DE102012207503A1

DE102012207503A1 - Verfahren zum Aufbringen eines Gleitlagermaterials auf Basis von CuFe2P

Info

Publication number: DE102012207503A1
Application number: DE102012207503A
Authority: DE
Inventors: Holger Schmitt; Gaetano Fabio Cosentino; Daniel Meister
Original assignee: Federal Mogul Wiesbaden GmbH
Current assignee: Federal Mogul Wiesbaden GmbH
Priority date: 2012-05-07
Filing date: 2012-05-07
Publication date: 2013-11-07
Also published as: WO2013167300A1

Abstract

Es wird ein Verfahren bereitgestellt, bei dem ein Gleitlagermaterial auf Basis von CuFe2P mittels Walzplattieren auf eine Stützschicht aufgebracht wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines bleifreien Gleitlagerwerkstoffes mit einer Matrix auf CuFe2P-Basis auf eine Stützschicht.
Stand der Technik
Bleifreie gesinterte Gleitlagerwerkstoffe auf Kupfer-Basis, insbesondere auf Basis einer Bronzematrix, sind bekannt für ihre gute Wärmeleitfähigkeit sowie ihre hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu gleichartigen bleihaltigen Werkstoffen. Der Entwicklung solcher Werkstoffe lag der Wunsch zu Grunde, bleihaltige Gleitlagerwerkstoffe zu ersetzten, da Blei als ein die Umwelt belastender Schadstoff eingestuft ist. Blei hat im Gleitlagerwerkstoff die Funktion eines Festschmierstoffes. Für diese Feststoffschmierung muss ein Ersatz gefunden werden. Andernfalls kann beispielsweise ein einphasiger Bronzewerkstoff eine erhöhte Fressneigung unter Mischreibungsbedingungen aufweisen. Unter diesem Gesichtspunkt sind in der Literatur und in der Praxis eine Reihe unterschiedlicher Zusammensetzungen untersucht worden und zur Anwendung gelangt.
Insbesondere beschreibt die DE 10 2009 002 894 A1 den Einsatz von CuFe2P als Gleitlagerwerkstoff mit hoher thermischer Leitfähigkeit und guten mechanischen Eigenschaften. Zur Herstellung von Gleitlagern wird die Lagermetallschicht aus CuFe2P durch Sintern oder Gießen auf eine Stahlstützschicht aufgebracht.
Durch das Aufbringen mittels Sintern und insbesondere Gießen kommt es jedoch zur Eisenanreicherung in dem Gleitlagerwerkstoff auf CuFe2P-Basis, wodurch die Mikrostruktur und die thermische Leitfähigkeit von CuFe2P negativ beeinflusst werden.
Beim Aufbringen durch Sintern muss darüberhinaus das notwendige Pulver mittels eines teuren Verdüsungsprozesses hergestellt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Aufbringen eines Gleitlagermaterials auf Basis von CuFe2P bereitzustellen, das die oben genannten Nachteile vermeidet.
Zusammenfassung der Erfindung
Überraschenderweise wurde nun herausgefunden, dass sich CuFe2P vorteilhaft durch Walzplattieren auf die Stützschicht aufbringen lässt.
Daher betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Aufbringen eines Gleitlagermaterials (d. h. einer Gleitschicht) auf Basis von CuFe2P auf eine Stützschicht, bei dem das Gleitlagermaterial auf Basis von CuFe2P auf die Stützschicht walzplattiert wird.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Das erfindungsgemäß als Basis des Gleitlagermaterials eingesetzte CuFe2P (CW107C; C19400) ist eine Kupferlegierung, die nach der DIN EN Spezifikation 2,1–2,6 Gew.-% Fe, 0,05–0,2 Gew.-% Zn, 0,015–0,15 Gew.-% P, bis zu 0,03 Gew.-% Pb und bis zu 0,2 Gew.-% sonstige Zugaben enthält. Eine für die Zwecke der vorliegenden Erfindung besonders geeignete Legierung ist unter der Bezeichnung Wieland-K65^® erhältlich und hat folgende Zusammensetzung (Richtwerte):

Gew.-%

Fe 2,4

Zn 0,12

P 0,03

Cu Rest
Erfindungsgemäß wird das Gleitlagermaterial auf CuFe2P-Basis mittels Walzplattieren auf eine Stützschicht, insbesondere eine Stützschicht aus Stahl, aufgebracht.
Erfindungsgemäß kann das Walzplattieren beispielsweise mittels Warmwalzplattieren oder Kaltwalzplattieren durchgeführt werden (siehe z. B. Stahl-Informations-Zentrum, Merkblatt 383 – Plattiertes Stahlblech).
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein geeignetes Vormaterial (z. B. Strangguss oder daraus ausgewalztes Band) auf die Stahlstützschicht aufplattiert. Obwohl anschließend in der Regel noch ein Glühschritt erforderlich ist, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren überraschenderweise die aus der Stützschicht in das Gleitlagermaterial diffundierende Menge an Eisen stark reduziert werden, so dass die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Gleitlagermaterials nicht mehr negativ beeinflusst werden. So enthält beispielweise ein auf eine Stützschicht aus Stahl gegossenes Gleitlagermaterial etwa 0,8 Gew.-% eindiffundiertes Eisen entlang der Bindungszone (Grenzfläche), ein gesintertes Gleitlagermaterial etwa 0,1 Gew.-% eindiffundiertes Eisen, während bei einem aufplattierten Gleitlagermaterial nur etwa. 0,03–0,1 Gew.-% eindiffundiertes Eisen nachgewiesen werden konnten.
Darüberhinaus kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das aufzuplattierende Material auf Basis von CuFe2P vor dem Walzplattierschritt wärmebehandelt oder auf andere Weise modifiziert bzw. optimiert werden, ohne dass dabei die Stützschicht beeinflusst wird.
In der Regel führt das Walzplattieren zwar zu einer geringeren Bindung zwischen dem aufgebrachten Material und der Stahlstützschicht. Dieser Nachteil kann allerdings dadurch verhindert werden, dass in dem erfindungsgemäßen Verfahren nach dem Walzplattieren ein Schritt des Glühens zur Rekristallisation durchgeführt wird. Das Glühen zur Rekristallisation erhöht die Bindung des Gleitlagermaterials auf Basis von CuFe2P zum Stahl, da Interdiffusion auftritt und Spannungen an der Grenzfläche abgebaut werden. Trotz der auftretenden Interdiffusion kommt es jedoch überraschenderweise nicht zur Lösung einer nennenswerten Menge an eindiffundiertem Eisen in der Matrix aus CuFe2P.
Zwischen den Walzschritten können gegebenenfalls weitere Glühschritte durchgeführt werden, um die Bindung weiter zu verbessern und gleichzeitig durch Verringerung der Lagermetallhärte das Abwalzen zu erleichtern.
Außerdem kann die Bindung durch einen höheren Gesamtumformgrad während des Walzplattiervorgangs verbessert werden. Dabei wird bevorzugt mit einem Gesamtumformgrad von bis zu 80%, bevorzugter mit einem Gesamtumformgrad von 40–60%, gearbeitet. Bei einem höheren Gesamtumformgrad wird auch eine stärkere Längung des Werkstoffes erreicht, was zu einer besseren Materialausnutzung führt.
In der Matrix des Gleitlagermaterials auf Basis von CuFe2P liegen harte Fe₂P-Teilchen vor, die nicht durch spezielle Schritte eingebracht werden müssen. Diese Hartteilchen führen zu einer hohen Abriebbeständigkeit. Sie dienen ferner als Spanbrecher, wodurch sich die Bearbeitbarkeit des Werkstoffes, beispielsweise beim Bohren des Lagers, verbessern lässt. Die vorhandenen Fe₂P-Partikel führen zu guten Poliereigenschaften gegenüber dem Gegenläufer und verhindern dadurch das Fressen des Gleitlagers und den möglichen. Übertrag von Lagermaterial auf den Gegenläufer und die damit verbundene Anhaftung des Lagers am Gegenläufer.
Wird das Gleitlagermaterial auf Basis von CuFe2P mittels Warmwalzplattieren bei entsprechender Temperatur (bevorzugt mehr als 600°C) aufgebracht, findet während der Umformung eine direkte Rekristallisation statt, Dadurch kann ein besonders feinkörniges Gefüge mit einer homogenen und feinen Verteilung der Fe₂P Partikel hergestellt werden, was zu einer Verbesserung der mechanischen Kennwerte der walzplattierten Legierung führt. In dieser Ausführungsform entfällt das separate Rekristallisationsglühen am Ende des Verfahrens und das abschließende Walzen zur Einstellung der Endhärte kann direkt erfolgen.
Da das Warmwalzplattieren in der Regel unter einer reduzierender Atmosphäre (0–30%, bevorzugt 10–20% H₂ _; Rest N₂) in einem geschlossenen System durchgeführt wird, kann somit eine erneute Bildung von Oxidschichten auf der Oberfläche der Werkstoffe vermieden werden, so dass die Bindung weiter verbessert wird.
Wenn eine möglichst starke Bindung gewünscht wird, ist daher der Einsatz von Warmwalzplattieren bevorzugt.
Allerdings kommt es beim Warmwalzplattieren in der Regel zu stärkeren Diffusionsvorgängen als beim Kaltwalzplattieren. Wenn das Vermeiden des Eindiffundierens von Eisen in das Gleitlagermaterial im Vordergrund steht, ist daher Kaltwalzplattieren bevorzugt.
Falls gewünscht, kann die Bindung auch durch Anschleifen des gegossenen CuFe2P-Bandes und/oder der Stahlstützschicht verbessert werden. Ein solches Anschleifen führt zu einem Aufrauen und so zu einem mechanischen. ”Verhaken” der zu verbindenden Materialien. Außerdem beseitigt das Anschleifen Oxidschichten auf der Oberfläche und führt so zu einer Aktivierung der Bindungszone.
Das erfindungsgemäß eingesetzte Verfahren umfasst bevorzugt folgende Schritte in der angegebenen Reihenfolge:

– Gießen, insbesondere mittels Stranggießverfahren, wie Bandgießen (Belt Casting, Gießwalzen (Roll Casting) oder Druckgießen (Die Casting);
– Glühen zur Homogenisierung, bevorzugt 4 bis 12 Stunden bei 600–800°C;
– Walzen, gegebenenfalls in mehreren Schritten;
– optional Glühen, bevorzugt bei 400–600°C, um die Härte vor dem Walzplattieren zu verringern;
– Walzplattieren, bevorzugt mittels Warm- oder Kaltwalzplattieren;
– optional Glühen zur Rekristallisation, bevorzugt 5–20 Minuten bei 600–800°C;
– optional Walzen.

Mittels des letzten Walzschritts kann die Härte des Gleitlagermaterials auf Basis von CuFe2P eingestellt werden. Dabei wird das Material umso härter je größer der Verwalzungsgrad gewählt wird. Bei Einsatz als Lagerwerkstoff beträgt die Härte des erfindungsgemäß hergestellten Gleitlagermaterials bevorzugt 120 HBW 1/5/30 (Brinellhärte nach DIN EN ISO 6506-1) oder weniger, bevorzugter 100 HBW 1/5/30 oder weniger. Bei Einsatz als Buchsenwerkstoff beträgt die Härte bevorzugt 120 HBW 1/5/30 oder mehr, bevorzugter 140 HBW 1/5/30 oder mehr. In der Regel führt ein Verwalzungsgrad von etwa 5% zu Härten unterhalb 100 HBW 1/5/30, ein Verwalzungsgrad von etwa 10% führt zu einer Härte von kleiner oder gleich 120 HBW 1/5/30 und ein Verwalzungsgrad von etwa 15% zu einer Härte von kleiner oder gleich 140 HBW 1/5/30.
Während des Gießens können auch weitere Hartteilchen in das Gleitlagermaterial auf Basis von CUFe2P eingebracht werden, die die Polierwirkung noch verstärken. Geeignete Hartteilchen schließen z. B. Partikel aus AlN, Al₂O₃, NiB, Fe₂B, SiC, TiC, WC, W₂C, Mo₂C, c-BN, MoSi₂, Si₃N₄, Fe₃P, Fe₂P, Fe₃B, TiO₂ und ZrO₂ ein. Darüberhinaus können auch andere Zusatzstoffe, z. B. Festschmiermittel wie h-BN oder Graphit, in das Gleitlagermaterial auf Basis von CuFe2P eingebracht werden.
Die in der DE 10 2009 002 894 A1 beschriebenen vorteilhaften Eigenschaften von CuFe2P als Gleitlagermaterial bleiben daher auch bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009002894 A1 [0003, 0026]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 6506-1 [0024]

Claims

Verfahren zum Aufbringen einer Matrix auf Basis von CuFe2P auf eine Stützschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix auf Basis von CuFe2P mittels Walzplattieren aufgebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Walzplattieren mittels Warmwalzplattieren oder Kaltwalzplattieren erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Gießen, insbesondere mittels Stranggießverfahren; – Glühen zur Homogenisierung; – Walzen, gegebenenfalls in mehreren Schritten; – optional Glühen; – Walzplattieren, bevorzugt mittels Warmwalzplattieren oder Kaltwalzplattieren; – optional Glühen zur Rekristallisation; – optional Walzen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Stützschicht aus Stahl besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagerverbundwerkstoffs, umfassend das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Matrix auf Basis von CuFe2P als Gleitlagermaterial auf eine Stützschicht aufgebracht wird.
Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements oder Gleitlagers, umfassend das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Matrix auf Basis von CuFe2P als Gleitlagermaterial auf eine Stützschicht aufgebracht wird.
Gleitlagerverbundwerkstoff, erhältlich nach dem Verfahren nach Anspruch 5.
Gleitelement oder Gleitlager, erhältlich nach dem Verfahren nach Anspruch 6.