EP3577244A1 - Mehrschichtgleitlagerelement - Google Patents

Mehrschichtgleitlagerelement

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Publication number
EP3577244A1
EP3577244A1 EP18721667.6A EP18721667A EP3577244A1 EP 3577244 A1 EP3577244 A1 EP 3577244A1 EP 18721667 A EP18721667 A EP 18721667A EP 3577244 A1 EP3577244 A1 EP 3577244A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
aluminum
layer
weight
based alloy
bearing element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP18721667.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lukas HÄDICKE
Sigmar Dominic Josef JANISCH
Alexander POSCHER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Miba Gleitlager Austria GmbH
Original Assignee
Miba Gleitlager Austria GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Miba Gleitlager Austria GmbH filed Critical Miba Gleitlager Austria GmbH
Publication of EP3577244A1 publication Critical patent/EP3577244A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • Y10T428/1275—Next to Group VIII or IB metal-base component
    • Y10T428/12757—Fe

Definitions

  • the invention relates to a multilayer sliding bearing element with a supporting layer and a layer of an aluminum-based alloy arranged thereon with aluminum as the main constituent.
  • WO 97/22725 A1 describes an aluminum alloy for a layer of a plain bearing, the main alloying element being tin and a hard material comprising at least one element of a first containing iron, manganese, nickel, chromium, cobalt, copper or platinum, magnesium, antimony Element group is added, wherein the aluminum alloy of the first element group, an amount of elements for forming intermetallic phases, eg Aluminum, is added in the boundary regions of the matrix and further at least one further element of a second manganese, antimony, chromium, tungsten, niobium, vanadium, cobalt, silver, molybdenum or zirconium-containing element group for substituting a part of at least one hard material of the first Element group is added to form approximately spherical or cube-shaped aluminides.
  • the Al-Sn Legacy may contain at least one of the following components, the amount by weight: 0.01 to 3% Mn, Mg, V, Ni, Cr, Zr and / or B, 0.2 to 5% Cu, 0, 1 to 3% Pb, 0, 1 to 3% Sb and 0.01 to 1% Ti. It can further be provided that the aluminum alloy of the intermediate bond layer in total up to 3 wt .-% of at least one of the elements Si, Cr, Ti and Contains Fe.
  • the object of the present invention is to provide a multi-layered sliding bearing element with an aluminum-based alloy in which the aluminum-based alloy has good adhesion to the backing layer and exhibits a low notch effect.
  • the object of the invention is achieved with the abovementioned multilayer sliding bearing element, in which the aluminum-based alloy contains between 0% by weight and 7% by weight of tin, between 1.1% by weight and 1.9% by weight of copper, between 0 , 4 wt .-% and 1 wt .-% manganese, between 0.05 wt .-% and 0, 18 wt .-% cobalt, between 0.05 wt .-% and 0.18 wt .-% chromium, between 0.03% by weight and 0.1% by weight of titanium, between 0.05% by weight and 0.18% by weight of zirconium and between 0% by weight and 0.4% by weight Containing silicon and the remainder to 100 wt .-% aluminum and optionally from the production of the elements form impurities, with the proviso that in any case tin or silicon is contained in the aluminum-based alloy.
  • the advantage here is that the risk of brittle fracture at the interface between the support element and the layer of the aluminum-based alloy due to formed brittle phases can be reduced by the low proportion of alloying elements present in addition to aluminum and tin in the alloy.
  • the aluminum base alloy thus has, over time, less tendency for brittle fracture (chipping) and thus better adhesion to the backing layer.
  • This effect can be further enhanced if the aluminum-based alloy contains silicon which, as a reaction inhibitor, improves the prevention of the formation of brittle phases.
  • the relative proportion of silicon on the aluminum-based alloy is not so great that it is tribologically effective, whereby the notch effect can be prevented.
  • the tribological properties of known silicon-free aluminum-based alloy can be at least approximately achieved with the aluminum-based alloy, whereby the composite fatigue strength of the multilayer plain bearing element can be improved.
  • the supporting layer consists of an iron-based alloy and that the aluminum-based alloy is directly connected to the iron-based supporting layer and consists of 5% by weight to 7% by weight tin, 1.1% by weight.
  • a concentration gradient to be formed within the layer of the aluminum-based alloy for silicon, with increasing silicon content in the direction of the support layer. It can be achieved by concentrating, at least for the most part, the effect of adding silicon on the bonding zone between the backing layer and the aluminum base alloy layer, and that the avoidance of tribological efficacy of the silicon in the aluminum base alloy can be more easily realized so that immediately adjacent to a sliding contact areas of the aluminum-based alloy can be formed free of silicon.
  • the support layer consists of an iron-based alloy and that the aluminum-based alloy is directly connected to the iron-based support layer and from 1.5 wt .-% to 1.9 wt .-% copper , 0.6% by weight to 1.0% by weight of manganese, 0.08% by weight to 0, 18 wt.% cobalt, 0.08 wt.% to 0.18 wt.% chromium, 0.03 wt.% to 0.10 wt.% titanium, 0.08 wt.
  • the layer of the aluminum-base alloy is connected to a further layer of a further aluminum-based alloy, wherein the further layer consists of the further aluminum-based alloy which is free of silicon.
  • the further layer of the further aluminum-based alloy can be better adapted to the tribological requirements of a running layer.
  • the layer of the aluminum-based alloy arranged between the support layer and the further layer of the further aluminum alloy thus has emergency running properties which counteract a sudden failure of the multilayer sliding bearing element as a result of at least partial wear of the further layer arranged above it.
  • the further aluminum-based alloy of the further layer of 5.0 wt .-% to 7.0 wt .-% tin, 1, 1
  • the aluminum-based alloy of the layer directly connected to the iron-based support layer and the further aluminum-based alloy of the further layer with respect to the elements copper, manganese, cobalt, chromium, titanium and zirconium preferably have the same relative proportion based on the respective aluminum fraction on. This results in better material compatibility of the two aluminum base alloys with one another.
  • the ratio of the proportions of titanium to cobalt is between 1: 3 and 3: 1 is.
  • the aluminum-based alloy thus has a fine-grained structure, which has only a slight tendency to recrystallise even under the conditions during use of the multilayer sliding bearing element.
  • Layer and in the other aluminum alloy of the further layer intermetallic precipitates are present. It may be provided that an average size of the intermetallic precipitates in the aluminum alloy of the layer directly connected to the iron-based support layer is smaller than an average size of the intermetallic precipitates in the further aluminum alloy of the further layer. It can be achieved by making the aluminum-based alloy of the layer bonded to the iron-based backing layer tougher. This, in turn, has a positive effect on the changeability of the multilayer sliding bearing element, since this aluminum-based alloy thus does not have a crack-triggering effect. It can also be used to reduce the notch effect of the intermetallic phases.
  • titanium is replaced by zirconium and / or scandium to a maximum of half the titanium content of the aluminum-based alloy and / or that at least one element of the group manganese, cobalt and chromium in each case a maximum of half the proportion of these elements on the Aluminum-based alloy is replaced by vanadium and / or molybdenum and / or iron.
  • the particle size distribution or the recrystallization behavior of the aluminum-based alloy can be influenced.
  • Fig. 1 shows a multi-layer sliding bearing element 1 in an oblique view.
  • the multilayer sliding bearing element 1 comprises a support layer 2 and a layer 3 arranged thereon and connected thereto.
  • the non-closed multi-layer sliding bearing element 1 in addition to the illustrated half-shell design with an angular coverage of at least approximately 180 ° and a deviating angular range coverage have, for example, at least approximately 120 ° or at least approximately 90 °, so so the Mehr harshgleitla- gerelement 1 also may be formed as a third shell or as a quarter shell, which are combined with corresponding further bearing shells in a bearing receptacle, wherein the multi-layer sliding bearing element 1 is preferably installed according to the invention in the higher loaded area of the bearing receptacle.
  • other embodiments of the multi-layer sliding bearing element 1 are also possible, for example a design as a bearing bush, as indicated by dashed lines in FIG. 1, or a planar design, for example as a starting disk.
  • the support layer 2 is usually made of a hard material.
  • materials for the support layer 2 also called support shell, bronzes, brass, etc. can be used.
  • the support layer 2 is an iron-based material, in particular of a steel.
  • Such constructive structures of multilayer sliding bearing elements 1 are known in principle from the prior art, so reference is made in this regard to the relevant prior art.
  • the layer 3 is made of aluminum-based alloy.
  • the aluminum-based alloy consists of:
  • the aluminum-based alloy contains tin or silicon.
  • tin 7% by weight of tin: At more than 7% by weight of tin, the risk of hot cracking sensitivity of the aluminum-based alloy increases. 1.9% by weight of copper: With more than 1.9% by weight of copper, the formability of the aluminum-base alloy is reduced. 0.1% by weight of titanium: With more than 0.1% by weight of titanium, corrosion problems can occur which can reduce the fatigue strength of the aluminum-based alloy. In addition, it has been observed that squeezing of the tin can be avoided as compared to known sputtering layers.
  • Titanium can also be replaced by zirconium and / or scandium up to half of the abovementioned titanium content of the aluminum-based alloy.
  • At least one element of the group manganese, cobalt and chromium to be replaced by vanadium and / or molybdenum and / or iron to the extent of not more than half of the above-mentioned proportion of these elements on the aluminum-based alloy.
  • the multilayer sliding bearing element 1 consists of the supporting layer 2 of an iron-based alloy, in particular a steel, and the layer 3 of the aluminum-based alloy arranged directly thereon and connected to the supporting layer 2.
  • the latter in this case preferably consists of 5 wt .-% to 7 wt .-% tin, 1.1 wt .-% to 1.5 wt .-% copper, 0.4 wt .-% to 0.8 wt. % Manganese, 0.05% to 0.15% cobalt, 0.05% to 0.15% chromium, 0.03% to 0.10% by weight % Titanium, 0.05% to 0.15% zirconium, 0.2% to 0.4% silicon by weight.
  • the aluminum base alloy of this embodiment may consist of 6% by weight of tin, 1.3% by weight of copper, 0.6% by weight of manganese, 0.10% by weight of cobalt, 0.10% by weight of chromium, 0.07% by weight of titanium, 0.10% by weight of zirconium, 0.3% by weight of silicon and the remainder to 100% by weight of aluminum and optionally impurities resulting from the preparation of the elements.
  • a concentration gradient is formed for silicon within the layer 3 of the aluminum-based alloy, with increasing silicon content in the direction of the support layer 2.
  • the concentration of silicon in the layer 3 can be from 0 wt. -% on the outside, ie the surface of the layer 3 facing away from the support layer 2 increases to a value of 0.3% by weight of the surface resting on the support layer 2.
  • the increase in the silicon concentration can be linear or exponential or sudden.
  • the supporting layer 2 consists of an iron-based alloy and the aluminum base alloy forming the layer 3 is directly connected to the iron-based supporting layer 2.
  • a further layer 4 is arranged, as shown by dashed lines in Fig. 1, so that therefore the layer 3 between the support layer 2 and the further layer 4 is arranged.
  • the further layer 4 is arranged directly on the layer 3 and connected thereto.
  • the layer 3 which is directly connected to the support layer 2 not the running layer of the multilayer bearing element 1, but a layer with which the, the running layer forming further layer 4 of the further aluminum-based alloy with the support layer 2 is connected becomes.
  • the aluminum base alloy of the layer 3 directly connected to the support layer 2 in this case consists of 1.5% by weight to 1.9% by weight of copper, 0.6% by weight to 1.0% by weight of manganese, 0.08 wt .-% to 0, 18 wt .-% cobalt, 0.08 wt .-% to 0, 18 wt .-% chromium, 0.03 wt .-% to 0, 10 wt .-% of titanium , 0.08 wt .-% to 0.18 wt .-% zirconium, 0.2 wt .-% to 0.4 wt .-% silicon and the balance to 100 wt .-% of aluminum and optionally from the production contaminants originating from the elements.
  • this can Layer 3 aluminum base alloy of 1.7 wt% copper, 0.8 wt% manganese, 0.13 wt% cobalt, 0.13 wt% chromium, 0.07 wt% titanium, 0, 13 wt .-% zirconium, 0.3 wt .-% silicon and the balance to 100 wt .-% of aluminum and optionally resulting from the production of the elements consist of impurities.
  • the further aluminum-based alloy of the further layer 4 is silicon-free except for admissible impurities of the metals from which the aluminum-based alloy is produced. Otherwise, it may consist of an aluminum-based alloy, as known from the prior art for running layers of plain bearings.
  • the further layer 4 preferably consists of a further aluminum-based alloy which comprises from 5.0% by weight to 7.0% by weight of tin, 1.1% by weight to 1.5% by weight of copper, 0, 4 wt .-% to 0.8 wt .-% manganese, 0.05 wt .-% to 0, 15 wt .-% cobalt, 0.05 wt .-% to 0.15 wt -% chromium, 0, 03 wt .-% to 0, 1 wt .-% titanium, 0.05 wt .-% to 0.15 wt .-% zirconium and the remainder to 100 wt .-% of aluminum and optionally from the production of the elements derived Impurities.
  • a further aluminum-based alloy which comprises from 5.0% by weight to 7.0% by weight of tin, 1.1% by weight to 1.5% by weight of copper, 0, 4 wt .-% to 0.8 wt .-% manganese, 0.05 wt
  • the further layer 4 consists of a further aluminum-based alloy which consists of 6.0% by weight of tin, 1.3% by weight of copper, 0.6% by weight of manganese, 0.10% by weight of cobalt, 0, 10% by weight of chromium, 0.07% by weight of titanium, 0 to 10% by weight of zirconium and the remainder to 100% by weight of aluminum and, if appropriate, any impurities resulting from the preparation of the elements.
  • the aluminum-based alloy of the layer 3 bonded directly to the iron-based support layer 2 and the further aluminum-based alloy of the further layer 4 are the same relative to the elements copper, manganese, cobalt, chromium, titanium and zirconium Quantity on, ie that the ratio of the proportions of these elements based on the aluminum content in the two aluminum alloys is the same.
  • intermetallic precipitates are present in each case in the aluminum-based alloy of the layer 3 directly connected to the iron-based support layer 2 and in the further aluminum-based alloy of the further layer 4, wherein an average size of the intermetallic precipitates in the aluminum-based alloy directly with the Iron-based support layer 2 connected layer 3 is smaller than a mean size of the intermetallic precipitates in the other aluminum-based alloy of the further layer. 4
  • the average size is determined as the arithmetic mean value from the micrograph of the respective aluminum-based alloy according to the line-cut method, as is known per se. For this purpose, lines with a defined distance are applied via the microscopic image. At each point where the line crosses a grain boundary, a mark is made.
  • the determination of the average size of the intermetallic precipitates can be carried out analogously to DIN EN ISO 643.
  • the intermetallic precipitates are compounds of the elements copper and / or manganese and / or cobalt and / or chromium and / or titanium and / or zirconium in each case with aluminum and / or of the elements with one another.
  • these are the intermetallic compounds AhCu, Al 6 Mn (Fe, Cr, Co).
  • the average size of 90% of the intermetallic precipitates in the layer 3 connected directly to the support layer 2 may preferably be between 1 ⁇ and 5 ⁇ .
  • the average size of 90% of the intermetallic precipitates in the further layer 4 connected directly to the layer 3 may preferably be between 0.1 ⁇ m and 4 ⁇ m.
  • the multilayer sliding bearing element 1 can be produced by conventional methods known from the prior art.
  • the layer 2 can be roll-laminated with the support layer 2.
  • the layer 3 on the support layer. 2 is infused.
  • the further layer 4 can be roll-laminated with the composite material of support layer 2 and layer 3.
  • the further layer 4 can be poured onto the layer 3.
  • a composite material of the layer 3 and the further layer 4 is produced, for example by means of roll cladding, and that subsequently this composite material is connected to the support layer 2, for example by means of roll cladding.
  • the above-mentioned concentration gradient for silicon can be prepared by the cooling conditions of the aluminum base alloy, the casting method per se, by a spraying method, etc.
  • the formation of the above-mentioned sizes of the intermetallic compounds can be achieved by rapid cooling of the aluminum-based alloy. As such, it is known to the person skilled in the art that a finer grain structure can be achieved by faster cooling, so that explanations of the cooling conditions are unnecessary.
  • the proportion of intermetallic precipitates in the layer 3 to a maximum of 5 vol .-%, in particular to between 1 vol .-% and 2 vol .-%, and / or the proportion of intermetallic precipitates in the layer 4th to a maximum of 2% by volume, in particular between 0.5% by volume and 2% by volume.
  • an enema layer to the layer 3 (in the two-layered embodiment) or to the further layer 4 (in the three-layered variant), for example a pure tin layer or a Gleitlacktik.
  • Parameters for the feeding tendency test bearing with 80.5 mm outside diameter; Speed 3000 rpm, oil SAE 10W Shell Rimula, oil inlet at 120 ° C; Counter body steel shaft, increasing load is superimposed with a dynamic load of 50 Hz.
  • the aluminum base alloys listed in Table 1 were used in the two-layered embodiment. The figures are to be understood in each case in% by weight. The rest to 100 wt .-% each forms aluminum. The test samples were prepared by roll-laminating the layer 3 onto the support layer 2.
  • multi-layer sliding bearing elements 1 produced therewith provided comparable results in terms of wear and tendency to seizure, as did multilayer sliding bearing elements according to the prior art. With regard to the alternating bending strength but better results were achieved. Test samples of the three-layer variant of the multilayer plain bearing were also produced. Again, a steel support layer 2 was used.
  • test samples were prepared by first a bimetallic strip of the layer 3 and the layer 4 was generated. This bimetallic strip was then roll-laminated to a steel backing layer and the composite was heat treated at 350 ° C.
  • reference sample 12 Steel - Al - AlSn20Si
  • Reference numeral 6 Embodiment 4, along the rolling direction
  • Reference numeral 7 Comparison pattern 11, transverse to the rolling direction
  • Reference numeral 9 Comparison pattern 12, transverse to the rolling direction
  • Reference numeral 10 Comparison pattern 12, along the rolling direction
  • Reference numeral 11 Comparison pattern 10, along the rolling direction

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mehrschichtgleitlagerelement (1) mit einer Stützschicht (2) und einer darauf angeordneten Schicht (3) aus einer Aluminiumbasislegierung mit Aluminium als Hauptbestandteil, wobei die Aluminiumbasislegierung zwischen 0 Gew.-% und 7 Gew.-% Zinn, zwischen 1, 1 Gew.-% und 1,9 Gew.-% Kupfer, zwischen 0,4 Gew.-% und 1 Gew.-% Mangan, zwischen 0,05 Gew.-% und 0, 18 Gew.-% Kobalt, zwischen 0,05 Gew.-% und 0,18 Gew.-% Chrom, zwischen 0,03 Gew.-% und 0,1 Gew.-% Titan, zwischen 0,05 Gew.-% und 0,18 Gew.-% Zirkonium und zwischen 0 Gew.-% und 0,4 Gew.-% Silizium enthält und den Rest auf 100 Gew.-% Aluminium sowie gegebenenfalls aus der Herstellung der Elemente stammende Verunreinigungen bilden, mit der Maßgabe, dass jedenfalls Zinn oder Silizium in der Aluminiumbasislegierung enthalten ist.

Description

Mehr schi chtgl eitl agerel ement
Die Erfindung betrifft ein Mehrschichtgleitlagerelement mit einer Stützschicht und einer da- rauf angeordneten Schicht aus einer Aluminiumbasislegierung mit Aluminium als Hauptbestandteil.
Der Einsatz von Aluminiumbasislegierungen in der Gleitlagertechnik ist bereits seit langem bekannt und in der einschlägigen Literatur vielfältig beschrieben worden. Beispielsweise be- schreibt die WO 97/22725 AI eine Aluminiumlegierung für eine Schicht eines Gleitlagers, der als Hauptlegierungselement Zinn und ein Hartstoff aus zumindest einem Element einer Eisen, Mangan, Nickel, Chrom, Kobalt, Kupfer bzw. Platin, Magnesium, Antimon enthaltenden ersten Elementgruppe zugesetzt ist, wobei der Aluminiumlegierung von der ersten Elementgruppe eine Menge an Elementen zur Bildung intermetallischer Phasen, z.B. Alumini- den, in den Grenzbereichen der Matrix zugesetzt ist und weiter zumindest ein weiteres Element aus einer zweiten Mangan, Antimon, Chrom, Wolfram, Niob, Vanadium, Kobalt, Silber, Molybdän oder Zirkonium enthaltenden Elementgruppe zur Substituierung eines Teils zumindest eines Hartstoffes der ersten Elementgruppe zur Bildung von annähernd kugel- bzw. würfelförmigen Aluminiden zugesetzt ist.
Aus der DE 43 32 433 AI ist ein Mehrschi chtgl eitl ager bekannt, das eine Al-Sn-Lagerlegie- rungsschicht, die eine hohe Ermüdungsbeständigkeit und eine gute Passfähigkeit gegenüber einem zugehörigen Gleitkontaktelement besitzt, eine Stahl stützplatte und eine Zwischenbindungsschicht aus einer weiteren Aluminiumlegierung aufweist, wobei die Al-Sn-Lagerlegie- rung im wesentlichen, auf das Gewicht bezogen, aus 7 bis 20% Sn und zum Rest aus AI und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen besteht und eine Härte von 50 bis 80 HV besitzt, wobei die Zwischenbindungsschicht aus der Aluminiumlegierung im wesentlichen aus mindestens einer der folgenden Komponenten, deren Menge auf das Gewicht bezogen ist: bis zu 1,7% Mn, bis zu 1,2% Cu und bis zu 1,8% Mg und zum Rest aus AI und erschmelzungsbe- dingten Verunreinigungen besteht, und wobei das Verhältnis der Härte der Zwischenbindungsschicht aus der Aluminiumlegierung zu der der Al-Sn-Lagerlegierung, ausgedrückt als Vickers-Härte (HV), 70% überschreitet und nicht mehr als 90% beträgt. Die Al-Sn- Legie- rung kann mindestens eine der folgenden Komponenten enthalten, deren Menge auf das Gewicht bezogen ist: 0,01 bis 3% Mn, Mg, V, Ni, Cr, Zr und/oder B, 0,2 bis 5% Cu, 0, 1 bis 3% Pb, 0, 1 bis 3% Sb und 0,01 bis 1% Ti. Weiter kann vorgesehen sein, dass die Aluminiumlegierung der Zwischenbindungsschicht insgesamt bis zu 3 Gew.-% von mindestens einem der Elemente Si, Cr, Ti und Fe enthält.
Wie aus der letztgenannten DE 43 32 433 AI bekannt ist, kann zur Verbesserung der Haftfestigkeit der Lagerlegierungsschicht auf der Stahl stützplatte eine Zwischenbindungsschicht verwendet werden, die ebenfalls aus einer Aluminiumlegierung besteht. Es sind auch andere Alu- miniumlegierungen für die Zwischenbindungsschicht verwendet worden, wie beispielsweise A13Sc (WO 00/06788 AI). Daneben sind im Stand der Technik noch Ausführungen beschrieben worden, bei denen die Lagerlegierungsschicht über eine Bindefolie aus Reinaluminium mit der Stahlstützschicht verbunden ist. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde ein Mehrschichtgleitlagerelement mit einer Aluminiumbasislegierung zu schaffen, bei dem die Aluminiumbasislegierung eine gute Haftung auf der Stützschicht aufweist und die eine geringe Kerbwirkung zeigt.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit dem eingangs genannten Mehrschichtgleitlagerelement gelöst, bei dem die Aluminiumbasislegierung zwischen 0 Gew.-% und 7 Gew.-% Zinn, zwischen 1,1 Gew.-% und 1,9 Gew.-% Kupfer, zwischen 0,4 Gew.-% und 1 Gew.-% Mangan, zwischen 0,05 Gew.-% und 0, 18 Gew.-% Kobalt, zwischen 0,05 Gew.-% und 0,18 Gew.-% Chrom, zwischen 0,03 Gew.-% und 0,1 Gew.-% Titan, zwischen 0,05 Gew.-% und 0,18 Gew.-% Zirkonium und zwischen 0 Gew.-% und 0,4 Gew.-% Silizium enthält und den Rest auf 100 Gew.-% Aluminium sowie gegebenenfalls aus der Herstellung der Elemente stammende Verunreinigungen bilden, mit der Maßgabe, dass jedenfalls Zinn oder Silizium in der Aluminiumbasislegierung enthalten ist.
Von Vorteil ist dabei, dass durch den geringen Anteil an den neben Aluminium und Zinn in der Legierung vorliegenden Legierungselementen die Gefahr des Sprödbruches an der Grenzfläche zwischen dem Stützelement und der Schicht aus der Aluminiumbasislegierung infolge von gebildeten Sprödphasen reduziert werden kann. Die Aluminiumbasislegierung weist damit, über die Zeit betrachtet, eine geringere Neigung zum Sprödbruch (zum Abplatzen) und somit eine bessere Haftung auf der Stützschicht auf. Diese Wirkung kann noch verstärkt werden, wenn in der Aluminiumbasislegierung Silizium enthalten ist, das als Reaktionshemmer die Vermeidung der Bildung von Sprödphasen verbessert. Dabei ist der relative Anteil des Siliziums an der Aluminiumbasislegierung aber nicht so groß, dass es tribologisch wirksam ist, wodurch die Kerbwirkung verhindert werden kann. Es können also mit der Aluminiumbasislegierung die tribologischen Eigenschaften von bekannten siliziumfreien Aluminiumbasislegierung zumindest annähernd erreicht werden, wobei die Verbunddauerfestigkeit des Mehrschichtgleitlagerelementes verbessert werden kann. Nach einer Ausführungsvariante des Mehrschichtgleitlagerelementes kann vorgesehen sein, dass die Stützschicht aus einer eisenbasierten Legierung besteht und dass die Aluminiumbasislegierung unmittelbar mit der eisenbasierten Stützschicht verbunden ist und aus 5 Gew.-% bis 7 Gew.-% Zinn, 1,1 Gew.-% bis 1,5 Gew.-% Kupfer, 0,4 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% Mangan, 0,05 Gew.-% bis 0, 15 Gew.-% Kobalt, 0,05 Gew.-% bis 0, 15 Gew.-% Chrom, 0,03 Gew.-% bis 0, 10 Gew.-% Titan, 0,05 Gew.-% bis 0,15 Gew.-% Zirkonium, 0,2 Gew.-% bis 0,4 Gew.-% Silizium und dem Rest auf 100 Gew.-% aus Aluminium sowie gegebenenfalls aus der Herstellung der Elemente stammende Verunreinigungen besteht. Es können damit die voranstehenden Effekte mit nur einer einzigen Schicht aus der Aluminiumbasislegierung verwirklicht werden.
Es ist dabei weiter möglich, dass für Silizium innerhalb der Schicht aus der Aluminiumbasislegierung ein Konzentrationsgradient ausgebildet ist, mit zunehmendem Siliziumanteil in Richtung auf die Stützschicht. Es kann damit erreicht werden, dass der Effekt der Zugabe von Silizium auf die Bindezone zwischen der Stützschicht und der Schicht aus der Aluminiumba- sislegierung zumindest größtenteils konzentriert wird, und dass die Vermeidung der tribologischen Wirksamkeit des Siliziums in der Aluminiumbasislegierung einfacher realisiert werden kann, da damit unmittelbar an einem Gleitpartner anliegende Bereiche der Aluminiumbasislegierung siliziumfrei ausgebildet werden können. Nach einer anderen Ausführungsvariante kann zur Erreichung voranstehend genannter Effekte vorgesehen sein, dass die Stützschicht aus einer eisenbasierten Legierung besteht und dass die Aluminiumbasislegierung unmittelbar mit der eisenbasierten Stützschicht verbunden ist und aus 1,5 Gew.-% bis 1,9 Gew.-% Kupfer, 0,6 Gew.-% bis 1,0 Gew.-% Mangan, 0,08 Gew.-% bis 0, 18 Gew.-% Kobalt, 0,08 Gew.-% bis 0,18 Gew.-% Chrom, 0,03 Gew.-% bis 0,10 Gew - % Titan, 0,08 Gew.-% bis 0,18 Gew.-% Zirkonium, 0,2 Gew.-% bis 0,4 Gew.-% Silizium und dem Rest auf 100 Gew.-% aus Aluminium sowie gegebenenfalls aus der Herstellung der Elemente stammende Verunreinigungen besteht und dass mit der Schicht aus der Aluminiumba- sislegierung eine weitere Schicht aus einer weiteren Aluminiumbasislegierung verbunden ist, wobei die weitere Schicht aus der weiteren Aluminiumbasislegierung besteht, die siliziumfrei ist. Von Vorteil ist dabei weiter, dass die weitere Schicht aus der weiteren Aluminiumbasislegierung besser an die tribologischen Erfordernisse einer Laufschicht angepasst werden kann. Zudem weist damit die zwischen der Stützschicht und der weiteren Schicht aus der weiteren Aluminiumlegierung angeordneten Schicht aus der Aluminiumbasislegierung Notlaufeigenschaften auf, die einem plötzlichen Ausfall des Mehrschichtgleitlagerelementes infolge zumindest partiellem Verschleiß der darüber angeordneten weiteren Schicht entgegenwirken.
Vorzugsweise ist nach einer weiteren Ausführungsvariante dazu vorgesehen, dass die weitere Aluminiumbasislegierung der weiteren Schicht aus 5,0 Gew.-% bis 7,0 Gew.-% Zinn, 1, 1
Gew.-% bis 1,5 Gew.-% Kupfer, 0,4 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% Mangan, 0,05 Gew.-% bis 0,15 Gew.-% Kobalt, 0,05 Gew.-% bis 0,15 Gew.-% Chrom, 0,03 Gew.-% bis 0, 1 Gew.-% Titan, 0,05 Gew.-% bis 0,15 Gew.-% Zirkonium und dem Rest auf 100 Gew.-% aus Aluminium sowie gegebenenfalls aus der Herstellung der Elemente stammende Verunreinigungen besteht. Es kann damit die Materialverträglichkeit zwischen den beiden Aluminiumbasislegierungen verbessert werden.
Bevorzugt weisen bei dieser Ausführungsvariante die Aluminiumbasislegierung der direkt mit der eisenbasierten Stützschicht verbundenen Schicht und die weitere Aluminiumbasislegie- rung der weiteren Schicht in Bezug auf die Elemente Kupfer, Mangan, Kobalt, Chrom, Titan und Zirkonium den gleichen, auf den jeweiligen Aluminiumanteil bezogenen relativen Mengenanteil auf. Es wird damit eine bessere Materialverträglichkeit der beiden Aluminiumba- sislegierungen miteinander erreicht. Nach einer weiteren Ausführungsvariante des Mehrschichtgleitlagerelementes kann vorgesehen sein, dass das Verhältnis der Mengenanteile von Titan zu Kobalt zwischen 1 : 3 und 3 : 1 beträgt. Die Aluminiumbasislegierung weist damit eine feinkörniges Gefüge auf, das auch unter den Bedingungen während der Verwendung des Mehrschichtgleitlagerelements nur eine geringe Neigung zur Rekristallisation aufweist. In der Aluminiumlegierung der direkt mit der eisenbasierten Stützschicht verbundenen
Schicht und in der weiteren Aluminiumlegierung der weiteren Schicht sind jeweils intermetallische Ausscheidungen vorhanden. Es kann dabei vorgesehen sein, dass eine mittlere Größe der intermetallischen Ausscheidungen in der der Aluminiumlegierung der direkt mit der eisenbasierten Stützschicht verbundenen Schicht kleiner ist, als eine mittlere Größe der interme- tallischen Ausscheidungen in der weiteren Aluminiumlegierung der weiteren Schicht. Es kann damit erreicht werden, dass die Aluminiumbasislegierung der mit der eisenbasierten Stützschicht verbundenen Schicht zäher ist. Dies wiederum wirkt sich positiv auf die Wechselbean- spruchbarkeit des Mehrschichtgleitlagerelementes aus, da diese Aluminiumbasislegierung damit nicht Rissauslösend wirkt. Es kann damit auch die Kerbwirkung der intermetallischen Phasen reduziert werden.
Es ist weiter möglich, dass Titan bis maximal zur Hälfte des Titananteils an der Aluminiumbasislegierung durch Zirkonium und/oder Scandium ersetzt ist und/oder dass zumindest ein Element der Gruppe Mangan, Kobalt und Chrom im Ausmaß von jeweils maximal des halben Mengenanteils dieser Elemente an der Aluminiumbasislegierung durch Vanadium und/oder Molybdän und/oder Eisen ersetzt ist. Mit diesen Ausführungsvarianten kann auf die Korngrößenverteilung bzw. auf das Rekristallisationsverhalten der Aluminiumbasislegierung Einfluss genommen werden. Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Es zeigen (in vereinfachter, schematischer Darstellung): Fig. 1 ein Mehrschichtgleitlagerelement in Seitenansicht; die Wechselbiegefestigkeiten verschiedener Aluminiumbasislegierungen. 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 wer- den 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.
Sämtliche Angaben zur mengenmäßigen Zusammensetzung der Aluminiumbasislegierung(en) sind in Gew.-% zu verstehen, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.
Fig. 1 zeigt ein Mehrschichtgleitlagerelement 1 in Schrägansicht. Das Mehrschichtgleitlagerelement 1 umfasst bzw. besteht aus eine(r) Stützschicht 2 und eine(r) darauf angeordneten und mit dieser verbundenen Schicht 3.
Das nicht geschlossene Mehrschichtgleitlagerelement 1 kann neben der dargestellten Halb- schalenausführung mit einer Winkelbereich-Überdeckung von zumindest annähernd 180 ° auch eine davon abweichende Winkelbereich-Überdeckung aufweisen, beispielsweise zumindest annähernd 120 ° oder zumindest annähernd 90 °, sodass also das Mehrschichtgleitla- gerelement 1 auch als Drittelschale oder als Viertelschale ausgebildet sein kann, die mit entsprechenden weiteren Lagerschalen in einer Lageraufnahme kombiniert werden, wobei das Mehrschichtgleitlagerelement 1 nach der Erfindung bevorzugt im höher belasteten Bereich der Lageraufnahme eingebaut wird. Es sind aber auch andere Ausführungsvarianten des Mehrschichtgleitlagerelements 1 möglich, beispielsweise eine Ausführung als Lagerbuchse, wie dies in Fig. 1 strichliert angedeutet ist, oder eine ebene Ausführung, beispielsweise als Anlauf Scheibe.
Die Stützschicht 2 besteht üblicherweise aus einem harten Werkstoff. Als Werkstoffe für die Stützschicht 2, auch Stützschale genannt, können Bronzen, Messing, etc. verwendet werden.
In der bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung besteht die Stützschicht 2 einem eisenbasierten Werkstoff, insbesondere aus einem Stahl. Derartige konstruktive Aufbauten von Mehrschichtgleitlagerelementen 1 sind prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt, sodass diesbezüglich auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen sei. Die Schicht 3 besteht aus Aluminiumbasislegierung. Die Aluminiumbasislegierung besteht aus:
0 Gew.-% bis 7 Gew.-% Zinn
1,1 Gew.-% bis 1,9 Gew.-% Kupfer
0,4 Gew.-% bis 1 Gew.-% Mangan
0,05 Gew.-% und 0,18 Gew.-% Kobalt
0,05 Gew.-% und 0,18 Gew.-% Chrom
0,03 Gew.-% und 0, 1 Gew.-% Titan
0,05 Gew.-% und 0,18 Gew.-% Zirkonium und
0 Gew.-% und 0,4 Gew.-% Silizium.
Den Rest auf 100 Gew.-% bilden als Hauptbestandteil der Aluminiumbasislegierung das Aluminium sowie gegebenenfalls aus der Herstellung der Elemente stammende Verunreinigungen.
Die Aluminiumbasislegierung enthält jedenfalls Zinn oder Silizium.
Die prinzipiellen Wirkungen der einzelnen Legierungselemente sind im Stand der Technik ausreichend dargestellt und dem Fachmann bekannt, sodass auf deren Wiederholung verzich- tet wird.
Die jeweiligen Anteile der einzelnen Legierungselemente an der Aluminiumbasislegierung wurden aus folgenden Gründen gewählt, wobei unterhalb der jeweils angegebenen Untergrenze der Anteilsbereiche die Wirkung des zugesetzten Elementes jeweils nicht ausreichend ist:
7 Gew.-% Zinn: Bei mehr als 7 Gew.-% Zinn steigt die Gefahr der Warmrissempfindlichkeit der Aluminiumbasislegierung. 1,9 Gew.-% Kupfer: Bei mehr als 1,9 Gew.-% Kupfer wird die Umformbarkeit der Alumini - umbasislegierung reduziert. 0,1 Gew.-% Titan: Bei mehr als 0,1 Gew.-% Titan können Korrosionsprobleme auftreten, die die Dauerstandfestigkeit der Aluminiumbasislegierung reduzieren können. Zudem wurde beobachtet, dass verglichen mit bekannten Sputterlagem das Ausquetschen des Zinns vermieden werden kann. 1 Gew.-% Mangan; 0,18 Gew.-% Kobalt; 0, 18 Gew.-% Chrom; 0,18 Gew.-% Zirkonium; 0,4 Gew.-% Silizium: Bei einem Anteil der jeweiligen Elemente von mehr als den angegebenen Obergrenzen erhöhen sich die Größen der Ausscheidung ohne zusätzlichen Festigkeitsgewinn. Zudem nimmt die Kerbwirkung der Ausscheidungen zu. Titan kann bis zur Hälfte des voranstehend genannten Titananteils an der Aluminiumbasislegierung auch durch Zirkonium und/oder Scandium ersetzt werden.
Weiter ist es möglich, dass zumindest ein Element der Gruppe Mangan, Kobalt und Chrom im Ausmaß von jeweils maximal des halben voranstehend genannten Mengenanteils dieser Ele- mente an der Aluminiumbasislegierung durch Vanadium und/oder Molybdän und/oder Eisen ersetzt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante besteht das Mehrschichtgleitlagerelement 1 aus der Stützschicht 2 aus einer eisenbasierten Legierung, insbesondere einem Stahl, und der unmittelbar darauf angeordneten, und mit der Stützschicht 2 verbundenen Schicht 3 aus der Aluminiumbasislegierung. Letztere besteht in diesem Fall bevorzugt aus 5 Gew.-% bis 7 Gew.-% Zinn, 1,1 Gew.-% bis 1,5 Gew.-% Kupfer, 0,4 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% Mangan, 0,05 Gew.-% bis 0,15 Gew.-% Kobalt, 0,05 Gew.-% bis 0, 15 Gew.-% Chrom, 0,03 Gew.-% bis 0, 10 Gew.-% Titan, 0,05 Gew.-% bis 0, 15 Gew.-% Zirkonium, 0,2 Gew.-% bis 0,4 Gew - % Silizium. Den Rest auf 100 Gew.-% bilden das Aluminium sowie gegebenenfalls aus der Herstellung der Elemente stammende Verunreinigungen. Insbesondere kann die Aluminiumbasislegierung dieser Ausführungsvariante aus 6 Gew.-% Zinn, 1,3 Gew.-% Kupfer, 0,6 Gew.-% Mangan, 0,10 Gew.-% Kobalt, 0,10 Gew.-% Chrom, 0,07 Gew.-% Titan, 0,10 Gew.-% Zirkonium, 0,3 Gew.-% Silizium und dem Rest auf 100 Gew.-% aus Aluminium sowie gegebenenfalls aus der Herstellung der Elemente stammenden Verunreinigungen bestehen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 kann vorgesehen sein, dass für Silizium innerhalb der Schicht 3 aus der Aluminiumbasislegierung ein Konzentrationsgradient ausgebildet ist, mit zunehmendem Siliziumanteil in Richtung auf die Stützschicht 2. Beispielsweise kann die Konzentration des Siliziums in der Schicht 3 von 0 Gew.-% an der äußeren, d.h. der von der Stützschicht 2 abgewandten Oberfläche der Schicht 3, auf einen Wert von 0,3 Gew.-% an der an der Stützschicht 2 anliegenden Oberfläche zunehmen. Die Zunahme der Siliziumkonzentration kann dabei linear oder exponentiell oder sprunghaft erfolgen.
Nach einer anderen Ausführungsvariante des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 kann vorgesehen sein, dass die Stützschicht 2 aus einer eisenbasierten Legierung besteht und die die Schicht 3 bildende Aluminiumbasislegierung unmittelbar mit der eisenbasierten Stützschicht 2 verbunden ist. Auf dieser Schicht 3 ist eine weitere Schicht 4 angeordnet, wie dies in Fig. 1 strichliert dargestellt ist, sodass also die Schicht 3 zwischen der Stützschicht 2 und der weiteren Schicht 4 angeordnet ist. Die weitere Schicht 4 ist unmittelbar auf der Schicht 3 angeordnet und mit dieser verbunden. Anders als bei voranstehender Ausführungsvariante bildet also die Schicht 3, die unmittelbar mit der Stützschicht 2 verbunden ist, nicht die Laufschicht des Mehrschichtgleitlagerelementes 1, sondern eine Schicht, mit der die, die Laufschicht bildende weitere Schicht 4 aus der weiteren Aluminiumbasislegierung mit der Stützschicht 2 verbunden wird.
Die Aluminiumbasislegierung der unmittelbar mit der Stützschicht 2 verbundenen Schicht 3 besteht in diesem Falls aus 1,5 Gew.-% bis 1,9 Gew.-% Kupfer, 0,6 Gew.-% bis 1,0 Gew.-% Mangan, 0,08 Gew.-% bis 0, 18 Gew.-% Kobalt, 0,08 Gew.-% bis 0, 18 Gew.-% Chrom, 0,03 Gew.-% bis 0, 10 Gew.-% Titan, 0,08 Gew.-% bis 0,18 Gew.-% Zirkonium, 0,2 Gew.-% bis 0,4 Gew.-% Silizium und dem Rest auf 100 Gew.-% aus Aluminium sowie gegebenenfalls aus der Herstellung der Elemente stammende Verunreinigungen. Insbesondere kann diese Aluminiumbasislegierung der Schicht 3 aus 1,7 Gew.-% Kupfer, 0,8 Gew.-% Mangan, 0,13 Gew.-% Kobalt, 0, 13 Gew.-% Chrom, 0,07 Gew.-% Titan, 0, 13 Gew.-% Zirkonium, 0,3 Gew.-% Silizium und dem Rest auf 100 Gew.-% aus Aluminium sowie gegebenenfalls aus der Herstellung der Elemente stammenden Verunreinigungen bestehen.
Die weitere Aluminiumbasislegierung der weiteren Schicht 4 ist bis auf zulässige Verunreinigungen der Metalle, aus denen die Aluminiumbasislegierung hergestellt wird, siliziumfrei. Ansonsten kann sie aus einer Aluminiumbasislegierung bestehen, wie sie aus dem Stand der Technik für Laufschichten von Gleitlagern bekannt ist.
Bevorzugt besteht die weitere Schicht 4 jedoch aus einer weiteren Aluminiumbasislegierung, die aus 5,0 Gew.-% bis 7,0 Gew.-% Zinn, 1,1 Gew.-% bis 1,5 Gew.-% Kupfer, 0,4 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% Mangan, 0,05 Gew.-% bis 0, 15 Gew.-% Kobalt, 0,05 Gew.-% bis 0,15 Gew - % Chrom, 0,03 Gew.-% bis 0, 1 Gew.-% Titan, 0,05 Gew.-% bis 0,15 Gew.-% Zirkonium und dem Rest auf 100 Gew.-% aus Aluminium sowie gegebenenfalls aus der Herstellung der Elemente stammenden Verunreinigungen besteht. Insbesondere besteht die weitere Schicht 4 aus einer weiteren Aluminiumbasislegierung die aus 6,0 Gew.-% Zinn, 1,3 Gew.-% Kupfer, 0,6 Gew.-% Mangan, 0,10 Gew.-% Kobalt, 0,10 Gew.-% Chrom, 0,07 Gew.-% Titan, 0, 10 Gew - % Zirkonium und dem Rest auf 100 Gew.-% aus Aluminium sowie gegebenenfalls aus der Herstellung der Elemente stammenden Verunreinigungen besteht.
Besonders bevorzugt ist, wenn die Aluminiumbasislegierung der direkt mit der eisenbasierten Stützschicht 2 verbundenen Schicht 3 und die weitere Aluminiumbasislegierung der weiteren Schicht 4 in Bezug auf die Elemente Kupfer, Mangan, Kobalt, Chrom, Titan und Zirkonium den gleichen, auf den jeweiligen Aluminiumanteil bezogenen relativen Mengenanteil auf, d.h. dass die Relation der Mengenanteile dieser Elemente bezogen auf den Aluminiumanteil in den beiden Aluminiumlegierungen gleich ist.
Nach einer weiteren Ausführungsvariante des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 kann vorge- sehen sein, dass das Verhältnis der Mengenanteile von Titan zu Kobalt zwischen in der direkt mit der Stützschicht 2 verbundenen Schicht 3 und/oder in der mit der Schicht 3 verbundenen weiteren Schicht 4 1 : 3 und 3 : 1 beträgt. Es kann auch vorgesehen sein, dass in der Aluminiumbasislegierung der direkt mit der eisenbasierten Stützschicht 2 verbundenen Schicht 3 und in der weiteren Aluminiumbasislegierung der weiteren Schicht 4 jeweils intermetallische Ausscheidungen vorhanden sind, wobei eine mittlere Größe der intermetallischen Ausscheidungen in der der Aluminiumbasislegierung der direkt mit der eisenbasierten Stützschicht 2 verbundenen Schicht 3 kleiner ist als eine mittlere Größe der intermetallischen Ausscheidungen in der weiteren Aluminiumbasislegierung der weiteren Schicht 4.
Die mittlere Größe wird dabei als arithmetischer Mittelwert aus dem Schliffbild der jeweili- gen Aluminiumbasislegierung nach dem Linienschnittverfahren bestimmt, wie dies an sich bekannt ist. Dazu werden über die mikroskopische Aufnahme Linien mit definierter Strecke aufgetragen. An jedem Punkt, an dem die Linie eine Korngrenze überschreitet erfolgt eine Markierung. Die Bestimmung der mittleren Größe der intermetallischen Ausscheidungen kann analog zu DIN EN ISO 643 erfolgen.
Es sei erwähnt, dass sämtliche in der Beschreibung zitierten Normen in der Fassung anzuwenden sind, die am Anmeldetag der gegenständlichen Patentanmeldung gültig ist.
Die intermetallischen Ausscheidungen sind Verbindungen der Elemente Kupfer und/oder Mangan und/oder Kobalt und/oder Chrom und/oder Titan und/oder Zirkonium j eweils mit Aluminium und/oder der Elemente untereinander. Beispielsweise sind dies die intermetallischen Verbindungen AhCu, Al6Mn(Fe, Cr, Co).
Die mittlere Größe von 90 % der intermetallischen Ausscheidungen in der unmittelbar mit der Stützschicht 2 verbundenen Schicht 3 kann bevorzugt zwischen 1 μπι und 5 μπι betragen.
Die mittlere Größe von 90 % der intermetallischen Ausscheidungen in der unmittelbar mit der Schicht 3 verbundenen weiteren Schicht 4 kann bevorzugt zwischen 0,1 μπι und 4 μπι betragen.
Das Mehrschichtgleitlagerelement 1 kann mit üblichen, aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren hergestellt werden. Beispielsweise kann die Schicht 2 mit der Stützschicht 2 walzplattiert werden. Es besteht auch die Möglichkeit, dass die Schicht 3 auf die Stützschicht 2 aufgegossen wird. Die weitere Schicht 4 kann mit dem Verbundmaterial aus Stützschicht 2 und Schicht 3 walzplattiert werden. Ebenso kann die weitere Schicht 4 auf die Schicht 3 aufgegossen werden. Daneben besteht auch die Möglichkeit, dass in einem ersten Schritt ein Verbundwerkstoff aus der Schicht 3 und der weiteren Schicht 4 hergestellt wird, beispielsweise mittels Walzplattieren, und dass in weiterer Folge dieser Verbundwerkstoff mit der Stützschicht 2 verbunden wird, beispielsweise mittels Walzplattieren.
Der oben angesprochene Konzentrationsgradient für Silizium kann über die Abkühlbedingungen der Aluminiumbasislegierung, das Gießverfahren an sich, durch ein Spritzverfahren, etc. hergestellt werden.
Die Ausbildung der voranstehend genannten Größen der intermetallischen Verbindungen kann durch eine schnelle Abkühlung der Aluminiumbasislegierung erreicht werden. An sich ist es dem Fachmann bekannt, dass durch schnellere Abkühlung ein feinkörnigeres Gefüge er- reicht werden kann, sodass sich also Ausführungen zu den Abkühlbedingungen erübrigen.
Es ist weiter möglich, dass der Anteil der intermetallischen Ausscheidungen in der Schicht 3 auf maximal 5 Vol.-%, insbesondere auf zwischen 1 Vol.-% und 2 Vol.-%, und/oder der Anteil der intermetallischen Ausscheidungen in der Schicht 4 auf maximal 2 Vol.-% insbeson- dere auf zwischen 0,5 Vol.-% und 2 Vol.-%, beschränkt wird.
Es besteht im Rahmen der Erfindung neben der zweischichtigen oder dreischichtigen Ausführung des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 auch die Möglichkeit, dass auf die Schicht 3 (bei der zweischichtigen Ausführungsvariante) oder auf die weiteren Schicht 4 (bei der dreischich- tigen Ausführungsvariante) eine Einlaufschicht aufgebracht wird, beispielsweise eine Reinzinnschicht oder eine Gleitlackschicht.
Im Zuge der Evaluierung des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 wurden folgende Mustermehrschi chtgl ei tlagerelemente hergestellt. Von diesen wurden die Wechselbiegefestigkeit, die Fressneigung im dynamischen Lastfall und der Verschleiß bestimmt. Parameter für die Wechselbiegefestigkeit: 25 Hz, Raumtemperatur, Flachbiegeproben (90 mm x 17,5 mm x 1,82 mm (davon Stahl 1,4 mm), mittige Verjüngung L = 28,2 mm, R = 37,5 mm), max. Biegemoment 15 Nm, max. Biegewinkel 12. Parameter für die Fressneigung: Prüflager mit 80,5 mm Außendurchmesser; Drehzahl 3000 min-1, Öl SAE 10W Shell Rimula, Öleinlass mit 120°C; Gegenkörper Stahlwelle, ansteigende Last ist überlagert mit einer dynamischen Belastung mit 50 Hz.
Parameter für den Verschleiß. Prüflager mit 80,5 mm Außendurchmesser; Drehzahl 3000 min-1, Öl SAE 10W Shell Rimula, Öleinlass mit 110°C; Gegenkörper Stahlwelle, 50 Hz dynamische Belastung druckschwellend, max. Amplitude 75 bzw. 100 MPa, Prüfdauer 15 h. Der Verschleiß in μιη wird ausgewertet.
Es wurde jeweils eine Stützschicht 2 aus Stahl (HB30 = 177-182) verwendet.
Für die Schicht 3 wurden in der zweischichtigen Ausführungsvariante folgende in Tabelle 1 angeführte Aluminiumbasislegierungen verwendet. Die Zahlenangaben sind jeweils in Gew - % zu verstehen. Den Rest auf 100 Gew.-% bildet jeweils Aluminium. Die Testmuster wurden mittels Walzplattieren der Schicht 3 auf die Stützschicht 2 hergestellt.
Tabelle 1 : Zusammensetzungen von Aluminiumbasislegierungen
Es zeigte sich, dass die damit hergestellten Mehrschichtgleitlagerelemente 1 hinsichtlich Verschleiß und Fressneigung vergleichbare Ergebnisse lieferten, wie Mehrschichtgleitlagerelemente nach dem Stand der Technik. In Hinblick auf die Wechselbiegefestigkeit wurden aber bessere Ergebnisse erreicht. Es wurden ebenfalls Testmuster der dreischichtigen Ausführungsvariante des Mehrschicht- gleitlagers hergestellt. Wiederum wurde eine Stützschicht 2 aus Stahl eingesetzt.
Die Testmuster wurden hergestellt, indem zuerst ein Bimetall streifen aus der Schicht 3 und der Schicht 4 erzeugt wurde. Dieser Bimetall streifen wurde anschließend auf eine Stahlstützschicht walzplattiert und der Verbund bei 350 °C wärmebehandelt.
In Tabelle 2 sind Ausführungsbeispiele für Aluminiumbasislegierungen der Schicht 4 und in Tabelle 3 Ausführungsbeispiele für Aluminiumbasislegierungen der Schicht 3 wiedergegeben. Auf jede in Tabelle 3 mit X B bezeichnete Aluminiumbasislegierung der Schicht 3 wurde eine in Tabelle 2 mit X A bezeichnete Aluminiumbasislegierung als Schicht 4 aufgebracht, sodass also beispielsweise zum Ausführungsbeispiel 4 als Schicht 3 die Aluminiumbasislegierung 4 B und als Schicht 4 die Aluminiumbasislegierung 4 A gehört. Tabelle 2: Zusammensetzungen von Aluminiumbasislegierungen der Schicht 4
Tabelle 3 : Zusammensetzungen von Aluminiumbasislegierungen der Schicht 3
Stellvertretend für diese Ausführungsvarianten des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 sind nachfolgend die Ergebnisse der Wechselbiegefestigkeit, der Fressneigung im dynamischen Lastfall und des Verschleißes für die Kombination Stahl - 4B - 4A (im Folgenden AB 4) wiedergegeben. Zudem wurden folgende Vergleichsmuster angefertigt und die entsprechenden Untersuchungen durchgeführt. Aufbau Vergleichsmuster 10 (VM 10): Stahl - AlZn - AlSn25 Aufbau Vergleichsmuster 11 (VM 11): Stahl - AI - AlSn6Si
Aufbau Vergleichsmuster 12 (VM 12): Stahl - AI - AlSn20Si
Die Ergebnisse für die Wechselbiegefestigkeiten sind in Fig. 2 dargestellt, in der auf der Abszisse die Anzahl der Belastungszyklen und auf der Ordinate die Biegespannungen in MPa auf- getragen sind. Dabei bedeuten:
Bezugszeichen 5: Ausführungsbeispiel 4, quer zur Walzrichtung
Bezugszeichen 6: Ausführungsbeispiel 4, längs zur Walzrichtung
Bezugszeichen 7: Vergleichsmuster 11, quer zur Walzrichtung
Bezugszeichen 8: Vergleichsmuster 11, längs zur Walzrichtung
Bezugszeichen 9: Vergleichsmuster 12, quer zur Walzrichtung
Bezugszeichen 10: Vergleichsmuster 12, längs zur Walzrichtung
Bezugszeichen 11 : Vergleichsmuster 10, längs zur Walzrichtung
ebnisse der Fressneigung im dynamischen Lastfall [MPa]
ebnisse für Verschleiß [μηι]:
Die Ausführungsbeispiele zeigen bzw. beschreiben mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind, insbesondere in Hinblick auf die Zusammensetzungen der Schicht 3 und der Schicht 4, die miteinander in einem Mehrschichtgleitlagerelement 1 verwendet werden.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 dieses nicht zwingenderweise maßstäblich dargestellt ist.
Bezugszeichenaufstellung
Mehr schi chtgl eitl agerel ement
Stützschicht
Schicht
Schicht
Ausführungsbeispiel 4
Ausführungsbeispiel 4
Vergleichsmuster 11
Vergleichsmuster 11
Vergleichsmuster 12
Vergleichsmuster 12
Vergleichsmuster 10

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Mehrschichtgleitlagerelement (1) mit einer Stützschicht (2) und einer darauf angeordneten Schicht (3) aus einer Aluminiumbasislegierung mit Aluminium als Hauptbestandteil, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumbasislegierung zwischen 0 Gew.-% und 7 Gew - % Zinn, zwischen 1,1 Gew.-% und 1,9 Gew.-% Kupfer, zwischen 0,4 Gew.-% und 1 Gew.-% Mangan, zwischen 0,05 Gew.-% und 0, 18 Gew.-% Kobalt, zwischen 0,05 Gew.-% und 0,18 Gew.-% Chrom, zwischen 0,03 Gew.-% und 0,1 Gew.-% Titan, zwischen 0,05 Gew.-% und 0, 18 Gew.-% Zirkonium und zwischen 0 Gew.-% und 0,4 Gew.-% Silizium enthält und den Rest auf 100 Gew.-% Aluminium sowie gegebenenfalls aus der Herstellung der Elemente stammende Verunreinigungen bilden, mit der Maßgabe, dass jedenfalls Zinn oder Silizium in der Aluminiumbasislegierung enthalten ist.
2. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützschicht (2) aus einer eisenbasierten Legierung besteht und dass die Aluminiumbasislegierung unmittelbar mit der eisenbasierten Stützschicht (2) verbunden ist und aus 5 Gew.-% bis 7 Gew.-% Zinn, 1,1 Gew.-% bis 1,5 Gew.-% Kupfer, 0,4 Gew.-% bis 0,8 Gew - % Mangan, 0,05 Gew.-% bis 0, 15 Gew.-% Kobalt, 0,05 Gew.-% bis 0,15 Gew.-% Chrom, 0,03 Gew.-% bis 0,10 Gew.-% Titan, 0,05 Gew.-% bis 0,15 Gew.-% Zirkonium, 0,2 Gew.-% bis 0,4 Gew.-% Silizium und dem Rest auf 100 Gew.-% aus Aluminium sowie gegebenenfalls aus der Herstellung der Elemente stammende Verunreinigungen besteht.
3. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für Silizium innerhalb der Schicht (3) aus der Aluminiumbasislegierung ein Konzentrati- onsgradient ausgebildet ist, mit zunehmenden Siliziumanteil in Richtung auf die Stützschicht (2)·
4. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützschicht (2) aus einer eisenbasierten Legierung besteht und dass die Aluminium- basislegierung der Schicht (3) unmittelbar mit der eisenbasierten Stützschicht (2) verbunden ist und aus 1,5 Gew.-% bis 1,9 Gew.-% Kupfer, 0,6 Gew.-% bis 1,0 Gew.-% Mangan, 0,08 Gew.-% bis 0, 18 Gew.-% Kobalt, 0,08 Gew.-% bis 0, 18 Gew.-% Chrom, 0,03 Gew.-% bis 0,10 Gew.-% Titan, 0,08 Gew.-% bis 0, 18 Gew.-% Zirkonium, 0,2 Gew.-% bis 0,4 Gew.-% Silizium und dem Rest auf 100 Gew.-% aus Aluminium sowie gegebenenfalls aus der Herstellung der Elemente stammende Verunreinigungen besteht und dass mit der Schicht (3) aus der Aluminiumbasislegierung eine weitere Schicht (4) aus einer weiteren Aluminiumbasislegierung verbunden ist, wobei die weitere Schicht (4) aus der weiteren Aluminiumbasislegie- rung besteht, die siliziumfrei ist.
5. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Aluminiumbasislegierung der weiteren Schicht (4) aus 5,0 Gew.-% bis 7,0 Gew.-% Zinn, 1,1 Gew.-% bis 1,5 Gew.-% Kupfer, 0,4 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% Mangan, 0,05 Gew.-% bis 0,15 Gew.-% Kobalt, 0,05 Gew.-% bis 0, 15 Gew.-% Chrom, 0,03 Gew.-% bis 0, 1 Gew.-% Titan, 0,05 Gew.-% bis 0, 15 Gew.-% Zirkonium und dem Rest auf 100 Gew - % aus Aluminium sowie gegebenenfalls aus der Herstellung der Elemente stammende Verunreinigungen besteht.
6. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumbasislegierung der direkt mit der eisenbasierten Stützschicht (2) verbundenen Schicht (3) und die weitere Aluminiumbasislegierung der weiteren Schicht (4) in Bezug auf die Elemente Kupfer, Mangan, Kobalt, Chrom, Titan und Zirkonium den gleichen, auf den jeweiligen Aluminiumanteil bezogenen relativen Mengenanteil aufweist.
7. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Mengenanteile von Titan zu Kobalt zwischen 1 : 3 und 3 : 1 beträgt.
8. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aluminiumbasislegierung der direkt mit der eisenbasierten Stützschicht (2) verbundenen Schicht (3) und in der weiteren Aluminiumbasislegierung der weiteren Schicht (4) jeweils intermetallische Ausscheidungen vorhanden sind, wobei eine mittlere Größe der intermetallischen Ausscheidungen in der der Aluminiumbasislegierung der direkt mit der eisenbasierten Stützschicht (2) verbundenen Schicht (3) kleiner ist, als eine mittlere Größe der intermetallischen Ausscheidungen in der weiteren Aluminiumbasislegierung der weiteren Schicht (4).
9. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, dass Titan bis maximal zur Hälfte des Titananteils an der Aluminiumbasislegie rung durch Zirkonium und/oder Scandium ersetzt ist.
10. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, dass zumindest ein Element der Gruppe Mangan, Kobalt und Chrom im Ausmaß von jeweils maximal des halben Mengenanteils dieser Elemente an der Aluminiumbasislegierung durch Vanadium und/oder Molybdän und/oder Eisen ersetzt ist.
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