DE2747545C2 - Verwendung einer binären bzw. ternären Kupfer-Blei-Zinn-Legierung für Gleitschichten - Google Patents

Verwendung einer binären bzw. ternären Kupfer-Blei-Zinn-Legierung für Gleitschichten

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Description

  • Die Erfindung betrifft die Verwendung einer binären bzw. ternären Legierung aus 20% bis 70% Kupfer, 15% bis 80% Blei, 0% bis 30% Zinn und 0% bis insgesamt 1% Antimon, Indium und/oder Cadmium für Gleitschichten.
  • Bekannt sind Weißmetall-Lagerlegierung auf Blei-Zinn- Kupfer-Basis, bei denen ein optimaler Kupfergehalt bis 6% angenommen wird. Es wurde auch schon bei solchen Weißmetall-Lagerlegierungen ein Kupfergehalt bis 10% vorgeschlagen.
  • Aus DE-AS 12 55 322 ist es bekannt, eine Kupfer-Blei- Legierung mit einem Bleigehalt zwischen 5% und 35%, vorzugsweise zwischen 24% und 29%, einem Gehalt zwischen 0% und 20% an Zinn und/oder Zink, 0% bis 0,6% Eisen, Rest Kupfer als Zwischenschicht in einem Mehrschichtgleitlager zu benutzen. Die Gleitschicht soll in diesem Fall aus Blei-Indium-Legierung bestehen. Die Zwischenschicht aus Kupfer-Blei-Legierung soll gemäß DE-AS 12 55 322 aufgegossen und durch spangebende Oberflächenbearbeitung auf 0,3 mm eingestellt werden.
  • Aus US-PS 16 67 641 ist ferner eine Lagerlegierung auf Bleibronze-Basis bekannt, und zwar als Dispersionslegierung, in der Bleiteilchen in eutektischer Matrix fein verteilt sind. Diese Legierung ist durch Schmelzen herzustellen und durch Zugabe von Arsen gegen die Entwicklung zu grober Bleiteilchen abzusichern. Das Aufbringen dieser Legierung auf die jeweilige Trägerschicht oder Trägerfläche soll durch Aufgießen erfolgen. Dabei soll diese Legierung auch ohne Belegung mit einer Gleitschicht aus Weißmetall für Gleitlager benutzbar sein, jedoch unter der Voraussetzung, daß an solche Gleitlager wesentlich geringere Anforderungen gestellt werden als dies heute der Fall ist.
  • Die Eignung solcher bekannter Bronze-Legierungen, insbesondere für Gleitlager, läßt sich generell folgendermaßen umschreiben:
  • Gießtechnisch hergestellte Legierungen haben eine befriedigend hohe Festigkeit, aber ohne zusätzliche Gleitschicht begrenzen die Gleiteigenschaften den Einsatz auf mäßige Gleitgeschwindigkeiten. Außerdem sind diese Legierungen bei hohen Schmiermitteltemperaturen anfällig für Korrosion. Bei Legierungen mit Bleigehalten über 25% nimmt die Festigkeit wegen der Erscheinung von Bleisteigerungen im Gefüge ab, und gleichzeitig steigt zwangsläufig die Anfälligkeit für Bleikorrosion in gealtertem Öl. In für hohe Anforderungen bestimmten Mehrschicht-Gleitlagern werden deshalb solche Bronzelegierungen fast nur als Zwischenschicht benutzt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine binäre bzw. ternäre Gleitlagerlegierung auf Kupfer-Blei-Zinn-Basis mit verbesserten Eigenschaften für Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise für aufgeladene Dieselmotore, Benzinmotore mit Einspritzung bzw. Turboaufladung, insbesondere mit Eignung dabei auftretende höhere Belastungen aufnehmen zu können, auch für die Gleitschicht in solch hochbelasteten Mehrschicht-Gleitlagern verwendbar zu machen. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Verwendung einer binären bzw. ternären Legierung aus 20% bis 70% Kupfer, 15% bis 80% Blei, 0% bis 30% Zinn und 0% bis insgesamt 1% Antimon, Indium und/oder Cadmium für Gleitschichten mit einer Schichtdicke zwischen 0,002 mm und 0,1 mm von Mehrschichtgleitlagern gelöst, wobei die Gleitschicht durch elektrochemisches Abscheiden der Legierung oder durch Abscheiden der Legierungsbestandteile aus der Gasphase gebildet wird. Durch die erfindungsgemäße Verwendung von auf galvanischem Wege oder durch Abscheidung der Legierungsbestandteile aus der Gasphase hergestellten Kupfer-Blei-Zinn-Legierung mit höheren Kupfergehalten können wesentliche Verbesserungen in Bezug auf Ermüdungsfestigkeit, Korrosionsfestigkeit und Verschleißfestigkeit erzielt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung empfiehlt sich die Verwendung einer Legierung mit 50% Kupfer und 10% Zinn für den o. g. Zweck. Die mit erfindungsgemäßer Verwendung einer binären bzw. ternären Kupfer-Blei-Zinn- Legierung gebildete Gleitschicht kann vorzugsweise eine Schichtdicke von 0,005 mm bis 0,1 mm aufweisen. Für Fahrzeugmotoren, in welchen bei Vollast etwa 90°C bis 150°C Schmiermitteleintrittstemperatur auftritt, kann bevorzugt die Gleitschicht in Mehrschichtgleitlagern in einer Dicke von etwa 0,012 mm ausgebildet werden. Andererseits kann bei Schiffsdieselmotoren oder stationären Motoren (geringere Schmiermitteleintrittstemperatur) die Gleitschicht bevorzugt in einer Dicke bis etwa 0,05 mm ausgebildet werden.
  • Eine wesentliche Verbesserung und Weiterbildung der erfindungsgemäßen Verwendung läßt sich durch die Maßgabe erreichen, daß die Gleitschicht zusätzlich mit einer harten, verschleißfesten Unterlageschicht, beispielsweise aus einer Nickel-Zinn-Legierung, unterlegt wurde.
  • Schließlich ist eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Verwendung mit der Maßgabe erreichbar, daß die Gleitschicht mit einer Einlaufschicht, beispielsweise auf der Basis Kupfer, Zinn, Indium und/oder Blei oder deren Oxide, Sulfide oder Phosphide zu überdecken ist.
  • Bei im Prüfstand durchgeführten Versuchen haben Gleitlager mit auf eine gegossene Zwischenschicht aus Bleibronze galvanisch aufgebrachter Gleitschicht, bestehend aus 30% bis 60% Kupfer, 15% bis 20% Zinn, Rest Blei, überraschenderweise ein außerordentlich gutes Gleitverhalten, insbesondere eine bemerkenswerte Beständigkeit gegen Korrosion gezeigt. Mit gealterten Schmiermitteln und Schmiermitteleintrittstemperaturen in das Gleitlager von etwa 150°C können solche Gleitschichten bei Wechsellasten von 65 N/mm2 über 100 Stunden in einem Gleitlagerprüfstand verschleißfrei betrieben werden. Die galvanisch hergestellten Schichten als Gleitschichten wurden vor dem Versuch absichtlich mit Beschädigungen in der Gleitfläche versehen. Obwohl keine besonderen Prüfvorschriften für diese Gleitlager mit Beschädigungen erteilt wurden, sind unter voller Belastung keine Schäden aufgetreten. Lediglich durch das Einebnen der vorher angebrachten Beschädigungen wurde infolge Abtragen der zwangsläufig entstandenen Wulste dort die darunterliegende Bleibronze freigelegt. In der Zwischenschicht aus gegossener Bleibronze enstand, wie zu erwarten war, Korrosion, während die galvanisch aufgetragene Gleitschicht aus Kupfer-Blei- Zinn-Legierung überraschenderweise keine Anzeichen von Korrosion aufwies. Hieraus läßt sich schließen, daß die erfindungsgemäße Verwendung einer Kupfer-Blei-Zinn-Legierung für eine galvanisch hergestellte Gleitschicht besonders gute Ermüdungs-, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit erreichen läßt. Gegenüber herkömmlichen galvanisch hergestellten Gleitschichten, die bei Raumtemperatur eine Vickershärte (HV 0,005) von ca. 10 bis 20 aufweisen, hat die erfindungsgemäße verwendete galvanisch hergestellte bronzeartige Gleitlagerlegierung eine Vickershärte von bis etwa VH 150. In Verbindung mit dem Testergebnis für Wechsellast ist zu schließen, daß die Dauerfestigkeit der erfindungsgemäß verwendeten Gleitlagerlegierung im Vergleich zu herkömmlich hergestellten Gleitlagerlegierungen höher liegt.
  • Weitere Tests haben gezeigt, daß die erfindungsgemäß verwendeten Legierungen mit etwa 20% Kupfer bereits eine höhere Verschleißfestigkeit haben und bei Schmiermittel-Eintrittstemperaturen von etwa 150°C die Ermüdungsfestigkeit bei dünnen Schichten ebenfalls bereits bei 65 N/mm2 liegt. Beispielsweise ergab unter o. a. Temperaturbedingungen eine Kupfer-Blei-Zinn-Legierung mit etwa 25% Kupfer und 23% Zinn, Rest Blei, bei einer Wechsellast von 60 N/mm² quantitativ den gleichen Verschleiß wie eine herkömmliche Blei-Zinn-Kupfer-Legierung mit nur 3% Kupfer, 10% Zinn, Rest Blei, aber bei einer Belastung von nur 13 N/mm2. Die Ermüdungsfestigkeit steigerte sich um etwa 20%.
  • Die Vickershärte der erfindungsgemäß verwendeten galvanisch hergestellten Legierung mit 25% Kupfer, 23% Zinn, Rest Blei liegt bei VH 55. Besonders überraschend ist die sehr gute Korrosionsbeständigkeit dieser Legierung trotz der höheren Kupfergehalte, denn nach dem Stand der Technik wird angenommen, daß das vorhandene Zinn durch die Wärmeeinwirkung während des Betriebes bzw. einer vorausgegangenen Wärmebehandlung an das Kupfer gebunden ist und zwangsläufig das Blei ähnlich wie bei gegossener bzw gesinterter Blei- Bronze bzw. Blei-Zinn-Bronze als fast reines Blei eingelagert ist. Die außerordentlich hohe Korrosionsbeständigkeit kann auf die extrem feine Verteilung des Bleis in der Legierung zurückgeführt sein. Durch die Erfindung ist es gelungen, Gleitlagerlegierungen auf Kupfer- Blei-Zinn-Basis mit 20% bis 50% Kupfer durch Anwendung des elektrolytischen Verfahrens zu erschließen und sogar bronzeartige Legierungen mit über 50% Kupfer zu verwenden, die für extrem hohe Schmiermitteltemperaturen und höhere Gleitgeschwindigkeiten eingesetzt werden können.
  • Versuche haben gezeigt, daß die feinkörnige Bleiverteilung auch erhalten bleibt, wenn auf das Zinn ganz verzichtet wird. In manchen Anwendungsfällen ist daher ebenso eine galvanisch hergestellte zinnfreie Kupfer- Blei-Gleitlagerlegierung mit hohem Kupfergehalt für die Verwendung als Gleitschicht durchaus geeignet. Aber bessere Gleiteigenschaften sind zweifellos vorhanden, wenn Zinn enthalten ist.
  • Die guten mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften der erfindungsgemäß verwendeten CuPbSn-Gleitlegierung macht die Verwendung als Gleitschicht auf Stahl-Bleibronze oder Stahl-Aluminium-Legierungen oder andere Lagerlegierungen möglich. Andererseits lassen die guten Eigenschaften der Legierung auch die erfindungsgemäße Verwendung als Gleitschicht direkt auf einem Stahlträger geeignet erscheinen. Man kann bei Verwendung dieser Legierungen evtl. in besonderen Fällen auf Zwischenschichten von Bleibronze- oder Aluminiumlegierungen verzichten.
  • In speziellen Verwendungsfällen sind zusätzliche Deckschichten anderer chemischer Zusammensetzungen, z. B. Einlaufschichten, nützlich. Die bereits vorhandenen guten Eigenschaften der galvanisch hergestellten bronzeartigen Gleitlagerlegierungen können im Bedarfsfall durch zusätzliche Wärmebehandlungen zwischen 120 und 320°C, bevorzugt zwischen 150 und 300°C, nochmals verbessert werden. Es wird dadurch z. B. die Bindungsfestigkeit der Gleitschicht an die Stützschale bzw. Zwischenschicht verbessert.
  • Zwei Ausführungsbeispiele für Mehrschichtgleitlager mit der erfindungsgemäß verwendeten Lagerlegierung sind in den Fig. 1 bis Fig. 3 wiedergegeben. Dabei sind
  • Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Lagerhälfte;
  • Fig. 2 ein Teilschnitt entsprechend III-III der Fig. 1 und
  • Fig. 3 ein Teilschnitt nach III-III der Fig. 1 in abgewandelter Ausführungsform.
  • Bei dem in Fig. 2 wiedergegebenen Mehrschichtlager ist ein metallischer Stützkörper 1, vorzugsweise aus Stahl, vorgesehen. Auf diesen Stützkörper 1 ist eine metallische Zwischenschicht 2 mit Notlaufeigenschaften, beispielsweise aus Bleibronze oder Zinnbronze, aufgebracht. Diese Zwischenschicht 2 ist wiederum mit einer harten, verschleißfesten Untergleitschicht 3 aus einer Nickel-Zinn- Legierung von beispielsweise 65% Zinn und 35% Nickel belegt. Diese Untergleitschicht 3 kann eine Dicke von 0,003 bis 0,05 mm aufweisen. Über diese harte, verschleißfeste Untergleitschicht 3 ist die Gleitschicht 4 gelegt. Diese Gleitschicht 4 ist aus einer Kupfer-Blei-Zinn-Legierung gebildet, die einen Kupfergehalt zwischen 20% und 70% aufweist. Die gesamte Lagerhälfte, d. h. der Stützkörper 1 mit seinen Schichten 2, 3, 4 ist von einer vorzugsweise galvanisch aufgebrachten Korrosionsschicht aus Zinn oder Zinn-Blei-Legierung umgeben, wie die bei 5 in Fig. 2 angedeutet ist. Es handelt sich hierbei um einen dünnen Flash, der auf der Oberfläche der Gleitschicht 4 kaum in Erscheinung tritt, aber insbesondere im Bereich des Stützkörpers 1 vor dem Einbau des Lagers einen wirksamen Korrosionsschutz, z. B. bei Luftfeuchtigkeit, bietet.
  • Im Beispiel der Fig. 3 ist auf den Stützkörper 1 eine Zwischenschicht 2 mit Notlaufeigenschaften, beispielsweise aus Bleizinnbronze oder Aluminiumlegierung aufgebracht. Diese Zwischenschicht 2 trägt die Gleitschicht 4, die wiederum aus einer Kupfer-Blei-Zinn-Legierung gebildet ist, beispielsweise einer Zusammensetzung von 50% Kupfer, 10% Zinn, Rest Blei. Zwischen der Zwischenschicht 2 und der Gleitschicht 4 ist eine dünne Nickelschicht 6 als Diffusionssperrschicht angebracht. Die Gleitschicht 4 ist in diesem Beispiel durch eine Einlaufschicht 7 überdeckt. Diese Einlaufschicht 7 ist in diesem Beispiel dadurch gebildet, daß an der Oberfläche der Gleitschicht 4 Legierungsbestandteile in Sulfide oder Oxide übergeführt worden sind, also in Bleisulfid und und Kupfersulfid. Die so gebildete Einlaufschicht 7 kann eine Dicke zwischen etwa 0,1 µm und 2 µm, vorzugsweise zwischen 0,5 µm und 1,0 µm aufweisen.
  • Die aufgrund der Verbesserungsergebnisse geschlossene Erkenntnis, daß das durch elektrochemisches Abscheiden erzielte feinkörnige Gefüge die Ursache für die gute Korrosions- und Verschleißbeständigkeit ist, läßt erfindungsgemäß den weiteren Schluß zu, daß ebenso durch Abscheiden der Legierung aus einer Gasphase Schichten hergestellt werden können, die ähnlich gute Eigenschaften besitzen.
  • Von den Verfahren, Schichten aus einer Gasphase abzuscheiden, seien als Beispiele genannt:
  • CDV-Verfahren (Chemical Vapor Dosotion), Aufdampfen, reaktives Bedampfen, Sputtern wie z. B. Kathodenzerstauben.

Claims (6)

1) Verwendung einer binären bzw. ternären Legierung aus 20% bis 70% Kupfer, 15% bis 80% Blei, 0% bis 30% Zinn und 0% bis insgesamt 1% Antimon, Indium und/oder Cadmium für Gleitschichten mit einer Schichtdicke zwischen 0,002 mm und 0,1 mm von Mehrschichtgleitlagern, wobei die Gleitschicht durch elektrochemisches Abschneiden der Legierung oder durch Abscheiden der Legierungsbestandteile aus der Gasphase gebildet wurde.
2) Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 mit 50% Kupfer und 10% Zinn für den Zweck nach Anspruch 1.
3) Verwendung der Legierung nach Anspruch 1 oder 2 für den Zweck nach Anspruch 1, mit der Maßgabe, daß die Gleitschicht in Mehrschichtgleitlagern für Kraftfahrzeugmotoren verwendet wird und in einer Dicke von etwa 0,012 mm ausgebildet wurde.
4) Verwendung der Legierung nach Anspruch 1 oder 2 für den Zweck nach Anspruch 1 mit der Maßgabe, daß die Gleitschicht in Mehrschichtgleitlagern für Schiffsdieselmotoren oder stationäre Motoren verwendet wird, wobei die Gleitschicht in einer Dicke bis etwa 0,05 mm ausgebildet wurde.
5) Verwendung der Legierung nach Anspruch 1 oder 2 für den Zweck nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4 mit der Maßgabe, daß die Gleitschicht zusätzlich mit einer harten, verschleißfesten Untergleitschicht, beispielsweise aus einer Nickel-Zinn-Legierung, unterlegt wurde.
6) Verwendung der Legierung nach Anspruch 1 oder 2 für den Zweck nach einem der Ansprüche 1, 3 bis 5 mit der Maßgabe, daß die Gleitschicht mit einer Einlaufschicht, beispielsweise auf der Basis Kupfer, Zinn, Indium und/ oder Blei oder deren Oxide, Sulfide oder Phosphide zu überdecken ist.
DE2747545A 1977-10-22 1977-10-22 Verwendung einer binären bzw. ternären Kupfer-Blei-Zinn-Legierung für Gleitschichten Expired DE2747545C2 (de)

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