Alternative Lagermetalle für Gleitlager

Entwicklung eines metallischen Laufschichtwerkstoffs für mechanisch und thermisch hochbelastete hydrodynamische Gleitlager

Steigende Anforderungen an Gleitlagermaterialien erfordern Alternativen zu existierenden Lagermetalllegierungen wie Weißmetallen oder Bronzen. Neben Eigenschaften wie Festigkeit, Verschleißwiderstand und guten Notlaufeigenschaften haben in den letzten Jahren auch Faktoren wie Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit an Bedeutung gewonnen, wodurch eine Substitution etablierter Gleitlagermetalle notwendig ist.
Zink-Basis-Legierungen zeichnen sich durch eine gute Umweltverträglichkeit und gute Festigkeitseigenschaften aus und wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens deshalb im ternären System ZnAlCu metallographisch, mechanisch, physikalisch sowie tribologisch untersucht. Es wurden die Abhängigkeiten der Gefügeausprägungen von zinkreichen Legierungen des Systems ZnAlCu von deren einzelnen Legierungsbestandteilen und den Abkühlbedingungen erarbeitet.

Ein Simulationsmodell auf Basis der Phasenfeldmethode wurde entwickelt und validiert, um weitere Mikrostrukturmerkmale auch für nicht experimentell untersuchte Legierungen voraussagen zu können. Zudem zeigten Untersuchungen der Gießeigenschaften keinerlei Nachteile gegenüber der betrachteten Referenzlegierung SnSb12Cu6ZnAg. Eine präzise Temperaturführung ist jedoch zur Vermeidung von Heißrissen beim Gießen der Legierungen essenziell. Durch Variation des Aluminium- und Kupfergehaltes, aber auch durch Beeinflussung der Abkühlrate konnte ein breites Spektrum an mechanischen Eigenschaften, bei stets guten tribologischen Eigenschaften, abgedeckt werden. Messungen der Zug- und Druckfestigkeiten, aber auch der Dauerschwingfestigkeit und der Kriechbeständigkeit zeigten deutlich, dass die im Zuge des Feinscreenings genauer untersuchten Legierungen, den traditionell als Gleitlagerlegierung eingesetzten Weißmetallen deutlich überlegen sind.

Fraktographische Untersuchungen der Zugversuchsproben zeigten darüber hinaus insbesondere bei den niedrig legierten Werkstoffen aufgrund der hexagonalen Gitterstruktur von Zink ein sehr sprödes Bruchverhalten, welches sich auch in den Ermüdungsversuchen widerspiegelte. Mit zunehmendem Legierungsgehalt, abnehmender Temperatur und abnehmendem Spannungsverhältnis kann ein deutlicher Anstieg der Dauerfestigkeiten beobachtet werden. Das tribologische Verhalten wurde anhand von Pin-on-Disc-Versuchen im Trockenlauf analysiert. Der Reibkoeffizient sinkt mit zunehmendem Aluminium- und Kupfergehalt. Weiterhin zeigte ein Vergleich der Legierung ZnAl20Cu0.7 mit der Referenzlegierung SnSb12Cu6ZnAg innerhalb des betrachteten Lastkollektives eine um 25% höhere Verschleißbeständigkeit.
Um das große Potenzial der im Vorhaben entwickelten Legierungen zur industriellen Reife zu bringen, sind jedoch noch genauere Untersuchungen zur zeitlichen Änderung der Werkstoffeigenschaften durch Alterungsprozesse und den Effekt gezielter Wärmebehandlungen notwendig, die in einem Folgevorhaben untersucht werden sollen.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 20165-N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.