DE10329276B4

DE10329276B4 - Gleitlagerbuchse und Verfahren zur Herstellung einer Gleitlagerbuchse

Info

Publication number: DE10329276B4
Application number: DE10329276A
Authority: DE
Inventors: Gerd Andler
Original assignee: Federal Mogul Wiesbaden GmbH
Current assignee: Federal Mogul Wiesbaden GmbH
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2023-07-01
Also published as: DE10329276A1

Abstract

Hochbelastbare Gleitlagerbuchse, insbesondere für den Einsatz in Verbrennungsmotoren, hergestellt durch mindestens zwei unmittelbar aufeinander folgende Tiefziehschritte ohne zwischengeschaltete Wärmebehandlung und eine Glühbehandlung nach den mindestens zwei Tiefziehschritten bei einer Temperatur kleiner der Rekristallisationstemperatur von Stahl,
ausgehend von einem ebenen Vormaterial aus einer Stahlstützschicht, deren Dicke weniger als 75% der Gesamtdicke des Vormaterials ausmacht, und
einer aufgegossenen Lagermetallschicht aus einer bleifreien Kupferknetlegierung,
wobei die Stahlstützschicht eine Brinellhärte > 190 HB und die Lagermetallschicht eine Brinellhärte zwischen 120 HB und 220 HB aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine hochbelastbare Gleitlagerbuchse gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer hochbelastbaren Gleitlagerbuchse gemäß Anspruch 10.

Es ist schon seit längerem bekannt, zylindrische Körper durch Tiefziehen kreisförmiger Ronden herzustellen. Auf diese Art werden zum Beispiel gemäß der GB 240,608 Laufringe für Wälzkörperlager hergestellt oder gemäß der GB 178,574 Rohrflansche für beispielsweise Dampfleitungen hergestellt. Insbesondere werden auch Bundbuchsen auf diese Art und Weise hergestellt, wie zum Beispiel in der JP 61-115625 A, in der DE 36 08 507 C2 oder der DE 44 47 046 A1 beschrieben oder auch in der DE 30 27 262 C2 und der DE 32 157 18 C2 für Lagerbuchsen für Kreuzgelenkzapfen beschrieben.

Ferner ist bekannt, Gleitlagerbuchsen durch Rollen eines planen Vormaterials herzustellen, wie zum Beispiel in der DE 198 51 759 C2 , der DE 199 07 571 A1 oder auch der DE 197 28 497 A1 beschrieben ist.

Außerdem ist es üblich Buchsen herzustellen, indem sie von einem Rohr abgestochen werden. Dies wird zum Beispiel bei massiven Messingbuchsen gemacht.

In der Praxis werden tiefgezogene Buchsen mit einem Lagermaterial an einer Seite eines Trägermaterials durch mehrere Umformschritte hergestellt, zwischen denen jeweils eine Wärmebehandlung stattfindet. So wird zunächst aus einem beschichteten Bandmaterial aus Stahl und Lagermetall mittels eines großen Stempels eine breite Buchse mit Boden tiefgezogen. Diese Buchse mit Boden wird von der Platine abgetrennt. Darauf folgt eine Wärmebehandlung bei ca. 400°C über mehrere Stunden. Diese Wärmebehandlung ist notwendig, weil durch die hohe plastische Verformung insbesondere das Lagermaterial sich zu stark verfestigt, so dass ein weiterer Umformungsschritt zwangsläufig zu Rissen führt. Die Spannungen und die Festigkeit des Materials müssen aufgehoben werden, was durch diese Wärmebehandlung erfolgt. Danach ist das Material für einen weiteren Umformschritt bereit. Ein solcher Vorgang ist beispielsweise in der DE 845 490 C beschrieben.

In dem weiteren Umformschritt wird der Durchmesser weiter verringert, indem die Buchse mittels eines weiteren Stempels tiefgezogen wird. Um einen zusätzlichen Tiefziehschritt zu ermöglichen, wird wieder eine Wärmebehandlung durchgeführt. Danach wird die Buchse durch einen letzten Tiefziehschritt auf den endgültigen Durchmesser gebracht. Daraufhin wird der Deckel abgeschnitten, die Stirnflächen bearbeitet und die Buchse außen geschliffen und auf Endmaße gebracht.

Zu beachten ist dabei, dass bisher als Lagermaterial bleihaltige Legierungen wie zum Beispiel Kupfer-Blei-Legierungen oder Bleibronze verwendet wurden. Eine derartige Gleitlagerlegierung ist beispielsweise in der DE 41 01 620 C1 beschrieben.

Die Verfahren nach dem Stand der Technik haben den Nachteil, dass es sich um unterbrochene Prozesse handelt, die insofern auch sehr aufwendig sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Gleitlagerbuchse gemäß Anspruch 1 bzw. ein Verfahren zu Herstellung einer Gleitlagerbuchse gemäß Anspruch 10.

Erfindungsgemäß werden die Tiefziehschritte ohne zwischengeschaltete Wärmebehandlungen durchgeführt. Dies erlaubt den Einsatz von Tiefziehoberwerkzeugen mit unterschiedlich großen Stempeln, wobei bei jedem Hub mehrere Tiefziehschritte parallel durchgeführt werden. Die tiefgezogenen Buchsen werden dabei immer eine Station weitertransportiert.

Die Wärmebehandlungsschritte können deshalb weggelassen werden, weil als Lagermetall ein bleifreies Material aus Kupferlegierungen verwendet wird. Diese Werkstoffe besitzen hohe Dehnwerte und ermöglichen größere Umformgrade, ohne dass das Lagermetall beschädigt wird. Durch das Tiefziehen werden hohe Festigkeiten des Verbundwerkstoffes aus Stahlstützschicht und Lagermetallschicht erreicht.

Es hat sich herausgestellt, dass die Lagermetallhärte nach Abschluss aller Tiefziehschritte in etwa gleich der Härte des Stahles ist. Die Härten werden im wesentlichen durch das Tiefziehen erzeugt. Hierbei nähern sich die Härten von Lagermetall und dem Stahl während den einzelnen Tiefziehschritten einander an.

Wenn zwischen einzelnen Tiefziehschritten Wärmebehandlungen durchgeführt werden, verliert die Stützschicht jedes Mal wieder an Härte. Daher können bei herkömmlichen tiefgezogenen Buchsen nur Stahlhärten von ca. 140 HB erreicht werden. Verwendet man Bronze als Stützschicht, erreicht man bei herkömmlichen tiefgezogenen Buchsen etwa nur 120 HB.

Besondere Vorteile der erfindungsgemäßen Buchse bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen darin, dass von einem begossenen Bandmaterial ausgegangen wird. Man kann also kontinuierlich fertigen. Dies ist deutlich preisgünstiger und ressourcenschonender als zum Beispiel das Abstechen massiver Buchsen vergleichbarer Festigkeit von Rohren.

Gegenüber gerollten Buchsen weisen die erfindungsgemäßen Buchsen eine höhere Festigkeit auf. Diese Festigkeiten sind allein durch ein Umformen von ebenen Substraten zu Buchsen nicht erreichbar. Hierbei müsste bereits von sehr hohen Bandfestigkeiten ausgegangen werden. Der sich anschließende Umformprozess wäre nicht in der Lage, insbesondere bezüglich der Rundheit einwandfreie Buchsen herzustellen. Dies gilt ganz besonders für Verbundmaterialien.

Ferner haben Buchsen mit Stahlstützschicht den Vorteil, dass sie einen ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten wie das Gehäuse (zum Beispiel Pleuelstangen oder Getriebeteile) aufweisen, in die die Buchse eingepresst wird. Das führt dazu, dass bei erhöhter Temperatur die Buchse immer noch fest und verdrehfest sitzt, so dass keine Relativbewegung zwischen Gehäuse und Buchse bzw. kein Lösen der Buchse möglich ist.

Die erfindungsgemäße Buchse weist den Vorteil auf, dass kein Clinch oder Stoß vorhanden ist, der zu Presssitzverlusten führen konnte. Außerdem ist ihre Herstellung weit weniger aufwendig als die von verklinkten Buchsen.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem Lagermetall um eine im wesentlichen homogene einphasige Kupferknetlegierung. Eine derartige Struktur gewährleistet eine besonders gute Umformbarkeit.

Erfindungsgemäß wird nach den mindestens zwei Tiefziehschritten eine Glühbehandlung unterhalb der Rekristallisationstemperatur des Stahls durchgeführt. Durch die anschließende Wärmebehandlung kann die Härte des Lagermaterials gezielt beeinflusst werden, wobei sich bis zur Rekristallisationstemperatur des Stahls an der Stahlhärte kaum etwas ändert. Es kann daher eine Buchse mit Härten hergestellt werden, die exakt den gewünschten Anforderungen entsprechen. Übliche Wärmebehandlungen liegen zwischen 200°C und 500°C und dauern ca. mehrere Minuten. Sie sind daher kostengünstig durchzuführen. Indem nur die Lagermetallhärte eingestellt wird, ohne dass sich an der Härte des Stahls etwas ändert, wird dafür gesorgt, dass der Presssitz der Buchse nicht negativ beeinflusst wird.

Die besten Ergebnisse sind erzielt worden, wenn bei jedem Tiefziehschritt Tiefziehverhältnisse zwischen 1,20 und 1,50 eingehalten wurden. Zur Bestimmung des Tiefziehverhältnisses wird der Rondendurchmesser bzw. der Buchsendurchmesser durch den Stempeldurchmesser dividiert.

Der Stahlstützkörper der erfindungsgemäßen Buchse weist eine Brinellhärte > 190 HB, besonders bevorzugt > 200 HB und ganz besonders bevorzugt > 210 HB auf. Die Lagermetallschicht der erfindungsgemäßen Buchse weist eine Brinellhärte zwischen 120 HB und 220 HB auf.

Besonders bevorzugt wird nach dem Tiefziehen der Boden der Buchse entfernt.

Außerdem sollte vorteilhafterweise die Innenseite der Gleitlagerbuchse endbearbeitet werden, z. B. durch spindeln oder bohren, um die Buchse auf eine konstante Wanddicke zu bringen.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Endbearbeitung der Stahlrücken der Buchse geschliffen. Dadurch können sehr gute Oberflächenqualitäten eingestellt werden. Dies wirkt sich positiv auf das Tragbild an der Buchse aus, wodurch Ölkohlebildung auf dem Stahlrücken vermieden wird.

Vorteilhafterweise werden unlegierte Stahlsorten für die erfindungsgemäße Buchse verwendet. Besonders geeignet sind kohlenstoffhaltige Stähle vergleichbar C-10-Stahl (DIN EN 10084) oder C-22-Stahl (DIN EN 10083).

Besonders bewährt haben sich Kupfer-Aluminium-, Kupfer-Zinn-, Kupfer-Zinn-Zink- oder Kupfer-Zink-Silizium-Legierungen als Lagermetall. Besonders bevorzugt ist Aluminiumbronze, d.h. CuAl8. Es handelt sich dabei um einen im wesentlichen homogenen Werkstoff, der überwiegend α-Mischkristalle aufweist.

Die erfindungsgemäße Buchse kann zwischen der Stahlstützschicht und der Lagermetallschicht eine Diffusionsschicht aufweisen.

Es sei im Übrigen darauf hingewiesen, dass die Lagermetallschicht sich auf der Innen- oder Außenseite der Buchse befinden kann.

Die Erfindung soll anhand der beiden Figuren näher erläutert werden.
1 zeigt eine schematische Perspektivdarstellung eines Werkzeuges zur gleichzeitigen Bearbeitung mehrerer Buchsen in geöffneter bzw. auseinander gefahrener Stellung, teilweise geschnitten.
2 zeigt das Werkzeug gemäß 1 in geschlossener bzw. zusammen gefahrener Stellung.
3 zeigt perspektivisch das Ausgangsmaterial in Form einer Ronde.
4 zeigt perspektivisch eine Vorstufe einer Lagerbuchse.
5 zeigt perspektivisch eine fertige Lagerbuchse.
6 zeigt im Schnitt eine weitere Ausführungsform eines Werkzeuges zum gleichzeitigen Bearbeiten von Buchsen.
7 zeigt in einem Diagramm den Zusammenhang der Härte in Abhängigkeit der Wärmebehandlung.
Das in 1 und 2 gezeigte Werkzeug weist drei Tiefziehstationen 1, 2, 3 mit Unterwerkzeugen 10, 20, 30 bzw. Matrizen auf, welchen Oberwerkzeuge bzw. Patrizenstempel 12, 22, 32 zugeordnet sind. Die Patrizenstempel 12, 22, 32 werden vorteilhafter Weise synchron in Arbeitsrichtung A bewegt, derart, dass gleichzeitig in einem Arbeitstakt bzw. Hub der Patritzenstempel 12, 22, 32 drei fortlaufende Phasen der Umformung ausgeführt werden.
Als Ausgangsmaterial für eine herzustellende Buchse 41 (5) ist beispielsweise eine Ronde R vorgesehen, welche eine auf einer Seite mit einem Lagermaterial LM beschichtete Stahlstützschicht St aufweist (3).
In der ersten Phase wird in der Tiefziehstation 1 eine in eine Aufnahme 14 des Unterwerkzeuges 10 eingelegte Ronde R mit dem Außendurchmesser DR mittels Patrizenstempel 12 mit dem Durchmesser D12 in eine entsprechend dimensionierte Matrizenbohrung 13 eingezogen, wobei eine Buchse 11 geformt wird.
In der zweiten Phase wird in der Tiefziehstation 2 eine in eine Aufnahme 24 des Unterwerkzeuges 20 eingelegte, der ersten Phase eines vorangegangenen Arbeitstaktes der Tiefziehstation 1 entnommene Buchse 11 mit dem Außendurchmesser D11, mittels Patrizenstempel 22 mit dem Durchmesser D22 in eine entsprechende Matrizenbohrung 23 eingezogen, wobei eine Buchse 21 geformt wird.
In der dritten Phase wird in der Tiefziehstation 3 eine in eine Aufnahme 34 des Unterwerkzeuges 30 eingelegte, der zweiten Phase eines vorangegangenen Arbeitstaktes der Tiefziehstation 2 entnommene Buchse 21 mit dem Außendurchmesser D21, mittels Patrizenstempel 32 mit dem Durchmesser D32 in eine Matrizenbohrung 33 eingezogen, wobei eine Buchse 31 geformt wird, welche bereits im Wesentlichen die gewünschten Abmessungen aufweist (4).
Die in den Tiefziehstationen 1 und 2 hergestellten Buchsen 11 und 21 werden nach jedem Arbeitshub der Patritzenstempel 12, 22, 32 in die darauf folgende Tiefziehstation verbracht, wobei der Tiefziehstation 1 die neuen Ronden R zugeführt werden und der Tiefziehstation 3 die fertig ausgeformte Buchse 31 entnommen wird und den weiteren Bearbeitungsschritten, nämlich Abtrennen des Bodens B (4) und Feinbearbeitung der Lagerflächen L, der Stützflächen S und Stirnflächen C (5), zugeführt wird.
Zur Entnahme der Buchsen 11, 21, 31 ist jeweils ein Auswerfer 15, 25 und 35 vorgesehen.
Die drei Tiefziehschritte weisen beispielsweise folgende Tiefziehverhältnisse auf:

DR/D12 = 62,5 mm/49,2 mm → Tiefziehverhältnis 1,27
D11/D22 = 49,2 mm/40,0 mm → Tiefziehverhältnis 1,31
D21/D32 = 40,0 mm/30,4 mm → Tiefziehverhältnis 1.31

Daraus ergibt sich ein Gesamt-Tiefziehverhältnis von 2,06.
Wenn die dreifach tiefgezogenen Buchsen 31 bezüglich des Lagermaterials nicht die gewünschte Härte aufweisen, werden diese vor der o.g. Feinbearbeitung ca. 10 Minuten lang glühbehandelt.
In 6 ist eine weitere Variante einer Vorrichtung zur Durchführung des Tiefziehverfahrens vorgeschlagen, bei welcher das Verbringen der Buchsen 11, 21 in die jeweils darauf folgenden Tiefziehstationen entfallen kann.
Diese Vorrichtung weist beispielsweise drei Tiefziehstationen mit Unterwerkzeugen 50 bzw. Matrizen auf, welche jeweils drei mehrstufige Matrizenbohrungen 13, 23, 33 und eine Rondenaufnahme 14 aufweisen, wobei das Prinzip hier nur an einer Tiefziehstation 1 beispielsweise dargestellt ist.
Jeder Umformphase ist dabei ein entsprechender Patrizenstempel 12, 22, 32 zugeordnet, d.h. nach Bestückung mit einer Ronde R in der Tiefziehstation 1 wird zunächst der Patrizenstempel 12 über der Matrizenbohrung 13 positioniert und in Arbeitsrichtung A heruntergefahren, wobei die Buchse 11 erzeugt wird.
Anschließend wird der Patrizenstempel 22 der Tiefziehstation 1 zugeordnet bzw. dieser über der Matrizenbohrung 23 positioniert und in Arbeitsrichtung A heruntergefahren, wobei die Buchse 21 erzeugt wird.
Danach wird der Patrizenstempel 32 der Tiefziehstation 1 zugeordnet bzw. dieser über der Matrizenbohrung 33 positioniert und in Arbeitsrichtung A heruntergefahren, wobei die Buchse 31 erzeugt wird.
Die Buchse 31 wird dabei durch die nach unten offene Matrizenbohrung 33 durchgedrückt und kann anschließend der weiteren Behandlung zugeführt werden.
Durch die Anordnung von beispielsweise drei gleichartigen Matrizen 50 und einen synchron verlaufenden Arbeitstakt der Patrizenstempel 12, 22, 32 und deren entsprechenden Positionierung, führt jeder Patrizenstempel gleichzeitig den ihm zugeordneten Umformvorgang aus, wobei bei jedem Arbeitstakt eine Buchse 31 bereitgestellt wird. Der Umformvorgang kann hier beispielsweise durch einen Gegenstempel 51 stabilisiert werden.
In Tabelle 1 sind für Proben 1 bis 5 die Brinellhärten des Stahlstützkörpers und der Lagermetallschicht der dreifach tiefgezogenen, nicht geglühten Buchsen angegeben. Die Härten wurden auf halber Länge der Buchse gemessen.
Tabelle 1
Es können also auf einfache Weise hochfeste Buchsen mit einem definierten Verhältnis von Stahlhärte zu Lagermetallhärte hergestellt werden.
In Tabelle 2 sind die Brinellhärten der Stahlschicht und der Lagermetallschicht von bei unterschiedlichen Temperaturen 10 Minuten lang glühbehandelten Buchsen angegeben.
Bei den Proben handelt es sich um Gleitlagerbuchsen mit einem Stahlstützkörper aus einem C22-Stahl und CuAl8 als Lagermetall.
Tabelle 2
Das Verhältnis von Lagermetallhärte und Stahlhärte als Funktion der Glühtemperatur ist in 2 dargestellt. Von Raumtemperatur bis 300°C bleibt die Stahlhärte im wesentlichen konstant und die Lagermetallhärte variiert nur in geringen Grenzen. Oberhalb von 300°C bis 500°C steigt die Stahlhärte leicht an, während die Lagermetallhärte signifikant sinkt. Bei Erwärmungen oberhalb von 500°C sinkt auch die Härte der Stahlschicht. Durch eine gezielte Wärmebehandlung kann die gewünschte Lagermetallhärte also den Einsatzbedingungen der Gleitlagerbuchse entsprechend eingestellt werden.

Claims

Hochbelastbare Gleitlagerbuchse, insbesondere für den Einsatz in Verbrennungsmotoren, hergestellt durch mindestens zwei unmittelbar aufeinander folgende Tiefziehschritte ohne zwischengeschaltete Wärmebehandlung und eine Glühbehandlung nach den mindestens zwei Tiefziehschritten bei einer Temperatur kleiner der Rekristallisationstemperatur von Stahl, ausgehend von einem ebenen Vormaterial aus einer Stahlstützschicht, deren Dicke weniger als 75% der Gesamtdicke des Vormaterials ausmacht, und einer aufgegossenen Lagermetallschicht aus einer bleifreien Kupferknetlegierung, wobei die Stahlstützschicht eine Brinellhärte > 190 HB und die Lagermetallschicht eine Brinellhärte zwischen 120 HB und 220 HB aufweist.
Gleitlagerbuchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagermaterial im Wesentlichen aus einer homogenen einphasigen Legierung besteht.
Gleitlagerbuchse nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie durch mindestens zwei Tiefziehschritte mit jeweils einem Tiefziehverhältnis zwischen 1,2–1,50 hergestellt wird.
Gleitlagerbuchse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlstützschicht eine Brinellhärte > 200 HB aufweist.
Gleitlagerbuchse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlstützschicht eine Brinellhärte > 210 HB aufweist.
Gleitlagerbuchse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Endbearbeitung die Stahlschicht geschliffen ist.
Gleitlagerbuchse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Stahlstützschicht ein unlegierter Stahl verwendet wird.
Gleitlagerbuchse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagermetallschicht aus einer Kupfer-Aluminium-, einer Kupfer-Zinn-, einer Kupfer-Zinn-Zink- oder einer Kupfer-Zink-Silizium-Legierung besteht.
Gleitlagerbuchse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwischen der Stahlstützschicht und der Lagermetallschicht eine Diffusionsschicht aufweist.
Verfahren zur Herstellung von hochbelastbaren Gleitlagerbuchsen, insbesondere Buchsen für den Einsatz in Verbrennungskraftmaschinen, bei dem von einem ebenen Vormaterial, das aus einer Stahlstützschicht, deren Dicke weniger als 75% der Gesamtdicke des Vormaterials ausmacht, und einer aufgegossenen Lagermetallschicht aus einer bleifreien Kupferknetlegierung ausgegangen wird, in dem mindestens zwei unmittelbar aufeinanderfolgende Tiefziehschritte ohne zwischengeschaltete Wärmebehandlung und danach eine Glühbehandlung bei einer Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur von Stahl durchgeführt wird, wobei sich die Härte der Stahlstützschicht der Härte der Lagermetallschicht annähert.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Lagermetallschicht eine im wesentlichen homogene einphasige Kupferknetlegierung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefziehschritte mit jeweils einem Tiefziehverhältnis von 1,20–1,50 durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden der Gleitlagerbuchse entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite der Gleitlagerbuchse bearbeitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Endbearbeitung die Stahlschicht geschliffen wird.