DE3136817C2 - Galvanisch aufgetragene Laufschichtlegierung für ein Mehrschichtgleitlager - Google Patents

Galvanisch aufgetragene Laufschichtlegierung für ein Mehrschichtgleitlager

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine galvanisch aufgetragene Laufschichtlegierung für ein Mehrschichtgleitlager auf Bleibasis mit einem Zinnzusatz und einem Kupfergehalt kleiner als 3 Gew.-%.
Untersuchungen über den Einfluß des Kupfergehaltes auf die Ermüdungsfestigkeit einer galvanisch aufgetragenen Laufschicht­ legierung auf Bleibasis mit Zinn- und Kupferzusätzen haben bei einem üblichen Zinngehalt von 10 Gew.-% ergeben, daß die mitt­ lere Lebensdauer der Laufschicht bei einem Kupfergehalt von etwa 3 Gew.-% ein Maximum erreicht und sowohl bei steigendem Kupfer­ gehalt als auch bei sinkendem Kupfergehalt stark abfällt. Ausge­ hend von diesen Untersuchungen wurde folglich ein Kupfergehalt von weniger als 6 Gew.-%, vorzugsweise von etwa 3 Gew.-% ange­ strebt. Um die Verschleiß- und Ermüdungsfestigkeit zu erhöhen, wurde abweichend von diesen üblichen Werten der Kupfergehalt über 6 Gew.-% angehoben, wobei gleichzeitig auch der Zinngehalt auf vorzugsweise 14 Gew.-% erhöht wurde. Durch die Anhebung des Kupfergehaltes konnte die mechanische Verschleißfestigkeit ge­ genüber den üblichen Laufschichtlegierungen verbessert werden, ohne die zu erwartende starke Einbuße hinsichtlich der Ermü­ dungsfestigkeit in Kauf nehmen zu müssen, weil mit den Kupferan­ teilen auch der Zinnanteil entsprechend gesteigert wurde. Nach­ teilig bei solchen Legierungen ist allerdings eine vergleichs­ weise hohe Sprödigkeit wegen des großen Kupfergehaltes und eine geringe Korrosionsbeständigkeit, so daß sich diese Legierungen nur beschränkt für Laufschichten von Mehrschichtgleitlagern, beispielsweise für aufgeladene Dieselmotoren, eignen. Mit den immer höher werdenden Anforderungen an die Schmiermittel werden den Ölen immer mehr Additive beigegeben, was zu einem chemischen Angriff der Laufschicht und zu vermehrten Erosions-Korrosions­ verschleißerscheinungen führt, wobei gerade der höhere Kupferan­ teil die Legierung gegenüber erosiven und korrosiven Verschleiß­ erscheinungen anfällig macht.
Um insbesondere die Ermüdungsfestigkeit gegenüber einer kupfer­ freien Laufflächenlegierung auf Bleibasis zu verbessern, ist es aus der DE-AS 11 61 434 bekannt, bei einem Zinnanteil bis 15 Gew.-% einen Kupferanteil von 0,5 bis 3 Gew.-% einzusetzen, wobei sich eine bevorzugte Laufschichtlegierung aus 12 Gew.-% Zinn, 2 Gew.-% Kupfer, Rest Blei ergibt. Wie sich aus den ein­ leitenden Ausführungen ableiten läßt, ist die Steigerung der Ermüdungsfestigkeit durch die Kupferzugabe zu erwarten. Damit den hohen Anforderungen von Lagern, beispielsweise für auflad­ bare Dieselmotoren, entsprochen werden kann, ist jedoch neben der Ermüdungsfestigkeit auch die Korrosionsbeständigkeit der Laufschicht erheblich zu verbessern.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine galva­ nisch aufgetragene Laufschichtlegierung für ein Mehrschicht­ gleitlager der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, daß nicht nur eine hohe Ermüdungsfestigkeit, sondern auch ein hoher Korrosionswiderstand sichergestellt werden kann.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß die Legie­ rung einen Zinngehalt größer als 15 Gew.-%, aber höchstens 20 Gew.-% und einen Kupfergehalt von 1,5 bis 2,5 Gew.-%, Rest Blei aufweist.
Da der Korrosionswiderstand mit sinkendem Kupferanteil und steigendem Zinnanteil zunimmt, wird mit der erfindungsgemäßen Legierung eine wesentliche Erhöhung der Korrosionsfestigkeit erzielt. Überraschend ist dabei, daß trotz des vergleichsweise geringen Kupfergehaltes bei großem Zinnanteil eine gute Dauer­ festigkeit auch bei höheren Temperaturen erreicht wird. Mit Hilfe dieser neuen Legierung können daher allen Anforderungen entsprechende Mehrschichtgleitlager hergestellt werden, und zwar insbesondere mit einer hohen Korrosiv-Erosivverschleißfestigkeit gegenüber einem Angriff der bei Hochleistungsmotoren zur Anwen­ dung kommenden Schmiermittel.
Besonders günstige Verhältnisse erhält man, wenn die Legierung der Laufschicht aus 17 Gew.-% Zinn, 2 Gew.-% Kupfer, Rest Blei besteht.
Es sind zwar bereits gegossene Lagermetalle auf Blei­ basis bekannt, die einen Zinnanteil in der Größenordnung von 15 Gew.-% und einen Kupferanteil in der Größenordnung von 1 Gew.-% aufweisen, doch enthalten diese gegossenen Legierungen zusätzlich etwa 14 Gew.-% Antimon, so daß der Hauptanteil des Zinns in Form der Primärkristalle SbSn und Cu6Sn5 gebunden ist und folglich nicht zur Korrosions­ festigkeit der Matrix beitragen kann. Wird auf das Zu­ setzen von Antimon verzichtet, wie dies bei einer anderen bekannten Bleilegierung der Fall ist (US-PS 2 262 304), die aus 20 Gew.-% Zinn, jeweils bis zu 1 Gew.-% Silber, Kupfer und Wismut, Rest Blei besteht, so kann zwar die Bildung von Primärkristallen verringert, nicht aber unter­ drückt werden. Dadurch wird zwar eine Steigerung der Korrosionsfestigkeit, nicht aber der Ermüdungsfestigkeit erzielt, was bei der Verwendung dieser bekannten Legierung für korrosionsbeständige Überzüge im Gegensatz zu Lauf­ schichtlegierungen für Mehrschichtgleitlager keine Rolle spielt, bei denen die Ermüdungsfestigkeit von mitent­ scheidender Bedeutung ist. Diese gegossenen und nicht galvanisch aufgetragenen Legierungen, deren Ermüdungs­ festigkeit wegen des heterogenen Gefügeaufbaus und der hohen Schichtdicke von vornherein gering ist, können so­ mit keine Lehre dafür geben, wie galvanisch aufgetragene Laufschichten legiert werden müssen, um neben einer hohen Ermüdungsfestigkeit auch eine entsprechend hohe Korrosions­ beständigkeit zu erhalten. In diesem Zusammenhang muß auch berücksichtigt werden, daß es an sich den Erfahrun­ gen gemäß dem Stand der Technik widerspricht, durch Ab­ senken des Kupfergehaltes eine hohe Verschleiß- und Er­ müdungsfestigkeit zu erhalten.
In der Zeichnung sind die Eigenschaften der erfin­ dungsgemäßen Laufschichtlegierung hinsichtlich der Er­ müdungsfestigkeit und der Erosions-Korrosionsbeständig­ keit im Vergleich zu den diesbezüglichen Eigenschaften der üblichen Laufschichtlegierung graphisch dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 die mittlere Lebensdauer der Laufschicht bis zum Bruch bei einer bekannten und einer erfindungs­ gemäßen Legierung an Hand der erreichten Last­ wechselzahlen und
Fig. 2 den für den Erosionskorrosionsverschleiß aussage­ kräftigen mittleren Gewichtsverlust der bekannten und der erfindungsgemäßen Laufschichten bei gleichen Prüfbedingungen im Schaubild.
Wie sich aus Fig. 1 unmittelbar ergibt, wurde bei einer erfindungsgemäßen Legierung mit 17 Gew.-% Zinn, 2 Gew.-% Kupfer, Rest Blei im Mittel eine Lastwechsel­ zahl von 22×106 erreicht. Die Laufschichtdicke betrug dabei 15 µm. Die mittlere Lagerbelastung war mit 70 N/mm2 Schwellast festgelegt. Die Öleintrittstemperatur betrug 140°C. Die der erreichten Lastwechselzahl ent­ sprechende Höhe des Rechtecks 1 der Fig. 1 zeigt im Ver­ gleich zum Rechteck 2, dessen Höhe einer Lastwechselzahl von 14×106 entspricht, die Überlegenheit der erfindungs­ gemäßen Laufschicht gegenüber einer üblichen Laufschicht hinsichtlich der Ermüdungsfestigkeit. Die durch das Recht­ eck 2 gekennzeichnete Lastwechselzahl wurde bei gleichen Prüfbedingungen mit einer Laufschichtlegierung aus 10 Gew.-% Zinn, 3 Gew.-% Kupfer, Rest Blei erreicht. Würde man den Kupferanteil einer solchen bekannten Legierung auf 2 Gew.-% verringern oder überhaupt fortlassen, so ergäbe sich mit dem abnehmenden Kupfergehalt nach den bekannten Unter­ suchungen über den Einfluß des Kupfergehaltes auf die Er­ müdungsfestigkeit eine geringere Ermüdungsfestigkeit, wie dies durch die strichliert angedeuteten Rechtecke 3 und 4 dargestellt ist, die eine Lastwechselzahl von 10,5×106 für 2 Gew.-% Kupfer und von 2,5×106 für 0 Gew.-% Kupfer angeben. Im Gegensatz zu dieser Erwartung kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Maßnahme einer mit der Verringerung des Kupferanteiles Hand in Hand gehenden Erhöhung des Zinn­ anteiles eine wesentliche Verbesserung der Legierung bezüg­ lich der Ermüdungsfestigkeit sichergestellt werden.
Die erfindungsgemäße Legierung bringt aber nicht nur Vorteile in bezug auf die Ermüdungsfestigkeit mit sich, sondern vor allem auch eine hohe Erosions-Korrosions­ festigkeit. Dies kann am Schaubild nach Fig. 2 abgelesen werden. Die Höhe des Rechtecks 5 entspricht dabei dem mittleren Gewichtsverlust der erfindungsgemäßen Lauf­ schichtlegierung, wie sie auch der Fig. 1 zugrundegelegt wurde. Nach einer Betriebszeit von 40 Stunden wurde bei einem Mehrschichtlager mit einem Nenndurchmesser von 61,3 mm, einer Breite von 12 mm und einer erfindungsge­ mäßen Laufschicht von 15 µm Dicke ein mittlerer Gewichts­ verlust von 22 mg festgestellt, wobei als Schmiermittel Altöl mit einer Eintrittstemperatur von 140°C verwendet wurde. Die Lagerdrehzahl ist während dieser Versuche mit 1000 U/min festgelegt worden. Die mittlere Lagerbelastung betrug 45 N/mm2 Schwellast.
Bei den gleichen Versuchsbedingungen wurde bei einer üblichen Laufschicht mit 10 Gew.-% Zinn, 3 Gew.-% Kupfer, Rest Blei ein mittlerer Gewichtsverlust von 37 mg und bei einer Laufschicht ohne Kupferanteil mit 10 Gew.-% Zinn, Rest Blei von 40 mg gemessen, wie dies durch die Rechtecke 6 und 7 dargestellt ist. Man erkennt aus dieser Gegenüberstellung unmittelbar, daß die Erosions- Korrosionsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Legierung wesentlich verbessert werden konnte. Die strichliert in die Rechtecke 5 und 6 eingezeichneten Gewichtsver­ luste bei der Verwendung von Neuöl zeigen für beide Legierungen Verluste in der gleichen Größenordnung von 5 mg, was zu erwarten war, weil ja bei der Verwendung von Neuöl der Erosions-Korrosionsverschleiß in den Hinter­ grund tritt und nur die mechanische Verschleißfestigkeit eine Rolle spielt. Entsprechende Werte konnten für die Legierung ohne Kupferanteil wegen der vorher auftreten­ den Dauerbrüche nicht ermittelt werden. Erst die aggressiveren Altöle bewirken eine entsprechende Erosions- Korrosionsbelastung der Laufschicht, deren Erosions- Korrosionsbeständigkeit sich an Hand des mittleren Ge­ wichtsverlustes zeigen läßt.

Claims (2)

1. Galvanisch aufgetragene Laufschichtlegierung für ein Mehrschichtgleitlager auf Bleibasis mit einem Zinnzusatz und einem Kupfergehalt kleiner als 3 Gew.-%, dadurch gekennzeich­ net, daß die Legierung einen Zinngehalt größer als 15 Gew.-%, aber höchstens 20 Gew.-% und einen Kupfergehalt von 1,5 bis 2,5 Gew.-%, Rest Blei aufweist.
2. Laufschichtlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Legierung aus 17 Gew.-% Zinn, 2 Gew.-% Kupfer, Rest Blei besteht.
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