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Lagerlegierung auf Al-Sn-Basis, daraus hergestellter Lagerwerk-
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stoff und damit versehenes Wellenlager Die Erfindung bezieht sich
auf eine Lager legierung auf Aluminium-Zinn(Al-Sn)-Basis, die hergestellt wird,
indem Zinn einer Aluminiummatrix und einem Lagerwerkstoff zugesetzt wird, der hergestellt
wird, indem die Lagerlegierung auf Al-Sn-Basis auf eine Stahlunterlage durch Preßschweißen
aufgebracht wird. Insbesondere ist die Lagerlegierung auf Al-Sn-Basis nach der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerlegierung hinsichtlich mehrerer Eigenschaften
verbessert wird, indem verschiedene Arten von Zusatzelementen benutzt werden. Das
heißt die Dauerfestigkeit wird sehr tzrbessert, indem das Absinken der Härte bei
hohen Temperaturen verringert wird und indem insbesondere die Vergröberung der Zinnteilchen
vermieden wird. Außerdem wird die Verschleißfestigkeit der Lagerlegierung erhöht,
um die Haltbarkeit gegenüber einer zu lagernden Welle zu verbessern, die eine harte
und rauhe Oberfläche hat. In dem Fall, in welchem die Lagerlegierung nach der Erfindung
für Lagervorrichtungen an Kurbelwellen
von Verbrennungsmotoren benutzt
wird, die harte Bedingungen verlangen, können demgemäß beträchtliche Vorteile erwartet
werden.
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In den vergangenen Jahren ist es erforderlich geworden, Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren
kompakt und mit hoher Leistung herzustellen. Außerdem müssen sie als Gegenmaßnahme
zu den Abgasbestimmungen mit Rückfördervorrichtungen u.dgl. versehen werden, die
ins Kurbelgehäuse übergetretenes unverbranntes Gemisch tdurchblasendes Gas) rückfördern.
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Die Gebrauchsbedingungen für die Lagerwerkstoffe in Verbrennungsmotoren
sind deshalb bei hohen Belastungen und hohen Temperaturen härter geworden. Unter
solchen harten Bedingungen neigen die herkömmlichen Lagerwerkstoffe zum Ausfall
durch Ermüdung und zu anomalen Verschleiß, durch die verschiedene Störungen der
Motoren hervorgerufen werden.
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In Verbindung mit den Wellen, die mit den Lagerwerkstoffen in Berührung
gebracht werden, besteht die Tendenz, daß die bislang hergestellten Schmiedewellen
durch weniger teuere Wellen aus Sphäroguß oder anderem rauhen Material ersetzt werden,
um die Herstellungskosten zu senken. Die Verbesserung in der Verschleißfestigkeit,
in der Beständigkeit gegen Fressen und in der Dauerfestigkeit bei hohen Temperaturen
ist deshalb um so mehr erforderlich.
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Beispiele für die Legierung auf Al-Sn-Basis, die zum Herstellen der
Lager von Verbrennungsmotoren im Stand der Technik benutzt wird, sind: Al (Rest)
- Sn (3,5 - 4,5) - Si (3,5 - 4,5) - Cu (0,7 - 1,3); Al (Rest) - Sn (4 - 8) - Si
(1 - 2) - Cu (0,1 - 2) - Ni (0,1 - 1); Al (Rest) - Sn (3 - 40) - Pb (0,1 - 5) -
Cu (0,2 - 2) -Sb (0,1 - 3) - Si (0,2 - 3) - Ti (0,01 - 1); Al - (Rest) -Sn (15 -
30) - Cu (0,5 - 2); und Al (Rest) - Sn (1 - 23) -Pb (1,5 - 9) - Cu (0,3 - 3) Si
(1 - 8), wobei die in Klammern gesetzten Werte die Gewichtsprozentsätze der Werkstoffkomponenten
angeben.
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Wenn diese herkömmlichen Legierungen für die Lager von Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren
unter harten Beuingungen, wie sie oben beschrieben worden sind, benutzt werden,
kommt-es manchmal in kurzer Zeit zum Ausfall infolge Ermüdung, wenn die Motoren
ständig unter starken Belastungen betrieben werden. Das ist auf die Tatsache zurückzuführen,
daß die Temperatur des Schmieröls in einem Verbrennungsmotor während des durchgehenden
Vollastbetriebes sehr hoch wird, und beispielsweise kann die Temperatur des Schmieröls
in einer dlwanne 130 OC bis 150 OC erreichen, so daß die Temperatur der Gleitflächen
von Lagern ebenfalls sehr stark erhöht wird.
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Infolgedessen wird, da der eutektische Punkt einer solchen Legierung
in der Größenordnung von 225 OC liegt, die Härte der Legierung unter den Hochtemperaturbedingungen
schnell gering, was das Schmelzen und das Wandern der Sn-Komponente verursacht und
zur Folge hat, daß die Dauerfestigkeit gesenkt wird. Die Erfinder der vorliegenden
Erfindung haben eine Legierung hergestellt, deren Härte bei hohen Temperaturen nicht
verringert wird und bei der die Sn-Komponente kaum beweglich ist. Aus der Legierung
wurden durch Bearbeitung Lager für Verbrennungsmotoren hergestellt und diese wurden
Dauerversuchen unter dynamischen Belastungen bei hohen Öltemperaturen ausgesetzt.
Dabei konnte die Verbesserung der Dauerfestigkeit, über die oben Überlegungen angestellt
worden sind, festgestellt werden.
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Zusätzlich zu dem Verringern der Dauerfestigkeit aufgrund des Verlustes
an Härte bei hohen Temperaturen, wie oben erwähnt, bewirkt die Vergröberung von
Zinn teilchen in dem Gefügebild von herkömmlicher Al-Sn-Legierung ebenfalls ein
Absinken der Dauerfestigkeit. Das heißt der Aluminíumlagerwerl-stoff wird im allgemeinen
hergestellt, indem eine Al-Sn-Legierung durch Preßschweißen auf eine Stahlunterlage
aufgebracht wird, wobei ein Glühschritt nach dem Preßschweißen erforderlich ist,
um die Haftfestigkeit zwischen beiden Metallen zu verbessern.
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Das Glühen erfolgt im allgemeinen bei einer Temperatur unterhalb des
Punktes, an welchem sich eine intermetallische Al-Fe-Verbindung abscheidet, und
je höher die Behandlungstemperatur ist und je länger die Behandlungszeit ist, um
so grösser
wird die Haftfestigkeit. Tatsächlich wird, wenn die
herkömmliche Al-Sn-Legierung während des Glühens in einen Hochtemperaturzustand
gebracht wird, die Vergröberung der Aluminiumkorngrenzen und Zinnteilchen nachteiligerweise
in dem Legierungsgefügebild hervorgerufen. Das heißt, wenn die herkömmliche Aluminiumlagerlegierung
einem Glühvorgang ausgesetzt wird, um die Haftfestigkeit an der Stahlunterlage zu
verbessern, kommt es zur Vergröberung der Zinnteilchen, was das Verringern der Dauerfestigkeit
der Al-Sn-Legierung bei hohen Temperaturen zur Folge hat.
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Weiter sind diese -herkömmlichen Al-Sn-Lagerlegierungen hinsichtlich
ihrer Verschleißfestigkeit nicht gut genug. Insbesondere wenn Wellen mit harten
und rauhen Oberflächen, beispielsweise solche aus Sphäroguß, mit den Lagerlegierungen
in Berührung gebracht werden, wird die Verschleißfestigkeit stark verringert und
es kommt zu Ausfällen aufgrund von Ermüdung, was im Stand der Technik ein ernstes
Problem darstellt.
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Zum Beseitigen der oben beschriebenen Nachteile der herkömmlichen
Lager legierung auf Al-Sn-Basis schafft die Erfindung demgemäß eine Lagerlegierung
auf Al-Sn-Basis, bei der es zu einem relativ geringen Verlust an Härte bei hohen
Temperaturen kommt und die demgemäß eine hohe Dauerfestigkeit hat.
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Weiter schafft die Erfindung eine verbesserte Lagerlegierung auf Al-Sn-Basis,
in der es nicht oder nur zu mäßiger Vergröberung der Zinnteilchen während des Glühschrittes
oder während des Gebrauches unter Hochtemperaturbedingungen kommt, was eine höhere
Dauerfestigkeit ergibt.
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Ferner schafft die Erfindung eine Lager legierung auf Al-Sn-Basis
mit einer relativ hohen Verschleißfestigkeit, insbesondere gegenüber Wellen aus
harten und rauhen Materialien, wie Sphäroguß, der zum Herstellen von Kurbelwellen
von Verbrennungsmotoren benutzt wird
Schließlich schafft die Erfindung
einen Lagerwerkstoff, der hergestellt wird, indem die obige Lagerlegierung auf die
Oberfläche einer Stahlblechunterlage aufgebracht wird, und Lagervorrichtungen für
Verbrennungsmotoren, die aus dem obigen Lagerwerkstoff hergestellt sind.
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Gemäß der Erfindung enthält die Lagerlegierung auf Al-Sn-Basis grundsätzlich
über 7 bis 35 Gew.% Sn, 0,1 - 1,0 Gew.% Cr; insgesamt 1 - 10 Gew.% von einem oder
mehreren der spezifizierten Zusätze W, Ce, Nb, V, Mo, na, Ca und Co; Rest Aluminium.
Zum Verbessern der Lagereigenschaften kann die LaSerlegierung auf Al-Sn-Basis nach
der Erfindung weiter insgeamt 3 Gew.% oder weniger Cu und/oder Mg und/oder insgesamt
9 Gew.% oder weniger von einem der Elemente Pb, i, Tl, Cd und In enthalten. In Verbindunq
mit den oben genannten Zusätzen verringert der Zusatz an 0,1 bis 1,0 Gew.% Cr insbesondere
das Absinken der Härte bei hohen Temperaturen und ausserdem die Vergröberung der
Sn-Teilchen. Weiter ist anzunehmen, daß die spezifizierten Zusätze eine beträchtliche
Auswirkung auf die Verbesserung der Verschleißfestigkeit haben.
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Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig.
1 Diagramme, welche die Änderungen im Reibungsmoment bei Belastungserhöhungen zeigen;
Fig. 2 ein Diagramm, welches die Verschleißverluständerungen von Legierungen mit
der Zunahme von Belastungen zeigt, die auf Stahlwellen ausgeübt werden, welche mit
den Legierungen in Kontakt sind; und Fig. 3 ein Diagramm, welches die Verschleißverluständerungen
von Legierungen mit der Zunahme von Belastungen zeigt, die auf Wellen aus Sphäroguß
ausgeübt werden, welche mit den Legierungen in Kontakt sind.
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Die Lagerlegierung auf Al-Sn-Basis nach der Erfindung wird hergestellt,
indem die oben genannten Elemente Sn, Cr und einer oder mehrere der obigen spezifizierten
Zusätze der Aluminiummatrix zugesetzt werden.
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In Verbindung mit der Zinnmenge können die Paßfähigkeit und die Schmiereigenschaften
mit zunehmender Zinnmenge insgesamt verbessert werden, wobei jedoch die Härte gesenkt
wird. Die Belastbarkeit eines Lagers wird deshalb gering. Wenn dagegen die Zinnmenge
gering wird, wird die Belastbarkeit erhöht, die Legierung ist aber als Lagerwerkstoff
zu hart und die Paßfähigkeit wird schlechter. Im Stand der Technik ist die obere
Grenze für den Zinngehalt im allgemeinen etwa 15% und die untere Grenze etwa 3%.
Bei der Erfindung wird der Zinngehalt auf den Bereich von mehr als 7% beschränkt,
in welchem die Paßfähigkeit gut genug ist. Zum Absondern und Dispergieren des Zinnbestandteils
ist die obere Grenze für das Zinn im Stand der Technik, wie oben beschrieben, auf
etwa 15% festgesetzt worden.
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Das bedeutet, daß, wenn mehr als 15% Zinn enthalten sind, die Zinnteilchen
in der Legierung nicht unabhängig in dem Aluminium dispergiert werden können und
in durchgehendem Zustand vorhanden sind, was die Härte verringert. Bei der Erfindung
können jedoch Dank der Auswirkung des Zusatzes von anderen Elementen bis zu 35%
Zinn zugesetzt werden, ohne daß irgendein praktischer Nachteil hervorgerufen wird.
Deshalb werden 35% als obere Grenze für das Zinn bei der Erfindung angenommen. Unter
einem anderen Gesichtspunkt kann die zugesetzte Zinnmenge, wenn die Gefahr des Fressens
besteht, in dem Bereich von 7%, ausschließlich, bis 35% erhöht werden, während,
wenn keine Gefahr dec Fressens besteht, die Zinnmenge verringert werden kann. In
kutigen Fällen wird jedoch die Lagertemperatur aufgrund der hohen Öltemperatur hoch,
was zur Verformung des Lagers gefolgt von Fressen und Ermüdung führt. Die Zusatzmenge
an Zinn kann deshalb unter dem Gesichtspunkt der Verringerung der Verformung bei
hohen Temperaturen festgelegt werden.
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Der Zusatz von Chrom (Cr) bewirkt, daß die Härte der Legierung vergrößert
wird und die Legierung am Erweichen bei hohen Temperaturen gehindert wird, so daß
die Vergröberung der Zinnteilchen selbst beim Glühen nicht auftritt. Zuerst werden
die Effekte zum Erhöhen der Härte und zum Vermeiden des Erweichens
der
Legierung bei hohen Temperaturen beschrieben. Wenn die Menge an Chrom kleiner als
0,1 Gew.% ist, kann die Verbesserung det Härte bei hoher Temperatur nicht erwartet
werden. Wenn die Chromzusatzmenge 1,0 Gew.% übersteigt, kann die intermetallische
Al-Cr-Verbindung nicht fein und gleichmäßig dispergiert werden, was weiter unten
noch näher beschrieben ist, weshalb die Auswirkung des Zusatzes gering wird. Demgemäß
wird die Chromzusatzmenge auf den Bereich von 0,1 bis 1,0 Gew.% beschränkt. Insbesondere
bildet in Verbindung mit der Verbesserung der Härte bei hoher Temperatur das Chrom
eine feste Lösung in dem Aluminium, die die Rekristallisationstemperatur des Aluminiums
erhil1t, und darühr hinaus verbessert die feste Lösung selbst die Härte der Aluminiummatrix.
Gleicnzeitig wird die härte der Chrom e untnaltenden Legierung höher, selbst wenn
sie mehrmals gewalzt wird, was einen Gegensatz zum Gießen darstellt. Mit der Erhöhung
der Rekristallisationstemperatur des Aluminiums können die Motorenlager, die hohen
Temperaturen ausgesetzt werden, ihre mechanischen Eigenschaften beibehalten. Insbesondere
kann das Absenken der Härte bei hohen Temperaturen verringert werden und das Erweichen
von Lagern in einem Hochtemperaturbereich kann gut vermieden werden, wodurch die
Haltbarkeit der Lager verbessert wird. Weiter hat die intermetallische Al-Cr-Vcrbindung,
die über der Grenze der festen Lösung ausgeschieden wird, eine Vickershärte von
mehr als etwa 370, so daß die Dispersion dieser Verbindung der Lagerlegierung hilft,
die Härte bei hoher Temperatur aufrechtzuerhalten. Die Dispersion einer solchen
intermetallischen Verbindung in richtiger Menge hat deshalb eine günstige Auswirkung.
Der bevorzugte Bereich der Chrommenge ist wie oben beschrieben, 1,0 Gew.% oder weniger,
und, wenn die Chrommenge innerhalb dieses Bereiches liegt, ergibt sich eine feine
und gleichmäßige Abscheidung der intermetallischen Verbindung und die Härte der
Lagerlegierung wird erhöht.
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Im folgenden wird die Auswirkung des Chromzusatzes zur Vermeidung
der Vergröberung der Zinnteilchen beschrieben. Die Vergröberung der Zinnteilchen
ist eine Erscheinung, die auf das Wandern von Aluminiumkorngrenzen und Zinnteilchen
bei sich auf hoher Temperatur befindlicher .Nl-Sn-Legierung zurückzuführen ist.
Da
das Chrom als die oben erwähnte intermetallische Al-Cr-Verbindung
ausgeschieden wird, die in der Aluminiumlecgierungsmatrix feinst verteilt wird,
blockiert diese intermetallische Verbindung direkt das Wandern der Aluminiumkorngrenzen
und behindert gleichzeitig das Wachstum von Aluminiumkristallkörnern. Das Wandern
von Zinnteilchen wird deshalb ebenfalls behindert und infolgedessen kann die Vergröberung
der Zinnteilchen vermieden werden. Das steht in Beziehung zu der Tatsache, daß die
feinst verteilten Zinnteilchen während der Wiederholung des Walzens und Glühens
dort gehalten werden, wo sie sich befinden, so daß die oben erwähnten verschiedenen
Auswirkungen erzielt werden können. Diese Erscheinung kann beobachtet werden, wenn
die Menge an Zinn klein ist, die Auswirkung wird jedoch größer, wenn die zunge an
Zinn relativ groß ist (mehr als etwa 10 Gew.%). Insbesondere in dem Fall, in welchem
die Zinnmenge etwa 15 Gew.% übersteigt und in welchem die Zinnteilchen in einem
kontinuierlichen Zustand vorhanden sind, wird die Auswirkung des Zusatzes merklich.
Weiter ist selbst dann, wenn die Menge an Zinn kleiner als 10 Gew.% ist, die Auswirkung
des Chromzusatzes selbstverständlich gemäß den Verwendungsbedingungen und Einsatz
zwecken der Legierung erwartungsgemäß ausreichend.
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Weiter kann die Verfliissigung von Zinnteilchen, die einen niedrigen
Schmelzpunkt von etwa 232 OC haben, unter Hochtemperaturbedingungen wirksam verhindert
werden, weil die Zinnteilchen in einem feinst verteilten Zustand in der Aluminiummatrix
gehalten werden. Unter diesem Gesichtspunkt wird die Auswirkung des Verhinderns
des Absenkens der Härte verständlich.
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Vorstehend ist die Auswirkung des Verhinderns der Vergröberung der
Zinnteilchen in dem Glühschritt beschrieben.
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Diese Auswirkung kann auch in dem Bearbeitungszustand des Lagerwerkstoffes
erwartet werden,in dem die Temperatur gleich der im Glühzustand ist. Demmgemäß kann
die Dauerfestigkeit im praktischen Gebrauch auch mit dem Blockieren des Erweichens
verbessert werden.
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Hauptsächlich zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit werden
ein
oder mehrere Elemente der Gruppe der spezifizierten Zusätze, wie Wolfram (W), Cäsium
(Ce), Niob (Nb), Vanadium (V), Molybdän (Mo), Barium (Ba), Calcium (Ca) und Kobalt
(Co) zugesetzt. Die Zusatzmenge jedes dieser Elemente liegt innerhalb des Bereiches
einer Linie bis 1C Gew.%, während die Gesamtmenge dieser Elemente nicht mehr als
10 Gew.% beträgt und vorzugsweise in dem Bereich von 1 bis 6 Gew.% liegt, wobei
diese Menge gemäß dem Verwendungszweck festgelegt werden kann. Der Grund für die
vorstehende Beschränkung ist folgender. Die ausgeschiedenen Substanzen (oder kristallisierten
Substanzen, dasselbe soll im folgenden gelten) dieser Elemente sind in der Aluminiummatrix
dispergiert, weshalb die Verschleißfestigkeit verbessert werden kann. Wenn die Zusatzmenge
des spezifizierten Zusatzes kleiner als 1 Gew.% ist, kann sich die Auswirkung des
Zusatzes nicht ergeben, während, wenn die Zusatzmenge mehr als 10 Gew.% beträgt,
zuviel Substanz ausgescheden wird, so daß die Anpaßbarkeit an das Walzen schlecht
wird und das Wiederholen von Walzen und Glühen schwierig wird. Weiter wird die Bildung
der feinen Zinnteilchen blockiert. Um diese unerwünschten Effekte vollständig zu
beseitigen, ist die bevorzugte obere Grenze auf 6 Gew.% oder so festgelegt worden.
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Die Ausscheidungsformen dieser spezifizierten Zusätze sind die ausgeschiedenen
Substanzen jedes zugesetzten Elements, die der intermetallischen Verbindungen zwischen
den zugesetzten Elementen, die der intermetallischen Verbindungen von Aluminium
und zugesetzten Elementen und die der intermetallischen Verbindungen von Aluminium
und der intermetallisch Verbindung von zugesetzten Elementen. Die Verschleißfestigkeit
kann durch die ausgeschiedenen Substanzen in allen Formen der vorstehenden verbessert
werden.
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Die Vickershärten dieser ausgeschiedenen Substanzen erreichen
mehrere
hundert, so daß die ausgeschiedenen Substanzen sehr hart sind und der Verschleiß
von Lagern, der durch die Reibung mit Wellen verursacht wird, durch die ausgeschiedenen
Substanzen beträchtlich verringert werden kann. Demgemäß kann ein ziemlich gutes
Resultat erzielt werden, wenn eine richtige Menge der ausgeschiedenen Substanz in
der Aluminiummatrix vorhanden ist. Der Bereich der richtigen Menge reicht, wie oben
beschrieben, von 1 bis 10 Gew.%, und, wenn die Menge der ausgeschiedenen Substanz
in diesem Bereich liegt, kann die ausgeschiedene Substanz gleichmäßig dispergiert
werden und die Verschleißfestigkeit kann wirksam verbessert werden, ohne daß nachteilige
Effekte, wie das Absenken der Paßfähigkeit, hervorgerufen werden.
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ner Effekt der Verbesserung der Verschleißfestigkeit ist beträchtlich,
wenn das Lager eine Welle trägt, die eine harte und rauhe Oberfläche hat. Die Leistungsfähigkeit
des Lagers hängt im allgemeinen von der Härte und der Rauhigkeit des abzustützenden
Werkstoffes in großem Ausmaß ab. Wenn beispielsweise der herkömmliche Lagerwerkstoff
auf Al-Sn-Basis zum Abstützen einer Welle aus Sphäroguß benutzt wird, werden die
Eigenschaften des Lagers hinsichtlich Verhindern des Fressens und hinsichtlich der
Verschleißfestigkeit merklich verschlechtert. Da die Wellen aus Sphäroguß billig
hergestellt werden können, werden sie in jüngerer Zeit anstelle der geschmiedeten
Stahlwellen weitgehend verwendet. In der Eisenmatrix der Welle sind weiche Graphitteilchen
verstreut. Wenn die Wellenoberfläche abgeschabt wird, werden deshalb blattartige
Schleifgrate um die Graphitteilchen herum gebildet. Wenn die Welle, die solche Schleifgrate
aufweist, gegenüber dem Lager unter starker Belastung verschoben wird, bei der die
Rauhigkeit der Welle und des Lagers und die Dicke des ölfilm zwischen ihnen einander
gleich sind, wird die Lageroberfläche, die weicher als die Welle ist, abgeschliffen.
Wenn dieser Zustand andauert, wird die Oberfläche des Lagers rauh und der Spalt
zwischen dem Lager und der Welle wird groß, was zum Durchbrechen oder zum Verlust
des Ölfilms führt. Infolgedessen kommt es zu einer direkten Berührung zwischen der
Welle und dem Lager (d.h. zu
einem Metall-Metall-Kontakt), die
zum Fressen beider Teile führt.
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In der Legierung nach der Erfindung ist dagegen die ausgeschiedene
Substanz, die in der Aluminiummatrix durch den Zusatz von einem oder mehreren Elementen
der oben spezifizierten Zusätze gebildet wird, härter als die oben erwähnten Schleifgrate
der Welle aus Sphäroguß. Die ausgeschiedene Substanz beseitigt deshalb die oben
erwähnten Schleifgrate von der Oberfläche der Welle und außerdem ist bei der ausgeschiedenen
Substanz eine Übertragung und ein Anhaften von Metall kaum möglich. Der Verschleißvorgang
der Lageroberfläche kann deshalb innerhalb einer relativ kurzen Zeit aufgehalten
werden, um die Bildung eines stabilen ölfilms zu bewirken. Infolgedessen können
in bezug auf die Welle aus Sphäroguß die Verschleißfestigkeit und die Eigenschaft
des Verhindernsdes Fressens des Lagers verbessert werden.
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In der Gruppe der spezifizierten Zusätze sind die erwünschtesten Mo
und Co, dann Ce und danach Nb, W und V und schließlich Ba und Ca. Diese Reihenfolge
wird im Hinblick auf den Grad der gleichmäßigen Dispersion der intermetallischen
Verbindungen mit Aluminium oder anderen Elementen und der einfachen Gießbarkeit
gewählt. Mo und Co sind hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit etwas schlechter,
so daß, wenn insbesondere die Korrosionsbeständigkeit im Gebrauch verlangt wird,
es erforderlich ist, die Zusatzmengen dieser Elemente zu verringern und andere Elemente
zu benutzen.
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Zusätzlich zu den oben beschriebenen Zusammensetzungen der Lagerlegierung
nach der Erfindung kann diese weiter mehr als null bis 3 Gew.% Kupfer (Cu) und/oder
Magnesium (Mg) enthalten. Kupfer und/oder Magnesium werden in Anbetracht der Tatsache
zugesetzt, daß sie das Verringern der Härte bei hohen Temperaturen reduzieren. Der
bevorzugte Bereich des Zusatzes von ihnen reicht von 0,1 bis2,0 Gew.%. Wenn die
Menge, in der sie zugesetzt werden, kleiner als 0,1 Gew.% ist, kann der Anstieg
der Härte nicht so sehr erwartet werden, während, wenn
die Zusatzmenge
mehr als 3,0 Gew.% beträgt, die Legierung zu hart wird und die Walzeigenschaft verschlechtert
wird und ausserdem die Rostschutzeigenschaft verschlechtert wird. Weiter erhöht
bezüglich Magnesium der Zusatz von mehr als 3 Gew.% die Härte, der Anstieg der Härte
während der Walzbearbeitung wird jedoch zu groß, weshalb ein zufriedenstellendes
Walzen nicht ausgeführt werden kann und es schwierig wird, ein ziemlich feines Zinngefügebild
zu erhalten. Weiter ist es wahrscheinlich, daß sich das als eine feste Lösung in
der Aluminiummatrix vorhandene Magnesium während des Glühens abscheidet und deshalb
die Verstärkung der Aluminiummatrix durch die feste Lösung dank der Abscheidung
des überschüssigen Magnesiums nicht erwartet werden kann. Das bevorzugte Zusatzverhältnis
beträgt deshalb nicht mehr als 2,0 Gew.%. Weiter zeigt sich die Ausirkung des Zusatzes
an Kupfer und/oder Magnesium, wenn Chrom gleichzeitig zugesetzt wird, und der Effekt
des Erhöhens der Härte bei hohen Temperaturen ist nicht zu erwarten, wenn nur Kupfer
und/oder Magnesium zugesetzt werden. Wenn Kupfer und/oder Magnesium der Aluminiummatrix
zugesetzt werden, wird also die Härte beim Walzen stark erhöht, was im Vergleich
zu dem Fall, in welchem andere Elemente der Aluminiummatrix zugesetzt werden, bemerkenswert
ist. Es ist jedoch zu beachten, daß die Kupfer und/oder Magnesium enthaltende Aluminiumatrix
bei etwa 200°C leicht erweicht werden kann, weshalb nicht erwartet werden kann,
daß die Härte bei hohen Temperaturen aufrechterhalten wird. Wenn dagegen Kupfer
und/oder Magnesium zusammen mit Chrom zugesetzt werden, wird dagegen die Härte,
die während des Walzens aufgrund der Auswirkung des Zusatzes von Kupfer und/oder
Magnesium erhöht wird, durch das Glühen nicht so stark gesenkt, was der Zusatz des
Chroms mit sich bringt. Diese Härte kann unter Hochtemperaturbedingungen aufrechterhalten
werden, weshalb die Lager legierung nach der Erfindung im Vergleich zu den bekannten
Legierungen eine höhere Härte bei hohen Temperaturen hat, die die Verbesserung der
Dauerfestigkeit ergibt. Wenn Kupfer und Magnesium gleichzeitig zugesetzt werden,
ist es erwünscht, daß die Gesamtmenge von ihnen nicht mehr als 3 Gew.% beträgt,
wobei die Menge des Kupfers selbst nicht mehr als 2 Gew.% beträgt.
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Weiter kann bei der Lagerlegierung nach der Erfindung die Eigenschaft,
ein Zinn enthaltendes Gleitmetall zu sein, weiter verbessert werden, indem insgesamt
mehr als null bis 9 Gew.% von einem oder mehreren der Elemente Blei (Pb), Wismut
(Bi), Thallium (Tl), Cadmium (Cd) und Indium (In) zugesetzt werden. Die Auswirkung
des Zusatzes von Blei, Wismut, Indium, Thallium und Cadmium zeigt sich, wenn sie
zusammen mit Chrom zugesetzt werden. Im Stand der Technik ist ins Auge gefaßt worden,
diese Elemente Legierungen auf Al-Sn-Basis zuzusetzen, und der Zusatz ist in einigen
Fällen angewandt worden. Wenn jedoch nur diese Elemente der Legierung auf Al-Sn-Basis
zugesetzt werden, bilden sie Legierungen, bei denen der Nachteil, daß der Schmelzpunkt
des Zinns niedrig wird, nicht vermieden werden kann. Somit kommt es bei der bekannten
Legierung auf Al-Sn-Basis wahrscheinlich zum Schmelzen und zum Wandern des Zinns
bei niedrigen Temperaturen, wodurch das Wachstum von Zinnteilchen zu größeren und
gröberen Teilchen verursacht wird. Wenn eine solche Legierung als Lagerwerkstoff
benutzt wird, kommt es bei einem Betrieb unter ständiger starker Belastung zum teilweisen
Schmelzen und zum Abschabcn. Erfindungsgemäß werden dagegen die Zinnteilchen durch
den Zusatz von Chrom fein gemacllt und das Gefügebild wird bei hohen remperaturen
in der Lagerlegierung nach der Erfindung beibehalten.
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Selbst wenn eines oder mehrere der oben genannten Elemente Blei, Wismut,
Indium, Thallium und Cadmium der Legierung zugesetzt werden, kann die Schmiereigenschaft
des Zinns verbessert werden, ohne daß die Nachteile des Standes der Technik auftreten.
Weiter kann die Lager legierung nach der Erfindung für ein Lager benutzt werden,
welches eine hohe Dauerfestigkeit haben muß, und ausserdem wird es möglich, die
Paßfähigkeit des Lagerwerkstoffes zu verbessern.
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Die Zusatzmenge an einem oder mehreren der Elemente Blei, Wismut,
Indium, Thallium und Cadmium, die die obigen Auswirkungen haben, liegt, wie oben
beschrieben, in dem Bereich von mehr als null bis 9 Gew.% insgesamt. Unter diesen
Elementen sind Blei und Indium am meisten vorzuziehen, und an diese schließen sich
Wismut und Cadmium und dann Thallium an. Das ist von der Tatsache abhängig, daß
Blei und Indium unter Druck am fließfähigsten sind, so daß die Gleiteigenschaften
und die Paßfäbigkeit gut werden. Die nächsten Elemente, Wismut und Cadmium, sind
im Vergleich zu Blei und Indium etwas härter und haben höhere Schmelzpunkte. Das
letzte Element, Th-1lium, hat ähnliche Eigenschaften wie Blei und Indium, Aie Produktionsmenge
von Thallium ist jedoch gering und es ist ein teueres Element. Weiter ist es erwünscht,
daß die Gesamtzusatzmenge an Blei, Wismut, Indium, Thallium, Cadmium und Zinn nicht
mehr als 35 Gew.% beträgt. Eines oder mehrere der Elemente Blei, Wismut, Indium,
Thallium und Cadmium kann zusammen mit dem oben erwähnten Kupfer und/oder Magnesium
zugesetzt werden, wodurch das Absinken der Hochtemperaturhärte verringert und gleichzeitig
die Schmiereigenschaften des Zinns verbessert werden können.
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Die oben beschriebene Lagerlegierung auf Al-Sn-Basis wird hauptsächlich
für Gleitlager in Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren u.dgl. benutzt, wobei die Lagerlegierung
im allgemeinen auf Stahlblechunterlagen durch Preßschweißen aufgebracht und daran
anschließend zum Erhöhen der Haftfestigkeit geglüht wird.
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Bei den bekannten Legierungen auf Al-Sn-Basis kommt es jedoch zur
Verringerung der Härte, zum Schmelzen der Zinnteilchen usw., weil die Aluminiumkorngrenzen
und die Zinnteilchen in dem Legierungsgefüge wandern, was die Vergröberung der Zinnteilchen
zur Folge hat. Bei der Erfindung werden das Wandern der Aluminiumkorngrenzen und
das Wachstum von Aluminiumkristallteilchen wirksam vermieden, und zwar durch die
ausgescEIiedene Substanz der intermetallisclien Al-Cr-Verbindung, die in clcn Preßschweiß-
und Glühschritten erzeugt wird. Die Lagerlegierung nach der Erfindung ist deshalb
frei von den obigen nachteiligen Einflüssen des Glühens und infolgedessen kann die
11aftfestigkeit zwischen der Legierung auf Al-Sn-Basis und den Stahlblechunterlagen
durch Erhöhen der Glühtemperatur hoch gemacht werden. Da die obige Tatsache auf
den Fall angewandt werden kann, in welchem die Lagerlegierung nach der Erfindung
in Umstände versetzt wird, die der Temperatur des Glühens entsprechen, ist es ziemlich
bedeutsam, daß die Dauerfestigkeit durch das Verhindern der Erweichung verbessert
werden kann. Weiter wird auch die Verbesserung der Verschleißfestigkeit beobachtet
und die Lagerlegierung ist besonders wirksam, wenn sie in Verbindung mit Wellen
aus Sphäroguß benutzt wird.
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Wenn alle Eigenschaften in Betracht gezogen werden, wie die Anpaßbarkeit
an Gießen und Walzen, das Haftvermögen an einer Stahlunterlage, die Bearbeitbarkeit,
die Eigenschaft des Verhinders des Fressens, die Verschleißfestigkeit und die Gleiteigenschaft,
so beträgt die bevorzugte Zusammensetzung der Lagerlegierung nach der Erfindung
7,5 - 25 Gew.% Sn; 0,1 - 0,7 Gew.% Cr; 1,0 - 6,0 Gew.% aus der Gruppe der spezifizierten
Zusätze; 0,1 - 2,0 Gew.% Cu und/oder Mg; 0,5 - 5,0 Gew.% Pb, Bi, In, Tl und/ oder
Cd; Rest Al. Wenn die obengenannten Elemente Pb, Bi, In, Tl und/oder Cd nicht zugesetzt
werden, kann die Menge an Zinn auf
10 - 30 Gew.% erhöht werden.
Weiter kann der Zusatz an Cu und/ oder Mg entfallen.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von mehreren Beispielen ausführlicher
beschrieben.
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Die folgende Tabelle A zeigt die Zusammen setzungen von Legierungen
(Proben)l bis 16 nach der Erfindung sowie von Vergleichs legierungen (Proben) 17
bis 21.
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Bei der Herstcllung der Legierungen 1 bis 16 wurde ein Aluminiummaterial
in einem Gas ofen geschmqlzen und
gemäß den Formeln von Tabelle A wurden Legierungen auf(Äl-Cr A--Cu , Al-Mg und Al
mit spezifizierten usätzen in dem geschmolzenen Aluminium aufgelöst. Anschließend
daran wurden Sn und Pb, Bi,In, Tl und Cd zugesetzt und es wurde eine Entgasung vorgenommen.
Dann wurde das Metall in Formen gegossen und anschließend wiederholt gewalzt und
geglüht (350 OC) um Proben herzustellen. Die Hochtemperaturhärte der Proben wurde
dann gemessen. In dem nächsten Schritt wurden diese Proben gewalzt und daran anschließend
wurden die Legierungsproben auf Stahlblechunterlagen durch Preßschweißen
befestigt,
um bimetallische Proben herzustellen. Diese wurden dann geglüht und zu ebenen Lagern
verarbeitet und ihre Dauerfestigkeit unter dynamischen Belastungen wurde getestet.
In gleicher Weise wie oben wurden die Legierungen 17 bis 21 für Vergleichstests
hergestellt und den gleichen Tests unterworfen.
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Die Tabelle B zeigt die Ergebnisse der Messung der Vickershärten von
mehreren Legierungen bei einer gewöhnlichen Temperatur und bei 200 °C, die Ergebnisse
von Dauerfestigkeitstests unter dynamischen Belastungen und die Ergebnisse von Freßtests
mit Stahlwellen und Sphärogußwellen. Die obigen Dauerfestigkeitstests wurden ausgeführt,
indem jede Legierung mit 107-maliger Wiederholung unter den folgenden Bedingungen
belastet wurde und die Stärke der Belastungen, bei denen es zur Ermüdung kommt,
gemessen wurde, d.h. der Druck an der Dauerfestigkeitsgrenze durch diese Anzahl
von Wiederholungen.
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Testmaschine: Soda Dynamic Load Tester Gleitgeschwindigkeit: 400 -
470 m/min Schmieröl: SAE 10W30 Schmierung: Druck schmierung öltemperatur: 140 +
5 OC öldruck: 0,5 MPa Material in Kontakt: Art: S 55 C Rauhigkeit: 1 pm Härte: HV
500 - 600 Lagergestalt: Durchm. x Breite: 52 x 20 mm halb geteiltes Metall Rauhigkeit:
1 - 3 pm
In den obigen Freßtests wurden die Belastungen beim Fressen
bei um 5 MPa (50 Kg/cm²) zunehmenden Belastungen alle 20 min unter folgenden Bedingungen
gemessen. Das folgende Material (1) in Kontakt mit dem Lager wurde als Stahlwelle
benutzt und das Material (2) in Kontakt mit dem Lager wurde als Sphärogußwelle benutzt.
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Testmaschine: Ultrahochdruck-Freßtester Gleitgeschwindigkeit: 468
m/min Belastung: 5 MPa,stufenweise Erhöhung alle 20 min Schmieröl: SAE 10W30 Schmierung:
Druckschmierung Öltemperatur: 140#5°C Material (1) in Kontakt: Art: S 50 C Rauhigkeit:
0,3 - 0,8 pm Härte: HV 500 - 600 Material (2)in Berührung Art: Sphäroguß (DCI) Rauhigkeit:
0,3 - 0,8 pm Härte: HV 200 - 300 Tabelle B zeigt, daß die Legierungen nach der Erfindung
im Vergleich zu den Vergleichslegierungen eine größere Härte im Hochtemperaturbereich
haben.
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Weiter ergaben im Vergleich zu den Vergleichs legierungen die Leaierungen
nach der Erfindung relativ gute Ergebnisse hinsichtlich der Dauerfestigkeit. Weiter
ergaben bei den Freßtests unter Verwendung von Sphärogußwellen die Legierungen nach
der Erfindung ausgezeichnete Ergebnisse.
T a b e l l e A
| Legier. |
| Beisp.- Legierungsbestandteile (Gew.%) |
| Nr. Al Sn Cu Mg Pb Bi In Ti Cd Cr W Ce Nb V Mo Ba Ca Co |
| 1 Re 1,0 0,3 5,0 |
| 2 Re 7,5 0,2 1,5 1,0 0,5 2,0 |
| 3 Re 10 1,0 0,8 9,0 |
| 4 Re 15 2,0 0,5 0,1 3,0 |
| 5 Re 15 1,0 2,0 3,0 0,5 3,0 |
| 6 Re 17 1,0 2,0 0,5 0,2 3,0 |
| 7 Re 17 1,0 3,0 0,5 2,0 |
| 8 Re 17 1,0 9,0 0,8 2,0 |
| 9 Re 20 1,0 3,0 0,5 2,5 |
| 10 Re 20 1,0 0,5 1,5 |
| 11 Re 25 3,0 0,5 0,5 3,0 |
| 12 Re 25 5,0 2,0 1,0 3,0 |
| 13 Re 30 1,5 0,5 0,5 2,0 |
| 14 Re 35 1,0 7,0 0,5 |
| 15 Re 15 0,7 2,0 0,5 4,0 |
| 16 Re 25 1,0 3,0 1,0 |
| 17 Re 4 1,0 4,0 0,2 |
| 18 Re 6 1,0 1,5 0,5 |
| 19 Re 17 1,0 3,0 2,0 2,5 |
| 20 Re 20 1,0 |
| 21 Re 20 1,0 3,0 3,0 |
Anm.: Re=Rest
T a b e l l e B
| Legier. |
| Dauer- Belast.b.Fress. |
| Beisp.- a rt R { EV} Dauer- festigkeit (MPa) |
| Nr. gewöhnl. 1 200C (MPa) Stahl- |
| Temperatur welle D C I |
| 1 q 3a < ho |
| 2 2 74 20 |
| 3 0 |
| 4 4f, 3 |
| 5 45 tg 620 zu 99 |
| fi 42 26 » |
| 7 $aW ß 20 ? |
| 8 3 35 .oo |
| LI(I 33 VU |
| 9 30 o 44 22 mm o0 - Co |
| 10 0 0 |
| h t 1~ 4$;T S N0 2° 5S |
| 12 351 2.S gCo 29 60 |
| 13 Ei4. 0 |
| 14 L53 26 til ~LM 0 |
| 15 4g 3 1 EQo ?0 30 |
| 16 Tp\ 20 |
| 7 t) 20 W zu 1 0 |
| 8 t7 gt B 80~ lo |
| s .L |
| 20 20 |
| rd |
| 4 2 1 R W 1 2 v 80 9 |
| 22 |
Fig. 1 zeigt die Änderungen der Reibungsmomente bei zunehmenden
Belastungen in Verbindung mit der Legierung 5 und den Vergleichslegierungen 18 und
20. Bei diesen Tests wurden abgeschreckte Wellenwerkstoffe S 55 C bei einer Drehzahl
von 1000 U/min und bei Hochdruckschmierung mit konstanter öltemperatur (140 OC)
benutzt und die Änderung des Reibungsmoments mit zunehmender Belastung wurde unter
Verwendung eines Oszillographen gemessen.
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Gemäß den Diagrammen von Fig. 2 treten Reibungsmomentspitzen bei zunehmender
Belastung bei der bekannten Legierung 18 auf und die Werte sind stark schwankend.
In dem Fall der Legierung 20 nimmt das Reibungsmoment allmählich zu, ohne daß es
zur Bildung irgendeiner Spitze kommt, und die kuppelförmigen Änderungen im Reibungsmoment
werden bei der Beendigung des Belastungsanstiegs beobachtet. In dem Fall der Legierung
5 nach der Erfindung wird das Reibungsmoment mit zunehmender Belastung allmählich
erhöht und es wird keine unerwünschte Änderung in dem Reibungsmoment beobachtet.
Es ist deshalb zu erkennen, daß die Legierungen nach der Erfindung in ihrer Paßfähigkeit
ausgezeichnet sind und nicht fressen. Die schwankenden Spitzenwellen bei der bekannten
Legierung 18 bedeuten mit anderen Worten, daß der ölfilm auf der Gleitfläche teilweise
durchbrochen ist, wodurch ein fester Kontakt verursacht wird, und, wenn dieser Kontakt
sich wiederholt, der volle Durchbruch (Fressen) erfolgt. Die Legierung 5 nach der
Erfindung, die solche Wellenformen nicht aufweist, ist hinsichtlich der Paßform
und der Eigenschaft des Verhinderns des Fressens vorteilhafter.
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Fig. 2 zeigt die Ergebnisse von Reibungstests, in welchen die Legierungen
1, 4 und 7 nach der Erfindung und die Vergleichslegierungen 20 und 21 miteinander
verglichen werden. In Fig. 3 sind die Ergebnisse von weiteren Reibungstests gezeigt,
in denen die Legierungen die gleichen wie in Fig. 3 sind und Wellen aus Sphäroguß
(Oberflächenrauhigkeit: 1 pm, Härte: EV 200 - 300)
unter gleichen
Testbedingungen benutzt wurden. Aus Fig. 2 ist zu erkennen, daß die Verschleißverluste
der Legierungen 1, 4 und 7 nach der Erfindung im Vergleich zu denjenigen der Vergleichslegierungen
20 und 21 ziemlich gering sind. Im Vergleich mit den Fällen von Fig. 2 sind die
Unterschiede in den Verschleißverlusten zwischen den Legierungen 1, 4 und 7 und
den Vergleichslegierungen 20 und 21 in Fig. 3 groß.
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Es sei beachtet, daß in der Zusammensetzung der Legierung nach der
Erfindung das Aluminium selbstverständlich eine Spurenmenge an Verunreinigungen
enthalten kann, die durch die gewöhnl5nhen Verfeinerungsverfahren nicht beseitigt
werden können.
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Zusammenfassung: Die Erfindung bezieht sich auf Lagerlegierungen
auf Aluminium-Zinn(Al-Sn)-Basis sowie auf Lagermaterialien, die durch Aufbringen
dieser Legierungen auf eine Stahlblechunterlage durch Preßschweißen hergestellt
werden. Die Lagerlegierung auf Al-Sn-Basis enthält über 7 bis 35 Gew.% Sn; 0,1 bis
1,0 Gew.% Cr; 1 bis 10 Gew.% insgesamt von einem oder mehreren der spezifizierten
Zusätze W, Ce, Nb, V, o, Ba, Ca und Co; der Rest kann Aluminium sein. Die Legierung
kann weiter 3 Gew.
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oder wenige insgesamt Cu und/oder Mg und 9 Gew.% oder weniger insgesamt
von einem oder mehreren der Elemente Pb, Bi, Tl, Cd und In enthalten, wodurch die
Lagereigenschaften verbessert werden. In einer Legierung nach der Erfinc:nq können
die Vergröberung der Zinnteilchen und das Absinken der Härte unter Hochtemperaturbedingungen-relatj'-7
gering gehalten werden, so daß die Verschleißfestigkeit und die Dauerfestigkeit
der Legierung verbessert werden. Lagerlegierungen nach der Erfindung können für
die Lager von Verbrennungsmotoren benutzt werden, in denen im allgemeinen Sphärogußeisen
für die Kurbelwellen benutzt wird.