Gleitlagerwerkstoff

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitlager oder ein Teil davon, wie beispielsweise eine Gleitlagerhälfte oder - buchse, wobei nachfolgend der Einfachheit halber nur auf ein Gleitlager Bezug genommen wird, und ein Verfahren zur

Herstellung desselben sowie die Verwendung einer CuCrZr- Legierung als Gleitlagerwerkstoff. Ein solches Gleitlager zeichnet sich durch hohe Wärmeleitfähigkeit und gute

mechanische Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit sowie Verarbeitbarkeit aus.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik ist die Nutzung von

Kupferbasislegierungen als Gleitlagerwerkstoff bekannt.

So offenbart die GB 2 281 078 A die Nutzung eines

Sinterkörpers als Lagerlauffläche, wobei der Sinterkörper aus einer Kupferbasislegierung, 5 bis 20 Gew.-% eines

Übergangsmetalls und 0,5 bis 10 Gew.-% eines Halbmetalls besteht. Zudem sind bevorzugt 0,1 bis 0,8 Gew.-% mindestens eines Metalls aus der Gruppe Zr, Mo, Nb und AI Bestandteil der Legierung.

Ferner können Kupfer-Chrom-Zirkonium-Legierungen zum Stand der Technik gezählt werden. Eine Kupfer-Chrom-Zirkonium-Legienung mit 0,5 bis 1,2 Gew.-% Chrom, 0,03 bis 0,3 Gew.-% Zirkonium und Rest Kupfer ist beispielsweise unter der Werkstoffnummer CW106C gelistet. Dem entsprechenden Werkstoffdatenblatt des Deutschen

Kupferinstituts (DKI) ist zu entnehmen, dass diese Legierung in der Elektrotechnik und im Maschinenbau als

Kontaktwerkstoff und stromführende Federn, in der Schweiß- und Löttechnik (Elektroden, Elektrodenhalter und -Schäfte, Düsen) sowie im Gerätebau Anwendung findet.

Aus der US 2006/0086437 AI geht ein Verfahren zur Herstellung einer Kupfer-Chrom-Zirkonium-Legierung mit 0,1 bis 1,5 Gew.-% Chrom, 0,01 bis 0,25 Gew.-% Zirkonium und Rest Kupfer hervor, wobei das Verfahren die Schritte Stranggießen, Ziehen und Ausscheidungshärtung urafasst .

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleitlager zur Verfügung zu stellen, welches eine hohe Lebensdauer aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das im Anspruch 1 beschriebene Gleitlager, das Verfahren zur Herstellung des Gleitlagers nach Anspruch 8 und die Verwendung einer CuCrZr- Legierung als Gleitlagerwerkstoff nach Anspruch 23.

Die zumindest teilweise Nutzung einer CuCrZr-Legierung als Werkstoff für ein Gleitlager erhöht dabei maßgeblich die Haltbarkeit des erfindungsgemäßen Gleitlagers. So ist durch die hohe Wärraeleitfähigkeit der CuCrZr-Legierung von 320 W/ (mK) bei 200°C sowohl eine schnelle Ableitung von Reibungswärme als auch eine homogene Wärmeverteilung

innerhalb des Werkstoffes gegeben, welche eine

temperaturstabile Mikrostruktur gewährleistet. Zudem bilden sich in der CuCrZr-Legierung CrZr3-Verbindungen, die die

Verschleißbeständigkeit des Gleitlagers erhöhen. Schließlich weist die erfindungsgemäße Legierungskomposition eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf. Erste Untersuchungen zeigen, dass für die Verarbeitung des erfindungsgemäßen Werkstoffs in vorteilhafter Weise keine aufwändigen Modifikationen an bestehenden Produktionsanlagen erforderlich sind. Bevorzugt besteht die CuCrZr-Legierung aus 0,01 bis 0,5 Gew.-% Zr, 0,01 bis 4,9 Gew.-% Cr, optional bis 15,0 Gew.-% Sn, optional 0,05 bis 0,25 Gew.-% AI, Mg, Ti und/oder Mn sowie als Rest Kupfer.

Bevorzugte Weiterbildungen sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

So haben sich für die Elemente Chrom und Zirkonium

Konzentrationsbereiche von 0,01 bis 0,5 Gew.-% Zr und 0,01 bis 4,9 Gew. -% Cr, bevorzugt bis 4,4 Gew.-% Cr, als

vorteilhaft herausgestellt. In diesem Konzentrationsbereich werden ausreichend CrZr3-Verbindungen gebildet und die

Korrosionsbeständigkeit hinreichend erhöht, ohne dass die Wärmeleitfähigkeit der Kupferbasismatrix signifikant

erniedrigt wird.

Mit Vorteil enthält die CuCrZr-Legierung zusätzlich 0,01 bis 15,0 Gew.-% Sn, da hierdurch die Festigkeit und Härte der Legierung weiter gesteigert werden kann, bei höheren Zinngehalten jedoch die Wärmeleitfähigkeit zu stark

verringert wird.

Bevorzugt wird der Legierung zumindest eines der Elemente AI, Mg, Ti und/oder Mn im Konzentrationsbereich von jeweils 0,05 bis 0,25 Gew.-% zugesetzt. Die genannten Elemente wirken in vorteilhafter Weise als Korrosionsinhibitoren und vermindern dementsprechend die Korrosionsempfindlichkeit der

Kupfermatrix, insbesondere wenn für eine möglichst homogene Verteilung der genannten Elemente in der Matrix gesorgt ist.

Mit Vorteil weist die CuCrZr-Legierung eine Porosität von < 0,3 Volumenprozent auf, wodurch eine ausreichende Festigkeit garantiert wird.

Die Gleiteigenschaften und die Zerspanbarkeit des

erfindungsgemäß hergestellten Gleitlagerwerkstoffes können in vorteilhafter Weise dadurch verbessert werden, dass

Hartpartikel, wie z.B. Oxide, Karbide, Nitride und Phosphide, und/oder FeststoffSchmiermittel, wie z.B. h-BN und

Kohlenstoff, insbesondere Graphit, zugefügt werden. Ferner kann zumindest eines der spanbrechenden Elemente Tellur, Bismut, Blei und Schwefel als sogenannter Spanbrecher

zugeführt werden. Bevorzugte Hartpartikel sind beispielsweise AI ₂ O ₃ , c-BN, M0S12, ZrO ₂ , SiCO ₂ und sämtliche Karbide der genannten, korrosionsverhindernden Metalle.

Die CuCrZr-Legierung wird mit Vorteil auf einen

Substratrücken, bevorzugt einen Stahlrücken, aufgebracht. Ein derartiger Aufbau erlaubt es, die günstigen Eigenschaften der CuCrZr-Legierung an denjenigen Positionen des Gleitlagers zu nutzen, an denen diese benötigt werden, während weniger kritische Stellen aus kostengünstigerem Material gefertigt werden können. Bevorzugt wird die CuCrZr-Legierung als Vollmaterial, bevorzugt zu Buchsen und Lagern, verarbeitet, da hierdurch die Schwachstelle der Haftung zwischen Substrat und CuCrZr- Legierung vermieden wird.

Während durch das Aufbringen der CuCrZr-Legierung mittels Walzplattieren auf einen Substratrücken sehr kostengünstig große Schichtdicken auf dem Substrat realisiert werden, können über ein galvanisches Verfahren und/oder ein

Sputterverfahren die chemischen und physikalischen

Eigenschaften der CuCrZr-Legierung sehr definiert eingestellt werden.

Bevorzugt wird die CuCrZr-Legierung durch ein

Sinterverfahren, bestehend aus mindestens einem, bevorzugt zwei, Sintergängen, gebildet, da hierdurch in vorteilhafter Weise nachgelagerte Walz- und/oder Wärmebehandlungsschritte zur Gefügeeinstellung entfallen können.

Mit Vorteil folgt mindestens einem, bevorzugt jedem,

Sintergang mindestens ein Walzstich, da hierdurch die

Porosität verringert wird.

Es hat sich ferner herausgestellt, dass der neuartige

Gleitlagerwerkstoff auf bestehenden Sinteranlagen vorteilhaft bei Sintertemperaturen von 950°C bis 1000°C, bevorzugt 950°C bis 980°C, verarbeitet werden kann.

Gemäß einer günstigen erfindungsgemäßen Ausgestaltung werden die funktionellen Zusätze über einen vorgeschalteten Mahl- und/oder Mischprozess eingebracht, so dass eine homogene Verteilung der Zusätze gewährleistet wird. Das Sinterpulver wird vorteilhaft durch einen

Verdüsungsprozess, bevorzugt von Reinelementen hergestellt. Besonders bevorzugt werden die Reinelemente zunächst zu einer Vorlegierung verschmolzen um anschließend diese Legierung zu verdüsen. Insbesondere Zr und Cr werden mit Vorteil als CuCr und CuZr verdüst, da somit die hohe Reaktivität der

Reinelemente Cr und Zr umgangen werden kann. Durch den

Verdüsungsprozess können die gewünschte

Partikelgrößenverteilung und chemische Zusammensetzung in engen Toleranzen gesteuert werden.

Mit Vorteil werden zur Herstellung des Sinterpulvers bei der Produktion von gegossenem CuCrZr anfallende Späne verwendet, welches dadurch kosten- und ressourceneffizient produziert werden kann.

Eine Absenkung der Sintertemperatur ist in vorteilhafter Weise durch die bevorzugte gezielte Erhöhung des Feinanteils, d.h. Partikel von < 5 um, auf mindestens 5% möglich. Dies bietet ferner den Vorteil, dass der technisch bedingte hohe Anteil an feinem Pulver im Rahmen der Erfindung genutzt werden kann, ohne die Fließeigenschaften negativ zu

beeinflussen.

Beim Gießen der CuCrZr-Legierung kann dagegen mit Vorteil auf die Prozessschritte zur Pulverherstellung verzichtet werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird zumindest ein Teil des Gleitlagers, bevorzugt die CuCrZr- Legierung, einer Wärmebehandlung, bevorzugt Lösungsglühen, Warmaushärtung und/oder Weichglühen, unterzogen, um das

Gefüge entsprechend der Nutzungsanforderungen einstellen zu können. Bevorzugt wird außerdem zumindest ein Teil des Gleitlagers, bevorzugt die CuCrZr-Legierung, mechanisch bearbeitet, um beispielsweise die notwendigen Oberflächengüten oder

Bauteildimensionen zu erreichen.

Sämtliche vorangehend und nachfolgend im Zusammenhang mit dem Gleitlager erwähnten Merkmale können auch bei dem

erfindungsgemäßen Verfahren und der neuartigen Verwendung Anwendung finden und umgekehrt.

Bevorzugte Ausführungsform

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Gleitlager, bestehend aus einem Stahlrücken und einer darauf aufgebrachten Sinterschicht aus einer CuCrZr-Legierung vorgesehen. Zur Herstellung wird zunächst eine Sinterpulvermischung mit den Massenanteilen 1,0 Gew.-% Cr und 0,1 Gew.-% Zr sowie als Rest Kupfer hergestellt. Hierzu werden über eine Verdüsungsanlage Reinstoffe der Legierungselemente derart verdüst, dass eine Feinpartikelfraktion < 5μm von 10 Gew. -% entsteht. Die Sinterpulver werden gemischt, auf einem Stahlrücken kompaktiert und bei einer Temperatur von 950°C versintert. Nach dem ersten Sintergang folgt ein Walzstich sowie ein zweiter Sintergang bei 950°C, dem wiederum ein zweiter Walzstich folgt, so dass ein Werkstoff mit homogenem Gefüge und einer Porosität unter 0 , 3 Volumenprozent entsteht.