DE102017211638B4 - Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers und Gleitlager - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers, bei dem Aluminium als Hauptbestandteil mit Kupfer und/oder Titan vermischt wird und nachfolgend gesintert wird, wobei ein Aluminiumpulver, das eine Korngröße von 2 bis 180 µm aufweist eingesetzt wird, oder gießplattiert wird.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers sowie ein Gleitlager.
  • STAND DER TECHNIK
  • Gleitlager weisen häufig Bronzewerkstoffe auf, beispielsweise sind unter dem Namen Glycodur (eingetragene Marke) seitens der Anmelderin Gleitlager mit einer porösen CuSn-Matrix bekannt.
  • Die EP 2 415 542 A1 betrifft ein gesintertes Aluminiummaterial zur Verwendung in Lithium-Ionen-Batterien.
  • Die DE 31 20 461 C2 betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gleit- und Lagermaterials auf Aluminiumbasis mit Festschmierstoffen.
  • EP 1 522 750 B1 beschreibt ein Mehrschicht-Gleitlager das eine walzplattierte Aluminiumlegierung aufweist.
  • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleitlager und ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers zu schaffen, das im Hinblick auf die Herstellungskosten und/oder das Notlaufverhalten und/oder die Wärmeleitfähigkeit verbessert ist.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch das im Patentanspruch 1 beschriebene Verfahren. Die nachfolgend beschriebene Verfahrensvariante „walzplattieren“ ist nicht Teil der beanspruchten Erfindung.
  • Demzufolge wird ein Gleitlager hergestellt, indem Aluminium als Hauptbestandteil mit Kupfer und/oder Titan vermischt wird und nachfolgend gesintert oder gieß- oder walzplattiert wird. Bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren also auch eine pulvermetallurgische Verfahrensvariante, bei der Aluminiumpulver mit Kupferpulver und/oder Titanpulver vermischt und dann gesintert wird. In vorteilhafter Weise bilden Aluminium und Kupfer ein Eutektikum, so dass eine Sinterreaktion möglich ist. Insbesondere entstehen sogenannte Sinterhälse zwischen den Aluminiumpartikeln trotz deren teilweiser Passivierung zu Aluminiumoxid.
  • Ferner bietet die Verwendung von Aluminium die Vorteile eines geringen Preises und einer höheren Wärmeleitfähigkeit. Konkret weist ein erfindungsgemäß hergestelltes Gleitlager im Hinblick auf die aluminiumbasierte Matrix eine Wärmeleitfähigkeit von zumindest etwa 100 W/mK auf, was nahezu das zweifache (60 W/mK) einer CuSn-Matrix ist. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäß erzeugte Matrix dicht gesintert und verwalzt werden, so dass sie in üblichen Zwei- oder Dreischichtgleitlagern zum Einsatz kommen kann. Zur Erzeugung einer dichten Matrix können somit auch Walz -oder Gießplattierverfahren eingesetzt werden. Beides sind Verfahren, die sich bewährt haben.
  • Bevorzugte Maßnahmen im Hinblick auf einen Träger und/oder eine zusätzliche Beschichtung sind ebenso wie bevorzugte Ausführungsformen nachfolgend beschrieben.
  • Im Hinblick auf den Einsatz eines Aluminiumpulvers, wird diesem maximal 3, bevorzugt maximal 1 Gewichts% Kupferpulver zugesetzt.
  • Für die Verbesserung des Notlaufverhaltens wird die Zugabe bzw. das Zumischen von Titan- und/oder TiH2-Pulver bevorzugt. Titan reagiert mit dem Aluminium in vorteilhafter Weise zu intermetallischen Phasen, beispielsweise TiAl3, was im Wesentlichen eine Dispersionshärtung des Aluminiums bedeutet und zu guten Notlaufeigenschaften führt. Der im TiH2 gebundene Wasserstoff wird im Rahmen des Sinterns als Gas frei und wird in vorteilhafter Weise zur Bildung von Poren genutzt. Zu diesem Zweck findet das Sintern ferner bevorzugt in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre mit Stickstoff und/oder Wasserstoff statt. Wie nachfolgend genauer beschrieben, können die Poren, insbesondere die offenen Poren in vorteilhafter Weise für das Einbringen von Zusatzstoffen genutzt werden. Durch den Anteil des TiH2 und damit des Wasserstoffs als Treibmittel kann der Anteil an frei werdendem Gas und damit die Porosität beeinflusst werden.
  • Derzeit wird die Zugabe bzw. das Zumischen von bis zu 5 bevorzugt bis zu 2 Gewichts% Ti- und/oder TiH2-Pulver bevorzugt, damit in ausreichendem Umfang Poren oder auch eine Schaumstruktur erzeugt werden können, jedoch eine geringe Sintertemperatur und die gegenüber Bronzewerkstoffen erhöhte Wärmeleitfähigkeit beibehalten werden kann.
  • Bei ersten Versuchen hat sich für das Ti- oder TiH2-Pulver eine Korngröße von 1 bis 50 µm, und für ein gutes Sinterergebnis eine Aluminiumpulver-Korngröße von 2 bis 180 µm als vorteilhaft erwiesen. Die Korngrößenverteilung kann durch konventionelle Laserbeugungsverfahren oder konventionelle Siebanalyse bestimmt werden. In Abhängigkeit von der gewünschten Porengröße und -verteilung kann wegen der Wirkung auf die Korngrößenverteilung ein feineres oder gröberes Pulver verwendet werden. Es sei ergänzend erwähnt, dass die Al-, Cu- und Ti (H2)-Pulver vor dem Sintern gemischt werden.
  • Bevorzugt wird der vorangehend beschriebene Werkstoff auf Stahl (C06-C45) gesintert, gieß- oder walzplattiert, so dass insbesondere beim Aufsintern in vorteilhafter Weise Temperaturen von > 500 Grad Celsius, insbesondere 500 bis 600 Grad Celsius auftreten, und das sogenannte Treibmittel TiH2 zersetzt wird, und der als Gas frei werdende Wasserstoff in der oben beschriebenen Weise genutzt werden kann.
  • Zur Ausbildung eines Dreischichtgleitlagers kann zusätzlich ein Polymer und/oder eine Galvanikschicht und/oder eine Sputterschicht insbesondere auf eine tribologisch beanspruchte Fläche des obigen A1-Werkstoffes aufgebracht werden. Wie beschrieben, kann die offenporige Struktur in vorteilhafter Weise in einem weiteren Prozessschritt dazu genutzt werden, eines oder mehrere der folgenden aufzubringen: niedrig schmelzendes Metall, Polymer, Lack, Öl, Feststoffschmiermittel wie z. B. BaSO4, h-BN, Graphit, MoS2, PTFE, WS2, ZnS, SnS, Hartpartikel, wie zum Beispiel Oxide, Nitride, Karbide, Silizide, Phosphide, Phosphate und/oder Fluoride.
  • Bei Herstellung einer gieß-oder walzplattierten Legierung können zur Verbesserung der Gleiteigenschaften bis zu 15 Gewichts% Sn hinzugesetzt werden. Der Vorteil einer zinnfreien Legierung liegt jedoch in der besseren Beschichtbarkeit mit galvanischen Schichten und einer höheren Wärmeleitfähigkeit.
  • Die Lösung der oben genannten Aufgabe erfolgt ferner durch das im Anspruch 11 beschriebene Gleitlager. Es sei erwähnt, dass sämtliche vorangehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Merkmale auf das Gleitlager anwendbar sind und umgekehrt. Insbesondere weist das Gleitlager in der Aluminiummatrix eine offene Porosität von 20 bis 50 Vol% auf. Alternativ kann die Aluminiummatrix auch eine Schaumstruktur insbesondere eine AlTi(H2)Cu-Schaumstruktur aufweisen. Diese zeichnet sich durch einen vergleichsweise hohen Porenanteil aus, bevorzugt liegt eine Struktur offener, interkonnektierender Poren vor. Der Porenanteil beträgt ≥ 50 Vol.-% bevorzugt ≥ 75 Vol.-% und ist nach oben begrenzt durch die notwendigen Eigenschaften der Aluminiummatrix zur Sicherstellung der Funktionsfähigkeit des Gleitlagers insgesamt. Damit ergibt sich eine Aluminiummatrix mit geringer Dichte, hoher spezifischer Festigkeit und hoher Funktionalisierungsfähigkeit. Die Schaumstruktur kann bedingt durch ihre offene Struktur besonders gut funktionalisierende Substanzen, beispielsweise die oben aufgezählten Stoffe aufnehmen. In vorteilhafter Weise sind in der Aluminiummatrix ferner intermetallische Phasen, insbesondere TiAl3 vorhanden, die in vorteilhafter Weise zu einem verbesserten Notlaufverhalten führen.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers, bei dem Aluminium als Hauptbestandteil mit Kupfer und/oder Titan vermischt wird und nachfolgend gesintert wird, wobei ein Aluminiumpulver, das eine Korngröße von 2 bis 180 µm aufweist eingesetzt wird, oder gießplattiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Aluminiumpulver maximal 3, bevorzugt maximal 1 Gewichts% Kupferpulver zugemischt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Titan- und/oder TiH2-Pulver zugemischt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass maximal 5, bevorzugt maximal 2 Gewichts% TiH2-Pulver zugemischt werden.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Titan- oder TiH2-Pulver eine Korngröße von 1 bis 50 µm aufweist.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf Stahl gesintert oder gießplattiert wird.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Sintern Temperaturen von zumindest 500 Grad Celsius, insbesondere 500 bis 600 Grad Celsius vorliegen.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein Polymer und/oder eine Galvanik- und/oder eine Sputterschicht aufgebracht wird.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gesinterte Material eine offenporige Struktur aufweist, die mit einem oder mehreren der folgenden gefüllt wird: niedrigschmelzendes Metall, Polymer, Lack, Öl, Feststoffschmiermittel wie z. B. BaSO4, h-BN, Graphit, MoS2, PTFE, WS2, ZnS, SnS, Hartpartikel, wie zum Beispiel Oxide, Nitride, Karbide, Silizide, Phosphide, Phosphate und/oder Fluoride.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Gießplattieren bis zu 15 Gewichts% Zinn zugesetzt werden.
  11. Gleitlager mit einer gesinterten, gieß- oder walzplattierten Aluminiummatrix, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiummatrix eine offene Porosität von 20 bis 50 Vol.-% aufweist oder eine Schaumstruktur aufweist.
  12. Gleitlager mit einer Aluminiummatrix nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiummatrix intermetallische Phasen, insbesondere TiAl3 aufweist.
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