WO2012028136A2 - Gleitlagerlegierung auf zinn-basis - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a sliding bearing alloy based on tin
- Such a plain bearing alloy is known from DE 101 45 389 C2.
- the well-known plain bearing alloy which belongs to the white metals, meets the demands on sliding bearing materials, especially in large machinery, for electrical motors and generators, turbines, compressors, compressors and gearbox requirements for high wear resistance, high static and dynamic mechanical load limits, adaptability to machining accuracies the shafts or axles to be supported, embedability of foreign particles, good run-in and run-flat behavior, corrosion resistance and adequate wettability to lubricants.
- the addition of bismuth (Bi) results in a high degree of solidification of the white metal even at high saturation
- the alloying element bismuth also minimizes the adhesion tendency in the alloy, in particular for the storage of steel shafts or axles.
- the known plain bearing alloy avoids in particular the addition of toxic substances, such as cadmium and arsenic, which were provided in previously known plain bearing alloys, as described for example in DE 44 40 477.
- the present invention is based on the object, while maintaining the advantages of the above-mentioned Gieitlagerieg réelle the material properties to further improve, especially in terms of fatigue strength. This object is achieved in a Gieitlagerieg réelle of the type mentioned in that a total of 0.01 - 0.04 wt.% Grain refining agent formed by one or more elements from the group Te, Se, Ce and Ni.
- the addition of the comminuting agent, in particular tellurium is preferably 0.020-0.0375% by weight, more preferably 0.020-0.030% by weight, in particular 0.025% by weight.
- the alloy contains a zinc (Zn) content which is between 0.5 and 1.0% by weight.
- bismuth (Bi), zinc (Zn) and antimony (Sb) ensure mixed crystal formation and solidification. Antimony and copper are used for particle hardening.
- the sliding bearing alloy contains an antimony (Sb) content between 12 and 13 wt%.
- the copper (Cu) content is preferably between 5 and 7, in particular 6 wt.%.
- the preferred amount of bismuth (Bi) is between 0.8 and 2% by weight.
- the proportion of zinc (Zn) may be between 0.5 and 2% by weight, preferably between 0.5 and 1.0% by weight and more preferably 0.75% by weight.
- the plain bearing alloy according to the invention is preferably used with a layer thickness of 1 to 2 mm on a substrate.
- larger layer thicknesses can also be realized with the plain bearing alloy according to the invention without difficulty.
- the additional alloying elements Li, Au, Cr, Ag optionally provided for the known plain bearing alloy can likewise be added to the plain bearing alloy according to the invention, preferably within the limits of 0.05-0.5% by weight for Li, Au and Ag and 0.05 -1.0% by weight for Cr.
- a plain bearing alloy according to the invention with 13 wt.% Sb, 6 wt.% Cu, 1, 8 wt.% Bi, 0.75 wt.% Zn and 0.025 wt.% Te was compared with a commercial plain bearing alloy (TEGOTENAX-S).
- the alloy according to the invention has a significantly longer service life than the comparative alloy.
- the probability of failure in the sliding bearing alloy according to the invention is less than 2/3 of the failure probability determined for the comparative alloy.
- Example 1 The plain bearing alloy according to Example 1 according to the invention has been compared here with the commercially available plain bearing alloy TEGOSTAR®.
- Example 4 Fatigue test
- the sliding bearing according to the invention has 122.8 million load changes without damage, ie without Ge shegerisse survived.
- the plain bearing alloy according to the invention therefore has properties which are at least equivalent in terms of strength to the proven plain bearing alloys on the market and are superior with regard to the dynamic loading capacity and fatigue strength.
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Abstract
Eine Gleitlagerlegierung, die hohe statische Festigkeitswerte mit einer hohen Lebensdauer bei dynamischer Belastung verbindet, weist folgende Zusammensetzung auf: 6-18 Gew.-% Sb, 3-10 Gew.-% Cu, 0,5-3,5 Gew.-% Bi, 0-2,0 Gew.-% Zn, 0-0,5 Gew.-% Mg, 0-0,5 Gew.-% Li, 0-0,5 Gew.-% Au, 0-1 Gew.-% Cr, 0-1 Gew.-% Ag sowie 0,01-0,04 Gew.-% eines Kornfeinungsmittels gebildet durch ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe Te, Se, Ce, Ni, Rest Sn und unvermeidbare Verunreinigungen.
Description
Gleitlagerlegierung auf Zinn-Basis
Die Erfindung betrifft eine Gleitlagerlegierung auf Zinn-Basis mit
6-18 Gew. Sb
3-10 Gew.% Cu
0,5-3,5 Gew.% Bi
0-2,0 Gew.% Zn
0-0,5 Gew.% Mg
0-0,5 Gew.% Li
0-0,5 Gew.% Au
0-1 Gew.% Cr
0-1 Gew.% Ag
und einem Zusatz eines Kornfeinungsmittels,
Rest Zinn und unvermeidbare Verunreinigungen. Eine derartige Gleitlagerlegierung ist durch DE 101 45 389 C2 bekannt. Die bekannt Gleitlagerlegierung, die zu den Weißmetallen gehört, erfüllt die an Gleitlagerwerkstoffe, insbesondere im Großmaschinenbau, für elektrische Motoren und Generatoren, Turbinen, Kompressoren, Verdichter und Getriebe gestellten Anforderungen nach einem hohen Verschleißwiderstand, hohen statischen und dynamischen mechanischen Belastungsgrenzen, einer Anpassungsfähigkeit an Bearbeitungsgenauigkeiten der zu lagernden Wellen oder Achsen, Einbettfähigkeit von Fremdpartikeln, gutes Einlauf- und Notlaufverhalten, Korrosionsbeständigkeit und eine ausreichende Schmierstoffbenetzbarkeit. Durch die Zugabe von Wismut (Bi) wird eine hohe Verfestigung des Weißmetalls auch bei hoher Sättigung
IBestätigungskopie
der Zinn-Matrix mit Legierungselementen erreicht. Das Legierungselement Wismut minimiert in der Legierung darüber hinaus die Adhäsionsneigung, insbesondere für die Lagerung von Wellen oder Achsen aus Stahl.
In der bekannten Gleitlagerlegierung wird optional zwischen 0,05 und
nende und keimbildende Wirkung zu erzielen. Die bekannte Gleitlagerlegierung vermeidet insbesondere die Zugabe toxischer Stoffe, wie Cadmium und Arsen, die in vorbekannten Gleitlagerlegierungen, wie sie beispielsweise in DE 44 40 477 beschrieben ist, vorgesehen waren. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Beibehaltung der Vorteile der eingangs erwähnten Gieitlageriegierung die Materialeigenschaften weiter zu verbessern, insbesondere hinsichtlich der Ermüdungsfestigkeit. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Gieitlageriegierung der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass insgesamt 0,01 - 0,04 Gew.% Kornfeinungsmittel, gebildet durch ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe Te, Se, Ce und Ni. In unvorhersehbarer Weise wurde gefunden, dass eine u ngewöhnlich geringe Zugabe an Kornfeinungsmitteln, bevorzugt Tellur (Te) zu der angestrebten Verbesserung des Materiaiverhaltens, insbesondere der Ermüdungsfestigkeit, führt. Die Zugabe des Komfeinungsmittels, insbesondere Tellur, beträgt bevorzugt 0,020-0,0375 Gew. %, weiter be- vorzugt 0,020-0,030 Gew.%, insbesondere 0,025 Gew.%.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Legierung einen Zink(Zn)-Anteil, der zwischen 0,5 und 1 ,0 Gew.% liegt. Besonders bevorzugt ist der Anteil von 0,75 Gew.% Zn. In der erfindungsgemäßen Gleitlagerlegierung sorgen Wismut (Bi), Zink (Zn) und Antimon (Sb) für eine Mischkristallbildung und -Verfestigung. Antimon und Kupfer dienen der Partikelhärtung. Die relativ hohen Anteile dieser Legierungsbestandteile lassen eigentlich vermuten, dass für die Erhöhung der Zähigkeitseigenschaften, also für die Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit, ein hoher Anteil an Korn- feinungsmitteln zugegeben werden müsste. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die üblicher Weise vorgesehene Menge des Kornfei- nungsmittels, die deutlich über 0,5 Gew.% liegt, nicht zu einer Verbesserung der Gesamteigenschaften der Gleitlagerlegierung führt. Demgegenüber ermöglicht die erfindungsgemäße geringe Zugabe des Kornfeinungsmittels, die deutlich unter 0,5 Gew.% liegt, die Beibehaltung hoher Festigkeitswerte unter Erzielung einer erhöhten Ermüdungsfestigkeit, wie sie insbesondere im Bruchschwellfestigkeits- versuch nachweisbar ist.
In bevorzugten Ausführungsformen enthält die Gleitlagerlegierung einen Antimon(Sb)-Anteil zwischen 12 und 13 Gew.%. Der Kupfer(Cu)-Anteil liegt vorzugsweise zwischen 5 und 7, insbesondere bei 6 Gew.%. Der bevorzugte Anteil an Wismut (Bi) liegt zwischen 0,8 und 2 Gew.%. Der Anteil an Zink (Zn) kann zwischen 0,5 und 2 Gew.% liegen, beträgt bevorzugt zwischen 0,5 und 1 ,0 Gew.% und weiter bevorzugt 0,75 Gew.%.
Die erfindungsgemäße Gleitlagerlegierung wird vorzugsweise mit ei- ner Schichtdicke von 1 bis 2 mm auf einem Substrat verwendet. Insbesondere größere Schichtdicken können mit der erfindungsgemäßen Gleitlagerlegierung ebenfalls ohne Schwierigkeiten realisiert werden.
Die für die bekannte Gleitlagerlegierung optional vorgesehenen weiteren Legierungselemente Li, Au, Cr, Ag können in gleicher Weise der erfindungsgemäßen Gleitlagerlegierung zugesetzt werden, vorzugsweise in den Grenzen 0,05-0,5 Gew.% für Li, Au und Ag und 0,05-1 ,0 Gew.% für Cr.
Mit einer Anordnung, bei der ein Prüfling mit Schichtdicke von 1 ,5 mm als Axiallager-Kreissegment vorliegt, ist in einem beheizten Öl- bad eine oszillierende Belastung mit 80 Pa und 102 MPa durch einen Stahlstempel mit einer Frequenz von 33 Hz bei einer Temperatur von 100°C durchgeführt worden.
Eine erfindungsgemäße Gleitlagerlegierung mit 13 Gew.% Sb, 6 Gew.% Cu, 1 ,8 Gew.% Bi, 0,75 Gew.% Zn und 0,025 Gew.% Te wurde mit einer marktüblichen Gleitlagerlegierung (TEGOTENAX-S) verglichen. Die erfindungsgemäße Legierung weist dabei eine deutliche höhere Lebensdauer auf als die Vergleichslegierung. Die Ausfallwahrscheinlichkeit beträgt bei der erfindungsgemäßen Gleitlagerle- gierung weniger als 2/3 der für die Vergleichslegierung ermittelten Ausfallwahrscheinlichkeit.
Beispiel 2: Dauerschlagbiegeversuch
In diesem Versuch wurde eine stabförmige Legierungsprobe mit ei- nem Probenquerschnitt von 10 mm einer Schlaggeschwindigkeit von 0,7 m/s mit einer Schlagarbeit pro Schlag von 0,275 J ausgesetzt. Die Stützweite für den Probenstab betrug 80 mm, der Schlaghammer wies eine konische Spitze auf und beaufschlagte den an den Enden abgestützten Probenstab mittig senkrecht zu seiner Längsrichtung. Gemessen wurde die Schlagarbeit in J bis zum Bruch.
Die erfindungsgemäße Gleitlagerlegierung, wie sie im Beispiel 1 angegeben worden ist, wurde verglichen mit der handelsüblichen Gleitlagerlegierung TEGOSTAR®73 der ECKA Granulate Essen GmbH. Die erfindungsgemäße Gleitlagerlegierung erreichte, wie die Ver- gleichslegierung eine etwa gleiche mittlere Schlagarbeit bis zum Bruch (etwa 500 J).
Verglichen wurden dabei auch Probenstäbe, die mit den gleichen Legierungselementen zusammengesetzt waren, von denen jedoch der eine Typ unmittelbar nach dem Kokillenguss mit Wasser abgeschreckt worden ist, während der andere Typ erst nach einer Verweilzeit von 15 s abgeschreckt wurde. Es zeigte sich, dass die Dauerschlagbiegefestigkeit des nach der Verweilzeit abgeschreckten Probenstabs des Typs 2 etwas höher war als die für den Typ 1.
Als weitere erfindungsgemäße Gleitlagerlegierung wurde eine gleiche Zusammensetzung gewählt, bei der lediglich der Anteil von 0,025 Gew.% Te ersetzt worden ist durch 0,025 Gew.% Ni. Für diese Legierung liegt die Dauerschlagbiegefestigkeit etwa 10 % niedriger, jedoch immer noch in einem hohen Bereich.
Beispiel 3: Druckkriechversuch
Bei diesem Versuch werden flächige Proben bei definierter Ölbad- Temperatur einem definierten Stempeldruck ausgesetzt. Als Richt- wert für das Kriechverhalten der Legierungen wird eine mittlere Muldentiefe des Stempelabdrucks in der Probe herangezogen.
Die erfindungsgemäße Gleitlagerlegierung gemäß Beispiel 1 ist hier mit der handelsüblichen Gleitlagerlegierung TEGOSTAR® verglichen worden. Die über die Zeit von 400 h gemessenen Kriechkurven ergeben für die erfindungsgemäße Gleitlagerlegierung eine bis zu 50 % geringere Kriechneigung bei 100°C und Belastungshorizonten von 25 MPa bzw. 40 MPa.
Ähnliche Ergebnisse ergeben sich auch bei einer durchgeführten Belastung von 25 MPa bei 140°C Ölbadtemperatur (= Probentemperatur). Beispiel 4: Ermüdunqsversuch
Die erfindungsgemäße Gleitlagerlegierung gemäß Beispiel 1 ist in einem Radialgleitlager-Ermüdungsversuch, der mit einer Belastungsamplitude von Pquer= 33 MPa und bei ca. 95°C durchgeführt worden ist, geprüft worden. Dabei hat das erfindungsgemäße Gleitlager 122,8 Mio. Lastwechsel schadensfrei, d.h. ohne Gefügerisse, überstanden.
Die erfindungsgemäße Gleitlagerlegierung verfügt daher über Eigenschaften, die bezüglich der Festigkeit den im Markt befindlichen bewährten Gleitlagerlegierungen mindestens ebenbürtig sind und be- züglich der dynamischen Belastbarkeit und Ermüdungsfestigkeit überlegen sind.
Claims
1. Gleitlagerlegierung mit
6-18 Gew.% Sb
3-10 Gew.% Cu
0,5-3,5 Gew.% Bi
0-2,0 Gew.% Zn
0-0,5 Gew.% Mg
0-0,5 Gew.% Li
0-0,5 Gew.% Au
0-1 Gew.% Cr
0-1 Gew.% Ag
sowie 0,01 -0,04 Gew.% eines Kornfeinungsmittels gebildet durch ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe Te, Se, Ce, Ni,
Rest Sn und unvermeidbare Verunreinigungen.
2. Gleitlagerlegierung gemäß Anspruch 1 , bei der als Kornfei- nungsmitte! Te eingesetzt ist.
3. Gleitlagerlegierung gemäß Anspruch 2 mit einem Anteil Te 0,020-0,0375 Gew.%.
4. Gleitlagerlegierung gemäß Anspruch 2 mit einem Anteil Te 0,020-0,030 Gew.%.
5. Gleitlagerlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Anteil Sb 12-13 Gew.% beträgt.
6. Gleitlagerlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Anteil Cu 5-7 Gew.% beträgt.
7. Gleitlagerlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der Anteil Bi 0,8-2,0 Gew.% beträgt.
8. Gleitlagerlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Anteil Zn 0,5-1 ,0 Gew.% beträgt.
9. Gleitlagerlegierung nach Anspruch 8, bei der der Anteil Zn zwischen 0,7 und 0,8 Gew.% liegt.
10. Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers durch Gießen der Gleitlagerlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Gießvorgang eine Verweildauer von 0,2 bis 10 Minuten eingehalten wird, bevor eine Abkühlung durch Abschrecken mit einer Flüssigkeit vorgenommen wird.
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