AT505664B1 - SLIDE BEARING ALLOY OF WHITE METAL ON TIN BASIS - Google Patents

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AT505664B1 AT3442008A AT3442008A AT505664B1 AT 505664 B1 AT505664 B1 AT 505664B1 AT 3442008 A AT3442008 A AT 3442008A AT 3442008 A AT3442008 A AT 3442008A AT 505664 B1 AT505664 B1 AT 505664B1
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Description

2 AT 505 664 B12 AT 505 664 B1

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleitlagerlegierung aus Weißmetall auf Zinnbasis, das Antimon als Hauptlegierungselement und 1 bis 10 Gew.% Kupfer enthält.The invention relates to a tin-based white metal plain bearing alloy containing antimony as the main alloying element and 1 to 10% by weight of copper.

Es sind Gleitlagerlegierungen auf Zinnbasis bekannt (GB 2 146 354 A), die 2 bis 15 Gew.% Antimon, 1 bis 10 Gew.% Kupfer, bis zu 15 Gew.% Blei und weitere Legierungselemente, wie Cadmium, Nickel, Silber, Tellur, Kobalt, Magnesium, Mangan und Arsen aufweisen können, wobei ein Gehalt von 0,005 bis 0,5 Gew.% Titan die Mikrostruktur des Lagerwerkstoffes verfeinern und damit die Tragfähigkeit eines Gleitlagers verbessern soll. Um die Belastbarkeit von ökologischen Weißmetalllegierungen zu steigern, wurde bereits vorgeschlagen (DE 101 45 389 C2), neben Antimon mit einem Anteil von 6 bis 15 Gew.% und Kupfer mit einem Anteil von 3 bis 10 Gew.% Wismut mit einem Anteil zwischen 0,1 und 18 Gew.% einzusetzen. Trotz dieser Maßnahme können diese bekannten, von umweltbelastenden Legierungsbestandteilen freien Gleitlagerlegierungen höheren Festigkeitsansprüchen nicht genügen, sodass bei höheren Anforderungen an die Belastbarkeit und an die Verschleißbeständigkeit häufig auf Lagermetalle auf Aluminiumbasis ausgewichen wird, obwohl beim Einsatz dieser Lagermetalle auf die hervorragenden Notlaufeigenschaften von Lagermetalllegierungen auf Zinnbasis verzichtet werden muss.Tin-based plain bearing alloys are known (GB 2 146 354 A) containing 2 to 15% by weight of antimony, 1 to 10% by weight of copper, up to 15% by weight of lead and further alloying elements such as cadmium, nickel, silver, tellurium , Cobalt, magnesium, manganese and arsenic, wherein a content of 0.005 to 0.5 wt.% Titanium refine the microstructure of the bearing material and thus improve the carrying capacity of a sliding bearing. In order to increase the capacity of ecological white metal alloys, has already been proposed (DE 101 45 389 C2), in addition to antimony in a proportion of 6 to 15 wt.% And copper in a proportion of 3 to 10 wt.% Bismuth with a proportion between 0 , 1 and 18% by weight. Despite this measure, these known, free of polluting alloying components plain bearings alloys can not meet higher strength requirements, so often avoided at higher demands on the load capacity and wear resistance on aluminum-based bearing metals, although dispensed with the use of these bearing metals on the excellent runflat properties of bearing metal alloys based on tin must become.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Festigkeit einer Gleitlagerlegierung aus Weißmetall auf Zinnbasis der eingangs geschilderten Art zu steigern, ohne umweltbelastende Legierungselemente, wie Cadmium, Blei, Arsen und Chrom, einsetzen zu müssen.The invention is therefore an object of the invention to increase the strength of a sliding bearing alloy of tin-based white metal of the type described without having to use polluting alloying elements such as cadmium, lead, arsenic and chromium.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass das bis auf unvermeidbare Verunreinigungen cadmium-, blei-, arsen- und chromfreie Weißmetall 4 bis 30 Gew.% Antimon als Hauptlegierungselement, wenigstens ein Element aus einer Kobalt, Mangan, Scandium und Germanium enthaltenden Elementegruppe in einer auf die eingesetzten Elemente dieser Gruppe bezogenen Gesamtkonzentration zwischen 0,2 und 2,6 Gew.% sowie mindestens ein Element aus einer Magnesium, Nickel, Zirkon und Titan enthaltenden Elementegruppe in einer auf die eingesetzten Elemente dieser Gruppe bezogenen Gesamtkonzentration zwischen 0,05 und 1,7 Gew.% aufweist, wobei der Summenanteil von Antimon und Kupfer bei einem zumindest dem dreifachen Kupfergehalt entsprechenden Antimongehalt höchstens 35 Gew.% beträgt. In beiden Fällen stellt der Mindestgehalt die Wirksamkeitsgrenze dar, der Maximalgehalt verhindert ausgedehnte, auf Grund ihrer Größe und Anzahl bereits schädigende Ausscheidungen.The invention achieves the stated object in that the cadmium, lead, arsenic and chromium-free white metal except for unavoidable impurities 4 to 30 wt.% Antimony as the main alloying element, at least one element of a cobalt, manganese, scandium and germanium-containing element group in a total concentration of between 0.2 and 2.6% by weight, based on the elements used in this group, and at least one element of a magnesium, nickel, zirconium and titanium-containing element group in a total concentration of between 0.05 and 10 based on the elements used in this group 1.7 wt.%, Wherein the sum content of antimony and copper at a minimum of three times the copper content corresponding antimony content is at most 35 wt.%. In both cases, the minimum content is the efficacy limit, the maximum content prevents extensive, due to their size and number already harmful excretions.

Durch die Zulegierung von Kobalt, Mangan, Scandium und/oder Germanium wird in vorteilhafter Weise eine Feinung und eine Abrundung der ausgeschiedenen intermetallischen Phasen erreicht. Germanium bildet zudem intermetallische Verbindungen mit freiem Kupfer, was die Festigkeit der Legierung positiv beeinflusst, und zwar unter der Voraussetzung, dass die Größe der einzelnen Ausscheidungen gering gehalten wird. Durch die primäre Kristallisation dieser höher schmelzenden Elemente bilden sich bei der Erstarrung des Weißmetalls eine Vielzahl von Kristallisationskeimen, die die Ausscheidung der intermetallischen Phasen mit Kupfer und Antimon erheblich feinen, wodurch die Festigkeit der Zinnmatrix entscheidend verbessert werden kann, ohne die Verformbarkeit des Weißmetalls nennenswert zu beeinträchtigen. Die sonst in tribologisch ungünstiger Nadelform ausgeschiedenen Phasen von Kupfer-Zinn und die ebenfalls ungünstigen würfelförmigen Zinn-Antimonphasen werden vorteilhaft gerundet. Außerdem wird die Neigung zur Rissausbildung erheblich verringert. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass eine ausreichend rasche Erstarrung der Legierungsschmelze sichergestellt werden muss, um der Ausbildung von intermetallischen Kupfer-Zinn- und Zinn-Antimonphasen in Form von vergleichsweise langen Nadeln entgegenzuwirken.The alloying of cobalt, manganese, scandium and / or germanium advantageously achieves a refinement and a rounding off of the precipitated intermetallic phases. Germanium also forms intermetallic compounds with free copper, which positively influences the strength of the alloy, provided that the size of the individual precipitates is kept low. As a result of the primary crystallization of these higher-melting elements, the solidification of the white metal produces a multiplicity of crystallization nuclei which considerably reduce the precipitation of the intermetallic phases with copper and antimony, whereby the strength of the tin matrix can be decisively improved without the ductility of the white metal appreciably increasing affect. The otherwise precipitated in tribologically unfavorable needle shape phases of copper-tin and also unfavorable cubic tin antimony phases are advantageously rounded. In addition, the tendency to crack formation is significantly reduced. In this connection it should be mentioned that a sufficiently rapid solidification of the alloy melt must be ensured in order to counteract the formation of intermetallic copper-tin and tin antimony phases in the form of comparatively long needles.

Die Elemente der Magnesium, Nickel, Zirkon und Titan enthaltenden Elementegruppe binden insbesondere bei höheren Antimongehalten einen Teil des Antimons in intermetallischen Phasen ab, was einer sonst mit einem höheren Antimongehalt einhergehenden Versprödung entgegenwirkt. Magnesium hat zusätzlich eine stark desoxidierende Wirkung. Zu hohe Gehalte an Magnesium steigern jedoch die Anfälligkeit für Korrosion, wobei besonders der Lochfraß auftritt. 3 AT 505 664 B1The elements of the magnesium, nickel, zirconium and titanium-containing element group bind a part of the antimony in intermetallic phases, in particular at higher antimony contents, which counteracts an otherwise associated with a higher antimony content embrittlement. Magnesium also has a strong deoxidizing effect. Excessive levels of magnesium, however, increase the susceptibility to corrosion, especially the pitting occurs. 3 AT 505 664 B1

Nickel findet sich in den Kupfer-Zinnkristallen und steigert deren Härte. Es hat jedoch keinen negativen Einfluss auf die Gleiteigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung. Nickel verbessert zudem die Korrosionsbeständigkeit und verringert die Anfälligkeit für Seigerungser-scheinungen. Gehalte über 5 Gew.% führen jedoch durch die Ausscheidung großer, harter Phasen zum Verspröden der Legierung. Zugaben an Zirkon in den angegebenen Gehalten haben verfestigende Wirkung auf die Matrix und dienen der Kornfeinung. Zugaben von Titan unterstützen die Kornfeinung, wodurch die Tragfähigkeit der Gleitlagerlegierung verbessert wird, ihre Härte jedoch nahezu unverändert bleibt. Ein erhöhter Kupfergehalt verfestigt die Legierung, weil sich zwischen Antimon und Kupfer eine intermetallische Phase ausbildet. Der Kupfergehalt darf jedoch das angegebene Grenzverhältnis wegen der sonst übermäßigen Ausbildung nadelförmiger Kupfer-Zinnphasen nicht übersteigen.Nickel is found in the copper-tin crystals and increases their hardness. However, it has no negative influence on the sliding properties of the alloy according to the invention. Nickel also improves corrosion resistance and reduces susceptibility to segregation. Contents above 5% by weight, however, lead to embrittlement of the alloy due to the precipitation of large, hard phases. Additions of zirconium in the stated contents have a strengthening effect on the matrix and serve for grain refining. Additions of titanium aid grain refining, thereby improving the bearing capacity of the plain bearing alloy, but its hardness remains almost unchanged. An increased copper content solidifies the alloy because an intermetallic phase forms between antimony and copper. However, the copper content shall not exceed the specified limit ratio due to the otherwise excessive formation of acicular copper-tin phases.

Besonders vorteilhafte Belastungsbedingungen für Lagermetallschichten aus einer solchen Gleitlagerlegierung ergeben sich, wenn der Antimongehalt des Weißmetalls 10 bis 22 Gew.% und der Kupfergehalt 3 bis 7 Gew.% beträgt. Ein Optimum ergibt sich in dieser Hinsicht bei einem Antimongehalt von 13 bis 18 Gew.% und einem Kupfergehalt von 3,5 bis 5,5 Gew.%. Um der Gefahr der Ausbildung von nadelförmigen Kupfer-Zinnphasen in einem für ein Lagermetall schädigenden Ausmaß aufgrund einer erhöhten Zugabe von Kupfer vorzubeugen, kann dem Weißmetall zusätzlich 0,6 bis 1,8 Gew.%, vorzugsweise 0,7 bis 0,9 Gew.% Zink zulegiert werden. Zink dient durch die Bildung von zusätzlichen Kristallisationskeimen zur Feinung der Kup-fer-Zinn- und Zinn-Antimonphasen. Dadurch wird ein Anwachsen dieser Phasen auf eine schädigende Größe verhindert. Unter 0,6 Gew.% Zink stellt sich keine positive Wirkung ein, über 1 Gew.% ist Zink nicht mehr im Zinnmischkristall gelöst, und es bildet sich zwischen Zinn und Zink eine niedrigschmelzende eutektische Phase (Tm ca. 200 °C). Diese senkt die Warmfestigkeit und auch die Korrosionsbeständigkeit. Ähnliche Wirkungen können dadurch erzielt werden, dass dem Weißmetall wenigstens ein Element aus einer Elementegruppe zulegiert wird, die Silber, Gold, Vanadium und Eisen umfasst, wobei die Einzelanteile dieser Legierungselemente 4 Gew.% nicht übersteigen dürfen. Der Summenanteil muss nach oben mit 8 Gew.% begrenzt werden.Particularly advantageous loading conditions for bearing metal layers of such a plain bearing alloy result when the antimony content of the white metal is 10 to 22 wt.% And the copper content is 3 to 7 wt.%. An optimum results in this regard at an antimony content of 13 to 18 wt.% And a copper content of 3.5 to 5.5 wt.%. In order to prevent the danger of the formation of acicular copper-tin phases in a harmful for a bearing metal extent due to an increased addition of copper, the white metal can additionally 0.6 to 1.8 wt.%, Preferably 0.7 to 0.9 wt. % Zinc can be added. Zinc serves to refine the copper-tin and tin antimony phases by forming additional nucleation nuclei. This prevents growth of these phases to a harmful size. Less than 0.6% by weight of zinc has no positive effect, more than 1% by weight of zinc is no longer dissolved in the tin mixed crystal, and a low-melting eutectic phase is formed between tin and zinc (Tm approx. 200 ° C.). This lowers the heat resistance and also the corrosion resistance. Similar effects can be achieved by adding to the white metal at least one element from an elemental group comprising silver, gold, vanadium and iron, the individual parts of these alloying elements not exceeding 4% by weight. The total amount must be limited to the top with 8% by weight.

Aluminium unterstützt die Feinung der auf Antimon und Kupfer beruhenden intermetallischen Phasen. Aus diesem Grunde kann das Weißmetall einen Aluminiumanteil von 0,05 bis 2,5 Gew.% besitzen. Der Aluminiumanteil ist nach oben zu begrenzen, um keinen negativen Einfluss auf die Porosität des Weißmetalls in Kauf nehmen zu müssen. Silizium hat einen ähnlichen Einfluss auf das Weißmetall. Überschüssiges Silizium verbindet sich mit Zirkon und Scandium zu intermetallischen Phasen und verhindert so die Ausbildung von wellenschädigenden primären Siliziumkristallen. Aus diesem Grund werden Silizium und Aluminium vorzugsweise in untereutektischer Zusammensetzung zugegeben, um die Ausbildung von primären Siliziumkristallen zu vermeiden. Es soll daher das Aluminium und das Silizium als heterogenes Phasengemisch vorliegen, wobei der Aluminiumanteil dem 7- bis 45-Fachen des Siliziumanteils entspricht.Aluminum helps to refine the antimony and copper-based intermetallic phases. For this reason, the white metal may have an aluminum content of 0.05 to 2.5 wt.%. The aluminum content must be limited to the top in order not to have to negatively impact the porosity of the white metal. Silicon has a similar influence on the white metal. Excess silicon combines with zirconium and scandium to form intermetallic phases, preventing the formation of wave-damaging primary silicon crystals. For this reason, silicon and aluminum are preferably added in hypoeutectic composition to avoid the formation of primary silicon crystals. It should therefore be the aluminum and the silicon present as a heterogeneous phase mixture, wherein the aluminum content corresponds to 7 to 45 times the silicon content.

Um die Festigkeitseigenschaften des Weißmetalls durch intermetallische Verbindungen zu steigern, kann auch Lithium mit einem Anteil von 0,05 bis 1,6 Gew.% zulegiert werden. Die Zugabe wenigstens eines Metalls aus der Gruppe der seltenen Erden kann schließlich die Gießeigenschaften der Weißmetalllegierung verbessern und die Anfälligkeit gegenüber von Seigerungen vermindern. Außerdem haben diese seltenen Erden eine kornfeinernde Wirkung. Die Gesamtkonzentration der eingesetzten seltenen Erden darf jedoch 1,3 Gew.% nicht übersteigen, wenn nachteilige Einflüsse unterdrückt werden sollen.In order to increase the strength properties of the white metal by intermetallic compounds, it is also possible to alloy lithium in a proportion of 0.05 to 1.6% by weight. Finally, the addition of at least one rare earth metal may improve the casting properties of the white metal alloy and reduce the susceptibility to segregation. In addition, these rare earths have a grain-refining effect. However, the total concentration of the rare earths used should not exceed 1.3% by weight if adverse influences are to be suppressed.

Im Folgenden werden einige Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Gleitlagerlegierung beschrieben.In the following, some embodiments of a plain bearing alloy according to the invention will be described.

Beispiel 1:Example 1:

Claims (9)

4 AT 505 664 B1 Eine Gleitlagerlegierung aus 10,1 Gew.% Antimon, 3,1 Gew.% Kupfer, 0,5 Gew.% Mangan, 0,08 Gew.% Scandium, 0,05 Gew.% Zirkon und 0,1 Gew.% Magnesium, Rest Zinn zeigte eine gute Verformbarkeit und eine Gusshärte von 30,0 HBW 2,5/15, 625/15. Beispiel 2: Zur Steigerung der Festigkeit wurde eine Gleitlagerlegierung mit 15,4 Gew.% Antimon, 4,6 Gew.% Kupfer, 0,3 Gew.% Mangan, 0,07 Gew.% Kobalt, 0,1 Gew.% Magnesium, 0,05 Gew.% Nickel sowie 0,7 Gew.% Zink, Rest Zinn hergestellt. Diese Gleitlagerlegierung wies eine Gusshärte von 36,1 HBW 2,5/15,625/15 auf. Durch ein Kaltwalzen fiel die Härte zwar ab, konnte durch eine Wärmebehandlung aber wieder auf 37,6 HBW 2,5/15,625/15 gesteigert werden, also auf eine Härte über der Gusshärte. Patentansprüche: 1. Gleitlagerlegierung aus Weißmetall auf Zinnbasis, das Antimon als Hauptlegierungselement und 1 bis 10 Gew.% Kupfer enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das bis auf unvermeidbare Verunreinigungen cadmium-, blei-, arsen- und chromfreie Weißmetall 4 bis 30 Gew.% Antimon als Hauptlegierungselement, wenigstens ein Element aus einer Kobalt, Mangan, Scandium und Germanium enthaltenden Elementegruppe in einer auf die eingesetzten Elemente dieser Gruppe bezogenen Gesamtkonzentration zwischen 0,2 und 2,6 Gew.% sowie mindestens ein Element aus einer Magnesium, Nickel, Zirkon und Titan enthaltenden Elementegruppe in einer auf die eingesetzten Elemente dieser Gruppe bezogenen Gesamtkonzentration zwischen 0,05 und 1,7 Gew.% aufweist, wobei der Summenanteil von Antimon und Kupfer bei einem zumindest dem dreifachen Kupfergehalt entsprechenden Antimongehalt höchstens 35 Gew.% beträgt.4 AT 505 664 B1 A plain bearing alloy comprising 10.1% by weight antimony, 3.1% by weight copper, 0.5% by weight manganese, 0.08% by weight scandium, 0.05% by weight zirconium and 0, 1 wt% magnesium, balance tin showed good ductility and a casting hardness of 30.0 HBW 2.5 / 15, 625/15. Example 2: To increase the strength, a plain bearing alloy containing 15.4% by weight of antimony, 4.6% by weight of copper, 0.3% by weight of manganese, 0.07% by weight of cobalt, 0.1% by weight of magnesium was used , 0.05 wt.% Nickel and 0.7 wt.% Zinc, remainder tin. This plain bearing alloy had a casting hardness of 36.1 HBW 2.5 / 15.625 / 15. Although the hardness fell off due to cold rolling, it could be increased again to 37.6 HBW 2.5 / 15.625 / 15 by a heat treatment, ie to a hardness above the casting hardness. 1. plain bearing alloy of tin-based white metal containing antimony as a main alloying element and 1 to 10 wt.% Copper, characterized in that the cadmium, lead, arsenic and chromium-free white metal, except for unavoidable impurities 4 to 30 wt.% Antimony as a main alloying element, at least one element of a cobalt, manganese, scandium and germanium-containing element group in a total concentration of 0.2 to 2.6 wt.% Based on the elements used in this group and at least one element of magnesium, nickel, zirconium and titanium-containing element group in a total concentration based on the elements used in this group between 0.05 and 1.7 wt.%, Wherein the sum of antimony and copper with at least three times the copper content corresponding antimony content is at most 35 wt.%. 2. Gleitlagerlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antimongehalt des Weißmetalls 10 bis 22 Gew.% und der Kupfergehalt 3 bis 7 Gew.% beträgt.2. plain bearing alloy according to claim 1, characterized in that the antimony content of the white metal 10 to 22 wt.% And the copper content is 3 to 7 wt.%. 3. Gleitlagerlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antimongehalt des Weißmetalls 13 bis 18 Gew.% und der Kupfergehalt 3,5 bis 5,5 Gew.% beträgt.3. plain bearing alloy according to claim 1 or 2, characterized in that the antimony content of the white metal 13 to 18 wt.% And the copper content is 3.5 to 5.5 wt.%. 4. Gleitlagerlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Weißmetall 0,6 bis 1,8 Gew.%, vorzugsweise 0,7 bis 0,9 Gew.%, Zink enthält.4. plain bearing alloy according to one of claims 1 to 3, characterized in that the white metal 0.6 to 1.8 wt.%, Preferably 0.7 to 0.9 wt.%, Zinc. 5. Gleitlagerlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Weißmetall wenigstens ein Element aus einer Silber, Gold, Vanadium und Eisen enthaltenden Elementegruppe aufweist, wobei der Einzelanteil dieser Legierungselemente höchstens 4 Gew.% ausmacht, der Summenanteil jedoch höchstens 8 Gew.% beträgt.5. plain bearing alloy according to one of claims 1 to 4, characterized in that the white metal has at least one element of a silver, gold, vanadium and iron-containing element group, wherein the single component of these alloying elements makes up at most 4 wt.%, The sum content, however, not more than 8 % By weight. 6. Gleitlagerlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Weißmetall einen Aluminiumanteil von 0,05 bis 2,5 Gew.% besitzt.6. plain bearing alloy according to one of claims 1 to 5, characterized in that the white metal has an aluminum content of 0.05 to 2.5 wt.%. 7. Gleitlagerlegierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Weißmetall einen Siliziumanteil besitzt, wobei das Aluminium und das Silizium als heterogenes Phasengemisch vorliegen, und dass der Aluminiumanteil dem 7- bis 45-Fachen des Siliziumanteils entspricht.7. plain bearing alloy according to claim 6, characterized in that the white metal has a silicon content, wherein the aluminum and the silicon are present as a heterogeneous phase mixture, and that the aluminum content corresponds to 7 to 45 times the silicon content. 8. Gleitlagerlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Weißmetall einen Lithiumanteil von 0,05 bis 1,6 Gew.% aufweist.8. plain bearing alloy according to one of claims 1 to 7, characterized in that the white metal has a lithium content of 0.05 to 1.6 wt.%. 9. Gleitlagerlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Weißmetall wenigstens ein Metall der seltenen Erden in einer Gesamtkonzentration von 5 AT 505 664 B1 höchstens 1,3 Gew.% enthält. Keine Zeichnung9. plain bearing alloy according to one of claims 1 to 8, characterized in that the white metal contains at least one rare earth metal in a total concentration of 5 AT 505 664 B1 at most 1.3 wt.%. No drawing
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