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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Gleitlager mit einer Lagerfläche, die eine bleifreie Legierung aufweist, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gleitlagers.
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Stand der Technik
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Gleitlager mit Lagerflächen der eingangs genannten Art finden breite Anwendung. Da Blei als ein die Umwelt belastender Schadstoff eingestuft ist und gesetzlich die Umstellung von bleihaltigen auf bleifreie Lager- und Buchsenwerkstoffe vorgeschrieben ist, mussten und müssen weiterhin geeignete Ersatzwerkstoffe für die bleihaltigen Gleitlagerwerkstoffe gefunden werden. Blei erfüllte die Funktion eines Festschmierstoffs und sorgte für Härten zwischen 60 und 120 HBW in der fertiggestellten Buchse oder dem fertiggestellten Lager. Durch Aufschmelzen von Blei im Trockenlauf konnten gleichzeitig gute Notlaufeigenschaften erreicht werden.
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Insgesamt weisen bleifreie Werkstoffe jedoch eine höhere Härte auf, sodass die Anpassungsfähigkeit bei Kantenträgern, zum Beispiel durch Durchbiegung des Gegenläufers (Wellen, Bolzen usw.), abnimmt. Die Kanten eines Lagers sind immer höher belastet, da jede Welle (jeder Bolzen) unter Last eine Durchbiegung aufweist. Es kommt somit immer zu einer Art Kantenträger, denen zum Beispiel durch eine spezielle geometrische Gestaltung, wie eine konvexe Gleitlageroberfläche (
US 6089755 A ,
JP 2001 063396 A ,
DE 102005011372 B4 ), entgegengewirkt werden kann. Im Fall eines Kantenträgers weist das Lager dann geringere Kantenlasten auf und der Verschleiß an den Kanten wird geringer.
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Derzeit werden als bleifreie Werkstoffe Kupfer-basierte Werkstoffe, wie zum Beispiel CuSn8Ni, gesintert auf Stahl, CuNi2Si, gegossen auf Stahl (siehe
DE 102005063324 B4 ), CuSn10Bi3.5, gesintert auf Stahl (siehe
EP 1434665 B1 ), und CuSn10Bi3.5 mit Hartpartikeln, gesintert auf Stahl (siehe
WO 2009/017501 A1 ), bei Lagermetalloberflächenhärten zwischen 100 und 180 HBW verwendet. Auch Aluminium-basierte Werkstoffe mit Zinn, wie zum Beispiel AlSn20Ni2, plattiert auf Stahl, und AlSn10Ni2MnCu, plattiert auf Stahl, können verwendet werden, wobei Zinn unter Mischreibung im Trockenlauf aufschmilzt und die Notlaufeigenschaften verbessert.
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Aus der
DE 10 2009 002 894 A1 ist des Weiteren die Verwendung von CuFe2P als Gleitlagerwerkstoff bekannt.
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Derartige Werkstoffe haben sich bewährt. Allerdings hat sich gezeigt, dass insbesondere die Einbettfähigkeit und die Anpassungsfähigkeit von bleifreien Bronzewerkstoffen generell zu niedrig ist, um auf Dauer und ohne zusätzliche Gleitschichten (Sputter, IROX, Galvanik) Schmutzeintrag und Kantenträger zu tolerieren. Darüber hinaus werden Werkstoffe entwickelt, deren Lastbeständigkeit und damit auch deren Lagermetallhärte höher als die der bisherigen bleifreien Aluminium-basierten und Kupfer-basierten Werkstoffe liegen. Dadurch ist die Toleranz gegenüber Kantenträgern und Mischreibungsbedingungen weiter verringert.
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Aus der
US 2005/0196085 A1 ist ein Gleitlager bekannt, das mehrere kleine konkave Abschnitte auf der Lagerfläche aufweist. Diese dienen dazu, ein Schmiermittel zu speichern, sodass der Reibungswiderstand reduziert wird, und können mittels einer Laserbehandlung hergestellt werden.
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Ferner wird in dem Buch „Oberflächenbehandlung mit Laserstrahlung” von Eckhard Beyer und Konrad Wissenbach (Springer-Verlag, 1998) gezeigt, dass die Härte von CuFe2P mittels Laserstrahlung verringert werden kann, da es zur Rekristallisation kommt. Dabei muss das ganze Band durchgehend erwärmt werden. Als Anwendungsbeispiel wird ein Band (Coil) dieser Legierung angegeben, dessen Umformbarkeit lokal im wärmebehandelten Bereich, der Biegekante, erhöht ist.
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Darstellung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers mit einer bleifreien Legierung in der Lagerfläche und ein solches Gleitlager zu schaffen, das eine erhöhte Toleranz gegenüber Kantenträgern und Schmutzeintrag und dadurch eine lange Lebensdauer aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß insbesondere durch das Gleitlager mit den Merkmalen von Anspruch 1 und das Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers mit den Merkmalen von Anspruch 4 gelöst. Demzufolge wird eine Lageroberfläche, die eine bleifreie Kupfer- oder Aluminiumbasierte Legierung aufweist, in einem Abschnitt an der Oberfläche der Lagerfläche wärmebehandelt, sodass die Härte der Lageroberfläche in dem Abschnitt verglichen mit anderen, nicht wärmebehandelten Abschnitten verringert ist.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass die Bereiche einer Lageroberfläche wärmebehandelt werden, deren Härte verglichen mit den anderen, nicht direkt wärmebehandelten Abschnitten herabgesetzt werden soll. Aufgrund der Wärmebehandlung bildet sich ein Temperaturgradient in der Lageroberfläche aus, was zu einem entsprechenden Härtegradient in dem Material führt. Je höher die Temperatur des Materials während der Wärmebehandlung ist, desto niedriger ist die Härte des Materials nach der Wärmebehandlung in den wärmebehandelten Abschnitten. Somit kann die Lagermetalloberfläche in den gewünschten Abschnitten durch den Wärmeeintrag weicher gestaltet werden.
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Die Wärmebehandlung ist dabei so kurz, dass lediglich Versetzungen und damit Spannungen in den Kristalliten abgebaut werden. Diese Veränderungen sind in der Mikrostruktur bei etwa 1000facher Vergrößerung nicht erkennbar. Darüber hinaus wird lediglich die Oberfläche der Lagerfläche wärmebehandelt und modifiziert; es ist nicht nötig, die Lagerfläche in ihrer gesamten Tiefe zu bearbeiten.
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Auf diese Weise wird ermöglicht, dass Bereiche weicher ausgeführt sind, die sich zum Beispiel dem Gegenläufer besser anpassen sollen oder eine höhere Einbettfähigkeit gegenüber Schmutzeintrag aufweisen sollen. Dadurch kann der Mangel an Weichphase (zum Beispiel bei CuNi2Si, CuSn8Ni) und die höhere Grundhärte des Materials im Fall von Schmutzeintrag in den Schmierspalt oder möglicherweise auftretenden Kantenlasten kompensiert werden. Die Lebensdauer eines Gleitlagers kann somit heraufgesetzt werden. Des Weiteren kann dadurch auf eine zusätzliche Gleitschicht verzichtet werden, um auf Dauer unvermeidbaren Schmutzeintrag und Kantentragen zu kompensieren.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verringerung der Härte ist auf eine breite Anzahl von Legierungen, insbesondere Aluminium- und Kupfer-basierte Legierungen, anwendbar und stellt eine alternative oder zusätzliche Maßnahme zur Optimierung des Werkstoffes selbst dar. Auch kann ein mechanisches Anpassen der Lagermetalloberfläche durch das erfindungsgemäße Verfahren ersetzt oder ergänzt werden.
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Besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Nur ein Randbereich oder die Randbereiche der Lageroberfläche ist/sind wärmebehandelt. Dies erhöht die Anpassungsfähigkeit bei Kantenträgern in den seitlichen Bereichen der Lagerflächen. Dass die Lagerfläche links und rechts weicher als in dem mittleren Abschnitt ist, führt zu einer besseren Anpassung der Lagerfläche im Falle einer ungleichmäßigen Lagerung und somit zu einer längeren Einsatzmöglichkeit.
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Zusätzlich kann ein Bereich um eine Aussparung, insbesondere eine Ölbohrung oder eine Nut, in der Lagerfläche wärmebehandelt sein. Gerade in solchen Bereichen ist mit erhöhtem Schmutzeintrag zu rechnen. Dadurch wird der Bereich um die Aussparung weicher, was eine höhere Einbettfähigkeit gegenüber Schmutzeintrag zur Folge hat.
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Vorzugsweise werden Aluminium-basierte Legierungen zwischen 200 und 500°C wärmebehandelt, das heißt, die entsprechenden Abschnitte weisen während der Behandlung eine Temperatur zwischen 200 und 500°C auf. Dies führt zu einer optimalen Verringerung der Härte und zu einem optimalen Verhalten bezüglich Kantentragen und Schmutzeinbettung.
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Für Cu-basierte Legierungen ist eine Wärmebehandlung zwischen 400 und 900°C vorzuziehen, wodurch optimale Bedingungen zur Verhinderung von Kantenträgern und zur Einbettung von Schmutz geschaffen werden.
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Es wird bevorzugt, dass die Lageroberfläche mittels Laser-, Induktions- oder Kontakterwärmung wärmebehandelt wird. Dies ermöglicht eine definierte Erwärmung in den gewünschten Abschnitten, die eine geringere Härte aufweisen sollen. Die zu behandelnden Abschnitte können mit großer Genauigkeit und lokal begrenzt bearbeitet werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung noch näher ersichtlich werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Lagerfläche, deren Randbereiche wärmebehandelt sind;
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2 zeigt die Temperatur als Funktion des Abstands zu einem Rand der Lagerfläche bei einer erfindungsgemäßen Wärmebehandlung;
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Lagerfläche, die in einem Bereich einer Ölbohrung wärmebehandelt ist;
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4 zeigt die Härte einer Lagerfläche aus CuSn8Ni an verschiedenen Oberflächenabschnitten mit und ohne Laserbehandlung; und
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5 zeigt die Härte einer Lagerfläche aus CuFe2P an verschiedenen Oberflächenabschnitten mit und ohne Laserbehandlung.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend ausführlich unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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In den 1 bis 3 stellen die hellgrauen Abschnitte (gekennzeichnet mit „weich”) die wärmebehandelten Bereiche der Lagerfläche 1 dar, wohingegen die dunkelgrau gekennzeichneten Bereiche (gekennzeichnet mit „hart”) im Wesentlichen nicht wärmebehandelt sind. Die hellgrauen Bereiche sind somit weniger hart als die dunkelgrauen Bereiche ausgebildet. Eine Ölbohrung 2 kann in der Lagerfläche vorgesehen sein.
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In den hellgrauen Bereichen wird zum Beispiel ein YAG-Laser bei konstanter Leistung eingesetzt, wodurch diese erwärmt werden. Es stellt sich dabei ein entsprechender Wärmestrom ΔQ/Δt ein, wobei ΔQ die aufgebrachte Wärmemenge und Δt den Zeitraum des Wärmeeintrags bezeichnen. Je nach Material wird der Laser langsamer oder schneller gefahren und die Leistung entsprechend angepasst. Im Falle Aluminium-basierter Materialien sollte die Temperatur 200 bis 500°C betragen. Für Kuper-basierte Werkstoffe sind 400 bis 900°C wünschenswert.
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In 2 ist der Temperaturverlauf in der Oberfläche der Lagerfläche als Funktion des Abstands von einem Rand der Lagerfläche gezeigt, wie er sich bei einer entsprechend 1 wärmebehandelten Lagerfläche ergibt. In dieser Figur deuten die Pfeile die Positionen des Lasers L an. In den Randbereichen, die wärmebehandelt werden, wird die Temperatur des Lagermetalls durch den Wärmeeintrag der Laserstrahlung im Vergleich zu der Temperatur von Abschnitten, die nicht wärmebehandelt werden, welche also keiner direkten Wärmezufuhr ausgesetzt sind, erhöht. Dadurch ergibt sich ein Wärmestrom in dem Lagermetall und auch die Temperatur um die Stellen herum, an welchen die Energie zugeführt wird, wird leicht ansteigen. Die Temperatur nimmt von den Abschnitten der Position des Lasers L zu den weiter von der Position des Lasers entfernten Bereichen des Lagermetalls schnell ab.
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Diesem Temperaturverlauf entsprechend ergibt sich der Härteverlauf der Lagerfläche, sodass je nach Anwendung die gewünschten Lagermetallabschnitte mit einer geringeren Härte versehen werden können. In 2 ist angedeutet, dass ab einer bestimmten Temperaturerhöhung mit einer wesentlichen Verringerung der Härte zu rechnen ist, sodass die äußeren Bereich in 2, die hellgrau markiert sind, eine wesentlich verringerte Härte aufweisen, wohingegen der dunkelgraue Bereich, der abseits der Laserpositionen L liegt, im Wesentlichen keinen Temperaturanstieg erfahren hat, wodurch seine Härte im Wesentlichen nicht verringert ist. Die Bestimmung der Härte erfolgt herkömmlicher Weise durch die Härtemessung nach Vickers.
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Unter den anderen, nicht wärmebehandelten Abschnitten sind die Bereiche der Lagerfläche zu verstehen, die nicht direkt der Erwärmung ausgesetzt sind, insbesondere die Bereiche, die außerhalb der Laserstrahlung liegen, und die keine Veränderung der Härte durch die Wärmebehandlung erfahren. Ein geeigneter Bezugsbereich wäre somit ein Bereich der Lagerfläche, der von der Stelle des Wärmeeintrags maximal entfernt liegt. Alternativ kann auch die Härte des wärmebehandelten Abschnitts vor der Wärmebehandlung als Bezug dienen.
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3 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Bereich um die Ölbohrung 2 wärmebehandelt worden ist. Der Bereich um die Ölbohrung 2 ist somit weicher und kann Schmutzpartikel besser aufnehmen.
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Versuche mit einer Laserführung gemäß 1 bei einer Fokussierung eines YAG-Lasers auf eine Fläche von 8 mm × 8 mm und einer Verfahrgeschwindigkeit von 3 mm/s relativ zum Lagermetall ergeben, dass die Lagermetallhärte von CuSn8Ni (siehe 4) und CuFe2P (siehe 5) in den wärmebehandelten Abschnitten am Lagerrand um bis zu 10% bei einer Laserleistung von 900 W verringert werden kann. Die Wärmebehandlung dauert nur einige wenige Sekunden. Die Temperatur sollte im behandelten Abschnitt während der Behandlung bei CuSn8Ni zwischen 300 und 500°C und bei CuFe2P zwischen 400 und 600°C liegen.
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In den 4 und 5 geben die mit „900 W” gekennzeichneten Werte die Härte nach der Wärmebehandlung und die mit ”unbehandelt” gekennzeichneten Werte die Härte vor bzw. ohne Wärmebehandlung an.
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Wie den 4 und 5 zu entnehmen, ist es möglich, dass sich bei einer Wärmebehandlung der Abschnitte am Lagerrand eine leichte Zunahme der Härte in den angrenzenden, von der Laserquelle etwas weiter entfernten Bereichen in der Lagermitte ergibt. In diesen Bereichen ist die Temperaturzunahme für eine Verringerung der Härte nicht ausreichend, sondern liegt in einem Bereich, in dem das Material härter wird. Die Zunahme der Härte in diesen näheren Umgebungsbereichen liegt jedoch erwartungsgemäß maximal bei 3 bis 5% und zeigt keinen wesentlichen Einfluss auf die Eigenschaften der Lagerfläche.
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Des Weiteren hat die Beeinflussung der Lageroberflächenhärte einen Einfluss auf die Spreizung der Lager. Unter der Spreizung des Lagers ist das materialspannungsbedingte Aufspringen des Lages über das gewollte Maß hinaus zu verstehen. Dieser gewollte Effekt entsteht beim Pressen der Lager, die dadurch einen besseren Sitz im Bauteil (Pleuel, Motorblock, etc.) aufweisen. Ein Vergleich der Spreizungswerte mit und ohne Wärmebehandlung bei einer Laserleistung von 900 W gemäß obigem Beispiel wurde durchgeführt (siehe Tabelle).
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Zusätzlich zu diesem Wert wurde der Einfluss auf den Überstand untersucht (siehe Tabelle). Der Überstand beschriebt das Überstehen der Lagerstirnkanten über die Bauteilreferenzflächen, z. B. im Pleuel oder Motorblock.
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Die Tabelle gibt für drei Lagerflächen jeweils aus CuSn8Ni und CuFe2P den Überstand und die Spreizung mit und ohne Laserbehandlung bei 900 W gemäß obigem Beispiel an. Tabelle
| | ohne Laserbehandlung | mit Laserbehandlung |
| | Überstand [mm] | Spreizung [mm] | Überstand [mm] | Spreizung [mm] |
| CuSn8Ni | | | | |
| 1 | 0,07 | 1,7 | 0,075 | 1,12 |
| 2 | 0,071 | 1,7 | 0,077 | 1,04 |
| 3 | 0,067 | 1,8 | 0,072 | 1,34 |
| CuFe2P | | | | |
| 1 | 0,057 | 1,73 | 0,066 | 1,66 |
| 2 | 0,05 | 1,76 | 0,063 | 1,69 |
| 3 | 0,06 | 1,78 | 0,068 | 1,71 |
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Die Spreizung nach einer Wärmebehandlung durch einen Laser bei 900 W nimmt im Fall von CuSn8Ni um etwa 39% und im Fall von CuFe2P etwa um 4% ab. Beispielsweise fällt der Wert der Spreizung bei CuSn8Ni von 1,7 mm auf 1,04 mm und bei CuFe2P von 1,76 mm auf 1,69 mm ab.
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Es zeigte sich, dass der Überstand und die Rauigkeit der Oberfläche Ra bzw. Rz im Wesentlichen nicht oder nicht messbar beeinflusst werden. Eventuell auftretende Oxidationsschichten können durch Lasererwärmung unter Schutzgas auf ein Minimum reduziert werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Denkbar ist auch, dass auf das Lagermetall aufgebrachte Schichten bezüglich ihrer Härte durch das erfindungsgemäße Verfahren modifiziert werden.
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Ferner sei herausgestellt, dass die Merkmale der abhängigen Ansprüche, die bevorzugte Ausführungsformen des Gleitlagers beschreiben, auch bevorzugte Merkmale des Verfahrens zur Herstellung des Gleitlagers angeben. Ebenso stellen die auf das Verfahren zur Herstellung des Gleitlagers bezogenen abhängigen Ansprüche wünschenswerte Merkmale des Gleitlagers dar.
