AT518177B1

AT518177B1 - Mehrschichtgleitlager

Info

Publication number: AT518177B1
Application number: ATA50014/2016A
Authority: AT
Inventors: Dipl Ing Zidar Jakob
Original assignee: Miba Gleitlager Austria Gmbh
Priority date: 2016-01-13
Filing date: 2016-01-13
Publication date: 2017-08-15
Also published as: WO2017120631A1; AT518177A4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mehrschichtgleitlager (1) umfassend eine Stützschicht (2) und eine Gleitschicht (3), wobei die Gleitschicht (3) aus einer Kupferbasislegierung mit Kupfer als Hauptbestandteil, das zumindest teilweise eine Kupferphase bildet, besteht, die neben Kupfer zumindest ein Element aus einer ersten Elementgruppe bestehend aus Zinn, Germanium und Silizium in einem Summenanteil von 1 At.-% bis 5 At.-%, zumindest ein Element aus einer zweiten Elementgruppe bestehend aus Zink, Antimon, Indium, Aluminium und Gallium in einem Summenanteil von 2 At.-% bis 8 At.-%, sowie Blei und Bismut enthält, wobei der Anteil an Blei zwischen 2 Masse-% bis 8 Masse-% beträgt, und der Rest durch Kupfer gebildet ist. Das Massenverhältnis von Bismut zu Blei beträgt zwischen 1:10 und 1:800 wobei der Mindestanteil an Bismut 0,01 Masse-% beträgt.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Mehrschichtgleitlager umfassend eine Stützschicht und eine Gleitschicht, wobei die Gleitschicht aus einer Kupferbasislegierung mit Kupfer als Hauptbestandteil, das zumindest teilweise eine Kupferphase bildet, besteht, die neben Kupfer zumindest ein Element aus einer ersten Elementgruppe bestehend aus Zinn, Germanium und Silizium in einem Summenanteil von 1 At.-% bis 5 At.-%, zumindest ein Element aus einer zweiten Elementgruppe bestehend aus Zink, Antimon, Indium, Aluminium und Gallium in einem Summenanteil von 2 At.- % bis 8 At.-%, sowie Blei und Bismut enthält, wobei der Anteil an Blei zwischen 2 Masse-% bis 6 Masse-% beträgt, und der Rest durch Kupfer gebildet ist.

[0002] Weiter betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Kupferbasislegierung.

[0003] Bleibronzen, wie beispielsweise CuPb22Sn2, haben sich in der Vergangenheit als Gleitlagerwerkstoffe bewährt. Durch den hohen Bleianteil sind diese Legierungen jedoch als umweltschädlich eingestuft und daher in den meisten Anwendungen nicht mehr zugelassen. Aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften sind diese hochbleihaltigen Legierungen in einigen wenigen Einsatzgebieten der Motorentechnik noch zugelassen, beispielsweise in Hochleistungs-Dieselmotoren. Aus umwelttechnischen Gesichtspunkten wäre es aber wünschenswert, wenn auch in diesen Anwendungen Legierungen zum Einsatz kommen, die einen geringen Bleianteil aufweisen, ohne dabei aber Einbußen im Eigenschaftsspektrum für Gleitlageranwendungen zu erzeugen.

[0004] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bleihaltige Legierung für Hochleistungs-Dieselmotoren zur Verfügung zu stellen, die einen geringen Bleianteil aufweist, wobei jedoch die bekannten vorteilhaften Eigenschaften von Legierungen mit höheren Bleigehalten nicht verloren gehen sollen.

[0005] Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass unter dem Begriff „Hochleistungs-Dieselmotor“ einerseits ein schnelllaufender Dieselmotor mit einem Drehzahlbereich von größer 1.200 Um-drehungen/Minute und andererseits Großdieselmotoren mit einem Drehzahlbereich zwischen 300 Umdrehungen/Minute und 1.200 Umdrehungen/Minute verstanden wird. In beiden Fällen stellt eine Befeuerung mit Gas besondere Anforderungen an den Schmierstoff und damit an die Korrosionsfestigkeit, speziell gegenüber Bleiangriff. Bei Verwendung von flüssigen Kraftstoffen sind Motorenöle im Einsatz, die zum Teil eine erhebliche Verlängerung der Ölwechselintervalle ermöglichen. Die dazu eingesetzten Additive, z.B. spezielle, proprietäre Derivate von Zinkdithi-ophosphat (ZdDP), können bei der Betriebstemperatur mit Kupfer reagieren und dort zu Korrosion durch Sulfidbildung führen.

[0006] Die Aufgabe der Erfindung wird mit dem eingangs genannten Mehrschichtgleitlager gelöst, bei dem das Massenverhältnis von Bismut zu Blei zwischen 1:10 und 1:800 und der Mindestanteil an Bismut 0,01 Masse-% beträgt.

[0007] Weiter wird die Aufgabe der Erfindung durch die Verwendung einer in den Ansprüchen definierten bleihaltigen Kupferbasislegierung in einem Mehrschichtgleitlager gelöst.

[0008] Von Vorteil ist dabei, dass durch die Zugabe von Bismut im genannten Mindestanteil und im genannten Mengenverhältnis zu Blei bei der Erstarrung der Legierung durch die dabei auftretende Volumenzunahme des Bismuts in der Kupferbasislegierung kontrolliert Druckspannungen aufgebaut werden können. Außerdem kann durch die Volumenzunahme die Bildung von Poren im Zuge der Erstarrung reduziert oder ganz vermieden werden. Dies ermöglicht es den Bleianteil zu reduzieren, wodurch der Vorteil einer geringeren Bleikorrosion erreicht wird. Zudem erhöht die Bismutzugabe an sich ebenfalls die Korrosionsfestigkeit der in der Legierung vorliegenden Bleiphase.

[0009] Bei einem Anteil von weniger als 0,01 Masse-% Bismut konnte dieses Verhalten zwar beobachtet werden, allerdings in einem für die Anwendung in einem Gleitlager nicht ausreichendem Ausmaß.

[0010] Wenn das Masseverhältnis von Bismut zu Blei von kleiner 1:10 ist, besteht ein erhöhtes Risiko, dass sich zumindest lokal eine eutektische Zusammensetzung bildet, deren Schmelzpunkt bei 125°C liegt. Ein lokales Schmelzen würde zu einem extremen Festigkeitsverlust und zum Austritt der Schmelze führen. Eine Temperatur von 125°C kann schon beim normalen Betrieb des Gleitlagers auftreten.

[0011] Ist hingegen das Masseverhältnis größer als 1:800 wird der Bleianteil wieder zu groß bzw. der Bismutanteil entsprechend zu klein, um voranstehende Effekte in ausreichendem Ausmaß zu zeigen.

[0012] Nach einer Ausführungsvariante des Mehrschichtgleitlagers kann vorgesehen sein, dass die Kupferphase Körner aufweist, wobei die Kupferphase pro Korn durchschnittlich zwischen 0,1 und 2 Zwillingskristalle aufweist. Es kann damit eine Erhöhung der Festigkeit bei nur geringfügiger Verschlechterung der Duktilität erreicht werden. Durch die gezielte Einstellung von Erstarrungs-, Verformungs- und Rekristallisationszwillingen kann das Aufhärtungsverhalten der Gleitschicht beeinflusst werden. Darüber hinaus kann damit die Bearbeitbarkeit sowie die Festigkeit der Gleitschicht im Betrieb beeinflusst werden.

[0013] Es von Vorteil, wenn die bleireiche Phase in diskreten Bereichen ohne die Ausbildung eines zusammenhängenden Netzwerks vorliegt. Es kann damit die Bleikorrosion weiter verringert bzw. einfacher vermieden werden, da das Blei kein zusammenhängendes Bleinetzwerk im Gefüge der Legierung ausbildet. Durch die Vermeidung eines zusammenhängenden Bleinetzwerks kann auch die Verarbeitung dieser Legierung verbessert werden, da sich das Blei beim Abwalzen nicht „entleert“.

[0014] Nach einer anderen Ausführungsvariante des Mehrschichtgleitlagers kann vorgesehen sein, dass die Kupferphase zu 75 Masse-% bis 95 Masse-% als Alpha-Mischkristall und zu 25 Masse-% bis 5 Masse-% als intermetallische Phase vorliegt. Es kann damit die Bearbeitbarkeit der Gleitschicht verbessert werden, wodurch der Bleigehalt der Kupferbasislegierung - Blei verbessert ebenfalls die Bearbeitbarkeit der Gleitschicht - weiter reduziert werden kann. Zudem können durch einen geringen Gehalt an einer feindispersen intermetallischen Phase die tribolo-gischen Eigenschaften des Materials verbessert werden.

[0015] Die Kupferbasislegierung kann neben Kupfer, Bismut und Blei jeweils nur ein Element aus der ersten und der zweiten Elementgruppe enthalten. Es kann damit das gewünschte Gefüge besser eingestellt werden.

[0016] Bevorzugt sind das in der Kupferbasislegierung enthaltene Element der ersten Elementgruppe Silizium und das in der Kupferbasislegierung enthaltene Element der zweiten Elementgruppe Aluminium. Durch Silizium kann einerseits die Festigkeit der Kupferbasislegierung stark erhöht werden, andererseits wirkt es aber auch in Hinblick auf die Bildung von intermetallischen Phasen begünstigend. Aluminium hat ebenfalls eine stark festigkeitssteigernde Wirkung, verbunden mit einer hohen Korrosionsschutzwirkung. Diese Legierungen eignen sich insbesondere für höchstbelastete Anwendungen, die eine außergewöhnliche Festigkeit des Materials erfordern und Anwendungen in der Kolbenbolzenbuchse mit vergleichsweise geringen Gleitgeschwindigkeiten.

[0017] Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsvariante sind das in der Kupferbasislegierung enthaltene Element der ersten Elementgruppe Zinn und das in der Kupferbasislegierung enthaltene Element der zweiten Elementgruppe Zink. Durch Zinn kann einerseits die Festigkeit der Kupferbasislegierung verbessert werden, andererseits wirkt es aber auch in Hinblick auf die Bildung der intermetallischen Phase begünstigend, sodass die Bearbeitbarkeit der Kupferbasislegierung verbessert werden kann. Durch Zink wiederum kann die Korrosionsfestigkeit gegenüber Schwefel (aus dem Schmiermittel) der Kupferbasislegierung verbessert werden, wobei Zink auch zur Erhöhung von deren Festigkeit bei gleichzeitigem Erhalt der Duktilität beiträgt.

[0018] Nach einer weiteren Ausführungsvariante des Mehrschichtgleitlagers dazu kann vorgesehen sein, dass sich die Massenanteile des in der Kupferbasislegierung enthaltenen Elements der ersten Elementgruppe und des in der Kupferbasislegierung enthaltenen Elements der zwei- ten Elementgruppe um weniger als einen Faktor 2 unterscheiden. Diese Elemente sind also in ähnlichen Massenanteilen enthalten. Es kann damit eine verbesserte Kombination hinsichtlich der Festigkeit und Härte mit Gleiteigenschaften und guter Spanbarkeit erreicht werden. Sofern die beiden Elemente Zinn und Zink sind, kann damit der Entzinkungsproblematik wirksam vorgebeugt werden.

[0019] Es ist weiter möglich, dass ein Teil des Kupferanteils durch Silber in einem Anteil von 0,3 Masse-% bis 3 Masse-% und/oder das ein Teil des Kupferanteils durch zumindest ein Element aus einer dritten Elementgruppe bestehend aus Phosphor, Seltene Erden, Natrium, Lithium, Calcium und Magnesium in einem Summenanteil von 0,005 At.-% bis 0,2 At.-% ersetzt ist. Durch Silber kann eine weitere tribologisch wirksame Phase in die Legierung eingebracht werden. Die weiteren Elemente können zur Desoxidation und Einstellung der Schmelzviskosität der Schmelze zugesetzt werden, wodurch die Gießbarkeit und insbesondere die Bildung von Fehlstellen im Guss deutlich reduziert werden kann. Durch Phosphor kann zudem eine vorhandene Gammaphase homogener in der Legierung verteilt werden. Bei einem Anteil von zumindest einem dieser Elemente weniger als 0,005 At.-% wurde keine ausreichende Verbesserung der Kupferbasislegierung in Hinblick auf deren Verwendung als Gleitschichtlegierung beobachtet. Andererseits bringt eine über 0,2 At.-% hinausgehende Erhöhung von deren Anteil an der Kupferbasislegierung keine proportional steigende Verbesserung der Legierungseigenschaften, sodass eine weitere Erhöhung dieses Anteils auch aus ökonomischen Gründen nicht sinnvoll ist.

[0020] Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figur näher erläutert.

[0021] Es zeigt in vereinfachter, schematischer Darstellung: [0022] Fig. 1 ein Mehrschichtgleitlager in Seitenansicht.

[0023] Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.

[0024] Fig. 1 zeigt ein Mehrschichtgleitlager 1 in Form einer Gleitlagerhalbschale. Dargestellt ist eine zweischichtige Variante des Mehrschichtgleitlagers 1, bestehend aus einer Stützschicht 2 und einer Gleitschicht 3, die auf einer Vorderseite 4 (radial innere Seite) des Mehrschichtgleitlagers 1, die einem zu lagernden Bauteil zuwendbar ist, angeordnet ist.

[0025] Gegebenenfalls kann eine Lagermetallschicht 5 zwischen der Gleitschicht 3 und der Stützschicht 2 angeordnet sein, wie dies in Fig. 1 strichliert angedeutet ist.

[0026] Der prinzipielle Aufbau derartiger Mehrschichtgleitlager 1, wie sie z.B. in Verbrennungskraftmaschinen Verwendung finden, ist aus dem Stand der Technik bekannt, sodass sich weitere Ausführungen hierzu erübrigen. Es sei jedoch erwähnt, dass weitere Schichten angeordnet werden können, also beispielsweise zwischen der Gleitschicht 4 und der Lagermetallschicht 5 eine Haftvermittlerschicht und/oder eine Diffusionssperrschicht, ebenso kann zwischen der Lagermetallschicht 3 und der Stützschicht 2 eine Haftmittelschicht angeordnet werden.

[0027] Im Rahmen der Erfindung kann das Mehrschichtgleitlager 1 auch anders ausgeführt sein, beispielsweise als Lagerbüchse, wie dies in Fig. 1 strichliert angedeutet ist. Ebenso sind Ausführungen wie Anlaufringe, axial laufende Gleitschuhe, oder dergleichen möglich.

[0028] Die Stützschicht 2 besteht bevorzugt aus Stahl, kann aber auch aus einem anderen Werkstoff, der dem Mehrschichtgleitlager 1 die erforderliche Strukturfestigkeit verleiht, bestehen. Derartige Werkstoffe sind aus dem Stand der Technik bekannt.

[0029] Für die Lagermetallschicht 5 sowie die Zwischenschichten können die aus dem ein- schlägigen Stand der Technik bekannten Legierungen bzw. Werkstoffe verwendet werden, und sei diesbezüglich darauf verwiesen.

[0030] Die Gleitschicht 3 besteht aus einer Kupferbasislegierung mit Kupfer als Hauptbestandteil, d.h. dass Kupfer den Bestandteil mit dem größten Massenanteil an der Kupferbasislegierung bildet.

[0031] Wenn im Folgenden Legierungszusammensetzungen angegeben sind, sind diese -sofern nichts anderes angegeben ist - so zu verstehen, dass Kupfer jeweils den Rest der angegebenen Zusammensetzungen bildet.

[0032] Zahlenangaben zur Zusammensetzung der Kupferbasislegierung beziehen sich immer auf die gesamte Legierung.

[0033] Weiter sind die Angaben zu den Legierungszusammensetzungen so zu verstehen, dass diese übliche Verunreinigungen, wie sie in großtechnisch eingesetzten Rohstoffen auftreten, mitumfassen. Es besteht aber im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass Rein- bzw. Reinstmetalle eingesetzt werden.

[0034] Die Kupferbasislegierung enthält neben Kupfer zumindest ein Element aus einer ersten Elementgruppe, zumindest ein Element aus einer zweiten Elementgruppe sowie Bismut und Blei.

[0035] Die erste Elementgruppe umfasst die Elemente Zinn, Germanium und Silizium bzw. besteht aus diesen Elementen. Diese Elemente erhöhen die Festigkeit der Kupferbasislegierung.

[0036] Silizium kann darüber hinaus die mechanische, insbesondere spanende, Bearbeitbarkeit der Kupferbasislegierung verbessern.

[0037] Ebenso kann Zinn die mechanische, insbesondere spanende, Bearbeitbarkeit der Kupferbasislegierung verbessern, wobei Zinn auch eine Verbesserung der Korrosionsresistenz der Kupferbasislegierung bewirkt, insbesondere durch Vermeidung der Entzinkung, falls Zink in der Kupferbasislegierung vorhanden ist.

[0038] Der Anteil des zumindest einen Elementes aus der ersten Elementgruppe an der Kupferbasislegierung beträgt zwischen 1 At.-% bis 5 At.-%, insbesondere zwischen 1,5 At.-% und 4,2 At.-%. Dieser Zahlenangaben zum Anteil gelten sowohl für jedes dieser Elemente an sich, wenn die Kupferbasislegierung nur eines dieser Elemente enthält, als auch für den Summenanteil dieser Elemente, sodass also bei Vorhandensein von mehr als einem Element aus dieser Elementgruppe in der Kupferbasislegierung deren Anteil in Summe nicht weniger als 1 At.-% und nicht mehr als 5 At.-% beträgt. Sofern sich die untere Grenze von 1 At.-% auf den Summenanteil von mehr als einem dieser Elemente bezieht, kann ein einzelnes Element dieser Elementgruppe also auch einen Anteil an der Kupferbasislegierung aufweisen, der kleiner als 1 At.-% ist.

[0039] Durch die Beschränkung des Anteils des zumindest einen Elements aus der ersten Elementgruppe auf maximal 5 At.-% wird erreicht, dass dieses Element bzw. diese Elemente vorwiegend in der Kupferphase gelöst sind. Im oberen Bereich der Anteile dieses ersten Elementes ist die Bildung von intermetallischen Phasen möglich, so dass eine Verbesserung der Spanbarkeit und eine Verbesserung der tribologischen Eigenschaften erzielt werden kann.

[0040] Die Kupferbasislegierung kann also neben Blei und Bismut auch Zinn oder Germanium oder Silizium oder Zinn und Germanium oder Zinn und Silizium oder Germanium und Silizium oder Zinn und Germanium und Silizium enthalten.

[0041] Die zweite Elementgruppe umfasst die Elemente Zink, Antimon, Indium, Aluminium und Gallium bzw. besteht aus diesen Elementen. Diese Elemente wirken in der Kupferbasislegierung ebenfalls festigkeitssteigernd, erhöhen zudem auch die Korrosionsfestigkeit gegenüber Schwefel bzw. schwefelhaltigen Additiven in Schmiermitteln, insbesondere Schmierölen. Weiter wirken diese Elemente desoxidierend und bewirken eine geringere Aufhärtung der Kupferba- sislegierung beim Abwalzen auf die gewünschte Schichtdicke.

[0042] Der Anteil des zumindest einen Elementes aus der zweiten Elementgruppe an der Kupferbasislegierung beträgt zwischen 2 At.-% bis 8 At.-%, insbesondere zwischen 3,2 At.-% und 6,7 At.-%. Dieser Zahlenangaben zum Anteil gelten sowohl für jedes dieser Elemente an sich, wenn die Kupferbasislegierung nur eines dieser Elemente enthält, als auch für den Summenanteil dieser Elemente, sodass also bei Vorhandensein von mehr als einem Element aus dieser Elementgruppe in der Kupferbasislegierung deren Anteil in Summe nicht weniger als 2 At.-% und nicht mehr als 8 At.-% beträgt. Sofern sich die untere Grenze von 2 At.-% auf den Summenanteil von mehr als einem dieser Elemente bezieht, kann ein einzelnes Element dieser Elementgruppe also auch einen Anteil an der Kupferbasislegierung aufweisen, der kleiner als 2 At.-% ist.

[0043] Die Kupferbasislegierung kann also neben Blei und Bismut und zumindest einem ersten Element der ersten Elementgruppe, insbesondere einer der voranstehend angegebenen Möglichkeiten zur Zusammensetzung der Kupferbasislegierung bezgl. der ersten Elementgruppe, auch Zink und/oder Antimon und/oder Indium und/oder Aluminium und/oder Gallium enthalten.

[0044] Durch Zink wird die Korrosionsbeständigkeit der Kupferbasislegierung verbessert. Durch Zink wird zudem die Kaltumformbarkeit der Kupferbasislegierung verbessert. Antimon und Indium verbessern die Anpassungsfähigkeit und/oder die Korrosionsfestigkeit der Kupferbasislegierung. Durch Aluminium und Gallium wird weiter die Neigung der Kupferbasislegierung zu verschweißen vermindert.

[0045] Blei ist in einem Anteil von 2 Masse-% bis 8 Masse-%, insbesondere von 2,5 Masse-% bis 6 Masse-%, in der Kupferbasislegierung enthalten. Durch die Beschränkung des Bleianteils auf einen Maximalanteil von 8 Masse-% wird vermieden, dass Blei in der Kupferbasislegierung ein zusammenhängendes Netzwerk ausbildet.

[0046] Blei liegt also in der Kupferbasislegierung in Form von in der Kupferphase dispergierten, nicht zusammenhängenden Partikeln vor. Blei hat die aus dem Stand der Technik für derartige Gleitschichtlegierungen bekannten Wirkungen.

[0047] Durch den Bismutanteil an der Kupferbasislegierung kann die Korrosionsfestigkeit der in der Kupferbasislegierung enthaltenen Bleiphase verbessert werden. Bismut ist in einem Anteil von zumindest 0,01 Masse-% insbesondere zumindest 0,05 Masse-%, enthalten.

[0048] Weiter ist vorgesehen, dass das Massenverhältnis von Bismut zu Blei zwischen 1:10 und 1:800, insbesondere zwischen 1:50 und 1:500, vorzugsweise zwischen 1: 100 und 1:250, beträgt. Es wird damit u.a. das Erstarrungs-, Verformungs- und Rekristallisationsverhalten der Kupferbasislegierung beeinflusst.

[0049] Die Kupferbasislegierung kann mit aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren hergestellt werden, insbesondere durch schmelzmetallurgische, sintertechnische oder galvanische Verfahren. Da diese Verfahren bekannt sind, sie zu Einzelheiten dazu auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.

[0050] Die Kupferphase wird durch Körner gebildet. Nach einer bevorzugten Ausführungsvariante des Mehrschichtgleitlagers 1 ist vorgesehen, dass die Kupferphase pro Korn durchschnittlich zwischen 0,1 und 2 Zwillingskristalle aufweist. Erreicht wird dies beispielsweise durch die Erhöhung des Zinkanteils. Die Zwillungsbildung kann aber zum Beispiel auch eine nachträgliche Verformung, beispielsweise durch Walzen, und anschließende Rekristallisation bei erhöhter Temperatur erreicht werden. Beispielsweise kann das Walzen mit einem Stich zwischen 5 % und 20 % und die Rekristallisation bei einer Temperatur zwischen 300 °C und 400 °C für eine Zeitspanne zwischen 1 Stunden und 5 Stunden erfolgen.

[0051] Durch die Einstellung bestimmter Mengenanteile einzelner Legierungsbestandteile innerhalb der voranstehend angegebenen Grenzen kann erreicht werden, dass die Kupferphase zu 75 Masse-% bis 95 Masse-% als Alpha-Mischkristall und zu 25 Masse-% - 5 Masse-% als intermetallische Phase vorliegt.

[0052] Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsvariante des Mehrschichtgleitlagers 1 enthält die Kupferbasislegierung neben Kupfer, Bismut und Blei jeweils nur ein Element aus der ersten und der zweiten Elementgruppe, wobei besonders bevorzugt ist, wenn das in der Kupferbasislegierung enthaltene Element der ersten Elementgruppe Zinn und das in der Kupferbasislegierung enthaltene Element der zweiten Elementgruppe Zink sind. Dabei kann weiter vorgesehen werden, dass das in der Kupferbasislegierung enthaltene Element der ersten Elementgruppe und das in der Kupferbasislegierung enthaltene Element der zweiten Elementgruppe in gleichen Mengenanteilen enthalten sind.

[0053] Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Mehrschichtgleitlagers sind das in der Kupferbasislegierung enthaltene Element der ersten Elementgruppe Silizium und das in der Kupferbasislegierung enthaltene Element der zweiten Elementgruppe Aluminium.

[0054] Zur weiteren Verbesserung der Eignung der Kupferbasislegierung zur Herstellung der Gleitschicht 3 des Mehrschichtgleitlagers 1 kann ein Teil des Kupferanteils durch zumindest ein Element aus einer dritten Elementgruppe umfassend oder bestehend aus Phosphor, Seltene Erden (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu), Natrium, Lithium, Calcium und Magnesium ersetzt sein. Diese Elemente werden vor allem zur Desoxidation und zur Einstellung der Schmelzviskosität der Schmelze zugesetzt. Aus diesem Grund werden die Anteile dieser Elemente an der Kupferbasislegierung sehr niedrig gewählt, um die Entstehung von harten, spröden Verbindungen, wie z.B. Cu3P zu vermeiden, die die mechanische Bearbeitbarkeit der Kupferbasislegierung negative beeinflussen können.

[0055] Mit Lanthan bildet Kupfer ebenfalls intermetallisch Phasen. Überraschenderweise weisen diese aber für intermetallische Phasen eine relativ hohe Duktilität auf, die sich positiv auf die tribologischen Eigenschaften der Kupferbasislegierung auswirkt.

[0056] Der Summenanteil an diesen Elementen an der Kupferbasislegierung daher ausgewählt aus einem Bereich von 0,005 At.-% bis 0,2 At.-%, insbesondere aus einem Bereich von 0,005 At.-% bis 0,1 At.-%.

[0057] Neben den genannten Wirkungen können einige dieser Elemente, insbesondere die Seltenen Erden, eine Kornfeinung bewirken.

[0058] Weiter kann es von Vorteil sein, wenn die Legierung Silber im Ausmaß von 0,3 Masse-% - 3 Masse-%% enthält, da dieses neben der Bleiphase als zweite tribologische Weichphase wirken kann. Der Effekt ist unter 0,3 Masse-% zu schwach und über 3 Masse-% ist ein erhöhtes Korrosionsrisiko durch Schwefelangriff gegeben und die Edelmetallkosten erreichen eine ökonomisch nicht mehr vertretbare Höhe.

[0059] Weiter kann die Zugabe oder ein unbeabsichtigt hoher Nickel- oder Mangangehalt nachteilig wirken, da durch Bildung von intermetallischen Phasen Bismut abgebunden wird und so nicht mehr positiv in der Bleimatrix wirken kann. Der Effekt beginnt bei 0,1 Masse-% Nickel und Mangan aufzutreten und kann bis 3 Masse-% Nickel und Mangan durch höhere Bismutzugaben innerhalb der angegebenen Grenzen ausgeglichen werden.

[0060] Ein unbeabsichtigt hoher Gehalt an Nickel kann beispielsweise durch eine Nickelbindeschicht, die in direktem Kontakt mit der Gleitschicht 3 steht, aufgrund von Diffusion entstehen.

[0061] Die Zugabe von Nickel und/oder Mangan kann aber die Korrosionsbeständigkeit der Kupferbasislegierung verbessern.

[0062] Zur Evaluierung der Eignung der Kupferbasislegierung für die Verwendung als Gleitschicht in dem Mehrschichtgleitlager 1 wurden folgende Zusammensetzungen getestet. Mit Ausnahme von Blei, Bismut und Silber, deren Anteil in Masse-% angegeben ist, beziehen sich die Zahlenwerte in Tabelle 1 auf At.-%. Den Rest bildet jeweils Kupfer. Hergestellt wurden jeweils Zweischichtgleitlager, umfassend ein Stahlstützschicht auf der die Gleitschicht 3 aus der Kupferbasislegierung galvanisch abgeschieden wurde.

[0063] Die Abkürzung SE in Tabelle 1 steht für Seltene Erden. In der vorletzten Spalte ist dazu das jeweils eingesetzte Element konkretisiert.

[0064] Die Abkürzung BW in der letzten Spalte steht für „Bewertung“ [0065] Tabelle 1: Zusammensetzungen von Gleitschichten 3

[0075] Die Bewertung der Ausführungsbeispiele laut Tabelle 1 erfolgte unter Berücksichtigung folgender Parameter: [0076] Härte (Festigkeit, Dauerfestigkeit): HV 1; [0077] Tribologie: Fressneigung-Prüfstandtest (Fressgrenzlast und Fressgeschwindigkeit 1-10); [0078] Korrosion: Prüfung auf zusammenhängendes Bleinetzwerk.

[0079] Das zusammenhängende Bleigefüge wurde über eine elektrochemische Messung nachgewiesen. Zu diesem Zweck wurden die Proben des Materials bis auf eine definierte Fläche mit einem isolierenden Lack beschichtet und anschließend in einen Elektrolyten getaucht. Als Elektrolyt wurde eine 15%-ige Tetrafluoroborsäure verwendet. Es wurde ein Strom von 0,1-1 A/dm2 angelegt, wobei das jeweilige Mehrschichtgleitlager 1 als Anode geschaltet wurde. Die Kathode wurde parallel zur Probe ausgerichtet und bestand aus Edelstahl. Bestimmt wurde der Potentialanstieg in Abhängigkeit von der Zeit. Bei einer bleifreien Probe steigt dabei das Potential sehr rasch an. Eine bleihältige Probe verursacht einen relativ raschen Anstieg des Potentials, wenn kein zusammenhängendes Beilnetzwerk ausgebildet ist, und einen sehr langsamen Anstieg bei einem zusammenhängenden Bleinetzwerk.

[0080] Korrosionstest Schwefel: Es wurde die Dunkelfärbung der Ausführungsbeispiele des Mehrschichtgleitlagers 1 durch Tauchen in eine verdünnte Lösung von Schwefelleber (Kalium-polysufid; Stoffgemisch aus Kaliumsulfid, Kaliumpolysulfiden, Kaliumthiosulfat und Kaliumsulfat, erhältlich durch Zusammenschmelzen von Kaliumcarbonat und Schwefel unter Luftabschluss bei 250 °C) in Abhängigkeit von der Zeit bestimmt.

[0081] Generell wurden für die einzelnen Kriterien Kennziffern zwischen 1 und 10 vergeben, wobei 1 für sehr gut und 10 für sehr schlecht steht.

[0082] In Tabelle 1 ist in der letzten Spalte jeweils eine Kennzahl angegeben, die aus diesen Parametern gebildet wurde, und aus der die Verwendbarkeit der jeweiligen Kupferbasislegierung für Mehrschichtgleitlager 1 ersichtlich ist.

[0083] Zum Vergleich der Ausführungsbeispiele wurden folgende Vergleichsbeispiele verwendet. Die Angabe zur Zusammensetzung beziehen sich auf Masse-%.

[0084] CuPb20Sn2-Bandguss: Härte: 45- 100 HV 1,

Tribologie: sehr gut,

Zusammenhängendes Bleinetzwerk „sehr schlecht"

Gesamtnote: 7 [0085] CuSn10Pb10-gesintert: Härte: 70 - 130 HV 1,

Tribologie: mittel-gut,

Zusammenhängendes Bleinetzwerk: mittel-gut Gesamtnote: 8 [0086] CuSn10Pb10-Schleuderguss: Härte: ca. 100 HV1,

Tribologie: mittel-gut,

Kein zusammenhängendes Bleinetzwerk: sehr gut Gesamtnote: 7 [0087] CuSn5Zn1: Härte: 130 HV 1,

Tribologie: eher schlecht,

Kein zusammenhängendes Bleinetzwerk: sehr gut

Gesamtnote: 5 [0088] CuAI8: Härte: 150 HV 1,

Tribologie: mittel,

Kein zusammenhängendes Bleinetzwerk: sehr gut Gesamtnote: 3 [0089] Von den Proben 107 bis 121 wurden stellvertretend für alle anderen Ausführungsvarianten des Mehrschichtgleitlagers 1 nach dem Aufbringen bzw. Abscheiden der Gleitschicht 3 auf die bzw. der Stützschicht 2 einer Wärmebehandlung zur Rekristallisation unterzogen. Es hat sich dabei heraus gestellt, dass in der Eignung der Legierungen praktisch keine Verschlechterung auftritt, wenn pro Korn nur maximal zwischen 0,1 und 2 Zwillingskristalle durch die Rekristallisation entstehen.

[0090] Die Ausführungsbeispiele zeigen bzw. beschreiben mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind.

[0091] Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Mehrschichtgleitlagers 1 dieses teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurde.

BEZUGSZEICHENLISTE 1 Mehrschichtgleitlager 2 Stützschicht 3 Gleitschicht 4 Vorderseite 5 Lagermetallschicht

Claims

Patentansprüche

1. Mehrschichtgleitlager (1) umfassend eine Stützschicht (2) und eine Gleitschicht (3), wobei die Gleitschicht (3) aus einer Kupferbasislegierung mit Kupfer als Hauptbestandteil, das zumindest teilweise eine Kupferphase bildet, besteht, die neben Kupfer zumindest ein Element aus einer ersten Elementgruppe bestehend aus Zinn, Germanium und Silizium in einem Summenanteil von 1 At.-% bis 5 At.-%, zumindest ein Element aus einer zweiten Elementgruppe bestehend aus Zink, Antimon, Indium, Aluminium und Gallium in einem Summenanteil von 2 At.- % bis 8 At.-%, sowie Blei und Bismut enthält, wobei der Anteil an Blei zwischen 2 Masse-% bis 8 Masse-% beträgt, und der Rest durch Kupfer gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Massenverhältnis von Bismut zu Blei zwischen 1:10 und 1:800 beträgt, wobei Bismut jedenfalls in einem Mindestanteil von 0,01 Masse-% enthalten ist.
2. Mehrschichtgleitlager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferphase Körner aufweist, wobei die Kupferphase pro Korn durchschnittlich zwischen 0,1 und 2 Zwillingskristalle aufweist.
3. Mehrschichtgleitlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bleireiche Phase in diskreten Bereichen ohne die Ausbildung eines zusammenhängenden Netzwerks vorliegt.
4. Mehrschichtgleitlager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferphase zu 75 Masse-% bis 95 Masse-% als Alpha-Mischkristall vorliegt und zu 5 Masse-% bis 25 Masse-% in intermetallischen Phasen gebunden ist.
5. Mehrschichtgleitlager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferbasislegierung neben Kupfer, Bismut und Blei jeweils nur ein Element aus der ersten und der zweiten Elementgruppe enthält.
6. Mehrschichtgleitlager (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Kupferbasislegierung enthaltene Element der ersten Elementgruppe Zinn und das in der Kupferbasislegierung enthaltene Element der zweiten Elementgruppe Zink sind.
7. Mehrschichtgleitlager (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Kupferbasislegierung enthaltene Element der ersten Elementgruppe Silizium und das in der Kupferbasislegierung enthaltene Element der zweiten Elementgruppe Aluminium sind.
8. Mehrschichtgleitlager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Massenanteile des in der Kupferbasislegierung enthaltenen Elements der ersten Elementgruppe und des in der Kupferbasislegierung enthaltenen Elements der zweiten Elementgruppe um weniger als einen Faktor 2 unterscheiden.
9. Mehrschichtgleitlager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Kupferanteils durch Silber in einem Anteil von 0,3 Masse-% bis 3 Masse-% und/oder das ein Teil des Kupferanteils durch zumindest ein Element aus einer dritten Elementgruppe bestehend aus Phosphor, Seltene Erden, Natrium, Lithium, Calcium und Magnesium in einem Summenanteil von 0,005 At.-% bis 0,2 At.-% ersetzt ist.
10. Verwendung einer Kupferbasislegierung wie in den Ansprüchen 1 bis 9 definiert als Gleitschicht (3) in einem Mehrschichtgleitlager (1), das eine Stützschicht (2) und die Gleitschicht (3) aufweist.