Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines metallischen Laufschichtwerkstoffs für mechanisch und thermisch hochbelastete hydrodynamische Gleitlager

Es soll ein umweltverträglicher, metallischer Laufschichtwerkstoff für hydrodynamische Gleitlager entwickelt werden, dessen thermo-mechanische Belastbarkeit die Kennwerte der leistungsfähigsten Sn-Basis Weißmetalle deutlich übertrifft. Neue Einsatzgebiete, z.B. in Windenergieanlagen, verschieben den Betriebspunkt von Gleitlagern in Richtung des Mischreibungsgebietes. Dies hat höhere Temperaturen in der Laufschicht zur Folge, wodurch die Gewichtung der Anforderungen in Richtung der thermischen Belastbarkeit verschoben wird. Die heute erreichbaren Festigkeitskennwerte verfügbarerer Lagerwerkstoffe genügen den Anforderungen nicht mehr.

Mittels computergestützter Werkzeuge, die die Thermodynamik und die kinetische Gefügeentwicklung komplexer Legierungen virtuell abbilden können, werden zunächst vielversprechende Legierungszusammensetzungen identifiziert. Potentielle Legierungskandidaten werden im Labormaßstab im Stand- und Schleuderguss abgegossen. In sukzessiven Screening-Schritten werden diese Kandidaten hinsichtlich ihrer Gefügestruktur, Gießeignung, Bindungseigenschaften und ihrer thermo-mechanischen Beanspruchbarkeit analysiert.

Zum Projektende wird ein Lagerwerkstoff vorliegen, dessen Belastbarkeit den verfügbaren Weißmetall-Legierungen überlegen ist. Dieser wird für den gesamten Lebensdauerzyklus von der Schmelze bis zum Versagen unter operativer Belastung metallkundlich verstanden sein. Die chemischen und technologischen Eigenschaften werden in Form eines Datenblattes dokumentiert.

Gleitlager werden vorwiegend von KMU entwickelt und hergestellt. Aufgrund ihrer Größe und Ausstattung sind diese nicht in der Lage, die notwendige Entwicklung neuer Werkstoffe eigenständig voranzutreiben. Die Entwicklung sichert aus technologischer und wirtschaftlicher Sicht die internationale Wettbewerbsfähigkeit der Gleitlager- und Maschinenhersteller. Die Notwendigkeit der Entwicklung haben die Mitglieder der Projektgruppe durch vAW Zusagen unterstrichen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des abgeschlossenen Projektes wurden die Abhängigkeiten der Mikrostruktur zinkreicher ZnAlCu-Legierungen von deren einzelnen Legierungsbestandteilen und den Abkühlbedingungen erarbeitet. Ein Simulationsmodell wurde entwickelt und validiert, um 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. Das zu Beginn des Projektes gegenüber der Referenz SnSb12Cu6ZnAg gesetzte Ziel einer um 50 % höheren Zug- und Druck-Festigkeit konnte erreicht werden. Mit zunehmendem Legierungsgehalt, abnehmender Temperatur und abnehmendem Spannungsverhältnis konnte außerdem ein deutlicher Anstieg der Dauerfestigkeiten beobachtet werden. Der Reibkoeffizient sinkt mit zunehmendem Aluminium- und Kupfergehalt und ein Vergleich der Legierung ZnAl20Cu0.7 mit SnSb12Cu6ZnAg zeigt innerhalb des betrachteten Lastkollektives eine um 25% höhere Verschleißbeständigkeit.

Die im Vorhaben entwickelten Legierungen des ternären Systems ZnAlCu können aufgrund der großen einstellbaren Bandbreite an mechanischen Eigenschaften und den hervorragenden tribologischen Eigenschaften in einer Vielzahl an Anwendungsbereichen als Gleitlagerlegierung eingesetzt werden. Eine daraus ermöglichte Vereinheitlichung der Prozessrouten zur Herstellung von Gleitlagern für ein breites Anwenderspektrum kommt einem effektiven Energie- und Ressourcenmanagement zugute, wodurch eine ökologischere Produktion sowie eine erhöhte Produktivität gefördert wird.