AT505664B1 - Gleitlagerlegierung aus weissmetall auf zinnbasis - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleitlagerlegierung aus Weißmetall auf Zinnbasis, das Antimon als Hauptlegierungselement und 1 bis 10 Gew.% Kupfer enthält.

Es sind Gleitlagerlegierungen auf Zinnbasis bekannt (GB 2 146 354 A), die 2 bis 15 Gew.% Antimon, 1 bis 10 Gew.% Kupfer, bis zu 15 Gew.% Blei und weitere Legierungselemente, wie Cadmium, Nickel, Silber, Tellur, Kobalt, Magnesium, Mangan und Arsen aufweisen können, wobei ein Gehalt von 0,005 bis 0,5 Gew.% Titan die Mikrostruktur des Lagerwerkstoffes verfeinern und damit die Tragfähigkeit eines Gleitlagers verbessern soll. Um die Belastbarkeit von ökologischen Weißmetalllegierungen zu steigern, wurde bereits vorgeschlagen (DE 101 45 389 C2), neben Antimon mit einem Anteil von 6 bis 15 Gew.% und Kupfer mit einem Anteil von 3 bis 10 Gew.% Wismut mit einem Anteil zwischen 0,1 und 18 Gew.% einzusetzen. Trotz dieser Maßnahme können diese bekannten, von umweltbelastenden Legierungsbestandteilen freien Gleitlagerlegierungen höheren Festigkeitsansprüchen nicht genügen, sodass bei höheren Anforderungen an die Belastbarkeit und an die Verschleißbeständigkeit häufig auf Lagermetalle auf Aluminiumbasis ausgewichen wird, obwohl beim Einsatz dieser Lagermetalle auf die hervorragenden Notlaufeigenschaften von Lagermetalllegierungen auf Zinnbasis verzichtet werden muss.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Festigkeit einer Gleitlagerlegierung aus Weißmetall auf Zinnbasis der eingangs geschilderten Art zu steigern, ohne umweltbelastende Legierungselemente, wie Cadmium, Blei, Arsen und Chrom, einsetzen zu müssen.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass das bis auf unvermeidbare Verunreinigungen cadmium-, blei-, arsen- und chromfreie Weißmetall 4 bis 30 Gew.% Antimon als Hauptlegierungselement, wenigstens ein Element aus einer Kobalt, Mangan, Scandium und Germanium enthaltenden Elementegruppe in einer auf die eingesetzten Elemente dieser Gruppe bezogenen Gesamtkonzentration zwischen 0,2 und 2,6 Gew.% sowie mindestens ein Element aus einer Magnesium, Nickel, Zirkon und Titan enthaltenden Elementegruppe in einer auf die eingesetzten Elemente dieser Gruppe bezogenen Gesamtkonzentration zwischen 0,05 und 1,7 Gew.% aufweist, wobei der Summenanteil von Antimon und Kupfer bei einem zumindest dem dreifachen Kupfergehalt entsprechenden Antimongehalt höchstens 35 Gew.% beträgt. In beiden Fällen stellt der Mindestgehalt die Wirksamkeitsgrenze dar, der Maximalgehalt verhindert ausgedehnte, auf Grund ihrer Größe und Anzahl bereits schädigende Ausscheidungen.

Durch die Zulegierung von Kobalt, Mangan, Scandium und/oder Germanium wird in vorteilhafter Weise eine Feinung und eine Abrundung der ausgeschiedenen intermetallischen Phasen erreicht. Germanium bildet zudem intermetallische Verbindungen mit freiem Kupfer, was die Festigkeit der Legierung positiv beeinflusst, und zwar unter der Voraussetzung, dass die Größe der einzelnen Ausscheidungen gering gehalten wird. Durch die primäre Kristallisation dieser höher schmelzenden Elemente bilden sich bei der Erstarrung des Weißmetalls eine Vielzahl von Kristallisationskeimen, die die Ausscheidung der intermetallischen Phasen mit Kupfer und Antimon erheblich feinen, wodurch die Festigkeit der Zinnmatrix entscheidend verbessert werden kann, ohne die Verformbarkeit des Weißmetalls nennenswert zu beeinträchtigen. Die sonst in tribologisch ungünstiger Nadelform ausgeschiedenen Phasen von Kupfer-Zinn und die ebenfalls ungünstigen würfelförmigen Zinn-Antimonphasen werden vorteilhaft gerundet. Außerdem wird die Neigung zur Rissausbildung erheblich verringert. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass eine ausreichend rasche Erstarrung der Legierungsschmelze sichergestellt werden muss, um der Ausbildung von intermetallischen Kupfer-Zinn- und Zinn-Antimonphasen in Form von vergleichsweise langen Nadeln entgegenzuwirken.

Die Elemente der Magnesium, Nickel, Zirkon und Titan enthaltenden Elementegruppe binden insbesondere bei höheren Antimongehalten einen Teil des Antimons in intermetallischen Phasen ab, was einer sonst mit einem höheren Antimongehalt einhergehenden Versprödung entgegenwirkt. Magnesium hat zusätzlich eine stark desoxidierende Wirkung. Zu hohe Gehalte an Magnesium steigern jedoch die Anfälligkeit für Korrosion, wobei besonders der Lochfraß auftritt. 3 AT 505 664 B1

Nickel findet sich in den Kupfer-Zinnkristallen und steigert deren Härte. Es hat jedoch keinen negativen Einfluss auf die Gleiteigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung. Nickel verbessert zudem die Korrosionsbeständigkeit und verringert die Anfälligkeit für Seigerungser-scheinungen. Gehalte über 5 Gew.% führen jedoch durch die Ausscheidung großer, harter Phasen zum Verspröden der Legierung. Zugaben an Zirkon in den angegebenen Gehalten haben verfestigende Wirkung auf die Matrix und dienen der Kornfeinung. Zugaben von Titan unterstützen die Kornfeinung, wodurch die Tragfähigkeit der Gleitlagerlegierung verbessert wird, ihre Härte jedoch nahezu unverändert bleibt. Ein erhöhter Kupfergehalt verfestigt die Legierung, weil sich zwischen Antimon und Kupfer eine intermetallische Phase ausbildet. Der Kupfergehalt darf jedoch das angegebene Grenzverhältnis wegen der sonst übermäßigen Ausbildung nadelförmiger Kupfer-Zinnphasen nicht übersteigen.

Besonders vorteilhafte Belastungsbedingungen für Lagermetallschichten aus einer solchen Gleitlagerlegierung ergeben sich, wenn der Antimongehalt des Weißmetalls 10 bis 22 Gew.% und der Kupfergehalt 3 bis 7 Gew.% beträgt. Ein Optimum ergibt sich in dieser Hinsicht bei einem Antimongehalt von 13 bis 18 Gew.% und einem Kupfergehalt von 3,5 bis 5,5 Gew.%. Um der Gefahr der Ausbildung von nadelförmigen Kupfer-Zinnphasen in einem für ein Lagermetall schädigenden Ausmaß aufgrund einer erhöhten Zugabe von Kupfer vorzubeugen, kann dem Weißmetall zusätzlich 0,6 bis 1,8 Gew.%, vorzugsweise 0,7 bis 0,9 Gew.% Zink zulegiert werden. Zink dient durch die Bildung von zusätzlichen Kristallisationskeimen zur Feinung der Kup-fer-Zinn- und Zinn-Antimonphasen. Dadurch wird ein Anwachsen dieser Phasen auf eine schädigende Größe verhindert. Unter 0,6 Gew.% Zink stellt sich keine positive Wirkung ein, über 1 Gew.% ist Zink nicht mehr im Zinnmischkristall gelöst, und es bildet sich zwischen Zinn und Zink eine niedrigschmelzende eutektische Phase (Tm ca. 200 °C). Diese senkt die Warmfestigkeit und auch die Korrosionsbeständigkeit. Ähnliche Wirkungen können dadurch erzielt werden, dass dem Weißmetall wenigstens ein Element aus einer Elementegruppe zulegiert wird, die Silber, Gold, Vanadium und Eisen umfasst, wobei die Einzelanteile dieser Legierungselemente 4 Gew.% nicht übersteigen dürfen. Der Summenanteil muss nach oben mit 8 Gew.% begrenzt werden.

Aluminium unterstützt die Feinung der auf Antimon und Kupfer beruhenden intermetallischen Phasen. Aus diesem Grunde kann das Weißmetall einen Aluminiumanteil von 0,05 bis 2,5 Gew.% besitzen. Der Aluminiumanteil ist nach oben zu begrenzen, um keinen negativen Einfluss auf die Porosität des Weißmetalls in Kauf nehmen zu müssen. Silizium hat einen ähnlichen Einfluss auf das Weißmetall. Überschüssiges Silizium verbindet sich mit Zirkon und Scandium zu intermetallischen Phasen und verhindert so die Ausbildung von wellenschädigenden primären Siliziumkristallen. Aus diesem Grund werden Silizium und Aluminium vorzugsweise in untereutektischer Zusammensetzung zugegeben, um die Ausbildung von primären Siliziumkristallen zu vermeiden. Es soll daher das Aluminium und das Silizium als heterogenes Phasengemisch vorliegen, wobei der Aluminiumanteil dem 7- bis 45-Fachen des Siliziumanteils entspricht.

Um die Festigkeitseigenschaften des Weißmetalls durch intermetallische Verbindungen zu steigern, kann auch Lithium mit einem Anteil von 0,05 bis 1,6 Gew.% zulegiert werden. Die Zugabe wenigstens eines Metalls aus der Gruppe der seltenen Erden kann schließlich die Gießeigenschaften der Weißmetalllegierung verbessern und die Anfälligkeit gegenüber von Seigerungen vermindern. Außerdem haben diese seltenen Erden eine kornfeinernde Wirkung. Die Gesamtkonzentration der eingesetzten seltenen Erden darf jedoch 1,3 Gew.% nicht übersteigen, wenn nachteilige Einflüsse unterdrückt werden sollen.

Im Folgenden werden einige Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Gleitlagerlegierung beschrieben.

Beispiel 1:

Claims (9)

1. 4 AT 505 664 B1 Eine Gleitlagerlegierung aus 10,1 Gew.% Antimon, 3,1 Gew.% Kupfer, 0,5 Gew.% Mangan, 0,08 Gew.% Scandium, 0,05 Gew.% Zirkon und 0,1 Gew.% Magnesium, Rest Zinn zeigte eine gute Verformbarkeit und eine Gusshärte von 30,0 HBW 2,5/15, 625/15. Beispiel 2: Zur Steigerung der Festigkeit wurde eine Gleitlagerlegierung mit 15,4 Gew.% Antimon, 4,6 Gew.% Kupfer, 0,3 Gew.% Mangan, 0,07 Gew.% Kobalt, 0,1 Gew.% Magnesium, 0,05 Gew.% Nickel sowie 0,7 Gew.% Zink, Rest Zinn hergestellt. Diese Gleitlagerlegierung wies eine Gusshärte von 36,1 HBW 2,5/15,625/15 auf. Durch ein Kaltwalzen fiel die Härte zwar ab, konnte durch eine Wärmebehandlung aber wieder auf 37,6 HBW 2,5/15,625/15 gesteigert werden, also auf eine Härte über der Gusshärte. Patentansprüche: 1. Gleitlagerlegierung aus Weißmetall auf Zinnbasis, das Antimon als Hauptlegierungselement und 1 bis 10 Gew.% Kupfer enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das bis auf unvermeidbare Verunreinigungen cadmium-, blei-, arsen- und chromfreie Weißmetall 4 bis 30 Gew.% Antimon als Hauptlegierungselement, wenigstens ein Element aus einer Kobalt, Mangan, Scandium und Germanium enthaltenden Elementegruppe in einer auf die eingesetzten Elemente dieser Gruppe bezogenen Gesamtkonzentration zwischen 0,2 und 2,6 Gew.% sowie mindestens ein Element aus einer Magnesium, Nickel, Zirkon und Titan enthaltenden Elementegruppe in einer auf die eingesetzten Elemente dieser Gruppe bezogenen Gesamtkonzentration zwischen 0,05 und 1,7 Gew.% aufweist, wobei der Summenanteil von Antimon und Kupfer bei einem zumindest dem dreifachen Kupfergehalt entsprechenden Antimongehalt höchstens 35 Gew.% beträgt.
2. 2. Gleitlagerlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antimongehalt des Weißmetalls 10 bis 22 Gew.% und der Kupfergehalt 3 bis 7 Gew.% beträgt.
3. 3. Gleitlagerlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antimongehalt des Weißmetalls 13 bis 18 Gew.% und der Kupfergehalt 3,5 bis 5,5 Gew.% beträgt.
4. 4. Gleitlagerlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Weißmetall 0,6 bis 1,8 Gew.%, vorzugsweise 0,7 bis 0,9 Gew.%, Zink enthält.
5. 5. Gleitlagerlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Weißmetall wenigstens ein Element aus einer Silber, Gold, Vanadium und Eisen enthaltenden Elementegruppe aufweist, wobei der Einzelanteil dieser Legierungselemente höchstens 4 Gew.% ausmacht, der Summenanteil jedoch höchstens 8 Gew.% beträgt.
6. 6. Gleitlagerlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Weißmetall einen Aluminiumanteil von 0,05 bis 2,5 Gew.% besitzt.
7. 7. Gleitlagerlegierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Weißmetall einen Siliziumanteil besitzt, wobei das Aluminium und das Silizium als heterogenes Phasengemisch vorliegen, und dass der Aluminiumanteil dem 7- bis 45-Fachen des Siliziumanteils entspricht.
8. 8. Gleitlagerlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Weißmetall einen Lithiumanteil von 0,05 bis 1,6 Gew.% aufweist.
9. 9. Gleitlagerlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Weißmetall wenigstens ein Metall der seltenen Erden in einer Gesamtkonzentration von 5 AT 505 664 B1 höchstens 1,3 Gew.% enthält. Keine Zeichnung