EP3601821A1

EP3601821A1 - Dreistoffiges walzplattiertes gleitlager mit zwei aluminiumschichten

Info

Publication number: EP3601821A1
Application number: EP18716535.2A
Authority: EP
Inventors: Gaetano Fabio Cosentino; Michael Wagner; Tobias Seidling
Original assignee: Federal Mogul Wiesbaden GmbH
Current assignee: Federal Mogul Wiesbaden GmbH
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2018-03-23
Publication date: 2020-02-05
Also published as: US20200109744A1; CN110418904A; BR112019017943A2; WO2018177919A1; KR20190127812A; JP2020516818A; DE102017205338A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitlagerelement mit einer Stützschicht aus Stahl, einem darauf aufgebrachten 2-Schichtverbund bestehend aus einer aluminiumbasierten Substratschicht mit einer Schichtdicke h_S von 0,2 bis 0,4 mm und einer aluminiumbasierten Gleitschicht mit einer Schichtdicke h_G von 0,005 bis 0,1 mm, wobei die Substratschicht und die Gleitschicht durch Walzplattieren gefügt sind, sowie ein Gleitlager aus zwei derartigen Gleitlagerelementen, welche schwerpunktmäßig für die Anwendung in Hochleistungsmotoren, hauptsächlich für Pleuellager, Kurbelwellen-Hauptlager und Pleuelbuchsen eingesetzt werden, aber auch Anwendung in der Lagerung von Nocken- und Ausgleichswellen sowie Getrieben finden.

Description

DREISTOFFIGES WALZPLATTIERTES GLEITLAGER MIT ZWEI ALUMINIUMSCHICHTEN

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitlagerelement, insbesondere eine Gleitlagerschale, mit einer Stützschicht aus Stahl, einem darauf aufgebrachten 2-Schichtverbund bestehend aus einer aluminiumbasierten Substratschicht und einer aluminiumbasierten Gleitschicht sowie ein Gleitlager aus zwei derartigen Gleitlagerelementen, welche schwerpunktmäßig für die Anwendung in Hochleistungsmotoren, hauptsächlich für Pleuellager, Kurbelwellen-Hauptlager und Pleuelbuchsen eingesetzt werden, aber auch Anwendung in der Lagerung von Nocken- und Ausgleichswellen sowie Getrieben finden.

Die aluminiumbasierten Lagermetallwerkstoffe werden meist als Massiv- Aluminiumband gegossen und nach Umformungs- und Wärmebehandlungsschritten durch Plattieren, meist Walzplattieren, mit einem Stahlband verbunden. Lagermetalle auf Aluminiumbasis stellen gegenüber kupferbasierten Lagermetallen eine bessere Einbettfähigkeit bereit, worunter die Fähigkeit des Werkstoffes verstanden wird, Fremdpartikel in dem Lagerspalt, beispielsweise durch Abrieb oder Verunreinigung, aufzunehmen und einzubetten. Auch sind die Gleitoder jedenfalls die Notlaufeigenschaften der Aluminium-Lagermetalle regelmäßig besser, insbesondere wenn diese höhere Zinnanteile aufweisen. Deshalb können diese Werkstoffe ohne oder mit Gleitschicht Verwendung finden. Im ersten Fall wird hierin von einem Zwei Stoff System oder -lager, im zweiten Fall von einem Dreistoff System oder -lager gesprochen.

Das Zweischicht- und das Dreischichtsystem kann zwecks besserer Haftung zwischen Stahlrücken und Lagermetallschicht bekanntlich ferner eine dünne Zwischenschicht aufweisen. Die Lagermetallschicht wird dann zusammen mit der Zwischenschicht regelmäßig zunächst durch Walzplattieren zu einem Schichtverbund vorplattiert und anschließend wird der Schichtverbund ebenfalls durch Walzplattieren mit einem Stahlband verbunden. Die Zwischenschicht übernimmt in dem Verbund in der Regel keine Funktion außer eben der Haftvermittlung, ist nicht selten eine Reinaluminiumschicht und wird deshalb bei der Kategorisierung in Zweischicht- und Dreischichtsysteme nicht mitgezählt.

Auch sind Zweischicht- und Dreischichtsysteme bekannt, die einen polymeren Überzug (Gleitlack) als Einlaufschicht aufweisen. Auch solche nichtmetallischen Schichten werden hiernach bei der Kategorisierung in Zweischicht- und Dreischichtsysteme nicht mitgezählt.

Gleitlagerelemente aus einem Aluminiumzweistoffsystem sind beispielsweise aus den Schriften DE 102 46 848 A1 , DE 103 43 618 B3, DE 10 2005 023 541 A1 , DE 10 2009 002 700 B3, DE 10 201 1 003 797, DE 10 201 1 087 880 B3 und EP 1 522 750 B9 bekannt. In den Schriften werden aluminiumbasierte Lagermetalle besprochen, deren Verschleißbeständigkeit, Warm- und Ermüdungsfestigkeit mit der Zugabe jeweils mehrerer aus einer Vielzahl von Elementen, ausgewählt aus Sn, Pb, In, Bi, Si, Zn, Cu, Mg, Mn, Ni, Ti, Co, V und/oder Cr verbessert werden soll.

Mit dem Begriff „Festigkeit" wird allgemein der mechanische Widerstand beschrieben, den ein Werkstoff einer Trennung oder einer plastischen Verformung entgegensetzt. Die Festigkeit eines Werkstoffes hängt ganz wesentlich von der Struktur des Kristallgitters einschließlich Versetzungen ab. Es werden unterschiedliche Arten von Festigkeiten in Abhängigkeit von der Art und Weise der Belastung angegeben. Bei der sogenannten„Dauerfestigkeit" oder„Ermüdungsfestigkeit" handelt es sich um eine dynamische Festigkeit, welche den mechanischen Widerstand eines Materials gegenüber sich zeitlich verändernden Belastungen beschreibt. Meist wird die„Zugfestigkeit" im vergleichsweise einfachen Zugversuch ermittelt, aus der dann Rückschlüsse auf die Dauer- oder Ermüdungsfestigkeit gezogen werden können.

Unter „Verschleißfestigkeit" wird der Widerstand eines Werkstoffs gegenüber mechanischem Abrieb verstanden. Verschleiß wiederum kann unterschiedliche Ursachen haben. Zum einen gibt es den fressenden Verschleiß, bei dem zwei Werkstoffe unter der Reibungswärme förmlich miteinander verschweißen, was zum Abtrag eines der Werkstoffe führt. Zum anderen erfolgt Verschleiß oder Abrieb aufgrund unterschiedlicher Härte der Reibpartner. Ein Maß für die Verschleißfestigkeit ist daher die Härte des Werkstoffes, welche als der Widerstand verstanden wird, den ein Werkstoff der mechanischen Eindringung eines anderen Körpers entgegensetzt und welche ebenfalls relativ einfach in einem der zahlreichen bekannten Härtetests ermittelt werden kann.

Im Hinblick auf die oben genannten Legierungsbestandteile kann man also generell zwei Wirkungen unterscheiden. Die sogenannten Weichphasen, wie beispielsweise Pb, Sn oder Bi, vermindern als Festschmierstoffe, möglichst sogar unter Mischreibungsbedingungen, ein Fressen und den Verschleiß. Die harten bzw. festigenden Bestandteile, wie beispielsweise Si oder intermetallische Phasen aus AI mit Mn, Cu, Mn, Zn, haben, in Abhängigkeit von ihrer Größe und Verteilung, eine festigkeitssteigernde Wirkung und tragen aufgrund ihrer Härte auch zur Verminderung des Verschleißes bei.

Die Schrift DE 10 2009 002 700 B3 befasst sich zudem mit einer Aluminium- Kupfer-Legierung als Zwischenschicht, deren Dicke und Härte an die Eigenschaften der Lagermetallschicht angepasst sind, um insgesamt eine hinreichende plastische Nachgiebigkeit und Formanpassungsfähigkeit der Gleitlagerschale zu erzielen. Nachteil der Zweischichtsysteme ist generell, dass die Wirkungen der Weichphasen einerseits und der festigenden Bestandteile andererseits in einer Schicht sich teilweise entgegenstehen. Die hierbei zur Anwendung kommenden Lagermetalle bilden deshalb stets einen Kompromiss im Hinblick auf die Eigenschaften der Verschleißbeständigkeit und/oder der Warm- und Ermüdungsfestigkeit.

Bekannte Gleitlagerelemente aus einem Aluminiumdreistoffsystem, wie es beispielsweise in der Schrift WO 2016/023790 offenbart ist, weisen einen Stahlrücken als Stützschicht, wenigstens eine Lagermetallschicht und eine mittels Galvanik oder Sputtern auf die Lagermetallschicht aufgebrachte Gleitschicht auf. Hierdurch ist es möglich die Aluminiumlegierung der Lagermetallschicht, beispielsweise für die anspruchsvolle Verwendung in Verbrennungsmotoren, im Hinblick auf ihre Festigkeit und zu Lasten der Einbettfähigkeit und Verschleißbeständigkeit zu optimieren. Letztere Eigenschaften übernimmt die dahingehend optimierte Gleitschicht. Die Lagermetallschicht muss dann allenfalls Notlaufeigenschaften aufweisen.

Für die Gleitschicht kommen chemisch oder elektrochemisch (galvanisch) oder mittels PVD-Verfahren, insbesondere Sputtern, aufgebrachte dünne Metallschichten in Betracht, vgl. DE 10 2005 063 324 B4 oder DE 10 2005 063 325 B4, wobei hier eine zinnhaltige Aluminiumlegierung als Sputterschicht auf ein Substrat aus einer Kupferlegierung aufgebracht ist. Solche Gleitschichten sind fertigungsbedingt sehr dünn, was grundsätzlich schon deshalb von Vorteil ist, weil sie keine hohe Festigkeit aufweisen. Die Dauerfestigkeit des gesamten Lagers wird umso mehr von der Festigkeit der darunter befindlichen Lagermetall- oder Substratschicht bestimmt, je dünner die Gleitschicht.

Vorstehend genannte Beschichtungen werden in der Gleitlagerherstellung auf das fertig bearbeitete Gleitlager aufgebracht. Das Aufbringen der Gleitschicht verteuert daher die Herstellung dieser Gleitlager in erheblichem Maße. In vielen Fällen ist zudem zwischen der Lagermetallschicht und der Gleitschicht eine Zwischen- oder Sperrschicht als Diffusionsbarriere vorgesehen, die ebenfalls meist galvanisch abgeschieden wird und den Herstellungsprozess nochmals verteuert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Lagerelement, insbesondere eine Gleitlagerschale, bereitzustellen, das ähnlich kostengünstig herzustellen ist wie ein Zweistofflager und dabei nach Möglichkeit die Verschleißbeständigkeit und Einbettfähigkeit und zugleich die Warm- und Ermüdungsfestigkeit wie ein Dreistofflager aufweist.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Gleitlagerelement gemäß Anspruch 1 , umfassend eine Stützschicht aus Stahl, einen auf die Stützschicht aufgebrachten 2- Schicht-Verbund bestehend aus einer Aluminium-basierten Substratschicht mit einer Schichtdicke von 0,2 bis 0,4 mm und einer Aluminium-basierten Gleitschicht mit einer Schichtdicke von 0,005 bis 0,1 mm, wobei die Substratschicht und die Gleitschicht durch Walzplattieren gefügt und bleifrei sind.

Das erfindungsgemäße Gleitlagerelement beruht darauf, dass nicht wie bei den oben genannten Zweischichtlagern eine Vermittlung zwischen Verschleißfestigkeit und Dauerfestigkeit innerhalb einer Schicht stattfindet, sondern dass wie bei den bekannten Dreischichtlagern diese beiden Werkstoffeigenschaften jeweils einer separaten Schicht zugeordnet werden. Während die Substratschicht in dem erfindungsgemäßen Gleitlagerelement also so eingestellt ist, dass sie eine hohe Dauerfestigkeit gewährleistet, besitzt die Gleitschicht eine sehr gute Verschleißfestigkeit bei optimierter Einbettfähigkeit.

Im Unterschied zu den bekannten Dreistoffsystemen werden die Gleitschicht und die Lagermetallschicht aber durch Walzplattieren gefügt. Dies erleichtert den Herstellungsprozess erheblich. Insbesondere kann zunächst ein Zweikom- ponentenverbund aus dem Gleitschicht- und dem Lagermetallschichtmaterial als Band vorgefertigt werden, bevor er auf die Stahlstützschicht aufgebracht wird. Durch das Fügen der einzelnen Schichten mittels Walzplattieren wird eine durchgehende Bandfertigung ohne kostspieliges Besch ichtungsverfahren der einzelnen, bereits umgeformten Gleitlager möglich. Die Herstellung der Gleitlager wird dadurch vereinfacht und kostengünstiger.

Da das prozesssichere Walzplattieren in der Regel eine höhere Materialdicke erfordert als die angestrebte Gleitschichtdicke von 0,005 - 0,1 mm, kann, anders als beispielsweise beim galvanischen Abscheiden oder Sputtern, nach dem Aufbringen der Gleitschicht eine spanende Nachbearbeitung erforderlich sein. Diese kann bei ebenen Gleitlagerelementen sehr effizient am Band erfolgen, was die Produktionskosten nicht wesentlich verteuert. Bei Radiallagerelementen, wie Lagerschalen oder Buchsen, erfolgt die Nachbearbeitung am umgeformten Werkstück durch Bohren/Profilbohren oder Räumen. Dieser Vorgang ist immer erforderlich und findet auch bei den bekannten Dreistofflagern statt, weshalb auch insoweit keine Mehrkosten entstehen. Dort allerdings wird die Lagermetallschicht vor dem Beschichten mit dem Gleitschichtmaterial spanend bearbeitet. Interessanterweise sorgt die spanende Nachbearbeitung beim Profilbohren exzentrischer Profile dafür, dass die Gleitschicht einen variierenden Wanddickenverlauf aufweist, während die Substratschicht eine konstante Dicke hat. Bei den bekannten Radiallagern ist es genau umgekehrt. Die hierin angegebene Gleitschichtdicke von 0,005 - 0,1 mm bezieht sich bei solchen Lagern mit variierendem Wanddickenverlauf auf die jeweils dünnste Stelle der Gleitschicht, wobei der Profildickenunterschied bis zu 25 μιτι betragen kann. An anderer Stelle kann die Dicke demnach auch 0,1 mm überschreiten. ln einer vorteilhaften Ausführung besteht die Substratschicht des Gleitlagerele- mentes aus einer ersten Aluminiumlegierung, die neben unvermeidbaren Verunreinigungen aus einem oder mehreren der Bestandteile

- 0,1 - 8,0 Gew.-% Kupfer,

- 0,1 - 2,0 Gew.-% Mangan

- 0,2 - 5 Gew.-% Nickel,

- 1 ,0 - 8,0 Gew.-% Zink,

0,1 - 5,0 Gew.-% Magnesium,

- 0,1 - 2,0 Gew.-% Silizium,

- 0,05 - 1 ,0 Gew.-% Chrom,

- 0,05 - 1 ,0 Gew.-% Vanadium

und Rest Aluminium besteht.

Im erfindungsgemäßen Gleitlagerelement gewährleistet die Substratschicht in an sich bekannter Weise dadurch eine hohe Dauerfestigkeit, dass wahlweise eines oder mehrere der Elemente Cu, Mn, Ni, Zn, Mg und Si als festig keitsstei- gernde Elemente zulegiert sind.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die erste Aluminiumlegierung in Kombination

- 0,4 - 6,0 Gew.-% Kupfer und

- 0,3 - 2,0 Gew.-% Mangan

auf.

Kupfer bildet mit Aluminium intermetallische Ausscheidungen oder Phasen, die Versetzungen im Kristallgitter blockieren und so die Festigkeit des Werkstoffes erhöhen ohne die Bindungsfestigkeit der Substratschicht zum Stahlrücken zu vermindern. Es hat sich gezeigt, dass sich bei einem Kupferanteil von 0,4 - 6,0 Gew.-% und entsprechender Glühbehandlung gerade die für die Festigkeit wesentlichen kohärenten Ausscheidungen optimal hinsichtlich Größe, Form und Verteilung ausbilden.

Mangan bildet mit Aluminium ebenfalls intermetallische Ausscheidungen oder Phasen, die in der Aluminiumlegierung zu einer Erhöhung der Zähigkeit sowie zur Reduktion der interkristallinen Rissanfälligkeit führen. Außerdem dient es als Dispersionsbildner. Vorzugsweise liegt der Mangan-Gehalt bei 0,3 - 2,0 Gew.- %, wo das Mangan rekristallisationshemmend wirkt und deshalb hauptverantwortlich für die deutlich verbesserte thermische Stabilität oder Warmfestigkeit ist. Die Schicht wird dadurch selbst bei Anwesenheit von Kupfer weniger empfindlich gegenüber Temperatureinflüssen, wie sie insbesondere im Betrieb von modernen Verbrennungsmotoren herrschen. Außerdem begünstigt eine erhöhte Rekristallisationstemperatur im Herstellungsprozess die Größe und Form von Ausscheidungen im Allgemeinen. Ein zu hoher Anteil an Mn fördert hingegen die Bildung sogenannter inkohärenter Ausscheidungen in Form von spröden AlöMn-Kristallen, welche sich negativ auf die Festigkeit des Werkstoffes auswirken.

Bevorzugt weist die erste Aluminiumlegierung ferner 0,5 - 3 Gew.-% Nickel und 0,05 - 1 ,0 Gew.-% Vanadium oder 0,2 - 2,5 Gew.-% Magnesium und 0,1 - 2,0 Gew.-% Silizium auf.

In dem einen Fall erzeugt das Nickel in dem angegeben Bereich eine zusätzliche Mischkristallverfestigung, indem es Gitterplätze im Kristall besetzt. Hier kann der Kupfergehalt niedriger gewählt werden.

In dem anderen Fall führt das Magnesium zu einer besseren Kaltaushärtung durch kohärente Ausscheidungen, wobei insbesondere das Cu/Mg-Verhältnis eine wichtige Rolle spielt. Außerdem haben sich die beiden Ausführungsvarianten der Erfindung als bevorzugt erwiesen, weil sie bei geeigneter thermischer Behandlung eine sehr gute Bindungsfestigkeit zur Stahlstützschicht haben und deshalb zusätzlich als guter Haftvermittler zu der Gleitschicht dienen.

Vorzugsweise besteht die Gleitschicht aus einer zweiten Aluminiumlegierung, die neben unvermeidbaren Verunreinigungen aus einem oder mehreren der Bestandteile

- 1 ,0 - 10,0 Gew.-% Silizium,

- 5,0 - 30,0 Gew.-% Zinn,

- 0,1 - 5,0 Gew.-% Kupfer

- 0,1 - 3,0 Gew.-% Mangan,

- 0,05 - 1 ,0 Gew.-% Vanadium,

- 0,05 - 1 ,0 Gew.-% Chrom,

und Rest Aluminium besteht.

Bevorzugt weist die zweite Aluminiumlegierung davon in Kombination

- 1 ,0 - 6,0 Gew.-% Silizium,

- 5,0 - 25,0 Gew.-% Zinn und

- 0,3 - 2,5 Gew.-% Kupfer

auf.

Wie schon oben ausgeführt, übernimmt die Gleitschicht vor allem die Funktionen sehr guter Verschleißfestigkeit und Einbettfähigkeit. Hierfür ist zunächst der mit 5,0 - 30,0 Gew.-% angegebene Zinngehalt in der Aluminiumlegierung verantwortlich zu machen, der, verglichen mit den Aluminiumlegierungen der Zweischichtsysteme, hoch ausfällt und deshalb die Einbettfähigkeit und die Trockenlaufkapazität der Gleitschicht deutlich erhöht. 5 Gew.-% sind dafür wenigstens nötig, bevorzugt aber wenigstens 10 Gew.-%. Erst bei Überschreiten der oberen Grenze von 30 Gew.-% nimmt die Festigkeit der Gleitschicht so stark ab, dass die Schicht für sich betrachtet hoher Beanspruchung nicht mehr Stand hält. Eine höhere Sicherheit erhält man bei Einhaltung des oberen Grenzwertes von 25 Gew.-%, besonders bevorzugt sind 21 ,5 Gew-% als obere Grenze. Der hohe Zinnanteil kommt Gleitlagerelementen zugute, die zeitweise unter Mischrei- bungsbedingungen operieren, wie beispielweise Lager in Verbrennungsmotoren mit Start-Stopp-Betrieb, d.h. Lager, an denen phasenweise keine hydrodynamische Ölschmierung sichergestellt ist. Zudem lässt sich die Legierung durch das Zinn leichter zerspanen, wodurch in der Nachbearbeitung des Gleitlagerelements die Genauigkeit zum Beispiel beim Bohren erhöht werden kann. Darüber hinaus wird die Standzeit der zum Nachbearbeiten verwendeten Werkzeuge erhöht. Gleichzeitig kann durch die Anpassung der Gleitschicht bei der Zusammensetzung der Substratschicht auf jene Legierungselemente verzichtet werden, die die Verschleißfestigkeit erhöhen und die Ermüdungsfestigkeit herabsetzen.

Wie bezüglich der Substratschicht dargelegt, steigert Kupfer die Festigkeit der Legierung aufgrund von sich bildenden intermetallischen Ausscheidungen, sodass auch die Gleitschicht in begrenztem Maße zur Belastbarkeitssteigerung beiträgt.

Durch das Angebot an Si-Partikeln und deren durch die Wärmebehandlung gesteuerte Größe und Verteilung kann die Fressneigung abgesenkt bzw. die Verschleißfestigkeit mittels Ausscheidungshärtung erheblich verbessert werden, was abermals bei Mischreibungsbedingungen aber auch im „normalen" hydrodynamischen Betrieb von Vorteil ist.

Bevorzugt liegt das Silizium so verteilt vor, dass 35-70 Si-Partikel > 5 μιτι auf einer Fläche von 0,04 mm² vorzufinden sind.

Besonders bevorzugt beträgt die maximale Partikelgröße 35 μιτι. Diese Partikelgrößenverteilung hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, weil die Si-Hartteilchen > 5 μηη ausreichend groß sind, um als harte Tragkristalle eine hohe Verschleißbeständigkeit des Werkstoffes zu gewährleisten.

Zur Ermittlung der Partikelgrößenverteilung wird ein Flächenausschnitt der Lagermetallschicht einer bestimmen Abmessung unter einem Mikroskop, vorzugsweise bei 500-facher Vergrößerung, betrachtet. Die Gleitschicht kann dabei in einer beliebigen Ebene betrachtet werden, da von einer im Wesentlichen homogenen Verteilung der Si-Partikel in der Schicht ausgegangen wird oder zumindest davon, dass eine Verteilung, die gewollt oder ungewollt inhomogen ist, also beispielsweise in einer Richtung graduell zu- oder abnimmt, jedenfalls die beanspruchten Grenzen nicht verlässt. Die Gleitschicht wird dazu vorzugsweise der Gestalt präpariert, dass zunächst ein ebener Schliff angefertigt wird. Die in dem Flächenausschnitt sichtbaren Si-Partikel werden der Gestalt vermessen, dass deren längste erkennbare Ausdehnung ermittelt und dem Durchmesser gleichgesetzt wird. Schließlich werden alle Si-Partikel in dem Flächenausschnitt mit einem Durchmesser > 5 μιτι aufaddiert und die Anzahl derselben in der untersuchten Gesamtmessfläche auf eine Normfläche bezogen. Es können auch die Durchmesser aller in eine solche Klasse (> 5 μιτι) fallender Si-Partikel ermittelt und aufaddiert werden und daraus ein Mittelwert errechnet werden.

Vorzugsweise weist die zweite Aluminiumlegierung ferner 0,1 - 1 ,5 Gew.-% Mangan oder 0,05 - 1 ,0 Gew.-% Vanadium und 0,05 - 1 ,0 Gew.-% Chrom auf.

Im einen Fall dient das Mangan wie auch in der Substratschicht so in der Gleitschicht der Erhöhung der Zähigkeit, der Reduktion der interkristallinen Rissanfälligkeit und wirkt als Dispersionsbildner sowie rekristallisationshemmend und ist deshalb hauptverantwortlich für eine verbesserte thermische Stabilität oder Warmfestigkeit. Im anderen Fall übernimmt das Chrom in Teilen diese Funktion. Der Chrom- Gehalt ist abgestimmt auf den Kupfer-Gehalt in der Aluminiummatrix für die Warmfestigkeit des Werkstoffes verantwortlich, die bei hochbelasteten Anwendungen stets auch für die Gleitschicht gefordert ist. Der Chrom-Gehalt von 0,05 bis 1 ,0 Gew.-% hat sich bei gleichzeitiger Zulegierung von 0,3 - 2,5 Gew.-% Kupfer als vorteilhaft erwiesen, um in der Gleitschicht-Matrix ausreichend festig- keitssteigernde Ausscheidungen zu bilden. Andererseits sollte ein Gehalt von 1 ,0 Gew.-% nicht überschritten werden, um wiederum die Umformbarkeit nicht negativ zu beeinflussen.

Schließlich weist die letztere Aluminiumlegierung der Lagermetallschicht 0,05 bis 1 ,0 Gew.-% Vanadium auf, das in diesem Fall hemmend auf die Rekristallisation des Matrixmaterials wirkt, weil es dessen Rekristallisationstemperatur anhebt. Damit dient Vanadium im Ergebnis ebenfalls der Erhöhung der Warmfestigkeit.

In einer vorteilhaften Ausführungsform besitzt die Substratschicht des Gleitlagerelements im fertigen Zustand eine Brinell-Härte von 50 - 100 HBW 1 /5/30 und/oder eine Zugfestigkeit von 200 - 300 MPa.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Gleitlagerelements besitzt die Gleitschicht im fertigen Zustand eine Brinell-Härte von 25 - 60 HBW 1 /5/30 und/oder eine Zugfestigkeit von 100 - 200 MPa.

Wie schon eingangs geschildert, kann aus der Zugfestigkeit auf die Dauer- oder Ermüdungsfestigkeit des Materials geschlossen werden. Ebenso ist die Härte ein Indikator für die Verschleißfestigkeit. Aus Härte und Zugfestigkeit können zudem Rückschlüsse auf die Verarbeitbarkeit des Materials gezogen werden. Es hat sich nun gezeigt, dass bei den angegebenen Härten und Zugfestigkeiten die Materialeigenschaften von Gleit- und Substratschicht so eingestellt sind, dass das Lagerelement auch bei höchster thermischer Beanspruchung, höchsten Lastspitzen und temporärer Mangelschmierung keine nennenswerten oder zumindest geringere Ausfälle zeigt, als die bekannten Zweistofflager. Unterschreitet die Härte der Substratschicht den unteren Grenzwert, so erhöht sich die Gefahr der plastischen Materialverformung zu stark, worunter die Dauerbelastbarkeit des gesamten Lagers leidet und was langfristig zu einem Ausfall führt. Überschreitet sie den oberen Grenzwert, wird das Material spröde.

Ähnlich verhält es sich bei der Gleitschicht: Unterschreitet die Härte der Gleitschicht den angegebenen unteren Grenzwert, so kann sich auch diese Schicht plastisch verformen, was nicht unmittelbar zu einem Ausfall führt, aber die Lebensdauer der Gleitschicht in unakzeptabler Weise verkürzt. Überschreitet sie den oberen Grenzwert, geht das mit deutlich nachlassender Einbettfähigkeit einher.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Gleitlagerschale als Ausgestaltung des vorstehend beschriebenen Gleitlagerelementes und insbesondere eine Gleitlagerschale mit einem nominellen Durchmesser von < 100 mm, bevorzugt

< 80 mm.

Als„nomineller Durchmesser" wird der Innendurchmesser eines aus zwei Gleitlagerschalen zusammengesetzten Gleitlagers bezeichnet, von denen zumindest eine Gleitlagerschale erfindungsgemäß ausgebildet ist. Solche Gleitlager kommen vorzugsweise als Kurbelwellenhauptlager oder Pleuellager in einem Verbrennungsmotor in Betracht. Hierbei gibt es in der Regel eine höher belastete Lagerseite und eine geringer belastete Lagerseite. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Gleitlagers ermöglicht es innerhalb einer solchen Lagerstelle zwei unterschiedliche Gleitlagerschalen derart zu kombinieren, dass die höher belastete Gleitlagerschale die erfindungsgemäß dünne Gleitschicht aufweist, während die weniger belastete Gegenschale desselben Gleitlagers eine dickere Gleitschicht bei gleicher Gesamtlagerdicke aufweist. Grundsätzlich ist die dünnere Gleitschicht dort vorteilhaft wo hohe Ermüdungsfestigkeit verlangt wird, während die dickere Gleitschicht ein besseres Einbettverhalten aufweist, um hierdurch die Schmutzempfindlichkeit des gesamten Gleitlagers zu verringern. So lassen sich die jeweiligen Eigenschaften der Gleitlagerschalen nochmals genauer auf die konkrete Anwendungssituation zuschneiden.

Anhand der Figuren und Beispiele wird das erfindungsgemäße Gleitlagerelement näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1 einen prinzipiellen Schichtaufbau des erfindungsgemäßen Gleitlagerelements.

Figur 1 zeigt schematisch einen perspektivischen Ausschnitt eines Gleitlagerelements in Form einer Gleitlagerschale gemäß der Erfindung. Die Gleitlagerschale weist insgesamt drei Schichten auf. Als unterste Schicht ist eine Stütz- oder Trägerschicht 10 aus Stahl vorgesehen. Auf der Trägerschicht 10 ist eine Substratschicht 12 aufgebracht. Auf der Substratschicht 12 wiederum ist eine Gleitschicht 14 angeordnet. Die Substratschicht 12 und die Gleitschicht 14 weisen jeweils die vorstehend diskutierte Zusammensetzung auf Aluminiumbasis auf. Die Gleitschicht hat eine Dicke he von 0,005 bis 0,1 mm. Dabei gilt: Je dünner die Gleitschicht ist, desto höher ist der Beitrag der dickeren Substratschicht an der Dauerfestigkeit. Die Substratschicht besitzt eine Dicke hs von 0,2 bis 0,4 mm. Nachfolgend sind in Tabelle 1 zwei Ausführungsbeispiele der Aluminiumlegie- rung der Substratschicht und in Tabelle 2 zwei Ausführungsbeispiele der Alumi- niumlegierung der Gleitschicht aufgeführt.

Tabelle 1 : Beispielhafte Zusammensetzung Substratschicht (Anteile in Gew.-%)

AI Cu Mn Ni Mg Zn Cr Si V

S1 REST 0,6 0,6 1 ,5 - - - - 0,2

S2 REST 4,5 0,7 - 0,7 - - 0,5 -

Tabelle 2: Beispielhafte Zusammensetzung Gleitschicht (Anteile in Gew.-%)

Ä1 Sn Cu Si Cr V Mn

G1 REST 21 ,5 1 ,0 4,0 - - 0,35

G2 REST 10,0 0,8 2,4 0,2 0,2

Die Zugfestigkeiten und Härten der oben aufgeführten Ausführungsbeispiele sind in der folgenden Tabelle 3 dargestellt.

Tabelle 3: Härten und Zugfestigkeiten R_m der Substratschichten (S1 und S2) und Gleitschichten (G1 und G2) zu verschiedenen Zeitpunkten des Herstellungsprozesses

Vor Vor

Vor Fertige

Walzplattieren auf Walzplattieren auf

Abschlussglühung Lagerschale Aluminium Stahl

Rm Härte Rm Härte Rm Härte Rm Härte

[MPa] [HBW] [MPa] [HBW] [MPa] [HBW] [MPa] [HBW]

S1 238 71 166 45 265 75 250 70

S2 190 51 180 48 240 63 225 60

G1 181 55 130 35 175 57 130 38

G2 193 56 146 44 190 59 150 42 Die Bestimmung der Härten und Zugfestigkeiten erfolgte nach den Vorschriften DIN EN ISO 6506 und DIN EN 10002.

Nachfolgend werden die Herstellung der erfindungsgemäßen Lagerelemente und insbesondere das Einstellen der Materialeigenschaften der Aluminiumlegierungen der Substratschicht und der Gleitschicht geschildert.

Durch individuelle Feinabstimmung der Zusammensetzung und der Prozessabläufe bei der Herstellung der einzelnen Schichten wird der Schwerpunkt der Eigenschaften zwischen Tragfähigkeit, Ermüdungsfestigkeit und/oder Gleiteigenschaften je nach Anforderungsprofil der geplanten Anwendung in obigem Parameterbereich eingestellt.

Es wird ein Bandmaterial aus einer ersten Aluminiumlegierung, welches im späteren Verbundwerkstoff die Substratschicht bildet, und ein Bandmaterial aus einer zweiten Aluminiumlegierung, welches im späteren Verbundwerkstoff die Gleitschicht bildet, bereitgestellt. Wie aus der Tabelle 3 zu entnehmen ist, können diese Materialen zunächst ähnliche Eigenschaften hinsichtlich Härte und Zugfestigkeit aufweisen. Auf das Gießen der Bandmaterialien folgt eine Glühbehandlung zwecks Homogenisierung bei einer Temperatur zwischen 400 und 550°C. Dabei lösen sich die Ausscheidungen der leicht löslichen Elemente in den Legierungen, wie Kupfer, Magnesium, Silizium oder Zink auf und verteilen sich gleichmäßig. Insgesamt werden so die Materialeigenschaften homogenisiert. Ausscheidungen der schwerer löslichen Elemente wie Mangan vergröbern sich und verlieren ihre eckige Form (Einformung). Die Bandmaterialien können beispielsweise vor Ort gegossen und anschließend in abwechselnden Glüh- und Umformungsschritten (Walzen) auf eine gewünschte Dicke, beispielsweise jeweils 1 ,4 bis 2 mm zu Bändern ausgewalzt werden. Anschließend werden die beiden Bandmaterialien mittels Kaltwalzplattieren gefügt. Die Dicke der gefügten Schichten beträgt nach diesem ersten Walzplattieren jeweils etwa 0,7 bis 1 mm, dies entspricht einem Umformgrad von etwa 50%. Daraufhin folgt eine oder mehrere Glühbehandlungen zwecks Rekristallisation bei einer Temperatur zwischen 200 und 400°C für 8 bis 15 Stunden. Dies baut innere Energie der durch die Umformung entstandenen Versetzungen mittels Umordnung und Bildung eines neuen Korngefüges ab, wobei die Rekristallisation bei niedrigeren Temperaturen beginnt, je größer die Kaltverformung und je länger die Glühzeit ist. Zudem führt dies insgesamt zu einer Abnahme von Zugfestigkeit und Härte der einzelnen Schichten (vgl. Tabelle 3). Das feinkörnige und idealerweise vollständig rekristallisierte Gefüge hat die besten Umformeigenschaften.

Der so erzeugte Zweischichtverbund wird anschließend ebenfalls mittels Kaltwalzplattieren auf ein Stahlband aufgebracht, also zu einem Dreischichtverbund gefügt, wobei die Substratschicht auf der Stahlschicht angeordnet ist. Daran schließen sich gegebenenfalls weitere Walzschritte an, in denen die Dicke der Substratschicht und der Gleitschicht weiter auf ein gewünschtes Endmaß (der Substratschicht) reduziert wird. Hier werden Umformgrade von wenigstens 50% erreicht, wobei gilt, dass hohe Umformgrade mit einer besseren Bindung des Zweischichtverbunds zum Stahlrücken einhergehen. Die Substratdicke und die Gleitschichtdicke betragen dann jeweils etwa 0,2 bis 0,4 mm.

Nach dem Walzplattieren und einzelnen weiteren Walzschritten kann bei Bedarf jeweils wieder ein Rekristallisationsglühen folgen. Am Ende der Umformung, sei es nach dem Walzplattieren auf das Stahlband oder nach dem oder den weiteren Walzstichen, folgt jedenfalls eine Abschlussglühung bei Temperaturen zwischen 150 und 450°C, bevorzugt zwischen 200 und 350°C für 4 bis 12 Stunden, bei der mittels Diffusion eine Bindezone zwischen dem Stahlband und dem Substratwerkstoff ausgebildet wird, was zu einer Verbesserung der Bindung zwischen den Schichten führt. Zudem dient das Abschlussglühen zum Einstellen der oben geforderten Materialeigenschaften hinsichtlich Härte und Zugfestigkeit. Aufgrund der unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung kann die Temperatur der Abschlussglühung über oder unter der Rekristallisationsschwelle einer der beiden Schichten gewählt werden, so dass wahlweise gleichzeitig auch eine Rekristallisation in der entsprechenden Schicht stattfindet. Vorzugsweise wird die Temperatur so gewählt werden, dass die Substratschicht das Abschlussglühen ohne signifikante Zugfestigkeits- und Härteverluste übersteht, während die Gleitschicht an Härte verliert.

Schließlich wird aus dem 3-Schichtverbundwerkstoff das Lagerelement geformt, indem beispielsweise Platinen abgetrennt, in einem nächsten Prozessschritt zu Gleitlagerschalen oder Buchsen umgeformt und die Gleitlagerschalen oder Buchsen schließlich spanend nachbearbeitet werden, wobei ein Endmaß der Gleitschichtdicke von 0,005 bis 0,1 mm erzielt wird.

Bezugszeichenliste

Stahlrücken

Substratschicht

Gleitschicht

Gleitfläche

Dicke der Gleitschicht

Dicke der Substratschicht

Claims

Patentansprüche

1 . Gleitlagerelement, umfassend

eine Stützschicht aus Stahl,

einen auf die Stützschicht aufgebrachten 2-Schicht-Verbund bestehend aus

einer bleifreien aluminiumbasierten Substratschicht mit einer

Schichtdicke hs von 0,2 bis 0,4 mm und

einer bleifreien aluminiumbasierten Gleitschicht mit einer

Schichtdicke iG von 0,005 bis 0,1 mm,

dadurch gekennzeichnet, dass die Substratschicht und die Gleitschicht durch Walzplattieren gefügt sind.

2. Gleitlagerelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Substratschicht aus einer ersten Aluminiumlegierung besteht, die neben unvermeidbaren Verunreinigungen aus einem oder mehreren der folgenden Bestandteile

- 0,1 - 8,0 Gew.-% Kupfer,

- 0,1 - 2,0 Gew.-% Mangan

- 0,2 - 5 Gew.-% Nickel,

- 1 ,0 - 8,0 Gew.-% Zink,

0,1 - 5,0 Gew.-% Magnesium,

- 0,1 - 2,0 Gew.-% Silizium,

- 0,05 - 1 ,0 Gew.-% Chrom,

- 0,05 - 1 ,0 Gew.-% Vanadium

und Rest Aluminium besteht.

3. Gleitlagerelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Aluminiumlegierung in Kombination

- 0,4 - 6,0 Gew.-% Kupfer, - 0,3 - 2,0 Gew.-% Mangan

aufweist.

4. Gleitlagerelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Aluminiunnlegierung ferner

- 0,5 - 3 Gew.-% Nickel und

- 0,05 - 1 ,0 Gew.-% Vanadium

aufweist.

5. Gleitlagerelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Aluminiumlegierung ferner

0,2 - 2,5 Gew.-% Magnesium und

- 0,1 - 2,0 Gew.-% Silizium

aufweist.

6. Gleitlagerelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht aus einer zweiten Aluminiumlegierung besteht, die neben unvermeidbaren Verunreinigungen aus einem oder mehreren der folgenden Bestandteile

- 1 ,0 - 10,0 Gew.-% Silizium,

- 5,0 - 30,0 Gew.-% Zinn,

- 0,1 - 5,0 Gew.-% Kupfer

- 0,1 - 3,0 Gew.-% Mangan,

- 0,05 - 1 ,0 Gew.-% Vanadium,

- 0,05 - 1 ,0 Gew.-% Chrom,

und Rest Aluminium besteht.

7. Gleitlagerelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Aluminiumlegierung in Kombination

- 1 ,0 - 6,0 Gew.-% Silizium, - 5,0 - 25,0 Gew.-% Zinn und

- 0,3 - 2,5 Gew.-% Kupfer

aufweist.

8. Gleitlagerelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Aluminiumlegierung ferner

0,1 - 1 ,5 Gew.-% Mangan

aufweist.

9. Gleitlagerelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Aluminiumlegierung ferner

- 0,05 - 1 ,0 Gew.-% Vanadium und

- 0,05 - 1 ,0 Gew.-% Chrom

aufweist.

10. Gleitlagerelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratschicht eine Brinell-Härte von 50 - 100 HBW 1 /5/30 besitzt.

1 1 . Gleitlagerelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratschicht eine Zugfestigkeit von 200 - 300 MPa besitzt.

12. Gleitlagerelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht eine Brinell-Härte von 25 - 60 HBW 1/5/30 besitzt.

13. Gleitlagerelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht eine Zugfestigkeit von 100 - 200 MPa besitzt.

14. Gleitlagerelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlagerelement als Gleitlagerschale ausgebildet ist.

15. Gleitlagerelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitlagerschale einen nominellen Durchmesser von <100mm aufweist.

16. Gleitlager zusammengesetzt aus zwei Gleitlagerschalen, von denen wenigstens eine Gleitlagerschale nach Anspruch 15 ausgebildet ist.