WO1997022725A1 - Gleitlagerwerkstoff aus einer bis auf erschmelzungsbedingte verunreinigungen siliciumfreien aluminiumlegierung - Google Patents

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Robert Mergen
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Miba Gleitlager Aktiengesellschaft
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • Y10T428/12736—Al-base component

Definitions

  • Plain bearing material made of an aluminum alloy that is silicon-free except for melting-related impurities
  • the invention relates to an aluminum alloy as described in the preambles of claims 1 to 3 and to a method for producing composite materials from an aluminum alloy as described in the preamble of claim 28.
  • the object of the invention is to create an aluminum alloy whose mechanical properties are significantly better even at higher tin contents.
  • the object is achieved by the features in claim 1.
  • the surprising advantage that could be found in the special composition of the aluminum alloy is that the matrix strength achieved by adding the high tin content could be increased considerably by adding hard materials of the specified type.
  • intermetallic phases i.e. hard phases or aluminides are excreted.
  • These interfering, intermetallic phases could surprisingly be changed by the addition of the further alloying elements in such a way that they have a spherical or cubic shape and thus interrupt the tin structure in the border regions of the matrix and lead to a solidification of the matrix, on the other hand the known disadvantages of elongated, columnar intermetallic phases do not occur.
  • the additional advantage is achieved that the intermetallic phases formed due to the special constituents also reduce the wetting behavior of the same with tin, so that the tin in the solidified layer is no longer a continuous tin network, but rather in the manner of a tin special dispersate coupled to these special intermetallic phases is present.
  • higher hardness values can be achieved even in the as-cast state, and an increase in formability is achieved in a surprising, unforeseeable manner due to the better continuity of the matrix.
  • the object of the invention is also achieved in particular independently by the features in claim 2.
  • the sliding properties and the adaptability of the materials during the running-in phase of the bearings on the one hand and the sufficiently high strength and support of the bearing layer on the one hand with an aluminum alloy for a composite material Zinc reinforced intermediate layer can be improved.
  • the task can be solved in particular independently.
  • the surprising advantage here is that the approximation of the strength in a region relatively close to the peak strength over the normal operating time a very long service life is achieved and the strengths achievable with aluminum alloys can be optimally exploited without the peak strength being reached or exceeded or falling or decreased, for example in an engine in a critical speed range, as a result of a critical speed range considerably longer service life of plain bearings with such running and intermediate layers can be achieved.
  • a further embodiment of the aluminum alloy according to claim 4 is also advantageous, since by adapting the changes in strength in the intermediate layer and in the running layer, the tensions and additional loads that build up between the two layers are reduced and the connection, which is critical anyway, between the individual layers Layers that have been produced by forming processes and rolling processes are not additionally loaded.
  • Another development according to claim 5 can achieve an additional increase in strength through the simultaneous formation of the running and intermediate layers as hardenable layers even in the heat treatment processes required between the individual layers.
  • the combination of the strength of the materials increasing in the direction of the steel support body optimally supports the extremely favorable sliding properties of the bearing layer by the higher-strength intermediate layer, so that an improved combination effect occurs.
  • An embodiment according to claim 6 is possible because this achieves an interconnection of the layers which corresponds to the requirements in a high load range and, moreover, the most expedient manufacturing processes can be used.
  • the embodiment according to claim 7 is also advantageous, since it completely eliminates the silicon particles, which in many cases lead to a disadvantageous cutting effect in the area of the sliding surface.
  • the high tin content in particular in the bearing layer according to claim 8, advantageously enables favorable sliding properties and, above all, high emergency running properties, which particularly benefit the service life of such plain bearings, without adversely affecting the strength of the matrix alloy.
  • the distribution of the tin in the region of the boundaries of the matrix can be advantageously influenced by the further embodiment according to claim 9.
  • An embodiment according to claim 10 is also advantageous, since in this combination a part of the iron or nickel in the intermetallic phases is replaced or converted or changed so that they have an approximately spherical or cube-shaped shape.
  • a high overall strength with good running properties is also achieved by the development according to claim 11, since a good combination effect between strength and durability can be achieved when the elements specified there are added in the appropriate amount.
  • An embodiment according to claim 12 is also advantageous, since although the desired effects of substitution of iron, nickel or similar hard materials are achieved, on the other hand no adverse influences or mixtures occur in the matrix alloy.
  • Another embodiment describes claim 18, wherein a high strength can also be achieved.
  • a configuration according to claim 23 is also advantageous, as a result of which the application-related hardening runs into a region in which exceeding the maximum possible hardness is avoided.
  • the same matrix structure of the overlay and intermediate layer according to claim 26 ensures a good connection between the two and also good emergency running properties are achieved, with this special matrix structure nevertheless providing a good connection between the intermediate layer and a support layer made of metal during the forming processes and is achievable when plating.
  • the invention also includes a method for producing composites from aluminum alloys, as described in the preamble of claim 28.
  • This method is characterized by the individual measures in the characterizing part of claim 28. This procedure ensures that a sufficient matrix solidification and an interruption of the tin structure corresponding to the desired strength and running properties is achieved and that the aluminum alloy can be produced using the known methods and devices.
  • thermo-mechanical post-compression process according to the procedure according to claim 30 also enables an exact adjustment of the strength of the layers.
  • an initial strength is achieved in which a re-consolidation can occur during the running-in period of such a plain bearing, which is decisive for achieving a long running time.
  • Figure 1 is a schematic micrograph of a conventional bearing materials 5 for aluminum-based plain bearings according to the prior art.
  • FIG. 3 shows a spatial representation of differently formed aluminides in their initial and final state
  • FIG. 5 shows a further slide bearing according to the invention, designed as a half-shell in a three-layer construction, in a schematic illustration
  • FIG. 8 is a diagram corresponding to FIG. 7 for a plain bearing with layers designed according to the invention.
  • FIG. 1 which shows a conventional material 1 known from the prior art for aluminum-based plain bearings with 20% by weight of tin and 1% by weight of copper
  • the tin phase 2 forms an essentially coherent tin in the alloy matrix 3 Network 4, which adversely affects the mechanical properties of this material 1.
  • This network structure could be broken open for a bearing material 5 according to the invention for slide bearings, as is illustrated in FIGS. 2 and 3.
  • the bearing material 5 according to the invention shown contains 23% tin by weight, 1.8% copper, 0.6% manganese, 0.23% iron, 0.17% cobalt, 0.14% chromium and 0.15% by weight % Zircon. Despite the higher tin content, there is significantly less hanging tin structure 6, because the deposited tin phase 2 is interrupted by aluminides 7 or intermetallic phases made of manganese and iron, to which the tin phase 2 attaches. As can be seen better from FIG.
  • these aluminides 7 act despite their composition does not adversely affect the mechanical properties of the bearing material 5, because by adding manganese and / or cobalt and / or chromium and / or zircon in coordinated amounts, which otherwise caused by a pronounced longitudinal extension 8 of the aluminides 7 shown in broken lines Notch effect could be prevented by changing them into the spherical or cube-shaped spatial shape shown and the shorter main dimension or length 9.
  • the bearing material 5 according to the invention can also be subjected to a conventional heat and forming aftertreatment in order to further improve the mechanical properties.
  • the effect of a corresponding plastic deformation enables the aluminides 7 to be brought into solution at a comparatively low treatment temperature, in order then to be able to subject the bearing material 5 to an annealing treatment for the purpose of precipitation hardening.
  • such a bearing material 5 was compared with a conventional material 1 of a plain bearing.
  • the materials to be compared were cast under identical conditions in a horizontal continuous casting to form a strip which had a cross section of 10 mm ⁇ 100 mm.
  • the usual material 1 consisted of 20% by weight of tin, 0.9% by weight of copper and the impurities which are otherwise customary in aluminum.
  • the alloy or bearing material 5 according to the invention had 23% by weight of tin, 1.8% by weight of copper, 0.6% by weight of manganese, 0.23% by weight of iron, 0.14% by weight of chromium, 17% by weight of cobalt, 0.15% by weight of zirconium and the impurities normally found in aluminum.
  • the tin mesh 4 was in an essentially interrupted form, in contrast to the comparative alloy, so that in the alloy according to the invention a better one in spite of the significantly higher tin content
  • Structural strength could be determined. Accordingly, an increase in cast Brinell hardness of at least 5 points was measured. To check the deformability, both materials were subjected to an annealing treatment at 350 ° C for 3 hours. After a subsequent milling to free the samples from the cast skin, the samples had a cross section of 8 mm x 80 mm. In the case of roll deformation without intermediate annealing, the conventional material 1 only allowed deformation of a maximum of 25% in a single pass, the first cracks already occurring which, when the pass was reduced by up to 35%, led to strips which could no longer be used.
  • a further forming test consisted of testing the number of rolling operations carried out in succession without intermediate annealing, with a constant reduction of 5% in each case.
  • the deformation had to be set after 8 to 10 stitches. This corresponds to a maximum total deformation of just over 40%. It was observed from hardness measurements on the rolled surface after each pass that the comparative alloy had reached maximum hardness after only 6 passes. In the following stitches, a partial decrease in hardness could be observed, which suggests structural damage.
  • FIG. 4 shows a possible design of a half-shell-shaped bearing element 10 of a slide bearing 11, in which the bearing element 10 consists of a support layer 12, which is usually made of a metallic material, for example steel, and which accommodates forms a half-shell-shaped running layer 13.
  • the bearing element 10 consists of a support layer 12, which is usually made of a metallic material, for example steel, and which accommodates forms a half-shell-shaped running layer 13.
  • two similar bearing elements 10 of this type are put together to form a bearing ring and are usually inserted in a bearing housing which accommodates this bearing ring, with a precise fit and being secured against rotation .
  • the running layer 13 is connected to the support layer 12 so that it cannot move, for example animals, rolled, welded, glued etc. and, according to the embodiment according to the invention, preferably consists of an aluminum alloy with a number of possible alloy elements in order to achieve a high bearing capacity in terms of temperature, strength, running time with a minimized coefficient of friction in conjunction with suitable materials for the Machine shafts, motor shafts, etc.
  • the running layer 13 consists of an aluminum alloy
  • the main alloy element is tin 14
  • a hard material 15 consists of at least one element 16 of a first element group containing iron, manganese, nickel, chromium, cobalt, copper or platinum, magnesium, antimony is clogged.
  • a quantity of elements 16 is added to the aluminum alloy from the first element group, so that it forms in the border regions of the matrix to form intermetallic phases, e.g. Aluminides 7 is coming.
  • At least one further element 16 from a group of elements containing manganese, antimony, chromium, tungsten, niobium, vanadium, cobalt, molybdenum or zirconium at least part of the hard material 15 of the first group of elements is substituted, whereby the aluminides 7 be formed into an approximately spherical or cube-shaped spatial shape.
  • FIG. 5 shows another bearing element 10 with the support layer 12 and the running layer 13, in which an intermediate layer 18, optionally referred to as a middle layer or binding layer, is arranged between the support layer 12 and the running layer 13.
  • an intermediate layer 18 optionally referred to as a middle layer or binding layer
  • a composite material in particular for a plain bearing 11 made of a running layer 13 and an intermediate layer 18, these contain as main alloy components at least one element 16 made of an alloy element group containing tin, zinc, copper, lead, bismuth, cadmium and / or indium , wherein the main alloying element of the running layer 13 is tin 14 and the intermediate layer 18 is zinc. At least one element of a further alloy element group containing iron, manganese, copper, nickel, chromium is added to make up a difference between the strength changes in the running layer 13 and the intermediate layer 18 with approximately the same pressure and / or temperature load between 0% and 20 % to adhere to. Furthermore, they are
  • a strength of the intermediate layer 18 is equal to or higher than the strength of the overlay 13.
  • a further preferred embodiment for a composite material, in particular for a slide bearing 11, consisting of the running layer 13 and the intermediate layer 18, contains at least one element made of tin, zinc, copper, lead, bismuth, cadmium and / or as main alloy components Alloy element group containing indium.
  • This composite material, which forms at least part of a sliding bearing 11, enables the formation of the intermediate layer 18 and / or the running layer 13, so that they have a strength which is 70% to 99.5% of the peak strength of the respective running layer 13 or Intermediate layer 18.
  • plain bearings 11 in a closed ring construction, these being cast as a ring in accordance with predetermined raw dimensions or being formed from a rolled profile or extruded profile into corresponding rings and at the resulting joints at the opposite ends are connected to form an uninterrupted ring, in particular welded.
  • the aforementioned materials 1 for the intermediate layer 18 and / or the running layer 13 can also be used for such plain bearings 11.
  • Such slide bearings 11 are often produced using a composite material technology in which the different layers are preferably connected to one another in a manner fixed against movement by plating.
  • Such slide bearings 1 1 prefabricated in band form or in ring form are brought to the respective dimensions with corresponding bearing tolerances and installation tolerances by subsequent fine machining and are used with methods of fastening technology in bearing receptacles of bearings or motor housings and fixed by securing elements or also by gluing held against rotation.
  • FIG. 6 shows a diagram in which the load in bar is plotted on the abscissa and the running time in minutes is plotted on the ordinate with a logarithmic division.
  • the load on the bearing element 10 in particular the temperature and / or pressure load during a so-called running-in phase and also afterwards, leads to a change in strength, the change depending on the alloy components. After this so-called break-in period and the reaching of certain limit values, no further significant changes in strength occur until the end of a run-time at which such a bearing becomes unusable due to material fatigue.
  • Example 1 In the case of this slide bearing 11, the support layer 12 is formed from a steel and the running layer 13 consists of an aluminum alloy, in particular AlZn4.5, which is connected to the support layer 12 in a manner that prevents movement.
  • Example 2 In this slide bearing 1 1, the support layer 12 is formed from a steel.
  • Example 3 In this slide bearing 1 1, the support layer 12 is formed from a steel.
  • the intermediate layer 18 made of a CuPb alloy is sputtered on the support layer 12 and the running layer 13 made of AlSn20 on this.
  • Example 4 With this construction of a plain bearing 11, the support layer 12 consists of steel. In the first embodiment variant, an intermediate layer 18 made of pure aluminum is applied to this steel support layer 12 and this in turn is connected to a running layer 13 according to the invention.
  • the bearing behavior can be determined and checked using predetermined test methods.
  • the load acting on the bearing housing is applied, for example, to a shaft rotating at a predetermined speed. B. depending on the bearing size in the cylinder size used with a hydraulic pressure of 75 bar.
  • the experiment is continued until the bearing is damaged by squeezing the running layer 13 or burr formation in the area of the running or intermediate layer 13, 18 or by rubbing in such a way that it must be replaced.
  • the definition of when this damage is assessed so that the bearing can no longer be used must be specified in detail before each individual test series.
  • a better bearing behavior is already achieved with a design of a plain bearing 11 with a three-layer structure, which is also known from the prior art, in which the support layer 12 is made of steel, the intermediate layer 18 is made of pure aluminum and the running layer 13 is made of an aluminum alloy alloyed with tin 14 - according to the example 2 - is formed.
  • the higher-alloy aluminum alloy withstands the maximum load over a longer period of time up to a time 21 at which the bearing is squeezed or up to a time 22 to whom the camp is rubbed.
  • the times 24 and 25 show the test results for a bearing structure - according to Example 4 - in which the intermediate layer 18 consists of pure aluminum and the running layer 13 consists of the aluminum alloy according to the invention. Compared to the configuration of the bearing according to Example 3, this made it possible to achieve a significant increase in the service life with a much simpler bearing structure.
  • An embodiment can also be used in which the intermediate layer 18 contains zinc as the main alloying element and the running layer 13 as the main alloying element contains tin 14, as is also indicated in Example 4.
  • the aluminum alloy according to the invention with a high tin content and alloyed with additional alloying elements in the running layer 13 and by the aluminum alloy alloyed with tin 14 in the intermediate layer 18, which, as already mentioned, by forming and plating with one another and the intermediate layer 18 are connected to the support layer 12 made of steel.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aluminiumlegierung, ein Gleitlager sowie ein Verfahren zur Herstellung für eine Schichte, insbesondere eines Gleitlagers, der als Hauptlegierungselement Zinn (14) und ein Hartstoff (15) aus zumindest einem Element einer Eisen, Mangan, Nickel, Chrom, Kobalt, Kupfer bzw. Platin, Magnesium, Antimon enthaltenden ersten Elementengruppe zugesetzt ist. Der Aluminiumlegierung ist von der ersten Elementengruppe eine Menge an Elementen zur Bildung intermetallischer Phasen, z.B. Aluminidbildung, in den Grenzbereichen der Matrix zugesetzt, und weiters ist zumindest ein weiteres Element aus einer zweiten Mangan, Antimon, Chrom, Wolfram, Niob, Vanadium, Kobalt, Silber, Molybdän oder Zirkonium enthaltenden Elementengruppe zur Substituierung eines Teils zumindest eines Hartstoffes der ersten Elementengruppe zur Bildung von annähernd kugel- bzw. würfelförmigen Aluminiden (7) zugesetzt.

Description

Gleitlagerwerkstoff aus einer bis auf erschmelzungsbedingte Verunreinigungen siliciumfreien Aluminiumlegierung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Aluminiumlegierung, wie sie in den Oberbegriffen der An¬ sprüche 1 bis 3 beschrieben ist sowie auf ein Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstof¬ fen aus einer Aluminiumlegierung, wie es im Oberbegriff des Anspruches 28 beschrieben ist.
Um die Nachteile siliciumhältiger Aluminium-Zinnlegierungen hinsichtlich einer geringeren Ermüdungsfestigkeit aufgrund der Kerbwirkung der Siliciumpartikel einerseits und der span¬ abhebenden Wirkung der Siliciumpartikel im Bereich der Gleitfläche andererseits zu vermei¬ den, wird häufig auf die Zulegierung von Silicium verzichtet. Um die mechanischen Eigen¬ schaften von auch siliciumfreien Aluminiumlegierungen mit einem hohen Zinngehalt von 35 bis 65 Gew% zu verbessern, wurde bereits vorgeschlagen - gemäß DE-A 1-42 31 862 - neben 0,1 bis 1,5 Gew% Kupfer zur Verbesserung der Ermüdungsbeständigkeit einerseits Blei und Wismut in einer Menge von insgesamt 0,5 bis 10 Gew% und andererseits wenigstens eines der Elemente Mangan, Nickel, Silber, Magnesium, Antimon und Zink in einer Gesamtmenge von höchstens 5 Gew% zuzulegieren. Wegen des hohen Zinngehaltes bildet sich jedoch beim Er¬ starren der Legierung aus der Schmelze ein im wesentlichen zusammenhängendes Zinn-Netz aus, das die strukturelle Festigkeit des Gleitlagerwerkstoffes sowie die Umformbarkeit erheb¬ lich beeinträchügt, was im Hinblick auf die übliche Plattierung dieser gegossenen Legierungen mit Stahl und den damit zusammenhängenden Umformschritten von Bedeutung ist. Außerdem nimmt mit steigendem Zinngehalt die Netzstruktur des Zinns in der Aluminiummatrix zuneh¬ menden Einfluß auf die mechanischen Eigenschaften des Gleitlagerwerkstoffes.
Weiters wurde auch bereits versucht, die mechanischen Eigenschaften von Aluminium-Zinn¬ legierungen zu verbessern, indem man diesen Legierungen wohlbekannte matrixverstärkende Elemente, wie z.B. Kupfer, Mangan, Nickel, Magnesium und Zinn, beisetzt. Derartige Alumi¬ nium-Zinnlegierungen sind unter anderem aus der DE-A-42 01 793 bekannt.
Des weiteren ist es bereits bekannt - gemäß DE-C2-32 49 133 - in Aluminium-Zinnlegierungen durch thermische Nachbehandlung eine heterogene Struktur zu erzeugen. Durch diese Nachbe¬ handlungen werden Hartteilchen, z.B. Silicium oder Aluminide, ausgeschieden, die bei ganz bestimmten Verteilungsfunktionen günstige Verschleißeigenschaften ermöglichen.
Bei gegossenen Legierungen - gemäß DE-C2-36 40 698 - ist es zur Einstellung der Endab¬ messung der einzelnen Schichten unter Umformung bei der Piattierung mit Stahl erforderlich, verschiedene Umformschritte vorzunehmen, die auch damit in Verbindung unterschiedliche Wärmebehandlungen erfordern. Diese Verbundherstellung und insbesondere die verschiedenen Umformschritte haben bisher den Einsatz von festigkeitssteigernden Legierungsmaßnahmen meist verhindert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Aluminiumlegierung zu schaffen, deren mecha¬ nische Eigenschaften auch bei höheren Zinngehalten deutlich besser sind.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst. Der überraschende Vorteil, der bei der speziellen Zusammensetzung der Aluminiumlegierung festgestellt werden konnte, liegt nun darin, daß die durch die Zugabe des hohen Zinnanteils erzielte Matrixfestigkdt durch die Zugabe von Hartstoffen der angegebenen Art erheblich erhöht werden konnte. Damit ist es auch gelungen, daß in den Grenzbereichen der Matrix intermetallische Phasen, d.h. harte Phasen bzw. Aluminide ausgeschieden werden. Diese an sich störenden, intermetallischen Phasen konnten jedoch in überraschender Weise durch die Zugabe der weiteren Legierungselemente so verändert werden, daß sie eine kugelige oder würfelförmige Form aufweisen und somit die Zinnstruktur in den Grenzbereichen der Matrix unterbrechen und zu einer Verfestigung der Matrix führen, andererseits die bekannten Nachteile von länglichen, stengeiförmigen inter¬ metallischen Phasen nicht auftreten. Völlig unvorhersehbar wird dadurch noch der zusätzliche Vorteil erreicht, daß durch die aufgrund der speziellen Bestandteile gebildeten intermetallischen Phasen auch das Benetzungsverhalten derselben mit Zinn herabgesetzt wird, sodaß das Zinn in der erstarrten Schichte nicht mehr als zusammenhängendes Zinn-Netz, sondern vielmehr in der Art eines speziellen, diesen besonderen intermetallischen Phasen angekoppelten Dispergats vor¬ liegt. Dadurch können bereits im Gußzustand höhere Härtewerte erreicht werden und wird da- bei auch durch die bessere Kontinuität der Matrix eine Steigerung der Umformbarkeit in über¬ raschender, nicht vorhersehbarer Weise erreicht.
Die Aufgabe der Erfindung wird aber auch insbesondere selbständig durch die Merkmale im Anspruch 2 gelöst. Durch die Verwendung des Hauptlegierungselementes Zinn für die Lauf- schichte und Zink für die Zwischenschichte können bei einer Aluminiumlegierung für einen Verbundwerkstoff die Gleiteigenschaften und die Anpassungsfähigkeit der Materialien bei der Einlaufphase der Lager einerseits und die ausreichend hohe Festigkeit und Stützung der Lager¬ schicht durch die mit Zink verstärkte Zwischenschichte verbessert werden.
Aber auch durch die Merkmale im Anspruch 3 kann die Aufgabe insbesondere eigenständig ge¬ löst werden. Von überraschendem Vorteil ist hierbei, daß durch die Annäherung der Festigkeit in einem relativ nahe zur Spitzenfestigkeit liegenden Bereich über die normale Betriebsdauer eine sehr hohe Standzeit erreicht wird und die mit Aluminiumlegierungen erreichbaren Festig¬ keiten optimal ausgenutzt werden können, ohne daß die Spitzenfestigkeit bei kurzzeitigen Tem¬ peraturüberschreitungen erreicht oder überschritten wird bzw. absinkt, wie sie z.B. in einem Motor in einem kritischen Drehzahlbereich entstehen, wodurch eine erheblich längere Lebens- dauer von Gleitlagern mit derartigen Lauf- und Zwischenschichten erzielt werden kann.
Vorteilhaft ist aber auch eine weitere Ausgestaltung der Aluminiumlegierung nach Anspruch 4, da durch die Anpassung der Festigkeitsänderungen in der Zwischenschichte und in der Lauf¬ schichte die sich zwischen den beiden Schichten aufbauenden Spannungen und Zusatzbelastun- gen reduziert werden und die ohnehin kritische Verbindung zwischen den einzelnen Schichten, die durch Umformvorgänge und Walzvorgänge hergestellt worden ist, nicht zusätzlich belastet wird.
Durch eine andere Weiterbildung gemäß Anspruch 5 kann durch die gleichzeitige Ausbildung der Lauf- und Zwischenschichten als aushärtbare Schichten auch bei den zwischen den einzel¬ nen Schichten erforderlichen Wärmebehandlungsvorgängen eine zusätzliche Erhöhung der Festigkeit erreicht werden. Vor allem durch die damit erzielte Kombination der in Richtung des Tragkörpers aus Stahl zunehmenden Festigkeit der Werkstoffe wird die äußerst günstige Gleit¬ eigenschaften aufweisende Lagerschichte durch die höher feste Zwischenschichte in optimaler Weise unterstützt, sodaß eine verbesserte Kombinationswirkung auftritt.
Möglich ist dabei eine Ausbildung nach Anspruch 6, weil dadurch ein den Anforderungen in einem hohen Belastungsbereich entsprechender Verbund der Schichten erreicht wird und da¬ rüber hinaus die jeweils zweckmäßigsten Fertigungsverfahren einsetzbar sind.
Vorteilhaft ist weiters auch die Ausgestaltung nach Anspruch 7, da dadurch die Siliciumpar¬ tikel, die in vielen Fällen zu einer nachteiligen, spanabhebenden Wirkung im Bereich der Gleit¬ fläche führen, gänzlich ausgeschaltet werden können.
Der hohe Zinnanteil, insbesondere in der Lagerschichte gemäß Anspruch 8 ermöglicht vor¬ teilhaft günstige Gleiteigenschaften und vor allem auch hohe Notlaufeigenschaften, die der Lebensdauer solcher Gleitlager besonders zugute kommen, ohne daß die Festigkeit der Matrix- legierung dadurch nachteilig beeinflußt wird.
Die Verteilung des Zinns im Bereich der Grenzen der Matrix kann durch die weitere Ausgestal¬ tung nach Anspruch 9 vorteilhaft beeinflußt werden. Vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltung nach Anspruch 10, da in dieser Kombination ein Teil des Eisens bzw. Nickels in den intermetallischen Phasen ersetzt bzw. so umgewandelt oder ver¬ ändert wird, daß diese eine annähernd kugel- bzw. würfelförmige Form aufweisen.
Eine hohe Gesamtfestigkeit bei guten Laufeigenschaften wird auch durch die Weiterbildung nach Anspruch 11 erzielt, da bei der Zumengung der dort angegebenen Elemente in der ent¬ sprechenden Menge eine gute Kombinationswirkung zwischen Festigkeit und Dauerbelastbar¬ keit erreicht werden kann.
Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform nach Anspruch 12, da dadurch zwar die gewünsch¬ ten Effekte der Substitution von Eisen, Nickel oder ähnlichen Hartstoffen erreicht wird, ande¬ rerseits jedoch noch keine nachteiligen Einflüsse oder Mischungen in der Matrixlegierung ein¬ treten.
Zur Verbesserung der Laufeigenschaften ist auch eine Ausgestaltung nach Anspruch 13 mög¬ lich.
Die Ausscheidung der intermetallischen Phasen kann aber auch anhand der detaillierten An¬ gaben in den Ansprüchen 14 bis 16 erreicht werden, wobei durch die unterschiecliche Vor- gangsweise jeweils unterschiedliche Zusatzanforderungen an höhere Druck- bzw. Temperatur¬ belastung erfüllt werden können.
Durch die Weiterbildung nach Anspruch 17 wird einerseits eine ausreichende Härte der Matrix¬ festigkeit erzielt, andererseits ermöglicht die Zugabe zusätzlicher Legierungsbestandteile, daß die sich bildenden intermetallischen Phasen in ihrer Raumform noch beeinflußt werden können.
Eine andere Ausführungsform beschreibt Anspruch 18, wobei ebenfalls eine hohe Festigkeit er¬ zielt werden kann.
Eine Bildung der intermetallischen Phasen in einer gewünschten Raumform kann aber auch durch die weiteren Ausführungsvarianten gemäß den Ansprüchen 19 bis 22 erzielt werden.
Vorteilhaft ist weiters eine Ausbildung nach Anspruch 23, wodurch die einsatzbedingte Aus¬ härtung in einen Bereich verläuft, bei dem eine Überschreitung der maximal möglichen Härte vermieden wird.
Vorteilhaft ist aber auch die Ausbildung eines Gleitlagers zur bevorzugt eigenständigen Lösung der Aufgabe gemäß Anspruch 24. Durch die Verwendung der Aluminiumlegierung wird eine hohe Standzeit und eine günstige Anpassung des Lagers an unterschiedliche Toleranzen er¬ schaffen.
Bei der Weiterbildung nach Anspruch 25 können in Verbindung mit der Verwendung von Zinn als Legierungsmaterial für die Lagerschichte zusätzliche Vorteile erzielt werden.
Durch den gleichen Matrixaufbau der Lauf- und Zwischenschichte nach Anspruch 26 wird eine gute Verbindung zwischen den beiden sichergestellt und auch eine gute Notlaufeigenschaft er- reicht, wobei durch diesen speziellen Matrixaufbau trotzdem eine gute Verbindung zwischen der Zwischenschichte und einer aus Metall bestehenden Stützlage bei den Umformvorgängen und beim Plattieren erzielbar ist.
Durch die Ausgestaltung der Zwischenschichte nach Anspruch 27 kann durch die Verwendung von Zink auch bei weicheren Lagerschichten eine ausreichende Standfestigkeit eines Lagers er¬ zielt werden.
Die Erfindung umfaßt weiters auch ein Verfahren zur Herstellung von Verbundstoffen aus Aluminiumlegierungen, wie es im Oberbegriff des Anspruches 28 beschrieben ist. Dieses Ver- fahren ist durch die einzelnen Maßnahmen im Kennzeichenteil des Anspruches 28 gekenn¬ zeichnet. Durch diese Vorgangsweise wird sichergestellt, daß eine ausreichende Matrixver¬ festigung und eine den gewünschten Festigkeits- und Laufeigenschaften entsprechende Unter¬ brechung der Zinnstruktur erreicht wird und die Herstellung der Aluminiumlegierung mit den bekannten Verfahren und Vorrichtungen möglich ist.
Vorteilhaft sind auch weitere Verfahrensabläufe, wie sie im Anspruch 29 angegeben sind, da dadurch durch Diffusion und Substitutionsprozesse die Ausbildung der intermetallischen Phasen noch verändert werden kann.
Auch der thermo-mechanische Nachverdichtungsprozeß gemäß dem Vorgehen nach Anspruch 30 ermöglicht eine exakte Anpassung der Festigkeit der Schichten.
Gemäß einem vorteilhaften Vorgehen nach Anspruch 31 wird eine Ausgangsfestigkeit erzielt, bei der während der Einlaufzeit eines derartigen Gleitlagers eine Nachverfestigung eintreten kann, die zur Erreichung einer hohen Laufzeit maßgeblich ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Darstellungen in den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Schliffbild eines herkömmlichen Lagerwerkstoffe 5 für Gleitlager auf Aluminiumbasis nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 ein schematisches Schliffbild eines erfindungsgemäßen Lagerwerkstoffes;
Fig. 3 eine räumliche Darstellung unterschiedlich ausgebildeter Aluminide in ihrem Aus¬ gangs- und Endzustand;
Fig. 4 ein erfindungsgemäßes Gleitlager, ausgebildet als Halbschale in einem Zwei-
Schichtaufbau, in schematischer Darstellung;
Fig. 5 ein weiteres erfindungsgemäßes Gleitlager, ausgebildet als Halbschale in Drei- Schichtbauweise, in schematischer Darstellung;
Fig. 6 ein Schaubild für das Lagerstandsverhalten von Gleitlagen mit auf eine Stahllage aufplattierten Lauf- und Zwischenschichten aus unterschiedlichen Aluminium¬ legierungen bei sich über die Laufzeit ändernder Lagerbelastung;
Fig. 7 ein Schaubild, welches den Härteverlauf in den einzelnen Schichten eines Gleit¬ lagers über die Betriebszeit zeigt;
Fig. 8 ein Schaubild entsprechend der Fig. 7 für ein Gleitlager mit erfindungsgemäß aus- gebildeten Schichten.
Wie die Fig. 1 erkennen läßt, die einen üblichen aus dem Stand der Technik bekannten Werk¬ stoff 1 für Gleitlager auf Aluminiumbasis mit 20 Gew% Zinn und 1 Gew% Kupier zeigt, bildet die Zinnphase 2 in der Legierungsmatrix 3 ein im wesentlichen zusammenhängendes Zinn-Netz 4, das die mechanischen Eigenschaften dieses Werkstoffes 1 nachteilig beeinflußt.
Diese Netzstruktur konnte bei einem erfindungsgemäßen Lagerwerkstoff 5 für Crleitlager aufge¬ brochen werden, wie dies in Fig. 2 und 3 veranschaulicht ist.
Der dargestellte erfindungsgemäße Lagerwerkstoff 5 enthält neben 23 Gew% Zinn 1,8 Gew% Kupfer, 0,6 Gew% Mangan, 0,23 Gew% Eisen, 0, 17 Gew% Kobalt, 0,14 Gew% Chrom und 0,15 Gew% Zirkon. Trotz des höheren Zinnanteiles ergibt sich eine deutlich weniger zusam- menhängende Zinnstruktur 6, weil die ausgeschiedene Zinnphase 2 durch Aluminide 7 bzw. intermetallische Phasen aus Mangan und Eisen unterbrochen ist, an die sich die Zinnphase 2 anlegt Wie besser aus Fig. 3 zu ersehen ist, wirken sich diese Aluminide 7 trotz ihrer Zusam¬ mensetzung nicht nachteilig auf die mechanischen Eigenschaften des Lagerwerkstoffes 5 aus, weil durch die Zugabe von Mangan und/oder Kobalt und/oder Chrom und/oder Zirkon in abge¬ stimmten Mengen, die sonst durch eine ausgeprägte Längserstreckung 8 der in strichlierten Linien dargestellten Aluminiden 7 verursachte Kerbwirkung durch deren Veränderung in die dargestellte kugelige bzw. würfelige Raumform und kürzere Hauptabmessung bzw. Länge 9 unterbunden werden konnte.
Selbstverständlich kann auch der erfindungsgemäße Lagerwerkstoff 5 einer üblichen Wärme- und Umformnachbehandlung unterworfen werden, um die mechanischen Eigenschaften weiter zu verbessern. Dabei können durch die Wirkung einer entsprechenden plastischen Verformung die Aluminide 7 bei einer vergleichsweise niedrigen Behandlungstemperatur in Lösung ge- bracht werden, um dann den Lagerwerkstoff 5 zum Zwecke einer Ausscheidungshärtung einer Anlaßbehandlung unterziehen zu können.
Um die besonderen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Lagerwerkstoffes 5 zu zeigen, wurde ein solcher Lagerwerkstoff 5 mit einem üblichen Werkstoff 1 eines Gleitlagers ver- glichen. Zu diesem Zweck wurden die zu vergleichenden Werkstoffe unter übereinstimmenden Bedingungen in einem horizontalen Strangguß zu einem Band gegossen, das einen Querschnitt von 10 mm x 100 mm aufwies.
Aufgrund der gewählten Abzugsbedingungen wurde jeweils eine Wärmeabfuhr zwischen 3,4 und 3,7 J/s für die Erstarrung sichergestellt.
Der übliche Werkstoff 1 bestand neben Aluminium ais Hauptlegierungsbestandteil aus 20 Gew% Zinn, 0,9 Gew% Kupfer und den sonst in Aluminium üblichen Verunreinigungen.
Die erfindungsgemäße Legierung bzw. der Lagerwerkstoff 5 wies neben Aluminium als Haupt¬ legierungsbestandteil 23 Gew% Zinn, 1,8 Gew% Kupfer, 0,6 Gew% Mangan, 0,23 Gew% Eisen, 0,14 Gew% Chrom, 0,17 Gew% Kobalt, 0,15 Gew% Zirkon und den sonst in Alumi¬ nium üblichen Verunreinigungen auf. Bei dem Lagerwerkstoff 5 lag das Zinn-Netz 4 im Gegensatz zur Vergleichslegierung in einer im wesentlichen unterbrochenen Form vor, sodaß bei der erfindungsgemäßen Legierung trotz des deutlich höheren Zinngehaltes eine bessere
Strukturfestigkeit festgestellt werden konnte. Demgemäß konnte eine Zunahme der Brinellhärte im Gußzustand von wenigstens 5 Punkten gemessen werden. Zur Überprüfung der Verformbarkeit wurden beide Werkstoffe einer Glühbehandlung von 3 Stunden bei 350°C unterworfen. Nach einem anschließenden Fräsen zur Befreiung der Proben von der Gußhaut wiesen die Proben einen Querschnitt von 8 mm x 80 mm auf. Bei einer Walz¬ verformung ohne Zwischenglühen ließ der herkömmliche Werkstoff 1 lediglich eine Verfor- mung von maximal 25 % in einem einzelnen Stich zu, wobei bereits erste Risse entstanden, die bei einer Stichabnahme bis zu 35 % zu nicht mehr weiterverwertbaren Bändern führten.
Bei dem erfindungsgemäßen Lagerwerkstoff 5 konnten zwar bereits bei einer Verformung von 20 % erste Risse erkannt werden, doch wuchsen diese Risse mit zunehmender Stichstärke er- heblich langsamer, so daß bei einer Stichabnahme von 40 % das Band bis auf einen schmalen Randbereich noch ohne weiteres verwendet werden konnte.
Ein weiterer Umformversuch bestand in der Prüfung der ohne Zwischenglühen statthaften An¬ zahl hintereinander durchgeführter Walzoperationen mit konstanter Stichabnahme von jeweils 5 %. Bei dem bisher üblichen Werkstoff 1 mußte die Verformung nach 8 bis 10 Stichen einge¬ stellt werden. Dies entspricht einer maximalen Gesamtverformung von knapp mehr als 40 %. Durch nach jedem Stich durchgeführte Härtemessungen an der gewalzten Oberfläche konnte beobachtet werden, daß die Vergleichslegierung bereits nach 6 Stichen eine maximale Härte erreicht hatte. Bei den folgenden Stichen konnte sogar ein teilweises Absinken der Härte fest- gestellt werden, was auf eine Strukturschädigung schließen läßt.
Bei dem erfindungsgemäßen Lagerwerkstoff 5 konnte im Gegensatz dazu ein besonders starkes Anwachsen der Härte bis zum 8. Walzstich gemessen werden, wonach die Härte bis zum 12. bis 14. Walzstich konstant blieb und erst ab dem 13. bis 15. Walzstich abnahm. Bei einer ent- sprechenden Gesamtverformung von 48 % bis 53 % war eine weitere Verformung rissebedingt nicht mehr möglich.
In der Fig. 4 ist eine mögliche Ausbildung eines halbschalenförmigen Lagerelementes 10 eines Gleitlagers 11 gezeigt, bei dem das Lagerelement 10 aus einer Stützlage 12, die üblicherweise aus einem metallischen Werkstoff, zum Beispiel Stahl, hergestellt ist, besteht und die eine Auf¬ nahme für eine halbschalenförmige Laufschichte 13 bildet. Zur Bildung von Gleitlagern 11, die der drehbeweglichen Lagerung von Maschinenwellen, Motorwellen etc. dienen, werden zwei derartige gleichartige Lagerelemente 10, wie in strichlierten Linien gezeigt, zu einem Lagerring zusammengesetzt und üblicherweise in ein diesen Lagerring aufnehmendes Lagergehäuse ent- sprechend paßgenau und verdrehgesichert eingesetzt.
Die Laufschichte 13 ist mit der Stützlage 12 bewegungsfest verbunden, zum Beispiel aufplat- tiert, aufgewalzt, verschweißt, verklebt etc. und besteht nach der erfindungsgemäßen Ausfüh¬ rung bevorzugt aus einer Aluminiumlegierung mit einer Reihe möglicher Legierungselementen zur Erzielung einer hohen Lagerbelastbarkeit in bezug auf Temperatur, Festigkeit, Laufzeit bei einer minimierten Reibungszahl in Verbindung mit geeigneten Werkstoffen für die Maschinen- wellen, Motorwellen, etc.
Nach einer bevorzugten Ausführung besteht die Laufschichte 13 aus einer Aluminiumlegie¬ rung, der als Hauptlegierungselement Zinn 14 und ein Hartstoff 15 aus zumindest einem Element 16 einer Eisen, Mangan, Nickel, Chrom, Kobalt, Kupfer bzw. Platin, Magnesium, Antimon enthaltenden ersten Elementengruppe zugesetzt ist. Dabei ist der Aluminiumlegierung von der ersten Elementengruppe eine Menge an Elementen 16 zugesetzt, sodaß es in den Grenzbereichen der Matrix zur Bildung intermetallischer Phasen, z.B. Aluminiden 7, kommt. Indem weiters zumindest ein weiteres Element 16 aus einer zweiten Mangan, Antimon, Chrom, Wolfram, Niob, Vanadium, Kobalt, Molybdän oder Zirkonium enthaltenden Elementengruppe zugesetzt wird, wird zumindest ein Teil des Hartstoffes 15 der ersten Elementengruppe substi¬ tuiert, wodurch die Aluminide 7 auf eine annähernd kugel- bzw. würfelförmige Raumform um¬ geformt werden.
In der Fig. 5 ist ein anderes Lagerelement 10 mit der Stützlage 12 und der Lauf schichte 13 gezeigt, bei dem zwischen der Stützlage 12 und der Lauf schichte 13 eine Zwischenschichte 18, gegebenenfalls als Mittelschichte oder Bindungsschichte bezeichnet, angeordnet ist. Die Zwischenschichte 18 mit der mit dieser bewegungsfest verbundenen Lauf schichte 13 bilden bei dieser Ausführung durch Abstimmung ihrer Legierungsbestandteile, wobei die Zwischen¬ schichte 18 bevorzugt durch eine Aluminiumlegierung gebildet ist, einen Verbundwerkstoff, aus der maßgeblich die für das Lagerelement 10 angestrebten Eigenschaften beeinflußt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausbildung für einen Verbundwerkstoff, insbesondere für ein Gleitlager 11 aus einer Lauf schichte 13 und einer Zwischenschichte 18 enthalten diese als Hauptlegierungsbestandteile zumindest ein Element 16 aus einer Zinn, Zink, Kupfer, Blei, Wismut, Kadmium und/oder Indium enthaltenden Legierungselementengruppe, wobei das Hauptlegierungselement der Lauf schichte 13 Zinn 14 und der Zwischenschichte 18 Zink ist. Zumindest ein Element einer weiteren Eisen, Mangan, Kupfer, Nickel, Chrom enthaltenden Legierungselementengruppe wird zugesetzt, um eine Differenz zwischen den Festigkeitsände- rungeπ in der Lauf schichte 13 und der Zwischenschichte 18 bei annähernd gleicher Druck- und/oder Temperaturbelastung zwischen 0 % und 20 % einzuhalten. Des weiteren sind die
Lauf schichte 13 und die Zwischenschichte 18 aushärtbar. Eine Festigkeit der Zwischenschichte 18 ist gleich oder höher als die Festigkeit der Laufschichte 13. Eine weitere bevorzugte Ausbildung für einen Verbundwerkstoff, insbesondere für ein Gleit¬ lager 11, bestehend aus der Laufschichte 13 und der Zwischenschichte 18, enthält als Haupt¬ legierungsbestandteile zumindest ein Element aus einer Zinn, Zink, Kupfer, Blei, Wismut, Kadmium und/oder Indium enthaltenden Legierungselementengruppe. Dieser Verbundwerk- stoff, der zumindest einen Teil eines Gleitlagers 1 1 bildet, ermöglicht die Ausbildung der Zwischenschichte 18 und/oder der Laufschichte 13, sodaß sie eine Festigkeit aufweisen, die 70 % bis 99,5 % der Spitzenfestigkeit der jeweiligen Laufschichte 13 oder der Zwischen¬ schichte 18 beträgt.
Aus dem Stand der Technik ist es selbstverständlich auch bekannt, Gleitlager 11 in geschlos¬ sener Ringbauweise herzustellen, wobei diese entsprechend vorgegebener Rohmaße als Ring gegossen werden oder von einem Walzprofil oder Strangprofil zu entsprechenden Ringen um¬ geformt und an den sich dabei ergebenden Stoßstellen an den einander gegenüberliegenden Stirnenden zur Bildung eines ununterbrochenen Ringes verbunden insbesondere verschweißt werden. Auch für derartige Gleitlager 1 1 sind die vorgenannten Werkstoffe 1 für die Zwischen¬ schichte 18 und/oder Lauf schichte 13 verwendbar.
Derartige Gleitlager 11 werden vielfach in einer Verbundwerkstofftechnik hergestellt, bei der die unterschiedlichen Schichten bevorzugt durch Aufplattieren miteinander bewegungsfest verbunden sind. Derartige in Bandform oder in Ringform vorgefertigte Gleitlager 1 1 werden durch nachfolgendes Feinstbearbeiten auf die jeweiligen Abmaße mit entsprechenden Lager¬ toleranzen und Einbautoleranzen gebracht und mit Methoden der Befestigungstechnik in Lager¬ aufnahmen von Lager oder Motorengehäuse eingesetzt und durch Sicherungselemente fixiert bzw. auch durch ein Kleben verdrehsicher gehalten.
In Fig. 6 ist ein Schaubild gezeigt, bei welchem auf der Abszisse die Belastung in bar und auf der Ordinate die Laufzeit in Minuten mit einer logarithmischen Teilung aufgetragen ist.
Wie bekannt, kommt es durch die Belastung des Lagerelementes 10, insbesondere der Tempe- ratur- und/oder Druckbelastung während einer sogenannten Einlaufphase und au:h danach zu einer Veränderung der Festigkeit, wobei die Veränderung von den Legierungsbestandteilen ab¬ hängt. Nach dieser sogenannten Einlaufzeit und dem Erreichen bestimmter Grenzwerte treten bis zum Erreichen eines Laufzeitendes, an dem durch Materialermüdung ein derartiges Lager verwendungsunfähig wird, keine weiteren wesentlichen Veränderungen in der Festigkeit auf.
Anhand der nachfolgend beschriebenen Beispiele von unterschiedlichen Schichtaufbauten für derartige Gleitlager 1 1 wird der erfindungsgemäße Lageraufbau und die Auswirkung auf das Lagerstandsverhalten erläutert.
Beispiel 1: Bei diesem Gleitlager 1 1 ist die Stützlage 12 aus einem Stahl gebildet und besteht die Laufschichte 13 aus einer Aluminiumlegierung, insbesondere aus AlZn4,5, die mit der Stützlage 12 bewegungsfest verbunden ist.
Beispiel 2: Bei diesem Gleitlager 1 1 ist die Stützlage 12 aus einem Stahl gebildet. Auf der Stützlage 12 ist die Zwischenschichte 18 aus Reinaluminium und auf dieser die Laufschichte 13 aus einer Aluminium Sn-Legierung, zum Beispiel AlSnόCu oder AlSn20Cu, aufgebracht.
Beispiel 3: Bei diesem Gleitlager 1 1 ist die Stützlage 12 aus einem Stahl gebildet. Auf der Stützlage 12 ist die Zwischenschichte 18 aus einer CuPb- Legierung und auf dieser die Lauf¬ schichte 13 aus AlSn20 gesputtert.
Beispiel 4: Bei diesem Aufbau eines Gleitlagers 11 besteht die Stützlage 12 aus Stahl. Bei der ersten Ausführungsvariante ist auf diese Stützlage 12 aus Stahl eine Zwischenschichte 18 aus Reinaluminium aufgebracht und diese wiederum mit einer erfindungsgemäßen Laufschichte 13 verbunden.
Um nun das Lagerstandsverhalten eines Gleitlagers 11 überprüfen zu können und verschie¬ denen Einsatzkategorien zuzuteilen, kann das Lagerstandsverhalten anhand von vorbestimmten Prüfverfahren festgestellt und überprüft werden. Zum Simulieren des Lastverlaufes wird bei¬ spielsweise bei einem mit einer vorbestimmten Drehzahl rotierenden Welle die auf das Lager¬ gehäuse einwirkende Last aufgebracht, wobei z. B. in Abhängigkeit von der Lagergröße in der verwendeten Zylindergröße mit einem Hydraulikdruck von 75 Bar gearbeitet werden kann. Ist dann die Maximallagerbelastung erreicht, wird der Versuch so lange fortgeführt, bis das Lager durch Verquetschung der Laufschichte 13 oder Gratbildung im Bereich der Lauf- bzw. Zwi¬ schenschichte 13, 18 oder durch Verreiben so beschädigt ist, daß es ausgetauscht werden muß. Die Definition, ab wann diese Schäden so bewertet werden, daß das Lager nicht mehr verwend- bar ist, ist vor jeder einzelnen Versuchsreihe im Detail festzulegen.
In dem Schaubild ist nunmehr das Lagerstandsverhalten der zuvor anhand der Beispiele 1 bis 4 beschriebenen Ausbildungen der einzelnen Gleitlager 11 gezeigt.
Wie nun eine Betrachtung des Schaubildes zeigt, das beispielsweise gemäß einem aus dem Stand der Technik bekannten, einfachen Lageraufbau, wie in Beispiel 1 beschrieben ist, fällt ein derartiges Gleitlager 1 1 bereits vor Erreichen der Maximalbelastung zum Zeitpunkt 19 - wie im Schaubild gezeigt - durch Verreiben der Lagerstelle aus.
Ein besseres Lagerstandsverhalten wird bereits mit einer ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannten Ausgestaltung eines Gleitlagers 11 mit einem Dreischichtaufbau erreicht, bei dem die Stützlage 12 aus Stahl, die Zwischenschichte 18 aus Reinaluminium und die Laufschichte 13 aus einer mit Zinn 14 legierten Aluminiumlegierung - gemäß Beispiel 2 - gebildet ist.
Während die Aluminiumlegierung mit niederem Zinngehalt ebenfalls bereits vor Erreichen der Maximalbelastung zum Zeitpunkt 20 ausfällt, widersteht die höher legierte Aluminiumlegie- rung über einen längeren Zeitraum der Maximalbelastung bis zu einem Zeitpunkt 21, zu dem das Lager verquetscht bzw. bis zu einem Zeitpunkt 22, zu dem das Lager verrieben ist.
Sehr hohe Standzeiten eines Lagers werden, wie aus dem Stand der Technik bekannt, durch einen Lageraufbau gemäß Beispiel 3 erreicht, da ein derartiges Lager nach einer Laufzeit von 10.000 Minuten, zu welcher auch der Zeitpunkt 23 dafür eingetragen ist, das Gleitlager 11 noch immer verwendungsfähig ist.
Derartige Lager, die bei diesem Vergleichstest eine derart hohe Lagerstandzeit eιτeichen, werden auch als "Durchläufer" bezeichnet.
Schließlich zeigen die Zeitpunkte 24 und 25 die Versuchsergebnisse für einen Lageraufbau - gemäß Beispiel 4 -, bei welchem die Zwischenschichte 18 aus Reinaluminium und die Lauf¬ schichte 13 aus der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung besteht. Damit konnte gegenüber der Ausgestaltung des Lagers nach Beispiel 3 eine wesentliche Erhöhung der Lagerstandzeit mit einem wesentlich einfacheren Lageraufbau erzielt werden.
Ebenfalls verwendbar ist eine Ausgestaltung, bei der die Zwischenschichte 18 als Hauptiegie¬ rungselement Zink und die Laufschichte 13 als Hauptlegierungselement Zinn 14 enthält, wie es ebenfalls im Beispiel 4 angegeben ist.
Bei einem weiteren Versuch wurde auf die Stützlage 12 aus Stahl eine Zwischenschichte 18 aus AlZn4,5 eine Laufschichte 13 aus AlSn20Cu aufgebracht. Ein derartig ausgebildetes Gleitlager 11 zeigt, daß es bis zum Zeitpunkt 26 betriebsbereit ist.
Das beste Ergebnis wird jedoch bei einem Lageraufbau erreicht, bei dem die Stü:zlage 12 wiederum aus Stahl und die Zwischenschichte 18 aus einer Aluminium-Zink-Legierung, ins¬ besondere AlZn4,5 besteht, auf der eine Laufschichte 13 mit der erfindungsgemäßen Alumi- niumlegierung aufgebracht ist.
Überraschend war für den Fachmann jedoch, daß bei dieser Kombination, bei der die Zwi¬ schenschichte 18 mit Zink legiert ist und die erfindungsgemäße Laufschichte 13 verwendet wird, mit einem gegenüber dem Lageraufbau nach Beispiel 3 erheblich einfacheren und damit auch billigeren Lageraufbau ebenfalls ein "Durchläufer" - im Schaubild mit einem Zeitpunkt 27 eingetragen - erreicht werden konnte.
In den Fig. 7 und 8 ist die sich über die Betriebszeit eines Gleitlagers verändernde Härte in Form von Schaubildern gezeigt, wobei der Härteverlauf in Abhängigkeit zur unterschiedlichen Zusammensetzung zwischen Laufschichte 13 und Zwischenschichte 18 steht.
Da die Stützlage 12 aus Stahl immer gleich ist, wird dies in der Betrachtung nicht weiter be¬ rücksichtigt, da auch die Härte dieser Stahllage sich über die Betriebsdauer kaum verändert.
Wesentlich hierbei ist vielmehr, daß sich je nach der Legierung der Lauf- und Zwischenschich¬ ten 13 bzw. 18 eine unterschiedliche Härte ergibt.
Wie bereits zuvor erläutert, ist es für einen lang andauernden störungsfreien Betrieb und für eine lange Lagerstandsdauer vorteilhaft, wenn die Härteänderungen in der Zwischenschichte 18 und der Lauf schichte 13 in etwa gleichartig verlaufen, d.h. nur geringe Differenzen zwischen 0 % und 20 % bei der sich über die Betriebsdauer verändernden Härte auftreten. Für die Praxis günstige Ergebnisse werden dabei erzielt wenn, wie in Schaubild gemäß Fig. 7 gezeigt, die er- findungsgemäße Aluminiumlegierung, die mit einem hohen Zinnanteil versehen ist, als Lauf- schichte 13 und Reinaluminium als Zwischenschichte 18 verwendet wird. Bei diesem Ausfüh¬ rungsbeispiel zeigt sich, daß durch die Aushärtung der erfindungsgemäßen Aluminiumlegie¬ rung die Härte über die Betriebsdauer zunimmt, wogegen, wie aus dem Stand der Technik be¬ reits bekannt, das Reinaluminium aufgrund der Wärme- und Druckeinwirkungen seine Ver¬ spannungen, die eine höhere Festigkeit bewirken, verliert und mit zunehmender Betriebszeit weicher wird. Durch die Wahl der Härtezunahme der Laufschichte 13 im Verhältnis zur Härte¬ abnahme der Zwischenschichte 18 kann aber trotzdem noch ein positives Gesamtergebnis er¬ zielt werden, welches eine hohe Lagerstandsdauer unter Einhaltung der Grenzwerte bei der Härteveränderung über die Betriebszeit ermöglicht.
Der Verlauf der Härtezu- bzw. -abnähme ist im Schaubild in Fig. 7 für die Laufschichte 13 durch die Diagrammlinie 28 und für die Zwischenschichte 18 durch die Diagrammlinie 29 ge¬ zeigt. Ein für den Fachmann überraschend positives Ergebnis bringt jedoch ein Lageraufbau hinsicht¬ lich des Härteverlaufs über die Betriebsdauer, wenn, wie im Schaubild in Fig. 8 gezeigt, die Laufschichte 13 gemäß Diagrammlinie 30 und die Zwischenschichte 18, wie die Diagramm¬ linie 31 zeigt, aushärtbar sind und durch die Temperatureinwirkung über die Betriebsdauer deren Härte zunimmt, wodurch nur geringe bis überhaupt keine Differenzen bei den Härte¬ veränderungen über die Betriebsdauer auftreten. Dies wird durch die erfindungsgemäße, mit hohem Zinnanteil versetzte und mit zusätzlichen Legierungselementen legierten Aluminium¬ legierung in der Laufschichte 13 und durch die mit Zinn 14 legierte Aluminiumlegierung der Zwischenschichte 18 erreicht, die wie bereits zuvor erwähnt, durch Umformung und Plattieren miteinander und die Zwischenlage 18 mit der Stützlage 12 aus Stahl verbunden sind.
Gleichzeitig sieht man aus diesem Schaubild in Fig. 8, daß in diesem Fall die höhere Härte der Zwischenlage, wie im übrigen auch das Lagerstandsverhalten im Diagramm nac h Fig. 6 zeigt, eine hohe Standzeit eines derartigen Lagers erreicht wird.
Bezugszeichenaufstellung
1 Werkstoff
2 Zinnphase 3 Legierungsmatrix 4 Zinn-Netz
5 Lagerwerkstoff
6 Zinnstruktur
7 Aluminid
8 Längserstreckung
9 Länge
10 Lagerelement
11 Gleitlager 12 Stützlage 13 Laufschichte
14 Zinn
15 Hartstoff
16 Element
18 Zwischenschichte
19 Zeitpunkt 20 Zeitpunkt
21 Zeitpunkt 22 Zeitpunkt 23 Zeitpunkt 24 Zeitpunkt 25 Zeitpunkt
26 Zeiφunkt
27 Zeitpunkt 28 Diagrammlinie 29 Diagrammlinie 30 Diagrammlinie
31 Diagrammlinie

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Aluminiumlegierung für eine Schichte, insbesondere eines Gleitlagers, der als Haupt¬ legierungselement Zinn und ein Hartstoff aus zumindest einem Element einer Eisen, Mangan, Nickel, Chrom, Kobalt, Kupfer bzw. Platin, Magnesium, Antimon enthaltenden ersten Ele¬ mentengruppe zugesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumlegierung von der ersten Elementengruppe eine Menge an Elementen zur Bildung intermetallischer Phasen, z.B. Aluminidbildung, in den Grenzbereichen der Matrix zugesetzt ist und daß weiters zumindest ein weiteres Element aus einer zweiten Mangan, Antimon, Chrom, Wolfram, Niob, Vanadium, Kobalt, Silber, Molybdän oder Zirkonium enthaltenden Elementengruppe zur Substituierung eines Teils zumindest eines Hartstoffes der ersten Elementengruppe zur Bildung von annähernd kugel- bzw. würfelförmigen Aluminiden (7) zugesetzt ist.
2. Aluminiumlegierung für einen Verbundwerkstoff, insbesondere für ein Gleitlager aus einer Lauf- und einer Zwischenschichte, die als Hauptlegierungsbestandteile zumindest ein Ele¬ ment aus einer Zinn, Zink, Kupfer, Blei, Wismut, Cadmium und/oder Indium enthaltenden Legierungselementengruppe enthält, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptlegierungselement der Lauf schichte (13) Zinn (14) und der Zwischenschichte (18) Zink ist.
3. Aluminiumlegierung für einen Verbundwerkstoff, insbesondere für ein Gleitlager aus einer Lauf- und einer Zwischenschichte, die als Hauptlegierungsbestandteile zumindest ein Element aus einer Zinn, Zink, Kupfer, Blei, Wismut, Cadmium und/oder Indiurr enthaltenden Legierungselementengruppe enthält, insbesondere nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch ge- kennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff zumindest einen Teil eines Gleitlagers (11) bildet und die Zwischenschichte (18) und/oder die Lauf schichte (13) eine Festigkeit aufweist, die zwi¬ schen 70 % und 99,5 % der bei einer Aushärtungstemperatur von maximal 450° C, vorzugs¬ weise 150°C bis 375°C erreichbarer Höchstfestigkeit liegt.
4. Aluminiumlegierung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwi¬ schenschichte (18) und/oder der Lauf schichte (13) zumindest ein Element einer weiteren Eisen, Mangan, Kupfer, Nickel, Chrom enthaltenden Legierungselementengruppe zur Einhaltung einer Differenz zwischen den Festigkeitsänderungen in der Lauf- und/oder Zwischenschichte (13, 18) bei annähernd gleicher Druck- und/oder Temperaturbelastung zwischen 0 % und 20 % zugesetzt wird.
5. Aluminiumlegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Lauf schichte (13) und/oder die Zwischenschichte (18) aushärtbar ist, z.B. durch Wärmeaushärtung, und eine Festigkeit der Zwischenschichte (18) gleich oder höher ist als die Festigkeit der Lauf schichte (13).
6. Aluminiumlegierung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Lauf- und/oder Zwischenschichte (13, 18) und/oder die Stütz¬ lage (12) durch z.B. Plattieren, Anformen, Klemmen, Kleben, Umformen miteinander verbun¬ den sind.
7. Aluminiumlegierung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß diese Aluminiumlegierung nur schmelzungsbedingte Verunreini¬ gungen aus Silicium aufweist.
8. Aluminiumlegierung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, daß der Anteil von Zinn (14) in der Lauf- und/oder Zwischenschichte
(13, 18) zwischen 16 Gew% und 32 Gew%, bevorzugt zwischen 22 Gew% und 28 Gew% be¬ trägt.
9. Aluminiumlegierung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, daß diese Aluminiumlegierung einen Mindestanteil des Zinns (14) von
16 Gew% und/oder des Kupfers von 1,4 Gew% enthält.
10. Aluminiumlegierung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß diese Aluminiumlegierung Kupfer, Mangan und zumindest je ein Element einerseits aus einer Eisen enthaltenden Elementengruppe und andererseits aus einer Magnesium, Antimon oder Zink enthaltenden Elementengruppe aufweist.
11. Aluminiumlegierung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Menge von zwei Elementen, die aus der neben Mangan auch Nickel und Eisen enthaltenden Elementengruppe zulegiert sind, der doppelten bis vierfachen
Menge des Kupfers entspricht, wobei der Gewichtsanteil der beiden Elemente der aus Mangan, Nickel oder Eisen enthaltenden Elementengruppe zwischen 40 % und 200 %, bevorzugt zwi¬ schen 45 % und 100 % der Kupfermenge ausmacht.
12. Aluminiumlegierung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß der Gesamtanteil der zulegierten Elemente aus der neben Magne¬ sium und Antimon auch Chrom, Wolfram, Niob, Vanadium, Kobalt, Molybdän und Zirkon ent- haltenden Gruppe höchstens 200 % des Eisen- bzw. Nickelgehaltes, mindestens aber 0,2 Gew% der Legierungsmatrix (3) beträgt.
13. Aluminiumlegierung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, daß wenigstens je ein Element einerseits aus einer Blei, Wismut, Cad¬ mium und Indium enthaltenden Elementengruppe und andererseits aus einer Mangan, Zink, Kalzium und Lithium enthaltenden Elementengruppe zulegiert ist.
14. Aluminiumlegierung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, daß der Anteil des jeweiligen Elementes aus der Blei, Wismut, Cad¬ mium und Indium enthaltenden Elementengruppe zwischen 25 Gew% und 200 Gew% der maximalen Löslichkeit des jeweiligen Elementes in der gesamten Zinnmenge, der Gesamtanteil der Elemente aus dieser Gruppe aber mindestens 100 % und höchstens 300 % der maximalen Löslichkeit des am wenigsten in Zinn (14) löslichen Gruppenelementes beträgt.
15. Aluminiumlegierung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß der Anteil des jeweiligen Elementes aus der Mangan. Zink, Kalzium und Lithium enthaltenden Elementengruppe zwischen 10 % und 100 % der maximalen Löslich¬ keit des jeweiligen Elementes in der gesamten Aluminiummenge, der Gesamtameil der Ele- mente aus dieser Gruppe aber mindestens 50 % und höchstens 200 % der maximalen Löslich¬ keit des am wenigsten in Aluminium löslichen Gruppenelementes ausmacht.
16. Aluminiumlegierung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß dieser Aluminiumlegierung mehrere der Elemente Silicium, Chrom, Magnesium, Wolfram, Titan, Antimon, Niob, Vanadium, Kobalt, Molybdän und Zirkon zuge¬ setzt sind und deren Gesamtgehalt vorzugsweise kleiner 100 % des Gehaltes an Kupfer ist.
17. Aluminiumlegierung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß bei dieser Aluminiumlegierung das Verhältnis Mangan zu Eisen zwischen 4 : 1 und 2,5 : 1 , bevorzugt 3,5 : 1 bis 2,5 : 1 liegt.
18. Aluminiumlegierung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß dieser Aluminiumlegierung mindestens 0,1 % und nicht mehr als 1,5 %, bevorzugt 0,15 % bis 0,8 %, bezogen auf die Legierungsmatrix (3), Chron zugesetzt ist
19. Aluminiumlegierung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß der Anteil an der Legierungsmatrix (3) an Zirkon 0, 1 % bis 1,0 %, bevorzugt zwischen 0,15 % und 0,5 % beträgt.
20. Aluminiumlegierung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß bezogen auf die Legierungsmatrix (3) Nickel und Chrom in einem Verhältnis von 0,5 : 1, bevorzugt in einem Verhältnis von 0,2 : 1 zugesetzt ist.
21. Aluminiumlegierung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß bezogen auf die Legierungsmatrix (3) Kobalt und Eisen in einem Verhältnis von 1 : 1 bis 0,25 : 1, bevorzugt 1 : 0,75 bis 1 : 0,5 zugesetzt ist.
22. Aluminiumlegierung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß bei der Zumengung bis zu einem Gewichtsanteil von höchstens 10 % eines Elementes aus der Cadmium, Indium, Blei und/oder Wismut enthaltenden Elementen¬ gruppe, bevorzugt jedoch der Anteil durch den Multiplikator der jeweils vorliegenden maxi- malen Löslichkeit der Komponente in Aluminium bei Cadmium zwischen dem 1,1- und 2,2- fachen, bei Wismut zwischen dem 2- und 13,5-fachen, bei Indium zwischen dem 1,25- und 45- fachen und bei Blei zwischen dem 1,25- und 14-fachen der jeweiligen maximalen Löslichkeit dieser Elemente in Aluminium beträgt.
23. Aluminiumlegierung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß ein Aushärtungseffekt der Laufschichte (13) des aus der Lauf- und/ oder Zwischenschichte (13, 18) und/oder der Stützlage (12) gebildeten Werkstoff Verbundes un¬ terhalb von einer Temperatur von 120°C höchstens 15 Gew% der bei einer Aushärtungstempe¬ ratur von max. 450°C, vorzugsweise 150°C bis 375°C erreichbaren Höchstfestigkeit beträgt.
24. Gleitlager aus einem Verbundwerkstoff, bestehend aus einer Lauf- und einer Zwi¬ schenschichte und gegebenenfalls Stützlage, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschichte (13) durch die Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, 4 oder 5 gebildet ist.
25. Gleitlager nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschichte (18) aus Reinaluminium gebildet ist.
26. Gleitlager nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschichte (18) durch eine Aluminiumlegierung gebildet ist, die als Hauptlegierungselemente zumindest ein
Element einer Eisen, Mangan, Nickel, Chrom, Kobalt, Kupfer, Platin, Magnesium, Antimon oder Silber enthaltenden ersten Elementengruppe zugesetzt ist.
27. Gleitlager nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Zwischenschichte (18) aus einer Aluminiumlegierung mit dem Haupt¬ legierungselement Zink gebildet ist.
28. Verfahren zur Herstellung von Verbundwerkstoffen aus Aluminiumlegierungen, ins¬ besondere für ein Gleitlager, bei dem weiche Phasen enthaltende aushärtbare Aluminium- Legierungen mit durch Hartstoffe wie Kupfer, Mangan, Eisen, Kobalt, Zirkon gebildeten Legierungselementen legiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierung zwischen 16 Gew% und 48 Gew%, vorzugsweise zwischen 20 Gew% und 30 Gew% Zinn zugesetzt wird und beim Gußvorgang intermetallische Phasen in einem Volumsanteil von 0,15 7c bis 5 % der Zinn-Netzwerkstruktur auf maximal 70 %, vorzugsweise 20 % bis 60 % der mittleren Um- fangslänge der sichtbaren Matrixkorngrenzen beschränkt wird und mindestens 15 % der Zinn¬ partikel mit den intermetallischen Phasen in einem Größenverhältnis von 1 : 1 vorliegen.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die intermetallischen Pha¬ sen nach einer Plattierung mit einer weiteren Schichte einer Legierung bei einer Temperatur von mindestens 365°C, vorzugsweise zwischen 370°C und 545°C thermisch behandelt wird und während einer nachfolgenden zwangsweisen Abkühlung die intermetallischen Phasen mit Ausnahme der Eisen-Kobalt- und Mangan-Kobalt-reichen intermetallischen Phasen aufgelöst werden, bis eine Matrix-Härte von maximal 43 Hb 2,5/31,25 erreicht ist.
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß nach Umformung der in¬ termetallischen Phasen die Schichte einer Kaltumformung von mindestens 25 % unterworfen wird, wonach eine thermische Behandlung bei mindestens 145°C, vorzugsweise zwischen 155°C und 180°C thermisch nachverdichtet wird, wobei die thermische Behandlung durch maximal 3 Stunden bei der jeweiligen Temperatur, jedoch höchstens 50°C unter der jeweiligen Kühltemperatur nachverdichtet wird, bis mindestens 75 % der bei maximaler Aushärtung er¬ reichbaren Festigkeit erreicht sind.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Lauf- und/oder
Zwischenschichte und/oder Stützlage gebildete Werkstoffverbund einer Aushärtung unterzogen wird, wobei ein Aushärtungseffekt der Laufschichte unterhalb von einer Temperatur von 120°C höchstens 10 % der bei einer Aushärtungstemperatur von maximal 450°C, vorzugsweise 150°C bis 375°C, erreichbaren Höchstfestigkeit bewirkt wird.
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