DE10159949C1 - Verwendung einer Kupfer-Aluminium-Legierung mit definierten Deckschichten als Lagerwerkstoff zur Herstellung von verschleißfesten Gleitlagern - Google Patents
Verwendung einer Kupfer-Aluminium-Legierung mit definierten Deckschichten als Lagerwerkstoff zur Herstellung von verschleißfesten GleitlagernInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Cu-Al-Legierung, bestehend aus 0,01 bis 20% Al, wahlweise weiteren Elementen, Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen, als Lagerwerkstoff zur Herstellung von verschleißfesten Gleitlagern. Dazu weist das Gleitlager eine äußere, verschleißmindernde Deckschicht im Dickenbereich D = 10 nm bis 10 mum auf, die ausschließlich aus Aluminiumoxid besteht.
Description
Die Erfindung betrifft die Verwendung nach Anspruch 1.
Die im Automobilbau eingesetzten Lagerwerkstoffe zeichnen sich durch eine Kombi
nation verschiedener, günstiger Eigenschaften aus.
Hierzu zählen
- - Hoher Elastizitätsmodul
- - Niedriger Reibungskoeffizient
- - Gute Notlaufeigenschaften
- - Gute Korrosionseigenschaften
- - Hohe Festigkeit
Trotzdem entstehen durch Verschleiß jährlich Schäden in Milliardenhöhe.
Diesen zu verhindern, ist daher eine wichtige Aufgabe.
Bei Lagerwerkstoffen wirkt sich die Trennung der Laufpartner durch Zwischen
schichten, z. B. Triboreaktionsschichten, im Allgemeinen verschleißmindernd aus. Die
Bildung der Reaktionsschichten verläuft jedoch fast ausschließlich undefiniert und wird
durch das Zusammenwirken von Druck, Temperatur, Schmierstoff und der che
mischen Reaktion der Laufpartner im Einsatz bestimmt.
Erheblicher Verschleiß lässt sich während der sog. Einlaufphase nachweisen. Aus
diesem Grund wäre es wichtig, vor dem Ersteinsatz einen definierten Verschleiß
schutz aufzubringen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, verschleißmindernde Schichten
definiert auf Gleitlager aufzubringen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verwendung einer aluminiumhaltigen
Kupferlegierung gelöst, die aus 0,01 bis 20% Aluminium, wahlweise einem oder
mehreren Elementen aus der Gruppe Eisen, Kobalt, Mangan, Nickel, Silizium, Zinn bis
insgesamt maximal 20%, wahlweise bis 45% Zink, Rest Kupfer und üblichen
Verunreinigungen besteht und die eine dünne, ausschließlich aus Aluminiumoxid
bestehende Deckschicht der Dicke D aufweist (die Prozentangabe bezieht sich auf
das Gewicht).
Es hat sich herausgestellt, dass Aluminiumoxidschichten den Verschleiß deutlich
reduzieren (Ausbildung sog. Tribooxidationsschichten), wie insbes. das Ausführungs
beispiel zeigt. Die Schichten sind dadurch gekennzeichnet, dass sie extrem hart und
reaktionsträge gegenüber äußeren Einflüssen sind. Die Oxidationsschichtdicke liegt
häufig im Bereich weniger Nanometer (mehrere Atomlagen) was sich an bunt schim
mernden "Anlaufschichten" bemerkbar macht. Dabei wird Licht, welches die Schich
ten passiert, je nach Blickwinkel, durch unterschiedliche, charakteristische Wellenlän
gen reflektiert. Beim Überschreiten einer Grenzschichtdicke verschwindet dieser
Effekt wieder und die Oberflächenfarbe wird durch das Oxid bestimmt.
Obwohl Oxide allgemein sehr spröde sind und durch äußere Krafteinwirkung auf
brechen oder abplatzen, besitzen Anlaufschichten ein hohes Haftungsvermögen. Man
geht davon aus, dass zwei unterschiedliche Strukturen (Metall/Oxid) versuchen,
kohärente oder zumindest semikohärente Grenzflächen zu bilden (Frank von der
Merwe Mechanismus). Es werden sich jeweils die Kristallebenen gegenüberstehen,
die ähnliche Symmetrie und Gittermetrik, also eine Epitaxie aufweisen.
Epitaktische Grenzflächen sind die mit der minimalsten möglichen Energie und
bedingen ein Maximum an Keimen, die mit eben dieser Epitaxie ausgestattet sind. Da
aber Substrat (Metall) und Gast (Oxid) nicht perfekt aufeinander passen, wird diese
Fehlpassung durch elastische Verzerrungen und, falls das nicht ausreicht, durch
Einbau von Grenzflächenversetzungen ausgeglichen, wobei die Grenzfläche ein
energetisches Minimum anstrebt. Mit wachsender Fehlpassung sowie wachsender
lateraler Ausdehnung und Dicke der Gastkeime nimmt die Versetzungsdichte derart
zu, dass sie instabil wird. Der Zusammenhalt (die Haftung) geht verloren.
Aluminiumoxidschichten haben eine hohe thermodynamische Stabilität bei gleichzeitig
kleinen Diffusionskoeffizienten für Ionen. Aluminiumoxidschichten werden sich daher
auch in Atmosphären mit sehr niedrigem Sauerstoffpartialdruck bilden und stabil
bleiben. Aufgrund der o. a. lateralen Wachstumsspannungen neigen jedoch Al2O3-
Schichten auch unter isothermen Bedingungen zum Abplatzen und zur Riß- und
Porenbildung. Grund hierfür ist der parallel, aber gegenläufige Massentransport von
Sauerstoff- und Metallionen im Oxid. Es bildet sich Oxid innerhalb der Oxidschichten
auf Korngrenzen. Die resultierenden Druckspannungen reichen z. B. aus, einseitig
oxidierte Bleche zu verbiegen. Beim Übertritt von Aluminiumionen in das Oxid kommt
es außerdem zu einer Leerstelleninjektion im Metall. Die Leerstellen kondensieren an
der Phasengrenze Metall/Oxid und bilden Poren.
Eine dünne Aluminiumoxidschicht (Anlaufschicht) stellt einen Kompromiß aus guter
Haftfestigkeit und den angegebenen Problemen dar.
In Praxis lassen sich zwar gezielt Oxidationsschichten durch entsprechende Wärme
behandlungen an Luft oder sonstigen sauerstoffhaltigen Atmosphären erzeugen, die
Schutzwirkung wird jedoch durch
- - die Bildung mehrerer thermodynamisch stabiler Oxide bei Legierungen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten
- - Mischoxide (Spinelle) mit häufig hohem Fehlordnungsgrad und entsprechend hohem Diffusionskoeffizienten
reduziert.
Die Bildung von reinen Oxidschichten bei Legierungen ist abhängig von der Tempera
tur und dem jeweiligen Bildungsdruck. Da Al2O3 einen vergleichbar extrem niedrigen
Bildungsdruck besitzt, ist die ausschließliche Bildung von Aluminiumoxid möglich.
Die Ansprüche 2 bis 8 betreffen besondere Ausführungsformen der Erfindung.
Die aluminiumhaltige Kupferlegierung wird gezielt in einer Gasatmosphäre mit gerin
gem Sauerstoffpartialdruck geglüht. Dabei muss der Sauerstoffpartialdruck so
gewählt werden, dass neben Al2O3 kein weiteres Oxid gebildet wird. Derartige
Bedingungen erfüllt "technischer Wasserstoff". Dieser ist in der Regel mit wenigen
ppm (= parts per million) Restsauerstoff bzw. Restfeuchte verunreinigt. Bei Glüh
temperatur bildet sich zwischen dem Wasserstoff und dem (Rest-)Sauerstoff bzw.
dem Wasserstoff und der Restfeuchte (= Wasser) ein thermodynamisches Gleich
gewicht aus, welches durch einen extrem niedrigen Sauerstoffpartialdruck gekenn
zeichnet ist. Dieser Sauerstoffpartialdruck reicht aus, reines Aluminiumoxid zu bilden.
Die anderen Legierungskomponenten werden nicht oxidiert. Spinelle (zusammenge
setzte Oxide) sind ebenfalls unter diesen Bedingungen thermodynamisch instabil.
Durch geeignete Wahl der Reaktionsbedingungen (Temperatur T und Zeit) werden
Aluminiumoxidschichten mit Schichtdicken von wenigen Nanometern gebildet. Diese
Deckschichten verhalten sich pseudoduktil und haben ein sehr hohes Haftvermögen.
Die Glühung unter definierten Bedingungen führt zu einem gleichmäßigen Deck
schichtaufbau, der sich gut reproduzieren lässt.
Damit wird die Aufgabe der reproduzierbaren Erzeugung einer verschleißmindernden
Schicht auf Gleitlagern erfüllt.
Die Bildung dünner Oxidschichten in aluminiumhaltigen Kupferlegierungen ist bereits
aus DE 44 17 455 A1 bekannt. Im Gegensatz zum dort beschriebenen Verfahren
wird hier eine geschlossene Deckschicht durch Einstellung geeigneter Reaktionspara
meter beschrieben.
Die Erfindung wird anhand des folgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert:
Die Untersuchungen über praktische Auswirkungen der Reaktionsschichten wurden auf einem Gleitlagerprüfstand durchgeführt, in dem das Gleitlager oszillierend zu einer feststehenden Welle bewegt wird. Über einen Hebelmechanismus kann über diese Welle eine einstellbare Belastungskraft in das zu prüfende Gleitlager geleitet werden (vgl. beispielsweise den WIELAND-Prospekt: "Gleitelemente", Ausgabe 6/97, insbes. S. 5).
Die Untersuchungen über praktische Auswirkungen der Reaktionsschichten wurden auf einem Gleitlagerprüfstand durchgeführt, in dem das Gleitlager oszillierend zu einer feststehenden Welle bewegt wird. Über einen Hebelmechanismus kann über diese Welle eine einstellbare Belastungskraft in das zu prüfende Gleitlager geleitet werden (vgl. beispielsweise den WIELAND-Prospekt: "Gleitelemente", Ausgabe 6/97, insbes. S. 5).
Im vorliegenden Fall betrug die Belastung 17 N/mm2. Es erfolgten 100 Wech
sel/Minute bei einem Schwenkwinkel von ±30° und Initialschmierung mit Fett.
Als Kriterium für die Wirksamkeit der Reaktionsschicht wurde das Einlaufverhalten
des Lagers herangezogen wie es beispielhaft als Reibwertverlauf über der Zeit
anfällt (vgl. beispielsweise Dubbel: "Taschenbuch für den Maschinenbau"
(20. Auflage/2001), insbes. S. E86/E87).
Gegenüber unbehandelten Lagern zeigen sich folgende Verbesserungen:
- - der Reibwert beginnt auf einem niedereren Niveau,
- - die Einlaufzeit ist kürzer,
- - es kommt nicht zum üblichen Anstieg des Reibwertes, sondern er fällt sofort ab,
- - stabiler Reibwertverlauf
Den Reibwertverlauf einer unbehandelten und einer Buchse mit Reaktions- bzw.
Deckschicht zeigen die Fig. 1 und 2. Die Zusammensetzung beträgt in beiden
Fällen: CuAl10.
Claims (8)
1. Verwendung einer Kupfer-Aluminium-Legierung, bestehend aus 0,01 bis 20%
Aluminium, wahlweise einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe Eisen,
Kobalt, Mangan, Nickel, Silizium, Zinn bis insgesamt maximal 20%, wahlweise
bis 45% Zink, Rest Kupfer und üblichen Verunreinigungen, die eine äußere,
dünne Deckschicht der Dicke D aufweist, die ausschließlich aus Aluminiumoxid
besteht, als Lagerwerkstoff zur Herstellung von verschleißfesten Gleitlagern.
2. Verwendung einer Kupfer-Aluminium-Legierung nach Anspruch 1 mit 5 bis
16% Aluminium für den Zweck nach Anspruch 1.
3. Verwendung einer Kupfer-Aluminium-Legierung nach Anspruch 1 oder 2 mit 9
bis 11% Aluminium für den Zweck nach Anspruch 1.
4. Verwendung einer Kupfer-Aluminium-Legierung nach Anspruch 1 oder 2 mit
14 bis 16% Aluminium für den Zweck nach Anspruch 1.
5. Verwendung einer Kupfer-Aluminium-Legierung nach Anspruch 1 bis 4 mit
einer Deckschicht der Dicke D = 10 nm bis 10 µm für den Zweck nach An
spruch 1.
6. Verwendung einer Kupfer-Aluminium-Legierung nach Anspruch 5 mit einer
Deckschicht der Dicke D = 10 bis 100 nm für den Zweck nach Anspruch 1.
7. Verwendung einer Kupfer-Aluminium-Legierung nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 6, bei der die Deckschicht durch Glühung bei Glühtemperatu
ren T = 400 bis 800°C zwischen 0,5 und 10 h in einer Gasatmosphäre mit
geringem Sauerstoffpartialdruck erzeugt wird, für den Zweck nach An
spruch 1.
8. Verwendung einer Kupfer-Aluminium-Legierung nach Anspruch 7, bei der die
Deckschicht durch Glühung in "technischem Wasserstoff" erzeugt wird, für den
Zweck nach Anspruch 1.
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