AT506450B1 - Verfahren zum herstellen eines gleitlagers - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT506 450B1 2010-02-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Gleitlagers, wobei eine Lagermetallschicht aus einer Weißmetalllegierung mit Antimon und Kupfer als Hauptlegierungselemente auf eine metallische Stützschale aufgebracht wird.

[0002] Lagermetallschichten aus einer Weißmetalllegierung auf Zinnbasis mit Antimon und Kupfer als Hauptlegierungsbestandteile werden üblicherweise im Stand- oder Schleuderguss auf eine stählerne Stützschale des herzustellenden Gleitlagers aufgebracht, weil insbesondere bei höheren Anteilen an Antimon und Kupfer zur Steigerung der Lagerbelastbarkeit die Verformbarkeit solcher Lagermetallschichten erheblich leidet. Der Steigerung des Antimon- und Kupfergehaltes werden jedoch vergleichsweise enge Grenzen durch die Versprödung der Weißmetalllegierung und den auftretenden Seigerungseffekten gesetzt. Höhere Anteile an Antimon und Kupfer führen zur Ausscheidung langer, nadelförmiger intermetallischer Phasen aus Kupfer und Zinn, die sich wie die aus Zinn und Antimon gebildeten, würfelförmigen intermetallischen Phasen nachteilig auf die Lagereigenschaften auswirken.

[0003] Zur Gefügeverbesserung von Gleitlagerlegierungen auf Zinnbasis, 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, ist es zwar bekannt (GB 2 146 354 A), Titan in einem Gehalt von 0,005 bis 0,5 Gew.% zuzulegieren, um die Mikrostruktur der Lagerwerkstoffe zu verfeinern und damit die Tragfähigkeit des Gleitlagers zu verbessern, doch können mit solchen Gleitlagern keineswegs höheren Belastungsanforderungen entsprochen werden. Außerdem müssen umweltbelastende Legierungselemente eingesetzt werden.

[0004] Um die Belastbarkeit von ökologischen Weißmetalllegierungen zu steigern, ist es darüber hinaus bekannt (DE 101 45 389 C2), neben Antimon mit einem Anteil von 6 bis 15 Gew.% und einem Kupferanteil von 3 bis 10 Gew.% Wismut mit einem Anteil zwischen 0,1 und 18 Gew.% einzusetzen. Trotz dieser Maßnahmen 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.

[0005] Zum Herstellen eines Gleitlagers wurde außerdem neben dem bevorzugten Aufgießen einer Weißmetallschicht auf eine stählerne Stützschale vorgeschlagen (EP 1 829 630 A2), die Weißmetallschicht bei Raumtemperatur in eine entsprechende Form zu gießen und mit einem Stempel auf die Endabmessungen zu verformen, bevor sie mit einer Lagerschale verbunden wird. Außerdem ist es bekannt (GB 2 068 057 A), eine Weißmetalllegierung zu einer Lagermetallplatine zu gießen, die nach dem Abkühlen auf eine metallische Stützschale aufgebracht wird. Diese bekannten Herstellungsverfahren berücksichtigen allerdings nicht die im Zusammenhang mit Antimon und Kupfer als Hauptlegierungselemente zusammenhängenden Schwierigkeiten hinsichtlich der Versprödung der Weißmetalllegierung.

[0006] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Gleitlager mit einer metallischen Stützschale und einer Lagermetallschicht aus einer Weißmetalllegierung mit Antimon und Kupfer als Hauptlegierungselemente herzustellen, welches Gleitlager auch hohen Anforderungen hinsichtlich der Belastbarkeit und der tribologischen Eigenschaften genügen kann.

[0007] Ausgehend von einem Verfahren zum Herstellen eines Gleitlagers der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, dass zunächst die Weißmetalllegierung gegossen und dann mit einer Abkühlrate von zumindest 100 K/s erstarrt wird, bevor die aus der erstarrten Weißmetalllegierung gebildete Lagermetallschicht auf die Stützschale aufgebracht und mit ihr verbunden wird.

[0008] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass nur dann eine für eine Lagermetall- 1/4 österreichisches Patentamt AT506 450 B1 2010-02-15

Schicht eines Gleitlagers vorteilhafte Gefügestruktur erreicht werden kann, wenn die Weißmetalllegierung aus der Schmelze rasch erstarrt, und zwar mit einem Mindestabkühlgradienten von 100 K/s. Solche Abkühlraten lassen sich jedoch nicht beim Aufgießen der Lagermetallschicht auf die Stützschale im Schleuder- oder Standguss erreichen, weil die Stützschale bei diesen bekannten Verfahren auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt der Weißmetalllegierung erwärmt werden muss, um eine ausreichende Bindung zur Lagermetallschicht sicherzustellen. Dies bedeutet, dass zunächst die Weißmetalllegierung für sich gegossen und während der Erstarrung mit einem Gradienten von mindestens 100 K/s gekühlt werden muss, bevor die aus dieser Weißmetalllegierung gebildete Lagermetallschicht mit der Stützschale verbunden werden kann. Da die Feinheit der Gefügestruktur mit der Abkühlrate zunimmt, empfiehlt sich eine Min-destabkühlrate von 150 K/s. Im industriellen Fertigungsbereich kann die Abkühlrate vorzugsweise zwischen 200 und 400 K/s liegen.

[0009] Durch die feine Gefügestruktur, die durch eine hohe Abkühlrate während der Erstarrung der Schmelze erreicht wird, bleibt auch bei höheren Antimon- und Kupfergehalten eine ausreichende Verformbarkeit der Weißmetalllegierung erhalten, um die erstarrte Lagermetallschicht beispielsweise zu einer Schalenform pressen zu können. Für die Verbindung der Lagermetallschicht mit der Stützschale eignen sich vor allem kohäsive Verbindungsverfahren, wie Löten, Kleben, Reibschweißen und Plattieren, wenn nur sichergestellt ist, dass die Lagermetallschicht höchstens im Bereich der Verbindungsfläche über den Schmelzpunkt erwärmt wird, die durch die rasche Abkühlung während des Erstarrens erreichte feinkörnige Gefügestruktur also über einen wesentlichen Dickenbereich der Lagermetallschicht erhalten bleibt.

[0010] Um eine gute Haftverbindung zwischen der stählernen Stützschale und der Lagermetallschicht zu ermöglichen, kann die stählerne Stützschale vor dem Aufbringen der Lagermetallschicht mit einer Haftvermittlungsschicht versehen werden. Umfasst diese Haftvermittlungsschicht ein Lot mit einem gegenüber der Lagermetallschicht geringeren Schmelzpunkt, so bedarf es keiner besonderen Maßnahmen, um einer Verflüssigung der Lagermetallschicht über eine dünne Verbindungsschicht hinaus entgegenzuwirken.

[0011] Da die Weißmetalllegierung für die Lagermetallschicht vor dem Aufbringen auf die Stützschale gegossen wird, braucht beim Gießen nicht auf die Endabmessungen der Lagermetallschicht Bedacht genommen zu werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, die Gefügestruktur durch eine nachträgliche Umformung zusätzlich zu beeinflussen, vorzugsweise durch ein Kaltwalzen, mit dessen Hilfe die für das jeweilige Gleitlager benötigte Dicke der Lagermetallschicht wirtschaftlich erreicht werden kann. Die Weißmetalllegierung daher in einer das Gießen vereinfachenden Mindestdicke von 4 mm gegossenen werden. Durch das Kaltumformen kann in überraschender Weise der scharfkantige, nadel- bzw. würfelförmige Habitus der bei Weißmetalllegierungen auf Zinnbasis entstehenden intermetallischen Kupfer-Zinn- bzw. Zinn-Antimonphasen gerundet werden. Vergleichbare Verhältnisse treten für entsprechende intermetallische Phasen bei Weißmetalllegierungen auf Blei- oder Wismutbasis auf.

[0012] Das Kaltumformen der Weißmetalllegierung bedingt zwar eine Verminderung der Härte, doch kann dieser Härteabfall durch eine nachfolgende Wärmebehandlung wieder ausgeglichen werden, weil Legierungselemente, wie Antimon, Kupfer sowie Zirkon und Mangan, zu die Weißmetalllegierung härtenden Ausscheidungen führen, wobei unter bestimmten Voraussetzungen Härten erzielt werden können, die über der Gusshärte liegen, ohne eine für die Lagerherstellung erforderliche nachträgliche Verformung der Lagermetallschicht zu gefährden, wie sie z. B. zum Umformen der ebenen Metallplatine mit der aufgebrachten Lagermetallschicht zu einer Lagerhalbschale erforderlich wird. Damit bei einer solchen Umformung auftretende Härteverluste im Bereich der Lagermetallschicht ausgeglichen werden können, kann die gefertigte Lagerhalbschale einer nachträglichen Wärmebehandlung unterzogen werden, die außerdem die Diffusion bestimmter Elemente in die Haftvermittlungsschicht unterstützt, was zu einer Verbesserung der Haftung führt. 2/4 österreichisches Patentamt AT506 450B1 2010-02-15 BEISPIEL 1 [0013] Eine Weißmetalllegierung aus 15 Gew.% Antimon, 4 Gew.% Kupfer, Beimengungen an Zirkon, Kobalt, Mangan und Magnesium, Rest Zinn wurde kontinuierlich auf ein Band gegossen, und zwar in einer Breite von 350 mm und einer Dicke von 12 mm. Unmittelbar nach dem Aufgießen der Weißmetalllegierung auf das Band wurde diese Legierung mit einer Kühlrate von ca. 300 K/s bis zur vollständigen Erstarrung gekühlt. Der auf diese Art erhaltene Gussbarren wurde in weiterer Folge in mehreren Stichen auf eine Dicke von 3 mm abgewalzt. Dabei sank die Gusshärte von ursprünglich 36 HBW 2,5/15,625/15 je nach den Kaltwalzbedingungen um 5 bis 15 Härtepunkte, die intermetallischen Kupfer-Zinn- und Zinn-Antimonausscheidungen wurden jedoch erheblich verfeinert und ihre Kanten abgerundet, wodurch die Dauerfestigkeit verbessert wurde. Die Oberfläche des Lagermetalls wurde dann entfettet und durch Schleifen aktiviert, bevor die Lagermetallschicht auf ein Stahlblech aufgewalzt wurde, das mit einer Haftvermittlungsschicht auf der Basis von Zinn und Zink durch ein Tauchen beschichtet wurde, wodurch sich vorerst eine physikalische Bindung zwischen dem Stahlblech und der Lagermetallschicht durch deren Oberflächenbeschaffenheiten ausbildete. Danach wurde eine Diffusionswärmebehandlung bei einer Temperatur von 190 ± 20 °C während einer Dauer von 4 ± 2 Stunden zur Steigerung der Härte des Lagermetalls und der Bindefestigkeit unter Ausbildung einer atomaren Bindung durch Diffusion durchgeführt. Die stählerne Platine mit der aufgebrachten Lagermetallschicht konnte zu Lagerhalbschalen verpresst und bis zum fertigen Lager bearbeitet werden. Nach dem Verpressen konnte im Versuch durch eine zusätzliche Wärmebehandlung unter ähnlichen Bedingungen wie die vorangegangene Diffusionswärmebehandlung eine weitere Steigerung der Lagermetallhärte von einigen Härtepunkten beobachtet werden, wobei eine Endhärte von 37,6 HBW 2,5/15,625/15 erzielt wurde. BEISPIEL 2 [0014] Eine Weißmetalllegierung aus 22 Gew.% Antimon, 5,5 Gew.% Kupfer sowie Beimengungen an Zirkon und Mangan, Rest Zinn wurde kontinuierlich in einer Breite von 200 mm und einer Dicke von 10 mm unter einer Kühlrate von ca. 350 K/s auf ein Band gegossen. Der Gussbarren wurde anschließend durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 150 ± 20 °C während einer Zeitspanne von 5 ± 2 Stunden homogenisiert und in mehreren Stichen auf das Endmaß von 2,3 mm gewalzt, gerichtet und die Oberfläche durch Schleifen aktiviert. Ein Stahlblech wurde entfettet, geschliffen und anschließend galvanisch mit einer Haftvermittlungsschicht auf Zinnbasis versehen. Mittels induktiver Erwärmung wurde die mit dem Lagermetall zu beschichtende Oberfläche des Verbundkörpers aus Stahlblech und Haftvermittlungsschicht auf eine für das Aufbringen der Lotschicht geforderte Temperatur von 225 ± 20° C gebracht. Auf die noch flüssige Schicht wurde die Lagermetallschicht aufgebracht, wobei geringe Mengen der Lagermetallschicht im Bereich der Bindezone in die schmelzflüssige Phase übergingen um danach sofort wieder zu erstarren. Dadurch bildete sich eine atomare Bindung zwischen Stahl, Haftvermittlungsschicht und Lagermetall. Diese Bindung war ausreichend um die erhaltene Platine in eine Halbschale umzuformen. Eine anschließende Diffusionsglühung bei 190 ± 20 °C für 4 ± 2 Stunden hatte eine positive Wirkung auf die Stabilität sowie die Festigkeit der Bindung sowie auf die Lagermetallhärte, die von 27 HBW 2,5/15,625/15 im verformten Zustand auf 35 HBW 2,5/15,625/15 im fertigen Zustand gesteigert werden konnte.

[0015] Durch den vergleichsweise hohen Kühlgradienten zeigte sich bereits im Gusszustand ein sehr feines Gefüge ohne merkliche Seigerungserscheinungen. 3/4