WO2012028136A2

WO2012028136A2 - Gleitlagerlegierung auf zinn-basis

Info

Publication number: WO2012028136A2
Application number: PCT/DE2011/001620
Authority: WO
Inventors: Dragomir Nesic; Paul Beiss; Okan Akin
Original assignee: Zollern Bhw Gleitlager Gmbh & Co. Kg
Priority date: 2010-08-30
Filing date: 2011-08-16
Publication date: 2012-03-08
Also published as: WO2012028136A3; DE102010036130B3

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

1 ^{Te zu}9^e9^eDen. um eine gewisse kornfei^¬

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 P_quer= 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

Ansprüche

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.