Kurbelwellenlagerschalen für Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren müssen aufgrund der zunehmenden Leistung der Motoren immer höheren Anforderungen an die Ermüdungsfestigkeit gerecht werden, eine hohe Härte und Festigkeit, aber dennoch ausgezeichnete tribologische Eigenschaften aufweisen.

Es sind seit langer Zeit Gleitlagerschalen der gattungsgemäßen Art bekannt, deren Aluminiumgleitschicht aus einer Aluminiumlegierung mit dem Werkstoff-Kurzzeichen AlSn20Cu und der Zusammensetzung 17,5 bis 22,5 Gew.-% Zinn 0,7 bis 1,3 Gew.-% Kupfer Rest Aluminium mit gegebenenfalls weiteren Legierungsbestandteilen, nämlich bis zu 0,7 Silizium, 0,1 % Magnesium, 0,1 % Nickel, 0,2 % Titan, 0,7 Eisen, 0,7 W Mangan und sonstigen verunreinigungsbedingten Zusätzen von insgesamt weniger als 0,5 % (alle vorstehenden Angaben sind Gew.-%). Die Ermüdungsfestigkeit derartiger Kurbelwellenlagerschalen liegt im Betrieb aber lediglich bei einer maximalen Belastung von 35 bis 45 N/mm2. Diese Ermüdungsfestigkeit ist zu verstehen als Belastung in Folge von Zünd-und Massenkräften, die auf die projizierte Lagerfläche wirken.

Kurbelwellenlagerschalen mit der vorstehenden bekannten Aluminiumgleitschicht können aufgrund des hohen Zinngehalts ohne zusätzliche galvanische Gleitschicht (overlay-frei) eingesetzt werden und haben ausgezeichnete tribologische Eigenschaften. Der verhältnismäßig hohe Zinngehalt führt beim Gießen und Auswalzen des Materials aber zu dicken, langgestreckten zeilenförmigen Zinnausscheidungen, die potentielle Rißbildungsstellen darstellen und demnach nur mittleren Anforderungen an die Ermüdungsfestigkeit im vorstehend angegebenen Bereich gerecht werden.

Aus der EP 0 704 545 A1 ist ein Stahl/Aluminium- Verbundwerkstoff bekannt mit einem Zinngehalt im mittleren Bereich von 14 bis 18 Gew.-% und einem Kupfergehalt von 1,7 bis 2,3 Gew.-% in der Aluminiumgleitschicht. Durch den geringeren Zinngehalt und eine Wärmebehandlung im Bereich von 200 bis 220° C konnte eine höhere Ermüdungsfestigkeit und Belastbarkeit erreicht werden, so dass eine Anwendung des Verbundwerkstoffs als Pleuellager für das große Pleuelauge möglich wurde. Die erforderliche Freßsicherheit für die Verwendung als Kurbelwellenlagerschale wurde aber nicht erreicht, da der Zinngehalt gegenüber der AlSn20Cu-Legierung herabgesetzt wurde.

Die hohen Anforderungen an die Freßsicherheit von Kurbelwellenlagerschalen ergeben sich aus nicht vermeidbaren Fluchtungsfehlern und Formabweichungen bei der Herstellung der Kurbelwelle, trotz aufwendigster Hon-und Finishprozesse der Kurbelwelle und des Lagerstuhls, und deren Auswirkung unter Extremstbelastungen und bei hoher Gleitgeschwindigkeit von über 10 m/s, wie sie in modernen Verbrennungsmotoren auftreten.

Die DT 1 521 196 offenbart die Verwendung einer Aluminiumlegierung mit 10 bis 35, vorzugsweise 18 bis 22% Zinn, 0,5 bis 2% Kupfer und schlägt eine Wärmebehandlung der durch Aufwalzen der Aluminium-Legierung auf einen Stahlrücken erzeugten Bimetallstreifen bei 230° bis 425° C vor. Ein Stahl/Aluminium-Verbundwerkstoff, der bei dieser Temperatur getempert wird, ist gekennzeichnet durch sehr große Zinnausscheidungen. Er weist eine sehr geringe Ermüdungsfestigkeit und geringe Härte auf und wäre zur Herstellung von Kurbelwellenlagerschalen-für moderne Verbrennungsmotoren nicht geeignet. Auch der sehr weite Kupfergehalt von 0,5 bis 2% vermag keinen konkreten Gleitlagerwerkstoff zu beschreiben.

Die DD 50319 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Gleitkörpern aus Aluminium-Legierungen mit Zusätzen bis zu 30% Zinn und 3% Kupfer. Die Erwähnung eines Stahldorns für die Herstellung der Bohrung bei Buchsen und die Erwähnung des unerwünschten Effekts der Schwerkraftseigerung lassen auf ein Stranggießverfahren von Monometallteilen schließen. Die Erwähnung der Zusätze bis zu 30% Zinn und bis zu 30% Kupfer, welch letzteres pauschal zur Härtesteigerung dienen soll, vermag keinen konkreten Aluminiumgleitlagerwerkstoff zu beschreiben. Es findet sich in dieser Druckschrift noch der Hinweis, dass zur Erreichung vertretbarer Ergebnisse bezüglich der Lagerbelastung ein Zinnanteil bis 18% im damaligen Stand der Technik vorgeschlagen wurde.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kurbelwellenlagerschale der eingangs genannten Art zu schaffen, die einer Belastung im Betrieb des Motors von deutlich mehr als 55 N/mm2 bei hohen Gleitgeschwindigkeiten von mehr als 10 m/s standzuhalten vermag und die dennoch gute Gleiteigenschaften, wie etwa die eingangs erwähnte Kurbelwellenlagerschale mit einer Gleitschicht aus AlSn20Cu, aufweist.

Diese Aufgabe wird durch eine gattungsgemäße Kurbelwellenlagerschale gelöst, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, dass die Aluminiumgleitschicht aus einer AlSn (20-23) Cu (1, 8-2,3)-Legierung (1,8-2,3 Gew.-% Kupfer und 20-23 Gew.-k Zinn), gegebenenfalls mit Zusätzen von bis zu 0,1 Gew.-% Ni, 0,7 Gew.-% Si, 0,7 Gew.-k Fe, 0,7 Gew.-% Mn, 0,2 Gew.-% Ti, wobei Si, Fe und Mn in der Summe < 1 Gew.-% betragen, und verunreinigungsbedingten Zusätzen von insgesamt unterhalb 0,5 Gew.-% gebildet ist und dass die Aluminiumgleitschicht nach einer Wärmebehandlung eine Brinell- Härte von wenigstens 45 HB 1/5/30 aufweist. Die Brinell-Härte wird bestimmt nach DIN ISO 4384 Teil 1 vom Oktober 1982 in Verbindung mit der darin genannten ISO 6506 (entsprechend DIN 50 351).

Gegenüber der bekannten Kurbelwellenlagerschale mit einer Aluminiumgleitschicht aus AlSn20Cu wurde überraschenderweise festgestellt, dass eine Erhöhung des Kupfergehalts in den angegebenen Bereich von 1,8-2,3 Gel.-% in Verbindung mit einer noch näher zu beschreibenden Wärmebehandlung zu einer Auflösung der sich beim Walzen ergebenden schnur-oder zeilenförmigen Zinnausscheidungen und einer feinen Verteilung des Zinns in Ausscheidungen von überwiegend geringerer Abmessung als 5 gm führt. Auf diese Weise kann ein hoher Zinngehalt von 20 bis 23 Gew.-% in der Gleitschicht und damit verbunden die exzellenten Gleiteigenschaften der bekannten AlSn20Cu-Legierung beibehalten werden, andererseits aber deren Ermüdungsfestigkeit auf eine spezifische Belastung von deutlich über 55 N/mm2, bei einer AlSn20Cu2-Legierung auf 59 N/mm2, gesteigert werden. Die ebenfalls aus der Wärmebehandlung resultierende hohe Härte von wenigstens 45 HB 1/5/30, vorzugsweise wenigstens 47 HB 1/5/30 ist auf die weitgehende Beibehaltung der durch den Walzplattiervorgang erzeugten erwünschten Spannungen durch die Wärmebehandlung bei verhältnismäßig geringen Temperaturen, die nachfolgend erörtert werden, zurückzuführen.

Ferner beträgt die Bruchdehnung A5 der Leichtmetallschicht wenigstens 32 %, ermittelt nach DIN 50 125 (April 1991). Dies bedeutet, daß ein Flachprobenabschnitt der Breite b und der Dicke a in einem Zugversuch so lange gedehnt wird, bis die Probe bricht. Unter der Bruchdehnung wird dann diejenige Dehnung einer Anfangsmeßlänge verstanden, bei der der Flachprobenabschnitt zerreißt. Die Bruchdehnung in Prozent ist also der Quotient aus Verlängerung infolge Dehnung dividiert durch die Ausgangsmeßlänge. Bei der Bruchdehnung AS wird eine Anfangsmeßlänge L zugrundegelegt, für die in etwa gilt Bei einer Flachprobe einer etwas größeren Gesamtlänge ist es möglich, mehrere Ausgangslängenabschnitte abzutragen und dann denjenigen zur Messung bzw. zur Berechnung der Bruchdehnung heranzuziehen, innerhalb dessen die Probe zerreißt.

Die Bruchdehnung ist im gewalzten Zustand vor einer Wärmebehandlung am geringsten, was bedeutet, daß die Leichtmetall-Lagerschicht zwar sehr hart, aber dadurch bedingt auch sehr spröde ist. Durch eine Wärmebehandlung sollte dieses spröde Verhalten verringert werden, was sich durch eine Erhöhung der Bruchdehnung messen läßt. Vorzugsweise soll die Bruchdehnung AS der Leichtmetallschicht nach der Wärmebehandlung wenigstens 32 %, vorzugsweise 33 und ganz besonders bevorzugtermaßen nicht über 36 % betragen. Eine Bruchdehnung von 36 % und mehr geht nämlich wiederum einher mit einer Abnahme der Ermüdungsfestigkeit und der Belastbarkeit, die insbesondere durch die Messung der Biegewechselfestigkeit gemessen werden kann.

Es sei betont, dass die Bruchdehnung AS an Flachprobenabschnitten der Leichtmetallschicht, also nicht an einem Flachprobenabschnitt aus einem Stahl/Aluminium- Verbundwerkstoff, bestimmt wird, da dann die Stahlschicht das Verhalten des Flachprobenabschnitts bei dem Zerreißversuch dominieren würde. Es wird daher eine Leichtmetallschicht aus der Aluminium-Gleitlagerlegierung mit exakt derselben Stichabnahme wie beim Herstellen des Stahl/Aluminium- Verbundwerkstoffs hergestellt. Es wird dann dieselbe Wärmebehandlung durchgeführt und anschließend wird die Leichtmetallschicht dem Zugversuch zur Bestimmung der Bruchdehnung AS unterzogen.

Die Erfindung betrifft des weiteren ein Verfahren zum Herstellen einer Kurbelwellenlagerschale der erfindungsgemäßen Art, das durch eine Wärmebehandlung des Stahl/Aluminium- Verbundwerkstoffs vor dem Biegen von Platinenabschnitten auf Halbkreisform nach Anspruch 7 gekennzeichnet ist. Nach dem Gießen, Auswalzen und Walzplattieren der Aluminium-Legierung zur Bildung der Gleitschicht auf die Stahlträgerschicht wird eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 200 bis 220° C, vorzugsweise 200 bis 215° C, für eine Dauer von 2 bis 10 Stunden durchgeführt, wie sie an sich aus EP 0 704 545 Al bekannt ist. Es wurde indessen seither davon ausgegangen, dass Gleitlagerschalen mit spezifischen Belastungen von deutlich über 55 N/mm2 nur mit mittleren Zinngehalten in der Aluminiumgleitschicht bis ca. 18 Gew.-% erreichbar seien. Es war deshalb überraschend, dass auch bei höheren Zinngehalten und Anwendung der angegebenen Wärmebehandlung die großen zeilenförmigen Zinnausscheidungen in eine feine Verteilung im angegebenen Größenbereich gebracht werden konnten. Die sich beim Walzen ergebenden schnur-oder zeilenförmigen Zinnausscheidungen werden durch die Wärmebehandlung größtenteils in punktförmige Ausscheidungen umgewandelt, deren Ausdehnung überwiegend < 5 ym ist.

Die vorstehend erwähnte Wärmebehandlung ist dahingehend zu verstehen, dass bei einer Wärmebehandlungstemperatur von 200° C eine Wärmebehandlungsdauer von ca. 10 Stunden erforderlich ist, während bei einer Wärmebehandlungstemperatur nahe der oberen Grenze des Intervalls bei 220° C eine Wärmebehandlungsdauer von nur ca. 2 Stunden zu der Verteilung der Zinnausscheidungen führt. Es wird indessen ausdrücklich darauf hingewiesen, dass bei niedrigeren Temperaturen von z.

B. 195° C eine Auflösung der durch das Aufwalzen der Gleitschicht erzeugten schnurförmigen Zinnausscheidungen nicht erreicht wird und dass eine Wärmebehandlung bei Temperaturen oberhalb von 220° C wiederum zu einer Koagulation des Zinns zu großen Ausscheidungen führt und sich die Belastbarkeit und Ermüdungsfestigkeit demzufolge extremst verringert. Bei einer Wärmebehandlung bei Temperaturen oberhalb von 220° C werden auch die im Zuge des Walzens und Walzplattierens innerhalb des Materials erzeugten Spannungen, welche die Härte und die Festigkeit der Gleitschicht erhöhen und deshalb erwünscht sind, in negativer und unerwünschter Weise abgebaut.

Durch die angegebene Wärmebehandlung nimmt die Härte der Aluminiumgleitschicht (gemessen in Brinell-Härte nach DIN ISO 4384 Teil 1) um weniger als 15 % ab ; die Härte nach der Wärmebehandlung beträgt also wenigstens 85 % der Härte der aufplattierten Aluminiumgleitschicht vor der Wärmebehandlung.

Bei einer Glühung oberhalb des angegebenen Temperaturbereichs würden-wie vorstehend erwähnt-die im Zuge des Walzplattieren erzeugten Spannungen weitgehend abgebaut werden, und die Härte würde hierdurch drastisch reduziert werden.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen, der beigefügten Figuren und deren nachfolgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigt : Figur 1 Vergleich der Biegewechselfestigkeit eines bekannten und eines erfindungsgemäßen Stahl/Aluminium- Verbundwerkstoffs für eine Kurbelwellenlagerschale ; Figur 2 Vergleich der Notlaufeigenschaften eines bekannten und eines erfindungsgemäßen Stahl-/Aluminium- Verbundwerkstoffs für eine Kurbelwellenlagerschale ; Figur 3 platinenförmige Prüfabschnitte ; Figur 4 Schliffbildansichten eines erfindungsgemäßen Stahl/AlSn20Cu2-Verbundwerkstoffs und Figur 5 eine Draufsicht auf eine Flachprobe für die Bestimmung der Bruchdehnung.

Die Figuren 1 und 2 zeigen Vergleichsmessungen der Biegewechselfestigkeit und der Notlaufeigenschaften eines Stahl/Aluminium-Verbundwerkstoffs, wobei-die Aluminiumgleitschicht aus einer AlSn20Cul-Legierung einerseits und aus einer AlSn20Cu2-Legierung andererseits gebildet ist.

Bei der Messung nach Figur 1 wurden platinenförmige Abschnitte der in der Figur 3 angedeuteten Form aus den jeweiligen Stahl/Aluminium-Verbundwerkstoffen gebildet und an ihren Längsenden in einem Prüfstand eingespannt und dann abwechselnd in die eine bzw. andere Richtung derart weit gebogen, dass sich bei maximaler Beanspruchung eine Biegespannung ergibt, die bei den jeweiligen Versuchsreihen zwischen ca. 47 und 95 N/mm2 variiert wurde. Es wurde dann die jeweilige Lastspielzahl bestimmt, bis zu der keine Beschädigungen an der Platine auftraten. Figur 1 zeigt, dass bei dem bekannten Stahl/Aluminium-Verbundwerkstoff aus einer AlSn20Cul-Legierung die Biegespannung auf unter 50 N/mm2 reduziert werden muss, um eine Laufzeit von 10 Mio. Lastwechseln beschädigungsfrei zu erreichen. Bei dem neuartigen Stahl/Aluminium-Verbundwerkstoff aus einer AlSn20Cu2-Legierung wurde in diesem Testverfahren schon bei knapp unterhalb 80 N/mm2 eine Laufdauer von 10 Mio.

Lastwechseln erreicht.

Figur 2 zeigt Messreihen, bei denen der Verschleiß bei sechs verschiedenen Lastniveaus unter Mangelschmierung zur Ermittlung der Notlaufeigenschaften gemessen wurden.

Die Notlaufeigenschaften wurden in einem Stift/Scheibe-Versuch unter den folgenden Prüfbedingungen ermittelt : Prüfbedinqunven : Mangelschmierung 7 mg/min Gleitgeschwindigkeit 5/5/6/7/8/9 m/sec Flächenpressung 5/6,5/8,0/9,5/11,0/12,5 N/mm2 Nach einer bestimmten Zeit von 15 min wurden bei den jeweiligen Lastniveaus der Verschleiß am Stift, dessen Stirnseite von der Aluminium-Gleitschicht des getesteten Stahl/Aluminium-Verbundwerkstoffs gebildet ist, gemessen. Die Ergebnisse zeigt Figur 2. Bei dem erfindungsgemäßen Stahl/Aluminium-Verbundwerkstoff war der-Verschleiß etwa um die Hälfte reduziert.

Die Figur 4 zeigt Schliffbilder der Aluminiumgleitschicht eines erfindungsgemäßen Stahl/Alu-Verbundwerkstoffs mit einer AlSn20Cu2-Legierung in einer Ebene senkrecht zur Walzrichtung (rechts) bzw. in einer Ebene, welche die Walzrichtung einschließt (links) (vor der Wärmebehandlung (oben) bzw. nach der Wärmebehandlung bei 210° Celsius (Mitte). Ferner dargestellt sind entsprechende Schliffbilder derselben Gleitschicht nach einer Wärmebehandlung bei 260° Celsius (unten). Durch die Wärmebehandlung wurden die in Figur 4 links oben ersichtlichen schnur-oder zeilenförmigen Zinnausscheidungen, die in Folge des Auswalzens des Werkstoffs gebildet werden, überwiegend aufgelöst. Die Härte der Aluminiumgleitschicht betrug nach dem Aufplattieren 53 HB 1/5/30 und nach der sich hieran anschließenden Wärmebehandlung 49 HB 1/5/30. Nach einer Wärmebehandlung oberhalb von 220°C werden die Spannungen, die im Zuge des Walzplattierens erzeugt wurden zunehmend aufgelöst, so dass nach der Wärmebehandlung bei 260°C für 2 Stunden schon eine Reduzierung auf 38 HB 1/5/39 resultierte, was für Hauptlagerschalenanwendungen nicht akzeptabel ist. Man erkennt auch die sich ergebenden groben Zinnausscheidungen, die potentielle Rissbildungsstellen darstellen und die Ermüdungsfestigkeit für die genannte Anwendung auf nicht hinnehmbare Werte herabsetzen.

Des-weiteren sind Bruchdehnungswerte Ag bei den jeweiligen Werkstoffen, so wie eingangs beschrieben, angegeben. Dabei wurde eine Aluminiumgleitschicht aus AlSn20Cu2 mit derselben Stichabnahme wie beim Verbundwerkstoff gewalzt, und dann wurden Flachprobenabschnitte der in Figur 5 skizzierten Art angefertigt. Die Flachprobenabschnitte aus der Gleitlagerlegierung hatten eine Breite von 20 mm und eine Dicke von 0,5 mm. Diese Dicke entspricht auch der Schichtdicke der Aluminiumgleitschicht bei einem Stahl/Aluminium- Verbundwerkstoff. Es wurden dann beidseits des Flachprobenabschnitts Längsabschnitte einer Anfangsmeßlänge L abgetragen. Es wurde dann gedehnt bis zur Bruchgrenze und die Bruchdehnung als Quotient der Dehnung dividiert durch die Ausgangsmeßlänge in Prozent angegeben. Bei der ausgewalzten Aluminiumgleitlagerlegierung wurde eine Bruchdehnung AS von 28 W gemessen. Nach einer Glühung von 210 °C für zwei Stunden wurde das Material weniger spröde und die gemessene Bruchdehnung Ag lag bei 34 %. Bei einer Wärmebehandlung bei 260° C für zwei Stunden, wie sie vorstehend erörtert wurde, lag die Bruchdehnung AS bei 38 Die hiermit erreichbare Ermüdungsfestigkeit oder Biegewechselfestigkeit ist jedoch für Kurbelwellenlagerschalenanwendungen nicht ausreichend.

Insgesamt wurde mit der Erfindung ein Stahl/Aluminium- Verbundwerkstoff geschaffen, der sich hervorragend für die . Herstellung von Kurbelwellenlagerschalen eignet, da er im Hinblich auf Härte, Verschleiß, Ermüdungsfestigkeit und tribologische Eigenschaften den hier gestellten Anforderungen in höherem Maße gerecht wird als bekannte Werkstoffe.