Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Gleitlagerverbundwerkstoff mit einer Stützschicht aus Stahl, einer Zwischenschicht auf Basis einer bis auf Verunreinigungen bleifreien Aluminiumlegierung und einer Lagermetallschicht auf Basis einer bis auf Verunreinigung bleifreien Aluminiumlegierung mit Zinn, Nickel, Mangan und Kupfer als Hauptlegierungselemente.

Eine solcher Gleitlagerverbundwerkstoff wird beispielsweise in den Schriften DE 10 2005 023 541 A1 und DE 10 2009 002 700 B3 beschrieben. Gegenstand der erstgenannten Schrift ist ein Gleitlagerverbundwerkstoff mit einer metallischen Stützschicht und einer Lagermetallschicht der vorstehend genannten Art, welche mittels einer Zwischenschicht auf Aluminiumbasis auf der metallischen Stützschicht aufgebracht ist. Die Besonderheit hierbei ist, dass die Aluminiumlegierungen der Zwischenschicht und der Lagermetallschicht bis auf einen zusätzlichen Weichphasenanteil in der Lagermetallschicht übereinstimmen. Als Weichphasenanteil in der Lagermetallschicht werden 5 - 20 Gew.-% Zinn und besonders bevorzugt 9 - 1 1 Gew.-% Zinn vorgesehen. Die übrigen Legierungsbestandteile der Zwischenschicht und der Lagermetallschicht sind 1 ,0 - 3,0 Gew.- % Nickel, 0,5 - 2,5 Gew.-% Mangan, 0,02 - 1 ,5 Gew.-% Kupfer und Rest Aluminium.

Die vorstehend zweitgenannte Schrift hat ebenfalls ein Gleitlagerelement mit einer Stützschicht, einer Zwischenschicht und einer Lagermetallschicht auf Basis einer Aluminiumlegierung zum Gegenstand. Die Besonderheit der Zwischenschicht ist in diesem Fall eine Aluminiumlegierung mit 3,5 - 4,5 Gew.-% Kupfer, 0,1 - 1 ,5 Gew.-% Mangan und 0,1 - 1 ,5 Gew.-% Magnesium, wobei die Zwischenschicht auf eine Mikrohärte von 70 HV 0,01 - 1 10 HV 0,01 eingestellt wird. Die Lagermetallschicht des Gleitlagerelementes weist eine Zusammensetzung von 1 ,0 - 3 Gew.-% Nickel, 0,5 bis 2,5 Gew.-% Mangan, 0,02 - 1 ,5 Gew.- % Kupfer und einen Weichphasenanteil von 5 - 20 Gew.-% und im Übrigen Aluminium auf. Als Weichphase wird wiederum Zinn in einem Anteil von 8 - 12 Gew.-% bevorzugt. Das Gleitelement erlangt durch eine Kombination einer relativ dicken und relativ harten Zwischenschicht einerseits und der dazu passenden Lagermetallschicht andererseits eine hinreichend plastische Nachgiebigkeit und Formanpassungsfähigkeit. Gleichzeitig tritt hierbei aber nicht das entdeckte Problem eines Herausquetschens des Zwischenschichtmaterials bei hoher Spitzenbelastung aufgrund zu großer Duktilität auf.

Der gattungsgemäße Gleitlagerverbundwerkstoff ist beispielsweise auch aus der Schrift DE 10 2004 025 557 A1 bekannt. Auch diese Schrift befasst sich mit der Modifikation der aluminiumbasierten Zwischenschicht, die die Besonderheit aufweist, das sie aus wenigstens zwei Lagen aufgebaut ist, von denen die untere, der Stützschicht aus Stahl zugewandte Lage eine geringere Härte aufweist als die obere, der aluminiumbasierten Lagermetallschicht zugewandte Lage. Die Zusammensetzung der Lagermetallschicht wird mit einem Weichphasenanteil von 3 bis 20 Gew.-% Zinn, desweiteren mit 0,1 bis 7 Gew.-% eines oder mehrerer der Elemente Cu, Zn, Mg und Si, 0,01 bis 3 Gew.-% eines oder mehrerer der Elemente Mn, V, Mo, Cr, Co, Fe, Ni und W, 0,01 bis 2 Gew.-% eines oder mehrerer der Elemente B, Ti und Zr und 3 oder weniger Gew.-% eines oder mehrerer der Elemente Pb, Bi und In angegeben. Die Zusammensetzung der aluminiumbasierten Zwischenschicht enthält neben Aluminium 1 bis 8,5 Gew.-% Si, 0,01 bis 7 Gew.-% eines oder mehrerer der Elemente Cu, Zn und Mg, 0,01 bis 3 Gew.-% eines oder mehrerer der Elemente Mn, V, Mo, Cr, Co, Fe, Ni und W sowie 0,01 bis 2 Gew.-% eines oder mehrerer der Elemente B, Ti und Zr und im übrigen Aluminium angegeben. Die Schrift US 2002/0192105 A1 befasst sich mit einer Aluminiumlegierung für Gleitlager auf Aluminium-Zinn-Basis. Die Legierung weist 2 bis 20 Gew.-% Zinn, 3 Gew.-% oder weniger Kupfer, 0,3 bis 5 Gew.-% TiC-Partikel und im Übrigen Aluminium auf. Aus der Schrift ist ferner eine Harz-basierte Beschichtung mit MoSi ₂ -Festschmierstoff zur Verringerung der Fressneigung in der Einlaufphase des Lagers bekannt.

Zur Fixierung der Lagermetallschicht auf der Stahlstützschicht muss zum einen die Zwischenschicht auf die Lagermetallschicht und zum anderen der Verbund aus Lagermetall und Zwischenschicht auf die Stahlstützschicht aufplattiert werden. Anschließend muss der Schichtverbund noch einer Wärmebehandlung unterzogen werden, bei der durch eine Abschlussglühung die gewünschte Gefügestruktur und damit die gewünschten Materialeigenschaften eingestellt werden.

Auch die Verschleißbeständigkeit ist für die in Start-Stopp-Anwendungen vorherrschenden Mischreibungsbedingungen nach wie vor ein bedeutender Faktor, so dass hier stets Optimierungsbedarf besteht. Ferner haben es sich die Erfinder aber zur Aufgabe gemacht, gleichzeitig die Ermüdungsfestigkeit des Lagermaterials zu erhöhen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Gleitlagerverbundwerkstoff mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Demnach sieht die Erfindung einen Gleitlagerverbundwerkstoff mit einer Stützschicht aus Stahl, einer Zwischenschicht auf Basis einer bis auf Verunreinigung bleifreien Aluminiumlegierung und einer vorzugsweise mittels Kaltwalzplattieren direkt auf die Stützschicht aufgebrachten Lagermetallschicht auf Basis einer bis auf Verunreinigung bleifreien Aluminiumlegierung vor. Die Aluminiumlegierung der Zwischenschicht weist eine Zusammensetzung mit 3,5 bis 4,5 Gew.-% Kupfer, 0,1 bis 1 ,5 Gew.-% Mangan, 0,1 bis 1 ,5 Gew.-% Magnesium, wahlweise in der Summe 0,05 % bis 0,25 % Zirconium und Titan, wahlweise im Einzelnen nicht mehr als 0,1 Gew.-% und in der Summe nicht mehr als 0,25 Gew.-% anderen Legierungsbestandteilen, den üblichen zulässigen Verunreinigungen und Rest Aluminium auf. Die Aluminiumlegierung der Lagermetallschicht weist eine Zusammensetzung mit 6,0 - 8,0 Gew.-% Zinn, 1 ,0 - 3,0 Gew.-% Nickel, 0,5 - 1 ,0 Gew.-% Mangan, 0,5 - 1 ,0 -Gew.% Kupfer, 0,15 - 0,25 Gew.-% Chrom, 0,1 - 0,3 Gew.-% Vanadium, wahlweise 0,1 - 0,2 Gew.-% Zirconium, wahlweise bis 0,2 Gew.-% Titan, wahlweise weniger als 0,5 Gew.-% sonstiger Elemente den üblichen zulässigen Verunreinigungen und Rest Aluminium auf.

Als„bis auf Verunreinigungen bleifrei" wird im Sinne dieser Schrift verstanden, dass ein Bleianteil, der gegebenenfalls durch Verunreinigung einzelner Legierungselemente vorhanden sein könnte, jedenfalls geringer ist als 0,1 Gew.-%.

Das Lagermetall wird in Streifenform kontinuierlich auf einem sogenannter Belt- Caster gegossen, anschließend angelassen und dann mit dem Zwischenschichtmaterial, welches in Folienform vorliegt, plattiert. Der Verbund wird anschließend gewalzt und schließlich in einem Kaltwalzplattierschntt mit der Seite der Zwischenschicht auf den Stahl aufgebracht. Als Kaltwalzplattieren wird ein Walzplattierverfahren bei Plattiertemperaturen < 300°C bezeichnet. Aus diesem Herstellungsverfahren resultiert ein Gleitlagerverbundwerkstoff mit einem hochfesten, fressunempfindlichen und ermüdungsfesten Lagermetall und daran angepasster Zwischenschicht, der beispielsweise für hochbelastete Anwendungen als Lagerschale eines Pleuellagers oder eines Kurbelwellenhauptlagers in einem Verbrennungsmotor, insbesondere in einem aufgeladenen Dieselaggregat sehr gut geeignet ist.

Die Erfinder haben festgestellt, dass sich aufgrund des Gießverfahrens intermetallische Phasen, insbesondere AINiMn, aber auch AICu- und andere NiMn- Ausscheidungen, in der Lagermetallschicht ausbilden, die als Hartteilchen neben der Weichphase Zinn und den Mikrolegierungselementen V, optional Zr und Ti in der Aluminiummatrix feinverteilt vorliegen. Die Gestalt der Hartteilchen ändert sich nach dem Gießen durch die anschließende Wärmebehandlung nur noch geringfügig, sodass die Teilchengröße und -Verteilung in der Matrix vornehmlich durch die Abkühlgeschwindigkeit beim Gießen eingestellt wird, um so die gewünschten Materialeigenschaften, insbesondere die Ermüdungsfestigkeit, zu erzielen. Die Mikrolegierungselemente V, optional Zr und Ti erhöhen die Rekristallisationstemperatur und verhindern das Kornwachstum in dem Material, was bei Anwendungen im erhöhten Temperaturbereich, insbesondere bei Temperaturen im Bereich von 150 bis 200°C, für gleichbleibend gute Materialeigenschaften sorgt. So werden durch die Kombination der erfindungsgemäßen Zusammensetzung einschließlich der Mikrolegierungselemente und der besonderen Verfahrensschritte die Teilchengröße und -Verteilung der tribologisch wirksamen Partikel (Hartteilchen und Weichphase) in der Matrix im Hinblick auf hochbelastete Anwendungen optimiert.

Die Erfinder haben erkannt, dass die Lagermetallschicht, insbesondere bei Verwendung einer duktilen Zwischenschicht, durch die spezielle Wahl des Zinngehaltes in Kombination mit angepassten Mikrolegierungselementen deutlich in Richtung erhöhter Ermüdungsfestigkeit ausgelegt werden kann, als dies im Stand der Technik üblich war. Deshalb eignet sich das Lager nicht nur im Hauptlagerbereich, wo im Start-Stopp-Betrieb vermehrt Mischreibungsbedin- gungen auftreten, unter denen keine (hydrodynamische) Ölschmierung des Lagers gegeben ist, sondern auch als Pleuellagerwerkstoff.

Die Zugabe von Ti verbessert, ungeachtet einer geeigneten Temperaturführung und geeigneter Umformgrade bei der Herstellung des Gleitlagerverbundwerkstoffes, die Gefügestruktur des Matrixmaterials beim Gießprozess. Durch eine exakte Einhaltung des Ti-Gehalts von 0,02 - 0,2 Gew.-%, bevorzugt 0,04 - 0,1 Gew.-%, kann bei den im Hinblick auf die Partikelgrößenverteilung der intermetallischen Phasen angestrebten Abkühlraten des Gießprozesses eine hinreichend feine Korngröße des AI-Matrixmaterials eingestellt werden, die eine hohe Festigkeit bei guten Dehneigenschaften des Matrixwerkstoffes sicherstellt. Die Korngrößenverteilung des Matrixmaterials hat wiederum sowohl Einfluss auf die Verteilung der intermetallischen Phasen als auch auf die Einlagerung der Weichphase, d.h. des unlöslichen Sn entlang der Korngrenzen. Deshalb bedingt der Ti-Gehalt eine möglichst exakte Abstimmung mit dem Anteil des Ni, Mn, Cu und Sn-Gehaltes.

Letzterer liegt erfindungsgemäß in einem Bereich von 6,0 Gew.-% bis 8,0 Gew.- % vor. Genau in diesem Bereich weist das Legierungssystem der Lagermetallschicht die hervorragenden Gleiteigenschaften auf und verfügt aufgrund eines vergleichsweise geringen Gehalts an Zinn als Weichphase über die nötige Festigkeit für höhere Belastungen, die einen Einsatz bei Mischreibungsbedingungen möglich macht.

Kupfergehalte im Bereich von 0,5 - 1 ,0 Gew.-% werden bevorzugt zulegiert um die Festigkeit der Aluminiummatrix zu steigern, ohne die Dehnung zu stark zu verringern.

Den Cr-Gehalt muss man im Zusammenhang mit dem Cu-Gehalt betrachten. Beide Elemente haben sich in der Aluminiummatrix als besonders wichtig im Hinblick auf die Warmfestigkeit des Werkstoffes herausgestellt. Diese ist bei hochbelasteten Anwendungen stets gefordert. Der Cr-Gehalt von 0,15 bis 0,25 Gew.-% hat sich bei gleichzeitiger Zulegierung von Cu mit einem Gehalt von 0,5 bis 1 ,0 Gew.-% als günstig erwiesen, um in der Matrix ausreichend festigkeits- steigernde Ausscheidungen zu bilden. Andererseits sollte ein Gehalt von 0,25 Gew.-% Cr und 1 ,0 Gew.-% Cu nicht überschritten werden, um wiederum die Umformbarkeit nicht negativ zu beeinflussen. Schließlich wirkt sich die Kombi- nation aus Cr und Cu auch dahingehend positiv aus, dass eine Obergrenze des eingesetzten Cu von 1 ,0 Gew.-% die Kosten senkt und die Recyclingfähigkeit des Materials erhöht.

Das Vanadium wirkt in einem Anteil von 0,1 - 0,3 Gew.-% rekristallisations- hemmend, weil es die Rekristallisationstemperatur des Matrixmaterials anhebt. Damit dient Vanadium der Erhöhung der Warmfestigkeit, was im Zusammenspiel mit dem Titan eine leichtere Einstellung einer auf die Weichphase und die intermetallischen Ausscheidungen abgestimmten Korngröße erlaubt.

Zudem bewirkt die Zugabe von Vanadium im Zusammenwirken mit einem relativ geringen Zinngehalt von 6 - 8 Gew.-% eine signifikante Festigkeitssteigerung, insbesondere eine Steigerung der 0,2-%-Streckgrenze R _p ,o,2 auf bevorzugt mehr als 90 MPa und der Zugfestigkeit R _m auf bevorzugt mehr als 145 MPa . Die Materialparameter sind bei Raumtemperatur im Zugversuch nach DIN EN ISO 6892-1 ermittelt worden. Das Erstaunliche ist, dass diese signifikante Änderung bereits bei geringfügigen Anteilen von 0,2 Gew.-% Vanadium und einer geringfügigen Verringerung des Zinngrads von beispielsweise 10 Gew.-% auf 7 Gew.- %, also innerhalb eines kleinen Spielraums stattfinden.

Bevorzugt weist die Zwischenschicht des auf Endmaß gewalzten Gleitlagerelementes eine Dicke 02 von 20 μιτι bis 50 μιτι auf.

Die Zwischenschicht weist bevorzugt eine Mikrohärte von 70 HV 0,01 bis 1 10 HV 0,01 und bevorzugt von 85 HV 0,01 bis 100 HV 0,01 auf.

Die Härteprüfung nach Vickers erfolgt gemäß der europäischen Norm EN 6507- 1 an der Zwischenschicht des fertigen (umgeformten) Gleitlagerelementes. Die Prüfspitze (der Eindringkörper) wird hierbei in Ebenenrichtung der Zwischenschicht in diese im Bereich einer präparierten Schnittkante des Gleitlagerele- mentes eingedrückt. Die Schnittkante wird vorzugsweise durch Schleifen vorbereitet.

Die Härte und Dicke der Zwischenschicht hängen unmittelbar zusammen und erfordern eine funktionale Abstimmung mit zuvor genannten Eigenschaften der Lagermetallschicht. Die Mikrohärte in Verbindung mit der Schichtdicke der Zwischenschicht lassen sich aufgrund der Zusammensetzung der Aluminiumlegierung mit den obligatorischen Bestandteilen 3,5 bis 4,5 Gew.-% Kupfer, 0,1 bis 1 ,5 Gew.-%, bevorzugt 0,4 % bis 1 ,0 Gew.-% Mangan, 0,1 bis 1 ,5 Gew.-%, bevorzugt 0,4 % bis 1 ,0 Gew.-% Magnesium, den üblichen zulässigen Verunreinigungen und Rest Aluminium, insbesondere aufgrund des hohen Kupferanteils, ohne Einbußen hinsichtlich der Bindungsfestigkeit zu der vorzugsweise aus Stahl bestehenden Stützschicht einstellen. Das Einstellen geschieht vor allem durch den Walzplattiervorgang.

Wahlweise weist die Aluminiumlegierung der Zwischenschicht 0,1 % bis 1 ,0 Gew.-%, bevorzugt 0,2 % bis 0,8 Gew,-% Silizium auf.

Das Silizium führt ebenso wie das Mangan und das Magnesium zur Festigkeitssteigerung der AI-Legierung.

Weiterhin bevorzugt weist die Aluminiumlegierung der Zwischenschicht 0,05 % bis 1 ,0 Gew.-% Eisen, 0,05 bis 0,5 Gew.-% Chrom, 0,05 bis 0,5 Gew.-% Zink auf.

Wahlweise in der Summe 0,05 Gew.-% bis 0,25 Gew.-% Zirconium und Titan, und gegebenenfalls anderen Legierungsbestandteilen, die aber im Einzelnen nicht mehr als 0,1 Gew.-% und in der Summe nicht mehr als 0,25 Gew.-% der Legierung ausmachen. Besonders bevorzugt, insbesondere bei besonders hoch beanspruchten Lageranwendungen in Verbrennungsmotoren, ist auf der Lagermetallschicht eine Gleitschicht auf Polymerbasis angeordnet.

Die Polymerschicht führt dazu, dass, insbesondere bei hohen Lasten, eine gleichmäßigere Lastverteilung über die gesamte Lagerbreite erfolgt. Durch die elastische und plastische Anpassungsfähigkeit der Polymerschicht kann die Betriebssicherheit des gesamten Lagers nochmals gesteigert werden.

Die Lagermetallschicht weist besonders bevorzugt eine Dicke von 200 μιτι - 400 μιτι auf.

Weiterhin bevorzugt weist die Lagermetallschicht eine Brinellhärte von 50 - 60 HBW 1/5/30 auf.

Die Erfindung betrifft ferner ein Gleitlagerelement aus einem Gleitlagerverbundwerkstoff der vorstehend beschriebenen Art, welches insbesondere eine Lagerschale, eine Gleitlagerbuchse oder eine Anlaufscheibe sein kann.

Entsprechend ist ein Aspekt der Erfindung die Verwendung des Gleitlagerverbundwerkstoffes der vorstehend beschriebenen Art für Gleitlagerelemente, insbesondere Gleitlagerschalen, Gleitlagerbuchsen oder Anlaufscheiben.

Weitere Merkmale der Erfindung werden nachführend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen: einen prinzipiellen Schichtaufbau eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Gleitlagerverbundwerkstoffes, Fig. 2 einen prinzipiellen Schichtaufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Gleitlagerverbundwerkstoffes und

Fig. 3 eine Ausschnittsvergrößerung aus der Lagermetallschicht.

Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch einen Gleitlagerverbundwerkstoff gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es weist insgesamt drei Schichten auf. Als untere Schicht ist in Figur 1 eine Stützschicht 10 aus Stahl dargestellt, die aufgrund ihrer Steifigkeit den erforderlichen Presssitz des Lagerelementes gewährleistet. Unmittelbar auf die Stützschicht 10 ist eine Zwischenschicht 12 mit der anspruchsgemäßen Zusammensetzung auf Aluminiumbasis angeordnet. Die Zwischenschicht dient als Haftvermittler zwischen der Stahlschicht 10 und der auf der Zwischenschicht 12 angeordneten Lagermetallschicht 14. Die Lagermetallschicht 14 weist bspw. die folgende Zusammensetzung auf:

6 bis 8 Gew.-% Zinn, 1 bis 3 Gew.-% Nickel, 0,5 - 1 Gew.-% Kupfer,

0,5 - 1 Gew.-% Mangan, 0,2 Gew.-% Vanadium, 0,2 Gew.-% Chrom, 0,2 Gew.-

% Zirkonium, Rest Kupfer.

Ferner ist in Figur 1 ein Flächenausschnitt 20 symbolisch dargestellt, der vergrößert die in Figur 3 illustrierte innere Struktur aufweist. Um ein Bild eines solchen Flächenausschnittes anzufertigen, wird vorzugsweise ein ebener Schliff an geeigneter Stelle der Lagermetallschicht präpariert. Abweichend von der Darstellung in Figur 1 kann der Flächenausschnitt auch senkrecht zur Darstellungsebene, z.B. also parallel zur Gleitfläche betrachtet werden.

Die Schichtdicke der Zwischenschicht in dem erfindungsgemäßen Gleitlagerverbundwerkstoff beträgt vorzugsweise 20 μιτι bis 50 μιτι. Die Korngrößenverteilung des Matrixmaterials hat desweiteren einen begünstigenden Einfluss auf die Homogenität der Verteilung der Ni-Mn-Ausscheidungen, insbesondere der Al-Ni-Mn-Ausscheidungen, und der Al-Cu-Ausscheidungen entlang der Korngrenzen der Matrix. Diese intermetallischen Phasen bilden Hartteilchen in dem Gefüge der Lagermetallschicht.

Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 weist im Umfang der Stahlstützschicht 10, der Zwischenschicht 12 und der Lagermetallschicht 14 den gleichen Schichtaufbau auf. In Ergänzung ist auf der Lagermetallschicht 14 eine Poly- merbeschichtung als Gleitschicht 16 aufgebracht, welche insbesondere in hoch beanspruchten Lageranwendungen vorteilhaft ist.

Anhand der Figur 3 wird im Folgenden die Methode zur Bestimmung der intermetallischen Ausscheidungen in der Lagermetallschicht erläutert. Nachdem zunächst ein ebener Flächenschliff von der Lagermetallschicht präpariert wurde, der beispielsweise senkrecht zur Gleitfläche verläuft, wird unter einem Mikroskop, beispielsweise bei 500-facher Vergrößerung ein Flächenausschnitt 20 der Lagermetallschicht mit einer bestimmten Kantenlänge und -breite ausgewählt und markiert. Sei dieses beispielsweise ein Rechteck mit Kantenlängen von 500 μιτι und 800 μιτι, also der Messfläche von 400.000 μιτι ² . In diesem Flächenausschnitt erkennt man eine Vielzahl von intermetallischen NiMn-, insbesondere AINiMn-, und AICu-Phasen 22, die sich erfahrungsgemäß durch einen bestimmten Grau- oder Farbwertbereich optisch von anderen Einschlüssen, insbesondere von der Weichphase, aber auch von Fremdpartikeln, beides hier nicht dargestellt, und von der AI-Matrix unterscheiden lassen. Die Erfassung solcher Phasen erfolgt vorzugsweise automatisiert in einem elektronischen Bilderfassungssystem. Bezugszeichenliste Stahlstützschicht

Zwischenschicht

Lagermetallschicht

Polymerbeschichtung/Gleitschicht

Ausschnitt

internnetallische Phasen