Materialermüdungsfestigkeit- und Hafteigenschaften standhalten, und die mit Schmiedestahl- und Gußeisenkurbelwellen betrieben werden können, ohne den Bimetallstreifen mit einem galvanisch abgeschiedenen Blei/Zinn-Überzug schützen zu müssen.
Es ist bekannt, daß die hohen Materialermüdungsfestigkeitseigenschaften dieser Legierungen auf Aluminiumbasis aus einer feineren und gleichförmigeren Verteilung der Siliziumpartikel in der Aluminiumphase resultieren.
Trotzdem weisen die bekannten Legierungen dieser Art, wie beispielsweise die in U.S.- Patent 4 696 867 beschriebenen, noch eine Siliziumpartikelverteilung auf, die, trotz einer möglichen Zugabe von geringen Mengen an Strontium oder Natrium zu diesen Legierungen, nicht eine erwünschte Feinheit erreicht, um eine Belastbarkeit zu erreichen, die mit den Betriebsanforderungen der modernen Verbrennungsmotoren vereinbar ist.
Die Korngröße der bekannten Legierungen dieser Art liegt zwischen etwa 20 bis 50 um, diese verhindern das Erreichen einer wesentlichen Zunahme der Materialermüdungsfestigkeit bei den hergestellten Bimetallstreifen (siehe Fig. 3 in den Zeichnungen). Neben den bereits erwähnten Schwierigkeiten sollte in Betracht gezogen werden, daß die Zinnanteile von etwa 8% und mehr in der Legierungszusammensetzung es nicht erlauben, daß diese Legierung nach ihrem üblichen Guß zu der gewünschten Dicke für den Gleitstreifen warmgewalzt wird, weil beim Warmwalzen dieser Legierungen das Risiko besteht, daß das Zinn herausgearbeitet wird.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Lösungen liegt im Fehlen von Behandlungsschritten des Bimetallstreifens, um in dem Gleitstreifen eine Zusammensetzung zu erhalten, die das Aushärten der Aluminiumlegierung ermöglichte, und so ihre Materialermüdungsfestigkeit durch eine weiter betriebene Siliziumverfeinerung noch zu steigern.
Diese Aluminiumlegierungen nach dem Stand der Technik werden in Walzblöcke mit einer Form gegossen, die sich von der sehr unterschiedet, die durch den Gleitstreifen erhalten werden soll, wodurch das Herstellungsverfahren des Bimetallstreifens und die Realisierung der minimalen Siliziumfeinheit in der Legierungsstruktur schwierig und teuer wird.
DE-A-37 30 862 offenbart einen Bimetallstreifen zur Herstellung von Gleitelementen. Der Streifen hat eine durch ein Schnellerstarrungsverfahren gewonnene amorphe Aluminiummatrix mit einer Härte, die gewöhnlich über den adäquaten Werten liegt, um die Formanpassungs- und Durchdringungseigenschaften des Gleitstreifens zu gewährleisten. Das Matrixmetall kann mit einem glasbildenden Metall legiert werden, das die Kristallisation des Aluminiummatrixmetalls hemmt. Als einen Glasbildner kann das Aluminiummatrixmetall 0,2-2,0% darin gelöstes Silizium und dispergiertes Zinn enthalten.

Offenbarung der Erfindung

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Bimetallstreifen für Gleitlager zu schaffen, der eine Legierung auf Aluminiumbasis aufweist, die Silizium und Zinn enthält, und der eine Strukture mit einen hohen Grad einer Silizium-/Zinnfeinheit, verbesserte Eigenschaften der Materialermüdungsfestigkeit, der Antihaft- und Bindungseigenschaften zu einem Trägerstreifen aufweist, ohne die Anwesenheit von Strontium und Natrium in der Zusammensetzung der Aluminiumlegierung zu erfordern und ohne zu riskieren, daß Zinn während der Warmwalzschritte des Gleitstreifenmaterials herausgearbeitet wird.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist, ein Verfahren zu schaffen, daß ermöglicht, den im vorhergehenden besprochenen Bimetallstreifen auf wirtschaftliche Art und Weise zu erhalten.
Die genannten Ziele werden durch einen Streifen erreicht, der die Merkmale von Anspruch 1 aufweist. Ein Verfahren zur Herstellung dieses Streifens ist in Anspruch 2 definiert. Seine optionalen Merkmale sind in Anspruch 3 gegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend bezugnehmend auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben, in denen folgendes gezeigt ist:
Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Längenabschnitts eines Bimetallstreifens von der Art, wie er in der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Fig. 2 ist ein Flußdiagramm, das die Schritte des Herstellungsverfahrens des in Fig. 1 gezeigten Bimetallstreifens erläutert.
Fig. 3 ist eine metallographische Darstellung der Gleitstreifenstruktur eines nach dem Stand der Technik hergestellten Bimetallstreifens.
Fig. 4 ist eine metallographische Darstellung ähnlich zu der von Fig. 3 aber in bezug auf den Gleitstreifen des Bimetallstreifens der vorliegenden Erfindung. Und
Fig. 5 ist ein Flußdiagramm, das die Schritte des Herstellungsverfahrens des Bimetallstreifens mit einer Aluminiumzwischenschicht erläutert.

Beste Ausführungsform zur Durchführung der Erfindung

Bezugnehmend auf Fig. 1 weist gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung der Bimetallstreifen einen Gleitstreifen 1 auf, der aus einer Legierung auf Aluminiumbasis hergestellt ist und der an einem üblicherweise aus Stahl bestehenden Trägerstreifen 2 durch eine auf dem Trägerstreifen 2 angebrachte Nickelfilmschicht 3 haftet.
Die Aluminiumlegierung weist 3 bis 30% Zinn, 1 bis 6% Silizium auf, wobei der Rest aus Aluminium und Zufallsverunreinigungen besteht. Sie hat die Form eines Streifens, der mittels eines Schnellerstarrungsprozesses mit einer Dicke gegossen ist, die etwas über der des auf dem Trägerstreifen 2 auszuformenden Gleitstreifens 1 liegt, wobei der Gleitstreifen 1 strukturell gelöst und künstlich präzipitiert wird, um eine Aluminiumkorngröße von etwa 6 um aufzuweisen. Bei dieser Legierung sind die Siliziumhartpartikel in der Aluminiummatrix fein dispergiert, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, wobei wenigstens 95% dieser Partikel kleiner als 3,5 Mikrometer sind.
In einer bevorzugten Zusammensetzung kann die Legierung außerdem wenigstens eines der Härtungselemente: Ni, Mn, Cr, Cu und Ti in dem Bereich von 0,05 bis 5% enthalten, mit dem Ziel, die mechanischen Eigenschaften und Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß, Materialermüdung und Festfressen zu erhöhen.
Falls die Legierung mit einem oder mehreren der vorher erwähnten Zusätze versehen ist, sind wenigstens 95% der Siliziumhartpartikel kleiner als 3,5 Mikrometer und maximal 5% variieren zwischen 3,5 bis 5 Mikrometer.
Bezugnehmend auf Fig. 2 weist nach einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung das Verfahren zur Herstellung des vorher beschriebenen Verbundmaterials die folgenden Schritte auf:
a - Gießen einer Legierung mittels des Schnellerstarrungsprozesses (Walzguß), die aus 3 bis 30% Zinn, aus 1 bis 6% Silizium, wahlweise aus 0,05 bis 5% wenigstens einem der vorher beschriebenen Härtungszusätze und der Rest aus Aluminium und Zufallsverunreinigungen besteht, durch Gießen der Gußlegierung zwischen zwei Kaltwalzenzylinder;
b - Ausglühen des aus einer Aluminumlegierung bestehenden Gleitstreifens 1 in einem Ofen bei einer Temperatur im Bereich von 200 bis 500ºC;
c - gegebenenfalls Einstellen der Dicke des Gleitstreifens 1 durch Kaltwalzdurchläufe mit nachfolgenden jeweiligen Ausglühvorgängen, wie es in dem vorhergehenden Schritt beschrieben ist;
d - warmes Zusammenwalzen (Plattieren) des Gleitstreifens 1 und des mit einem Nickelfilm 3 beschichteten Stahlträgerstreifens 2, um den Bimetallstreifen zu bilden;
e - Wärmebehandlung des Bimetallstreifens zwischen 200 und 380ºC, so daß eine metallurgische Bindung zwischen den Streifen erhalten wird;
f - Solubilisierung der intermetallischen Verbindungen der Aluminiumlegierung in dem Bimetallstreifen durch Schockerwärmen bei 380-500ºC und nachfolgender Schockkühlung; und
g - künstliche Präzipitationsbehandlung des Bimetallstreifens in einem Ofen bei einer Temperatur von 150 bis 250ºC.
Der Schritt des Gießens mittels eines Schnellerstarrungsverfahrens (Walzguß) ermöglicht die Herstellung eines Gleitstreifens 1, der schnell durch das metallische Bad solidifiziert worden ist und der eine um Millimeter reduzierte Dicke aufweist, die schon sehr nahe bei der Dicke liegt, die das Endprodukt erhalten soll. Dieser Gleitstreifen hat eine stark verfeinerte Struktur, vor allem im Hinblick auf die Verteilung von Silizium und Zinn in der Aluminiumphase. Die Feinheit der Hartpartikel, d. h., von Silizium und Siliziumverbindungen erreicht einen Grad, bei dem 100% der Partikel kleiner als 3,5 Mikrometer sind. Die Legierung kann wahlweise die vorher beschriebenen Härtungszusatzelemente enthalten und bei der Legierung ist die Größe der harten Partikel unter Kontrolle, so daß 95% der Partikel kleiner als 3,5 Mikrometer sind, wobei die restlichen 5% von 3,5 bis 5 Mikrometer variieren. So ist es möglich, die Herstellung eines Produktes zu initiieren, das widerstandsfähiger gegen Materialermüdung und Festfressen ist als die bekannten Produkte, wobei eine Aluminiumlegierung verwendet wird, die Silizium, Zinn und Kupfer aber kein Strontium oder Natrium enthält, welche nach dem Stand der Technik als adäquat zur Verbesserung der Feinheit der Struktur dieser Art von Legierung betrachtet werden.
Ein weiterer unerwarteter Effekt in der Legierungsstruktur als Funktion des Gußverfahrens ist es, daß der Gleitstreifen 1 bei hohen Temperaturen warmgewalzt werden kann, ohne daß das Zinn herausgearbeitet wird, selbst wenn das Zinn in höheren Prozentbereichen als 8% vorliegt.
Den Solubilisierungsschritt erhält man, wenn der Bimetallstreifen einem Flüssigkeitsbad unterzogen wird, wie beispielsweise einem Bleibad, wobei der Bimetallstreifen dann einer Schockkühlung, beispielsweise durch Wasserstrrahlen, ausgesetzt wird. Diese Behandlung fördert eine wesentliche Zunahme der Ladungskapazität des herzustellenden Bimetallstreifens.
Die künstliche Präzipitation wird in Öfen durchgeführt, denen die Ringe diskontinuierlich zugeführt werden.
Die Bimetallstreifen können dann zur Herstellung des Gleitlagers geformt werden.
Ein weiterer unerwarteter Gesichtspunkt der Erfindung beruht in der Tatsache, daß die Durchschnittsgröße des Aluminiumkorns, die nach dem Stand der Technik 50 Mikrometer entspricht, auf etwa 6 Mikrometer bei dem neuen Gleitstreifen 1 reduziert ist, was durch Walzguß oder warmes Walzen (Plattieren) erhalten wird.
Fig. 5 zeigt eine Variante des Verfahrens, bei der eine Nickel- oder Aluminiumzwischenschicht vorgesehen ist, auf die ein Gleitstreifen aufgeformt und gewalzt wird, wobei letzteres mittels eines Schnellerstarrungsprozess erhalten wird.

Claims

1. Bimetallstreifen für ein Gleitlager, der einen Gleitstreifen (1) aufweist, der aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist und der an einem Trägerstreifen (2) haftet, der üblicherweise aus Stahl hergestellt ist und der wahlweise mit einer Nickel- oder Aluminiumfilmzwischenschicht (3) beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht des Gleitstreifens (1) aus 3 bis 30% Zinn, aus 1 bis 6% Silizium, wahlweise aus 0,05 bis 5% Gewichtsprozenten wenigstens eines der folgenden Härtungselemente: Ni, Mn, Cr, Cu und Ti und der Rest aus Aluminium oder Zufallsverunreinigungen besteht, wobei in dem Gleitstreifen wenigstens 95% der Siliziumhartpartikel und der gegebenenfalls vorhandenen Härtungszusatzelemente kleiner als 3,5 Mikrometer sind und höchstens 5% zwischen 3,5 bis 5 Mikrometer liegen und die Aluminiumkorndurchschnittsgröße etwa 6 Mikrometer beträgt.

2. Verfahren zur Herstellung eines Bimetallstreifens für ein Gleitlager, wobei der Bimetallstreifen einen Gleitstreifen (1) aus einer Aluminiumlegierung aufweist, der an einem Trägerstreifen (2) haftet, der üblicherweise aus Stahl ist und wahlweise mit einer Nickelfilmzwischenschicht (3) beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte aufweist:

a - Gießen einer Legierung auf Aluminiumbasis nach Anspruch 1 mittels des Schnellerstarrungsprozesses (Walzguß), wobei die Aluminiumgußlegierung zwischen zwei Kaltwalzenzylinder gegossen wird, um wenigstens 95% der Siliziumpartikel kleiner als 3,5 Mikrometer und eine Aluminiumkorndurchschnittsgröße von etwa 6 Mikrometer zu erhalten;

b - Ausglühen des Gleitstreifens (1) aus Aluminumlegierung in einem Ofen bei einer Temperatur im Bereich von 200 bis 500ºC;

c - gegebenenfalls Einstellen der Dicke des Gleitstreifens (1) durch Kaltwalzdurchläufe mit nachfolgenden jeweiligen Ausglühvorgängen, wie es in dem vorhergehenden Schritt beschrieben ist;

d - warmes Zusammenwalzen (Plattieren) des Gleitstreifens (1) und des Stahlträgerstreifens (2), um den Bimetallstreifen zu bilden;

e - Wärmebehandlung des Bimetallstreifens zwischen 200 und 380ºC, so daß eine metallurgische Bindung zwischen beiden Streifen erhalten wird;

f - Solubilisierung der intermetallischen Verbindungen der Aluminiumlegierung in dem Bimetallstreifen durch Schockerwärmen bei 380-500ºC und nachfolgender Schockkühlung; und

g - künstliche Präzipitationsbehandlung des Bimetallstreifens in einem Ofen bei einer Temperatur von 150 bis 250ºC.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitstreifen (1) mit Schnellerstarrung gegossen wird unter gleichzeitigem Aufwalzen auf einen Aluminium- oder Nickelstreifen, welcher eine Zwischenschicht zwischen dem Gleitstreifen (1) und dem Trägerstreifen (2) bildet.