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Die
Erfindung betrifft ein Gleitelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Es
sind verschiedene zinnhaltige Kupferlegierungen bekannt, beispielsweise
die Kupferlegierung C51000, welche 4,2 bis 5,8 Zinn und als Rest Kupfer
enthält,
und die Kupferlegierung C52100, die 7,0 bis 9,0 Zinn und als Rest
Kupfer enthält.
Derartige Zinnbronzen enthalten zudem geringe Mengen an Phosphor.
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Beträchtlich
viel Zeit und Mühe
ist bisher in die Herstellung von Zinnbronzen investiert worden, um
die Warmverarbeitungsfähigkeit
dieser Legierungen zu verbessern. Von Warmverarbeitung spricht man
bei einer Verformung der Legierung bei einer Temperatur oberhalb
der Rekristallisationstemperatur. Da die Zinnbronzen typischerweise
zu starker Rissbildung im Falle einer Warmverarbeitung neigen, sind
sie bisher von der Industrie als kaltverarbeitbare oder kaltwalzbare
Legierungen behandelt worden. Die beim Warmverarbeiten oder Warmwalzen
dieser Legierungen auftretende Rissbildung reicht von leichter Oberflächenrissigkeit
bis zu völligem
Bruch der Legierung.
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Es
gilt allgemein die Auffassung, dass die oben erwähnte Rissbildung durch die
Gegenwart des niedrig schmelzenden Bestandteils Kupferphosphid und
einer niedrig schmelzenden, zinnreichen, mit ”Delta” bezeichneten Phase verursacht
werden. Bei der Temperatur, bei der die Legierung beispielsweise gewalzt
wird, sind diese Bestandteile geschmolzen vorhanden und führen zu
einer physischen Schwächung
des Korngefüges
der Legierung, welche die Rissbildung verursacht.
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Kupferphosphid
bildet sich als Resultat aus dem zugegebenen Phosphor, der als Desoxidationsmittel
in der Legierungsschmelze verwendet wird. Die Desoxidationswirkung
verhindert eine Oxidation des Zinns und ist wichtig, damit die größtmögliche Dichte
eines Gussstücks
mit einer Restmenge Phosphor erhalten wird. Die oben erwähnte zinnreiche Delta-Phase
und das Kupferphosphid bilden sich in der Legierung während der
Verfestigung und erscheinen in der Struktur in denjenigen Bereichen
die zuletzt erstarren.
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Wegen
der schädlichen
Wirkung des Kupferphosphids und der zinnreichen Delta-Phase ist die Temperatur
für die
Warmverarbeitung von Zinnbronzelegierungen auf einen Bereich von
etwa 540°C
bis 620°C
begrenzt, d. h. das Kupferphosphid wird bei etwa 620°C flüssig und
verursacht eine Schwächung der
Legierungsstruktur und die anschließende Rissbildung, wenn die
Legierung bei Temperaturen über 620°C bearbeitet
wird.
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Beim
Kaltbearbeiten wird die Legierung entsprechend verfestigt. Mit zunehmender
Verfestigung muss die Legierung geglüht werden, damit eine Rekristallisation
der bearbeiteten Struktur eintritt, ehe die Verarbeitung fortgesetzt
werden kann. Verschiedene Glühstufen
können
so beim Kaltwalzen der Legierung auf eine für die Fertigbearbeitung geeignete Zwischenstufe
erforderlich sein. Ein solches Verfahren ist vom Standpunkt des
Walzwerkbetriebs zeitaufwändig
und macht zwischengeschaltete Bearbeitungsstufen nötig die,
wenn man sie minimieren könnte,
eine Kostenoptimierung bedeuten würden.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 1 908 590 A sind Zinnbronzen und Verfahren
zu ihrer Herstellung bekannt. Derartige Zinnbronzen zeichnen sich
durch hohe Zugfestigkeit und Beständigkeit gegen Ermüdung, eine
gute allgemeine Korrosionsfestigkeit und besonders große Festigkeit
gegen Spannungsrisskorrosion aus. Derartige Legierungen können auf
den verschiedensten Gebieten, zum Beispiel für elektrische Kontakte, Membrane,
Bälge,
Federn und Schiffszubehör metallteile,
verwendet werden. Hierzu wird bei diesen die Zinnbronzen noch zumindest
0,05% eines Gemisches aus Metallen der seltenen Erden zugesetzt.
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Auch
sind in der Druckschrift
US 3,923,558 Phosphorbronzen
mit einem guten Warmumformvermögen
beschrieben. Die Phosphorbronzen enthalten neben 2,0 bis 11,0% Zinn
und 0,01 bis 0,3% Phosphor noch weitere Übergangsmetalle und insbesondere
bis 0,8% Chrom und bis 2,0% Eisen bzw. Kobalt. Die Zugabe von Übergangsmetallen
in die Legierung soll dabei eine für Warmumformen geeignete Gussstruktur
erzeugen. Eisen bzw. Kobalt sollen eine gefeinte Kornstruktur bewirken
und die Bildung von nieder schmelzenden Cu-P- und Cu-P-Sn-Phasen reduzieren,
welche die Warmumformbarkeit beeinträchtigen würden. Phosphorbronzen mit Zinngehalten
um ca. 5 Gew.-% werden als nicht warmwalzbar angesehen. In diesem
Zusammenhang wird nur den mit zusätzlichen Übergangsmetallen modifizierten Phosphorbronzen
auch eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften zugeschrieben.
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Des
Weiteren sind aus der Druckschrift
US 2004/0007294 A1 Phosphorbronzen
bekannt, die sich als Streifen auf eine Fertigung von elektrischen Bauteilen,
wie beispielsweise Anschlussklemmen, beschränken. In dieser Druckschrift
ist das Problem von Seigerungsstreifen und deren Umbildung durch zahlreiche
Umform- und Glühschritte
geschildert. Durch eine mehrmalige Wiederholung der Verfahrensschritte
wird das Gefüge
entsprechend umgebildet. Um von der beschriebenen Ausgangsdicke
40 mm mit ca. 50% Kaltumformung auf 0,2 mm Enddicke zu gelangen,
müssen
auf diese Weise bis zu 8 Kaltumformungen und 7 Zwischenglühungen durchgeführt werden.
Mit einem maximalen Umformgrad von 70% werden dann immer noch 5
Kaltumformungen und 4 Rekristallisationsglühen benötigt.
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Die
vergleichsweise geringe Festigkeit von band- und rohrförmigen Zinnbronzen
6 mit weniger als Gew.-% Sn und mittleren Korngrößen über 10 μm, erlaubt beispielsweise nicht
den Einsatz von CuSn4 für
mechanisch hochbeanspruchte Gleitlager. Zudem ist bekannt, dass
die Adhäsionsneigung
von Zinnbronzen mit abnehmendem Sn-Gehalt zunimmt, wodurch herkömmliches
CuSn4 für
den Einsatz als tribologisch hochbeanspruchtes Gleitlager als nicht
geeignet angesehen wird.
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Des
Weiteren ist aus der Druckschrift
GB 2 384 007 A ein Verbundgleitelement aus
einer auf Stahl als Trägermaterial
aufgebrachten pulverförmigen
Kupfer oder Kupferlegierungsschicht bekannt. Die Herstellung der
Gleitschicht auf dem Trägermaterial
umfasst eine zweistufige Abfolge eines Sinter-/Walzprozesses, gefolgt
von einer abschließenden
Temperaturbehandlung über
der Rekristallisationstemperatur des Gleitmaterials und unter derjenigen
des Stahls. Insbesondere die abschließende Temperaturbehandlung
führt bei
längeren
Prozesszeiten jedoch wieder zu einer Kornvergröberung der gesinterten Gleitschicht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleitelement auf der Basis
von Zinnbronzen mit höherer
Festigkeit und verbesserten tribologischen Eigenschaften gegenüber herkömmlichen
Materialien weiterzuentwickeln.
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Die
Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben.
Die weiteren rückbezogenen
Ansprüche
betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
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Die
Erfindung schließt
ein Gleitelement, bestehend aus zumindest einer Gleitlagerschicht
ein, wobei die Gleitlagerschicht aus einer Zinnbronze mit folgender
Zusammensetzung besteht [Gew.-%]:
Sn: 3,7 bis 5,1
P: 0,03
bis 0,06
Rest Cu und übliche
Verunreinigungen, und
wobei die Zinnbronze eine mittlere Korngröße von 5 μm und kleiner
aufweist.
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Die
Erfindung geht dabei von der Überlegung aus,
dass insbesondere der vergleichsweise geringe Phosphorgehalt im
Bereich von 0,03 bis 0,06 Gew.-% bei der Legierung von besonderer
Bedeutung ist. Bei einem Anteil unter 0,06 Gew.-% werden keine nennenswerten
Anteile an niedrig schmelzenden Cu-P- und Cu-P-Sn-Phasen gebildet. Mit der Untergrenze von
0,03 Gew.-% wird beim Gießvorgang
eine unerwünschte
Sn-Oxidbildung noch wirksam verhindert. Hierdurch wird die Warmumformbarkeit
der Legierung in ganz erheblichem Maße verbessert und ein hoher
Umformgrad beim Warmwalzen gewährleistet.
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Der
besondere Vorteil besteht darin, dass bei gleicher mechanischer
Festigkeit Werkstoffe aus Zinnbronze mit sehr feinkörnigem Gefüge duktiler sind
als die bisher bekannte grobkörnige
Variante. Dieser Vorteil ist besonders nützlich, wenn Lagerbuchsen sich
durch Einpressen dem Gehäuse
anpassen müssen
oder wenn im schon harten oder federharten Zustand Schmiertaschen
geprägt
werden oder Schmierbohrungen gestanzt werden müssen. Die erfindungsgemäßen Gleitelemente
können
mit feinkörnigem
Material prinzipiell dünnwandiger
konstruiert werden.
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So
besitzen niedrig zinnhaltige Bronzen einen höheren Elastizitätsmodul
als höher
zinnhaltige Werkstoffe. Aufgrund der Textur von Bänder aus
feinkörnigen
Zinnbronzen weisen diese ein deutlich geringeres Volumen an Körnern mit
Würfellage <100> auf. Kristallite mit
Würfellage
besitzen jedoch den kleinsten E-Modul. Der E-Modul von feinkörnigen Bronzebändern ist
daher auch texturbedingt höher als
der E-Modul grobkörniger
Bandwerkstoffe. Das mit Auffedern bezeichnete Rückfederverhalten von Gleitlagern
wird maßgeblich
durch das Verhältnis
aus Rp0.2/E und dem Verhältnis aus Rollradius zur Banddicke
geprägt.
Bei gleicher Festigkeit federn daher niedrigzinnhaltige und feinkörnige Werkstoffe
weniger auf als hochzinnhaltige und grobkörnige.
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Die
für eine
dynamische Belastung notwendige Wandstärke für Lagerbuchsen mit herkömmlichem
Korngefüge
mit mittleren Korndurchmessern von 10 bis 50 μm läßt eine material- und damit
gewichtssparende Reduzierung der Wanddicke nicht zu. Bei den erfindungsgemäßen sehr
feinkörnigen Zinnbronzen
hat sich gezeigt, dass die dynamische Festigkeit auf Grund der Feinkörnigkeit
und der durch den geänderten
thermo-mechanischen Prozess veränderten
Textur signifikant höher
ausfällt
als für
Bronzen gleicher chemischer Zusammensetzung aber mit gröberem Gefüge. Beispielsweise
sind für
den Belastungsfall einer reinen Biege wechselbeanspruchung (Verhältnis aus
Unterspannung zur Oberspannung R = –1) für Blattfedern aus Bronze mit
10 bis 20 μm Korndurchmesser
normierte Biegewechselfestigkeiten von 0,3 bis 0,4 × Rm, für besonders
feinkörnige Bänder mit
2 μm Korndurchmesser
jedoch 0,5 bis 0,55 × Rm
gemessen worden. Dieser gefügebedingte
Vorteil nutzt der Lebensdauer feinkörniger Gleitelemente.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung werden
so mit deutlich reduziertem Zinngehalt die Eigenschaften höher legierter
Zinnbronzen dargestellt. Hochzinnhaltige bisher verwendete Lagerwerkstoffe besitzen
einen hohen Metallwert. Die Verwendung von Bronzen mit niedrigem
Zinngehalt bietet eine Möglichkeit,
dem ständigen
Kostendruck zu begegnen.
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Strangguss
von Zinnbronzen und Warmwalzen von Gußblöcken mit anschließendem Kaltumformen
stellt die gegenüber
dem Bandguss wirtschaftlichere Variante zur Produktion von Vorwalzbändern dar.
Einschränkend
auf die Ausbringung wirkt sich bei Zinnbronzen mit Sn-Gehalten von
6 Gew.-% und mehr das vergleichsweise schlechte Warmumformvermögen der
vorhandenen zinnreichen Delta-Phase aus.
Wegen Einrissen müssen
dann zum Teil die Bandkanten entfernt werden. Dieser Materialverlust wird
optimiert, wenn für
Buchsen die erfindungsgemäße Legierungszusammensetzung
eingesetzt werden kann.
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In
besonders bevorzugter Ausführungsform kann
die Zinnbronze folgende Zusammensetzung aufweisen [Gew.-%]:
Sn:
3,7 bis 4,3
P: 0,03 bis 0,05
Rest Cu und übliche Verunreinigungen.
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Diese
Zusammensetzung der feinkörnigen Legierung
eignet sich besonders für
den Einsatz bei Gleitelementen.
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Vorteilhafterweise
kann die Zinnbronze nur einer Warmumformung und zumindest einer
nachfolgenden Kaltumformung und nur einer Rekristallisationsglühung unterzogen
sein. Hierdurch werden Kosteneinsparungen bei der Bearbeitung der
Legierung erzielt.
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In
weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann die mittlere
Korngröße von 3 μm und kleiner
sein. Dies ist eine mittlere Korngröße, aus der eine weitere Verbesserung
der thermomechanischen Eigenschaften resultiert.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung kann die Dicke der Gleitlagerschicht 0,1 mm bis 4
mm betragen. Derartige Banddicken eignen sich besonders zur Herstellung
massiver Gleitlager über
1 mm bis zu 4 mm.
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Bevorzugt
kann das Gleitelement eine Gleitlagerbuchse oder Gleitlagerschale
oder Anlaufscheibe sein. Hierbei können beispielsweise Buchsen
für Gleitlager
aus feinkörnigem
Dickband und massive Buchsen für
Gleitlager aus Abstichen feinkörnig
gefertigter Press-/Ziehrohre hergestellt sein.
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Das
Gleitelement kann als Verbundgleitelement ausgebildet sein.
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Alternativ
kann in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung das Gleitlagerelement
auch nur aus der Gleitlagerschicht selbst bestehen und gegebenenfalls
mit weiteren funktionalen Deck- bzw. Zwischenschichten versehen
sein. Hierzu sind die Bänder
beispielsweise für
Lagerbuchsen wenigstens 0,5 bis 3 mm dick. Im praktischen Versuch
wurden feinkörnige
Bänder
mit den für
Lagerbuchsen typischen Banddicken zwischen 1,0 und 2,5 mm aus CuSn4
gewalzt und zu Buchsen verarbeitet. Die Festigkeit, die thermische
Stabilität
im Zusammenhang mit dem Setzverhalten, das Verschleißverhalten
und die dynamische Festigkeit wurden getestet. Es hat sich gezeigt,
dass diese Buchsen mit den aufgefundenen Eigenschaftskombinationen
eine sinnvolle Ergänzung zu
herkömmlichen
höherzinnhaltigen
Werkstoffen darstellen.