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Verbundgleitlager In dem Maschinen- und Motorenbau sind seit mehreren
Jahrzehnten Verbundlager bekannt, die auf einer tragfähigen Stützschale ein für
die Gleitung geeignetes Lagermetall in dünner Auflage tragen. Das Lagermetall ist
üblicherweise aufgegossen, aufgesintert oder galvanisch aufgebracht. In neuerer
Zeit hat man auch sogenannte Kunstharzverbundlager hergestellt, bei denen wie in
der deutschen Patentschrift 917 110 auf einem Grundmetall eine dünne Kunstharzschicht
aufgebracht ist. Zur Verbesserung der Eigenschaften der Kunstharzoberflächenschicht
derartiger Kunstharzverbundlager hat man in der deutschen Patentschrift 832 679
vorgeschlagen, dem Kunstharz Füllstoffe, wie z. B. Glimmer, zuzusetzen.
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Weiterhin hat man sogenannte Massivlager auf der Basis von Kunstharzen
hergestellt, indem man, wie dies in den deutschen Patentschriften 226 887, 875 868,
897 778 und 901720 und der französischen Patentschrift 999 889 beschrieben
ist, härtbare Kunstharze mit Metallpulvern gemischt und die Mischungen unter Anwendung
von Druck und Hitze verpreßt hat. Dabei hat man bei den in der deutschen Patentschrift
897 778 und der französischen Patentschrift 999 889 enthaltenden Verfahren außerdem
noch Stoffe zugesetzt, die es ermöglichen, die Lager als poröse Lager auszubilden.
Allen Kunstharzmassivlagern haften jedoch die bekannten Mängel an, die darin besteben,
daß trotz der Zugabe von Metallpulver der Wärmestau infolge der relativ dicken Schichten
groß ist und die Quellung bzw. Schrumpfung der massiven Kunststofflager eine oft
unzulässige Formänderung und damit eine Änderung des Lagerspiels bewirkt, so daß
Massivlager grundsätzlich nicht für genaue Lagerungen geeignet sind.
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Es wurde nun gefunden, daß ein Kunstharzverbundlager mit gegenüber
den bekannten Lagern wesentlich verbesserten Laufeigenschaften mit höherer Formbeständigkeit
und erhöhter dynamischer Belastbarkeit vorliegt, wenn die auf einen metallischen
Stützkörper, vorzugsweise aus Stahl, Kupferlegierung oder Leichtmetall, aufgebrachte
dünne Gleitschicht aus Metallpulver und Kunstharz so ausgeführt ist, daß das Metallpulver
mit einer solchen Menge von härtbarem Kunstharz versetzt ist, die noch ausreicht,
um beim Aushärten des Harzes die Metallteilchen innig miteinander zu verkleben,
sowie daß die metallartige Gleitschicht nach dem Aushärten eine dichte Beschaffenheit
besitzt und mit dem Stützkörper festhaftend verbunden ist. Dabei hat es sich zur
Erzielung des günstigsten Ergebnisses als zweckmäßig erwiesen, die Menge des dem
Metallpulver zugemischten härtbaren Kunstharzes (als Trockenharz) innerhalb den
Grenzen zwischen 30 und 5%, bezogen auf das Gesamtgemisch, auszuwählen. In der deutschen
Patentschrift 722 155 ist zwar ein Lager beschrieben, das als Kunstharzverbundlager
angesehen werden und dessen Gleitfläche auch aus einem gehärteten Kunstharz mit
einer Zumischung von einem Metallpulver, insbesondere Magnesiumpulver, bestehen
kann. Für eine solche als möglich hingestellte Ausführung dieses Lagers sind jedoch
keine Angaben über die genaue Zusammensetzung einer metallpulverhaltigen Gleitschicht
gemacht, so daß die überraschende Wirkung der speziellen Zusammensetzung der erfindungsgemäßen
Lager auf die Laufeigenschaften dieser Lager dort in keiner Weise erkannt worden
ist. An keiner Stelle der Technik ist bisher der Gedanke aufgetaucht, ein Verbundlager
in der Art des erfindungsgemäßen Lagers herzustellen, bei dem es sich um ein mit
einer metallischen Gleitschicht versehenes Verbundgleitlager handelt, dessen Gleitschicht
durch Beimengung von härtbarem Kunstharz zu Metallpulver innerhalb gewisser Gewichtsanteile,
um den metallischen Charakter der Gleitschicht zu wahren, eine besonders vorteilhafte
Ausbildung erfahren hat. Angestellte Versuche haben ergeben, daß Metallpulver oder
feine Metallspäne, z. B. aus Eisen, Gußeisen, Blei, Zinn, Kupfer, Weißmetall, Bronze
oder anderen Lagermetallen, in verschiedener Zusammensetzung oder Legierungen bzw.
Mischungen dieser Metallpulver untereinander in einfacher Weise durch Anwendung
von warm- oder kalthärtenden bekannten
Kunstharzen, wie z. B. Carbamidharzen,
Polyurethanharzen, Epoxyharzen, Polyesterharzen oder Silikonen, gegebenenfalls in
Mischung mit synthetischem Kautschuk oder thermoplastischen Kunststoffen, aufgebracht
werden können. Das gewissermaßen als Klebemittel verwendete Kunstharz hat dabei
lediglich die Aufgabe, die feinen Metallteilchen unter sich und mit der metallischen
Stützschale zusammenzuhalten, ohne sie chemisch anzugreifen oder zu verändern. Die
Erzielung guter Gleiteigenschaften erfolgt ausschließlich durch die Wahl der feinteiligen
Metallsubstanzen bzw. deren Mischung.
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Derartige Verbundlager besitzen ein solches Wärmeleitvermögen, daß
die Wärmeableitung eine fast ebensogute ist wie bei Metallagern. Infolge des heterogenen
Aufbaues der Gleitfläche werden die besonderen Eigenschaften der jeweils angewendeten
Metallpulver durch die Gleiteigenschaften des Kunstharzes ergänzt. Beispielsweise
ergibt sich bei der Anwendung von Blei- oder Zinnpulver neben der guten Wärmeableitung
der Vorteil einer hervorragenden Einbettbarkeit. Bei unzureichender Schmierung über
die metallischen Anteile mit niedrigem Schmelzpunkt die Funktion einer Notschmierung.
Gußeisen- und Bronzepartikeln erhöhen, wenn sie in das Kunstharz eingebettet werden,
die Stabilität und die Tragfähigkeit der Lager. Erfindungsgemäß kann man daher Lager
herstellen, die den stärksten dynamischen Beanspruchungen, z. B. in Verbrennungsmotoren,
gewachsen sind. Als zweckmäßig hat sich eine Korngröße zwischen 0,01 und 1,00 mm
ergeben, die sowohl als Pulver, d. h. mit gerundeter Oberfläche, als auch als Späne,
feine Plättchen, Flitter usw. vorliegen können. Als weitere überraschende Feststellung
wurde erkannt, daß die in der beschriebenen Weise hergestellte metallartige Gleitschicht
infolge des Spannungsabbaues durch die Metallanteile beim Härten des Kunstharzes
eine weitaus bessere Haftung auf dem Grundkörper ausweist als reine oder nur mit
wenig Metallanteilen versetzte Kunstharzschichten.
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Die erfindungsgemäßen Lager sind in einfachster Weise hergestellt:
Auf einen metallischen Stützkörper, z. B. aus Stahl, Bronze, Messing, Gußeisen,
Leichtinetall oder einem ähnlichen Metall, ist auf die zu überdeckende Fläche, gegebenenfalls
nach Reinigung, Aufrauhung oder Phosphatierung, eine Mischung aus Metallpulver bzw.
Metallspänen und dem Kunstharz in flüssiger oder pastöser Form in einer oder mehreren
Schichten aufgetragen, wobei jede einzelne Schicht für sich oder die aufgebrachten
Schichten gemeinsam, gegebenenfalls auch nach einer teilweisen Zwischentrocknung
der einzelnen Schichten, getrocknet bzw. gehärtet ist, wenn notwendig bei erhöhter
Temperatur, je nach der Eigenart des verwendeten Klebemittels. Besonders günstige
Ergebnisse werden erzielt, wenn die Gleitschicht Metallpulver bzw. Metallspäne einerseits
und Kunstharz andererseits in einem Mengenverhältnis 70 bis 95 Gewichtsprozent der
ersteren und 30 bis 5 Gewichtsprozent der letzteren enthält.
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Das Aufbringen des flüssigen oder pastösen Kunstharzklebemittels allein
oder des Gemisches von Klebemittel und Metallteilchen kann durch die üblichen und
bekannten Verfahren, wie Streichen, Spritzen, Flammspritzen, Sintern oder Tauchen,
erfolgt sein. Das Klebemittel kann aber auch zunächst ohne Metallpulver bzw. Metallspäne
aufgetragen und der entsprechende Anteil an Metallteilchen durch Aufstreuen, Einblasen,
Beflocken oder Beschießen, z. B. mit Hilfe elektrostatischer Aufladung, in die Klebemittelschicht
eingeführt sein. Als besonders günstig hat sich eine im getrockneten Zustand wie
folgt zusammengesetzte Mischung erwiesen: 85 bis 95 Gewichtsprozent Metallanteile
und 15 bis 5 Gewichtsprozent erhärtete Klebesubstanz.
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Als weitere Beispiele seinen genannt: 900/o Blei-Bronze-Pulver aus
250/o Blei, Rest Cu, und 100/o erhärtete Klebesubstanz oder 920/o Blei- bzw. Blei-Zinn-Pulver
und 80/o erhärtete Klebesubstanz.
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Die Hinzufügung von nichtmetallischen Stoffen, die die Gleiteigenschaften
unter bestimmten Bedingungen verbessern, wie Graphit, Molybdänsulfid oder andere,
ähnlich wirkende Stoffe in Gehalten bis zu 100/o, sind je nach der Art der Beanspruchung
zweckmäßig und ändern an dem Sinn der Erfindung nicht.
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Auch ändert das Wesen der Erfindung nicht, wenn statt der einheitlichen
metallischen Unterlage eine Bi-oder Trimetallstützschale, z. B. ein Stahl-Bronze-Verbundlager,
gewählt ist, das zusammen mit der aus Metallpulver und Kunstharz bestehenden dünnen
Gleitschicht ein Mehrstoff- oder Mehrschichtenlager mnit drei oder mehr Schichten
ergibt.
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Die Gesamtdicke der Gleitschicht der erfindungsgemäßen Verbundlager
kann innerhalb weiter Grenzen variieren, und günstige Ergebnisse sind insbesondere
mit Schichtstärken von 0,01 bis 1,0 mm Dicke erzielt worden. Als besonders vorteilhaft
haben sich gewöhnlich mittlere Schichtstärken von 0,1 bis 0,4 mm erwiesen.
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Die Härtung der Gleitschicht erfolgt üblicherweise durch Erhitzen,
kann aber auch bei gewissen Kunstharzen durch langes Lagern oder durch Katalysatoren
herbeigeführt werden. Wenn notwendig, können die gehärteten Schichten einer mechanischen
Nachbearbeitung, wie Drehen, Schleifen od. dgl., unterzogen w-erden.
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Die erfindungsgemäßen Verbundlager mit der metallpulverhaltigen Oberflächenschicht
zeichnen sich, wie schon erwähnt, durch besonders hohe Widerstandsfähigkeit selbst
bei starker Beanspruchung aus: z. B. hat sich bei der Prüfung eines derartigen Lagers
in einer Lagerprüfmaschine unter statischer Belastung bei einer Gleitgeschwindigkeit
von 6 m/sec gezeigt, daß auch bei Belastung von mehr als 400 kg/cm2 weder das Lager
noch die Welle merkbare Spuren von Verschleiß aufweisen. Auch die Prüfung der erfindungsgemäßen
Lager in einem Pleuellagerprüfstand unter dynamischer Belastung bei einer Drehzahl
von 6000 U/min erbrachte einen Lauf von mehr als 100 Stunden ohne Störungen, wobei
insbesondere der überraschende technische Effekt auftrat, daß bei einem Metallgewichtsanteil
zwischen 70 und 950/o die besten Ergebnisse erzielt wurden. In der Kurve ist das
Ergebnis einer solchen Versuchsserie mit Zinnpulver als metallischem Grundbestandteil
und Epoxyharz als Klebemittel wiedergegeben. Die Lager liefen
Kunstharzen,
wie z. B. Carbamidharzen, Polyurethanharzen, Epoxyharzen, Polyesterharzen oder Silikonen,
gegebenenfalls in Mischung mit synthetischem Kautschuk oder thermoplastischen Kunststoffen,
aufgebracht werden können. Das gewissermaßen als Klebemittel verwendete Kunstharz
hat dabei lediglich die Aufgabe, die feinen Metallteilchen unter sich und mit der
metallischen Stützschale zusammenzuhalten, ohne sie chemisch anzugreifen oder zu
verändern. Die Erzielung guter Gleiteigenschaften erfolgt ausschließlich durch die
Wahl der feinteiligen Metallsubstanzen bzw. deren Mischung.
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Derartige Verbundlager besitzen ein solches Wärmeleitvermögen, daß
die Wärmeableitung eine fast ebensogute ist wie bei Metallagern. Infolge des heterogenen
Aufbaues der Gleitfläche werden die besonderen Eigenschaften der jeweils angewendeten
Metallpulver durch die Gleiteigenschaften des Kunstharzes ergänzt. Beispielsweise
ergibt sich bei der Anwendung von Blei- oder Zinnpulver neben der guten Wärmeableitung
der Vorteil einer hervorragenden Einbettbarkeit. Bei unzureichender Schmierung über
die metallischen Anteile mit niedrigem Schmelzpunkt die Funktion einer Notschmierung.
Gußeisen- und Bronzepartikeln erhöhen, wenn sie in das Kunstharz eingebettet werden,
die Stabilität und die Tragfähigkeit der Lager. Erfindungsgemäß kann man daher Lager
herstellen, die den stärksten dynamischen Beanspruchungen, z. B. in Verbrennungsmotoren,
gewachsen sind. Als zweckmäßig hat sich eine Korngröße zwischen 0,01 und 1,00 mm
ergeben, die sowohl als Pulver, d. h. mit gerundeter Oberfläche, als auch als Späne,
feine Plättchen, Flitter usw. vorliegen können. Als weitere überraschende Feststellung
wurde erkannt, daß die in der beschriebenen Weise hergestellte metallartige Gleitschicht
infolge des Spannungsabbaues durch die Metallanteile beim Härten des Kunstharzes
eine weitaus bessere Haftung auf dem Grundkörper ausweist als reine oder nur mit
wenig Metallanteilen versetzte Kunstharzschichten.
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Die erfindungsgemäßen Lager sind in einfachster Weise hergestellt:
Auf einen metallischen Stützkörper, z. B. aus Stahl, Bronze, Messing, Gußeisen,
Leichtinetall oder einem ähnlichen Metall, ist auf die zu überdeckende Fläche, gegebenenfalls
nach Reinigung, Aufrauhung oder Phosphatierung, eine Mischung aus Metallpulver bzw.
Metallspänen und dem Kunstharz in flüssiger oder pastöser Form in einer oder mehreren
Schichten aufgetragen, wobei jede einzelne Schicht für sich oder die aufgebrachten
Schichten gemeinsam, gegebenenfalls auch nach einer teilweisen Zwischentrocknung
der einzelnen Schichten, getrocknet bzw. gehärtet ist, wenn notwendig bei erhöhter
Temperatur, je nach der Eigenart des verwendeten Klebemittels. Besonders günstige
Ergebnisse werden erzielt, wenn die Gleitschicht Metallpulver bzw. Metallspäne einerseits
und Kunstharz andererseits in einem Mengenverhältnis 70 bis 95 Gewichtsprozent der
ersteren und 30 bis 5 Gewichtsprozent der letzteren enthält.
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Das Aufbringen des flüssigen oder pastösen Kunstharzklebemittels allein
oder des Gemisches von Klebemittel und Metallteilchen kann durch die üblichen und
bekannten Verfahren, wie Streichen, Spritzen, Flammspritzen, Sintern oder Tauchen,
erfolgt sein. Das Klebemittel kann aber auch zunächst ohne Metallpulver bzw. Metallspäne
aufgetragen und der entsprechende Anteil an Metallteilchen durch Aufstreuen, Einblasen,
Beflocken oder Beschießen, z. B. mit Hilfe elektrostatischer Aufladung, in die Klebemittelschicht
eingeführt sein. Als besonders günstig hat sich eine im getrockneten Zustand wie
folgt zusammengesetzte Mischung erwiesen: 85 bis 95 Gewichtsprozent Metallanteile
und 15 bis 5 Gewichtsprozent erhärtete Klebesubstanz.
-
Als weitere Beispiele seinen genannt: 900/o Blei-Bronze-Pulver aus
250/o Blei, Rest Cu, und 100/o erhärtete Klebesubstanz oder 920/o Blei- bzw. Blei-Zinn-Pulver
und 80/o erhärtete Klebesubstanz.
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Die Hinzufügung von nichtmetallischen Stoffen, die die Gleiteigenschaften
unter bestimmten Bedingungen verbessern, wie Graphit, Molybdänsulfid oder andere,
ähnlich wirkende Stoffe in Gehalten bis zu 100/o, sind je nach der Art der Beanspruchung
zweckmäßig und ändern an dem Sinn der Erfindung nicht.
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Auch ändert das Wesen der Erfindung nicht, wenn statt der einheitlichen
metallischen Unterlage eine Bi-oder Trimetallstützschale, z. B. ein Stahl-Bronze-Verbundlager,
gewählt ist, das zusammen mit der aus Metallpulver und Kunstharz bestehenden dünnen
Gleitschicht ein Mehrstoff- oder Mehrschichtenlager mnit drei oder mehr Schichten
ergibt.
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Die Gesamtdicke der Gleitschicht der erfindungsgemäßen Verbundlager
kann innerhalb weiter Grenzen variieren, und günstige Ergebnisse sind insbesondere
mit Schichtstärken von 0,01 bis 1,0 mm Dicke erzielt worden. Als besonders vorteilhaft
haben sich gewöhnlich mittlere Schichtstärken von 0,1 bis 0,4 mm erwiesen.
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Die Härtung der Gleitschicht erfolgt üblicherweise durch Erhitzen,
kann aber auch bei gewissen Kunstharzen durch langes Lagern oder durch Katalysatoren
herbeigeführt werden. Wenn notwendig, können die gehärteten Schichten einer mechanischen
Nachbearbeitung, wie Drehen, Schleifen od. dgl., unterzogen w-erden.
-
Die erfindungsgemäßen Verbundlager mit der metallpulverhaltigen Oberflächenschicht
zeichnen sich, wie schon erwähnt, durch besonders hohe Widerstandsfähigkeit selbst
bei starker Beanspruchung aus: z. B. hat sich bei der Prüfung eines derartigen Lagers
in einer Lagerprüfmaschine unter statischer Belastung bei einer Gleitgeschwindigkeit
von 6 m/sec gezeigt, daß auch bei Belastung von mehr als 400 kg/cm2 weder das Lager
noch die Welle merkbare Spuren von Verschleiß aufweisen. Auch die Prüfung der erfindungsgemäßen
Lager in einem Pleuellagerprüfstand unter dynamischer Belastung bei einer Drehzahl
von 6000 U/min erbrachte einen Lauf von mehr als 100 Stunden ohne Störungen, wobei
insbesondere der überraschende technische Effekt auftrat, daß bei einem Metallgewichtsanteil
zwischen 70 und 950/o die besten Ergebnisse erzielt wurden. In der Kurve ist das
Ergebnis einer solchen Versuchsserie mit Zinnpulver als metallischem Grundbestandteil
und Epoxyharz als Klebemittel wiedergegeben. Die Lager liefen