Gleitlagerverbundwerkstoff, Verwendung und Herstellungsverfahren

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Gleitlagerverbundwerkstoff gemäß Anspruch 1. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Verwendung und auf Hersteilungsverfahren.

Aus der DE 44 15 629 C1 ist die Verwendung einer Kupfer-Nickel- Siliziumlegierung für die Herstellung von verschleißfesten Gegenständen mit Notlaufeigenschaften, wie beispielsweise Gießkolben von Druckgießmaschinen bekannt. Die in der DE 44 15 629 C1 beschriebene Legierung besteht aus 1 - 4% Nickel, 0,1 -1,5% Silizium und Rest Kupfer und wird als Massivwerkstoff eingesetzt.

Die US 2,137,282 beschreibt eine Legierung aus 0,1 - 30% Nickel, 0,05 - 3% Silizium und Rest Kupfer. Diese Legierung zeichnet sich nach entsprechender Wärmebehandlung durch große Härten und gute elektrische Leitfähigkeiten aus.

Die US 1 ,658,186 beschreibt eine Kupfer-Nickel-Siliziumlegierung, wobei ausführlich die als Hartteilchen wirkenden Suizide diskutiert werden. Verschiedene Wärmebehandlungsverfahren zur Einstellung der Härte werden angegeben.

Eine weitere Kupfer-Nickel-Siliziumlegierung findet sich in US 2,241,815, wobei der Nickelanteil bei 0,5 - 5% und der Siliziumanteil bei 0,1 - 2% liegt.

Die US 2,185,958 beschreibt Legierungen aus 1% Nickel, 3,5% Silizium und Rest Kupfer sowie aus 1 ,5% Silizium und 1% Nickel sowie Rest Kupfer.

Aus der DE 36 42 825 C1 ist ein Gleitlagerwerkstoff bestehend aus 4 bis 10% Nickel, 1 - 2% Aluminium, 1 - 3% Zinn und Rest Kupfer sowie übliche Verunreinigungen bekannt, der eine hohe Festigkeit und große Lebensdauer aufweisen soll. Aus diesem Gleitlagerwerkstoff werden Vollmaterialbuchsen hergestellt.

Die GB 2384007 beschreibt einen Gleitlagerverbundwerkstoff mit einem Stahlrücken, auf dem eine Sinterschicht aus einer Kupferlegierung aufgebracht ist, die eine Härte von max. 130 HV aufweist. Die Kupferlegierung weist 1 - 11 Gew.% Zinn, bis 0,2 Gew.% Phosphor, max. 10 Gew.% Nickel oder Silber, max. 25 Gew.% Blei und Wismut auf.

Gleitlagerverbundwerkstoffe bei denen eine Gleitschicht auf eine Lagermetallschicht aufgesputtert ist, sind mit Zwischenschichten aus Nickel, aus einer Nickellegierung, aus Nickel-Chrom, aus Zink oder aus einer Zinklegierung versehen, wie dies in DE 43 28 921 A1 beschrieben wird. Wenn eine Cu-Legierung als Lagerlegierung verwendet wird, und wenn eine Sn-enthaltende Legierung für die oberste Schicht verwendet wird, dann diffundiert das Sn im Verlauf der Zeit in die Cu-Legierung hinein, wodurch der Sn-Gehalt der obersten Schicht verringert wird. Zur gleichen Zeit wird eine brüchige CuSn-Verbindung an der Verbindungsoberfläche erzeugt, wodurch die Bindungsfestigkeit erniedrigt wird. Im Hinblick darauf wird die Zwischenschicht aus Ni oder einer Ni-Legierung auf der Lagerlegierung durch Aufspritzen bzw. Aufsprühen oder durch Elektroplattieren gebildet. Darauf wird dann durch Dampfabscheidung die oberste Schicht gebildet, wodurch eine stabilere Bindung erhalten werden kann.

Diffusionssperrschichten werden auch in der DE 28 53 774 erwähnt.

Die DE 195 25 330 beschreibt einen Schichtwerkstoff, bei dem unmittelbar auf einen Trägerwerkstoff ein Lagerwerkstoff aufgesputtert wird. Als Trägerwerkstoff kann ein Stahlstützmetall verwendet werden, auf das der Lagerwerkstoff ohne weitere Zwischenschicht aufgebracht werden kann. Es besteht aber auch die Möglichkeit, als Trägerwerkstoff einen kupferhaltigen, insbesondere einen Trägerwerkstoff aus einer Kupfer-Blei-Zinn-Legierung zu verwenden. Beispielsweise kann der Trägerwerkstoff aus CuPb22Sn bestehen.

Wenn der Bleianteil des Trägerwerkstoffes in der Größenordnung des Bleianteils des Lagerwerkstoffes liegt, besteht zwischen beiden Materialien kein oder nur ein geringes Konzentrationsgefälle, so dass auch keine Diffusionsvorgänge zwischen dem Lagerwerkstoff und dem Trägerwerkstoff stattfinden können. Wenn der Trägerwerkstoff eine höhere Bleikonzentration als der Lagerwerkstoff aufweist, wird die Abwanderung des Bleis an die Oberfläche des Lagerwerkstoffes zusätzlich begünstigt. Die Kupfer-Blei-Zinn-Legierung, die den Trägerwerkstoff bildet, kann auf ein Stahlstützmetall gießplattiert sein.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gleitlagerverbundwerkstoff mit aufgesputterten Gleitschichten zur Verfügung zu stellen, der hinsichtlich seiner Festigkeits- und tribologischen Eigenschaften mit den bekannten Verbundwerkstoffen vergleichbar ist, wobei unabhängig von der Zusammensetzung der Gleitschicht auf Diffusionssperrschichten verzichtet werden kann. Es ist auch Aufgabe, eine Verwendung und Herstellungsverfahren anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit einem Gleitlagerverbundwerkstoff gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Es hat sich herausgestellt, dass bei den beanspruchten Kupferlegierungen mit Nickel- und Zinnanteilen diese Komponenten

diffusionshemmend, insbesondere auf Aluminium und Zinn einwirken, so dass es fast nicht zu einer Diffusion kommt. Eine geringe Diffusion kann nie ausgeschlossen werden, es bildet sich hierbei aber nur eine extrem dünne Zwischenschicht aus, die nicht zu einer Ablösung der auf der Kupferlegierung aufgebrachten Gleitschicht führt.

Weitere Vorteile dieser Kupferlegierungen bestehen darin, dass sie sich hinsichtlich ihrer Gefüge und damit ihrer mechanischen Eigenschaften in einem weiten Bereich einstellen lassen. Es ist daher möglich, die Festigkeit und die mechanischen Eigenschaften so einzustellen, dass die Kupferlegierung die Funktion des Stahlrückens übernimmt, der damit entfallen kann. Gleichzeitig besitzen diese Kupferlegierungen trotz der erforderlichen Festigkeit hervorragende Dämpfungseigenschaften.

Die Herstellung des Gleitlagerelementes aus einem solchen Gleitlagerverbundwerkstoff wird aufgrund des Verzichts des Stahlrückens vereinfacht und somit kostengünstiger.

Als besonders vorteilhaft für den Einsatz als Gleitlager für hochbelastete Motoren hat sich bei diesen Legierungen das günstige Verhältnis aus E-Modul und einstellbarer Festigkeit erwiesen.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Kupferlegierungen in der Größenordnung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten für Aluminium liegen, so dass Gleitlagerschalen aus dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial vorzugsweise in Aluminiumgehäusen eingesetzt werden können. Bei hohen Temperaturen ist deshalb nach wie vor ein guter Presssitz gewährleistet.

Die Einstellung der Festigkeit der Kupferlegierung erfolgt vorzugsweise durch eine thermomechanische Behandlung, insbesondere durch Walzen und Glühen.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren von Bandmaterial für den Gleitlagerverbundwerkstoff sieht folgende Verfahrensschritte vor:

Herstellen von Bandmaterial aus einer Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung mit anschließender thermomechanischer Behandlung mit folgenden Schritten:

erstes Glühen des Bandmaterials bei Temperaturen größer 500 ⁰ C für mindestens 3 Stunden, mindestens ein erstes Walzen des Bandmaterials, wobei ein Umformgrad von mindestens 20 % durchgeführt wird, mindestens ein zweites Glühen bei Temperaturen größer 500°C, und mindestens ein zweites Walzen des Bandmaterials, wobei ein Umformgrad von größer 30 % durchgeführt wird.

Vorzugsweise wird das zweite Glühen kontinuierlich in einer Bandglühanlage mit einer Vorschubgeschwindigkeit des Bandes von mindestens 3 m/min, insbesondere von 3 - 5 m/min bei Temperaturen >500°C durchgeführt.

Mittels des zweiten Walzschrittes wird die Festigkeit des Bandmaterials eingestellt, wobei vorzugsweise Zugfestigkeitswerte von 550 bis 750 MPa realisiert werden.

Das Gefüge nach der thermo-mechanischen Behandlung zeichnet sich durch eine zellenförmige Matrixstruktur aus, wobei innerhalb dieser Zeilenstruktur feine, gleichmäßig verteilte intermetallische Ausscheidungen auf NiSn-Basis vorliegen.

Die genannten Zugfestigkeitswerte liegen deutlich über denen vom Stahl des Stahlverbundwerkstoffes, der sich bereits bei geringerer Belastung plastisch verformen würde, was zu einer Spielzunahme des aus dem Verbundlagerwerkstoff hergestellten Gleitlagers und zu einem Verlust der Dämpfungseigenschaften führt. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Kupferlegierungen besteht darin, dass die Streckgrenze soweit angehoben werden kann, dass bei hoher Lagerbelastung die elastischen Eigenschaften beibehalten werden können.

In der Regel ist die Dicke des Ausgangsbandmaterials sowie die Enddicke des Bandmaterials vorgegeben. Um unterschiedliche Festigkeitswerte erhalten zu können, wird daher vorzugsweise das erstmalige Walzen mit solchen Umformgraden durchgeführt, dass sich beim zweiten Walzen die gewünschten Festigkeitswerte einstellen. Dies bedeutet, dass beispielsweise zur Erreichung hoher Festigkeitswerte beim ersten Walzen nur eine geringe Dickenreduktion durchgeführt wird, während für niedrige Festigkeitswerte bereits beim ersten Walzen hohe Umformgrade erreicht werden.

Vom Bandmaterial werden zur Herstellung von Gleitlagerelementen nach dem Längsteilen des Bandes Platinen abgetrennt und die Platinen durch bekannte Umformschritte zu Gleitlagerelementen umgeformt. Der abschließende Prozess stellt das Gleitflächenbearbeiten und das Aufbringen der Gleitschicht dar.

Die Gleitschicht wird mittels eines PVD-Verfahrens, insbesondere mittels Sputtern, aufgetragen. Gegebenenfalls wird auf die Gleitschicht noch eine Einlaufschicht aufgebracht.

Durch die Gleitschicht werden die tribologischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs eingestellt.

In der Kupfer-Nickel-Zinnlegierung liegt der Anteil von Nickel bei 4 - 11 Gew.%, vorzugsweise bei 5,0 bis 10,0 Gew.%, insbesondere bei 6,0 bis 9,0 Gew.%, und der Anteil von Zinn bei 3 - 8 Gew.%, vorzugsweise bei 4,0 bis 6,0 Gew.%.

Die Kupfer-Nickel-Zinn-Legierung kann 0,02 - 1 ,5 Gew.% Aluminium, vorzugsweise 0,1 - 1 ,0 Gew.%, aufweisen.

Die Kupferlegierungen können weitere Mikrolegierungselemente aufweisen. Vorzugsweise weist die Trägerschicht 0,05 - 0,4 Gew.%, vorzugsweise 0,075 bis 0,25 Gew.%, mindestens eines Mikrolegierungselementes auf. Als Mikrolegierungselemente kommen beispielsweise Chrom, Titan, Zirkon, Zink und Magnesium einzeln oder in Kombination in Frage.

Sputter-Schichten bestehen vorzugsweise aus einer Aluminium-Zinn- Legierung, Aluminium-Zinn-Silizium-Legierung, Aluminium-Zinn-Kupfer- Legierung, einer Aluminium-Zinn-Silizium-Kupfer-Legierung oder einer Aluminium-Zinn-Nickel-Mangan-Legierung besteht.

Vorzugsweise beträgt in diesen Legierungen der Zinnanteil 8 - 40 Gew.%, der Kupferanteil 0,5 - 4,0 Gew.%, der Siliziumanteil 0,02 - 5,0 Gew.%, der Nickelanteil 0,02 - 2,0 Gew.% und der Mangananteil 0,02 - 2,5 Gew.%.

Es hat sich gezeigt, dass sich mit diesen Sputter-Schichten in Kombination mit den beanspruchten Kupferlegierungen keine Sprödphasen bilden, die zur Ablösung der Gleitschicht führen. Es kann daher auf eine Zwischenschicht verzichtet werden, wodurch erhebliche Kosteneinsparungen erzielt werden.

Die Dicke der Trägerschicht liegt vorzugsweise bei 1 ,2 - 4 mm, vorzugsweise bei 1 ,3 - 3,5 mm, insbesondere bei 1 ,4 - 3,0 mm.

Die Dicke der Gleitschicht beträgt vorzugsweise 4 - 30 μm, vorzugsweise 8 - 20 μm, insbesondere 10 - 16 μm

Die Dicke der Einlaufschicht liegt bei 0,2 — 12 μm, vorzugsweise bei 0,2 bis 6 μm, insbesondere bei 0,2 bis 3 μm.

Bevorzugte Verwendungen des Gleitlagerverbundwerkstoffes sind solche für Gleitlagerschalen.

Beispielhafte Kupferlegierungen sind:

Tabelle 1 (Angaben in Gew.%)

Ein beispielhaftes Verfahren sieht folgende Verfahrensschritte vor:

Stranggießen einer Kupferlegierung, beispielsweise Doppelstranggießen, mit einer Breite von 300 mm und einer Dicke von 10 mm zur Herstellung von Bandmaterial Beidseitiges Fräsen und anschließendes Aufwickeln des Bandmaterials.

Es folgt dann ein erster Glühschritt in einem Haubenofen bei 65O ⁰ C über 4 Stunden. Im Anschluss daran wird ein erstes Walzen mit 3 Walzschritten durchgeführt. In allen drei Walzschritten wird eine Umformung von 31 % vorgenommen, wobei im ersten Walzschritt die Dicke auf 5,5 mm, im zweiten Walzschritt auf 3,8 mm und im dritten Walzschritt auf 2,6 mm durchgeführt wird.

In einer Bandglühanlage wird anschließend das Band bei 650 ⁰ C mit einer Vorlaufgeschwindigkeit von 4m/min geglüht. Hieran schließt sich ein zweites Walzen mit einem Walzschritt an mit einem Umformgrad von 40 %, wobei die Dicke auf 1 ,56 mm reduziert wird. Anschließend erfolgt ein Längsteilen mit Abmessungen von 95 mm Breite x 1 ,56 mm Dicke.

Beispiele für Sputter-Schichten sind in der Tabelle 2 zusammengefasst.

Tabelle 2 (Angaben in Gew.%)

Alle genannten Gleitschichten können mit Trägerschichten aus den Kupferlegierungen kombiniert werden.

Als Einlaufschichten auf diesen Schichtkombinationen können reine Zinn- oder Indium-Schichten, sowie alle genannten Galvanik- und Kunststoffschichten eingesetzt werden, wobei die Einlaufschicht vorzugsweise weicher als die eingesetzte Gleitschicht zu wählen ist.