AT397969B - Gleitelement mit sich ändernder legierungszusammensetzung sowie verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

AT 397 969 B

Die Erfindung betrifft ein Gleitelement mit einer 10 um bis 100 um dicken Gleitschicht aus ternärer oder binärer Legierung von Metallen mit guten Gleiteigenschaften aus einer Gruppe von Blei, Zinn, Antimon, Indium, Thallium sowie Kupfer, Cadmium, Arsen, wobei sich die Legierungszusammensetzung der Gleitschicht von ihrer die Gleitfläche bildenen Oberfläche nach dem Schichtinneren ändert und ein oder 5 mehrere Legierungsbestandteile aus weichem Metall, beispielsweise Zinn und/oder Antimon, in die ternäre oder binäre Legierung der Gleitschicht eindiffundiert ist bzw. sind und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Wesentliche Anforderungen an ein modernes Gleitlager sind hohe thermo-mechanische Belastbarkeit und gute Gleiteigenschaften. Das erstgenannte Merkmal verlangt einen Werkstoff hoher Wärmebeständigkeit und Festigkeit, während für gute Gleiteigenschaften im Bereich von Gieitgeschwindigkeiten ab ca. 15 io m/s und darüber weiche Werkstoffe einzusetzen sind. Diese Forderungen werden insbesondere von Mehrschichtlagern, die eine weiche Gleitschicht und eine hochfeste Lagermetallschicht aus Bronze- oder Aluminiumwerkstoffen haben, erfüllt. Die Gleitschicht, die besonders gute Gleiteigenschaften besitzt, besteht je nach Ausführung meist aus Blei mit 8-20 Gew.-% Zinn und 2-6 Gew.-% Kupfer, wobei vereinzelt auch bis zu 10 Gew.-% Kupfer und weitere Metalle eingesetzt werden können. Auch andere Gleitschichten sind 75 bekannt, wie z.B. SnSb7- oder Pbln6-Legierungen.

Ein solches Gleitlager wird in der DE-PS 27 22 144 beschrieben. Die Gleitschicht der hier beschriebenen Lager ist auf Bleibasis mit 10-20 Gew.-% Zinn und mehr als 6-10 Gew.-% Kupfer. Es wurde angeblich festgestellt, daß sich mit höherem Kupfer- und Zinngehalt die Dauerbelastbarkeit des Gleitlagers erhöhen läßt. Diese Gleitschicht ist elektro-chemisch auf einer Lagermetallschicht abgeschieden, wobei sich dazwi-20 sehen eine Diffusionssperrschicht aus Nickel befinden kann. Die Lagermetallschicht kann aus einer Bleibronze bestehen. Alle Schichten sind auf einem Stützkörper aus Stahl aufgebracht. In der Gleitschicht ist die Zinnkonzentration über die Dicke der Gleitschicht konstant. Über der Gleitschicht kann als Korrosionsschutz ein dünner Flash aus Zinn oder aus einer Zinn-Blei-Legierung aufgebracht sein.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Gleitschicht nur schwer durch elektro-chemische Abscheidung 25 herstellbar ist, da hoch Sn-haltige Elektrolytlösungen sehr instabil sind, und daß mit einer Erhöhung der Dauerbelastbarkeit auch ein Anstieg der Härte erfolgt, so daß ein erhöhter Abrieb an der Welle eintreten kann. Es ist daher wünschenswert, den Zinngehalt in einer Gleitschicht zu erhöhen.

Gemäß der DE-OS 34 30 945 soll dieses Gleitlager den Nachteil haben, daß der hohe Kupfergehalt zu einer vergleichsweise hohen Sprödigkeit führt, obwohl durch den hohen Zinngehalt eine zu starke Einbuße 30 hinsichtlich der Ermüdungsfestigkeit verhindert wird; trotzdem eignen sich diese Gleitlager angeblich nicht für hohe Beanspruchungen. Aus diesem Grunde wird in der DE-OS 34 30 945 ein Mehrschicht-Gleitlager vorgeschlagen, bei dem die Gleitschicht auf einer Lagermetallschicht galvanisch abgeschieden ist; die Lagermetallschicht kann dabei aus einer Bleibronze-Legierung bestehen, die Gleitschicht besteht aus einer Legierung auf Bleibasis mit 14-22 Gew.-% Zinngehalt sowie maximal 6 Gew.-% Kupfergehalt, wobei das 35 Gewichtsverhältnis Zinn:Kupfer maximal 7:1 beträgt. Zwischen der Lagermetallschicht und der Gleitschicht ist eine Diffusionssperrschicht aus Nickel vorgesehen. Die Zinnkonzentration in der Gleitschicht ist über die Dicke der Gleitschicht konstant. Durch das vorgeschiagene Gewichtsverhältnis von Zinn zu Kupfer soll die Diffusionsgeschwindigkeit des Zinn auch bei hohen Temperaturen ausreichend gering sein, wobei aber trotzdem eine Versprödung der Gleitschicht verhindert ist. 40 Schließlich ist aus der DE-PS 10 77 026 ein Mehrschicht-Gleitlager bekannt, bei dem zunächst eine Blei-Kupfer-Legierung auf eine Lagermetallschicht aus Bleibronze mit 20-30 Gew.-% Blei galvanisch aufgebracht wird. Dabei wird ein Konzentrationsgradient des Kupfers eingerichtet, und zwar derart, daß dieser bis auf 0 abnimmt. Dies soll durch spezielle Führung der galvanischen Abscheidung erreicht werden. Über diese Schicht aus Blei-Kupfer-Legierung wird eine Zinn-Schicht oder Antimonschicht galvanisch 45 aufgebracht. Die Dicke dieser zweiten Schicht soll etwa 1/4 der Dicke der ersten Schicht betragen. Beide Schichten zusammen bilden die Gleitschicht. Das Zinn oder Antimon diffundiert dann durch Wärme, die bet einer Wärmebehandlung zugeführt wird oder während der Verwendung des Gleitlagers entsteht, nur ir> die Blei-Kupfer-Legierung, nicht jedoch in die Lagermetallschicht, wodurch die sonst durch Zinn oder Antimon in der Lagermetallschicht verursachten Probleme angeblich entfallen. so Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleitelement, insbesondere für Mehrscbichtgleiäager, zur Verfügung zu stellen, das einerseits hoch verschleißfestist und anderseits verbesserte Gleiteigenschaften aufweisen soll. Die verbesserten Gieiteigenschaften sollen möglichst über die gesamte Lebensdauer des Gleitelementes vorliegen und sich vor allem in der Einlaufzeit des Gleitlagers besonders günstig auswirken. Außerdem soll das neue Gleiteiement einfach und mit herkömmlichen Methoden, wie z.B. durch elektroche-55 mische Abscheidung herstellbar sein. Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Gleitschicht zu schaffen.

Diese Aufgaben werden hinsichtlich des Gleitelementes dadurch geiöst, daß sich die Legierungszusammensetzung hinsichtlich des Legierungsbestandteiles oder der Legierungsbestandteile, der bzw. die in die 2

AT 397 969 B ternäre oder binäre Legierung der Gleitschicht eindiffundiert ist bzw. sind, kontinuierlich mit einem Konzentrationsgradienten senkrecht zur Gleitfläche ändert, und zwar ausgehend von einer dem reinen eindiffundierbaren Metall entsprechenden Maximalkonzentration im Bereich der Gleitfläche exponentiell abfallend bis zur asymptotischen Annäherung an eine vorher festgelegte Mindestkonzentration dieses Legierungsbestandteiles in einem vorher festgelegten Tiefenbereich innerhalb der Gleitschicht.

Als weiche Komponente kommen legierbare Stoffe zum Einsatz, die gute Gleiteigenschaften haben, wie z.B. Zinn, Antimon, ferner auch Blei, Indium, Thallium etc.

Es ist bekannt, daß in modernen Gleitlagern, insbesondere Mehrschichtlagern, die Gleitschicht, die besonders gute Gleiteigenschaften besitzt, vorzugsweise nur bis zu 20 um dick sein soll, da mit zunehmender Schichtdicke die relative dynamische Belastbarkeit (Ermüdungsfestigkeit) der Gleitschicht abnimmt. Eine typische Gleitschicht dieser bekannten Art ist eine Bleilegierung mit etwa 8-12% Zinn und 2-6% Kupfer. Die Mikrohärte einer solchen Schicht von HV 12-20 (bei 20 *C) ist extrem weich, infolge der geringen Schichtdicke vermag die Gleitschicht jedoch sehr hohe spezifische Wechsellasten aufzunehmen.

Erfindungsgemäß erhält nun eine Gleitschicht einen zur wirksamen Oberfläche der Gleitschicht hin zunehmenden Konzentrationsgradienten einer weichen Komponente, die die gute Gleiteigenschaft hat, in obigem Fall Zinn. Der Konzentrationsgradient kann so gewählt sein, daß der Zinngehalt über die gesamte Schichtdicke von normalerweise 10 bis 25 um zur wirksamen Oberfläche (Gleitfläche) hin kontinuierlich zunimmt und dabei im Mittel der gesamten Schicht ca. 12-16 Gew.-% beträgt. Durch diesen Konzentrationsgradienten wird erreicht, daß die Gleitschicht an der Gleitfläche eine geringere Mikrohärte, dafür aber noch bessere Gleiteigenschaften aufweist, so daß die Lagereigenschaften gegenüber einer Gleitschicht ohne Konzentrationsgradient nochmals verbessert sind, ohne dabei eine zu niedrige Ermüdungsfestigkeit zu erhalten. Dies wird dadurch erreicht, daß der extrem weiche Schichtdickenbereich der Gleitschicht besonders dünn ist.

Auch insgesamt dickere Gleitschichten mit Konzentrationsgradienten sind möglich. Je nach Dicke der Gleitschicht braucht der Konzentrationsgradient nicht durch die ganze Schicht zu gehen. Wesentlich bei Gleitlageranwendungen ist nur, daß die weiche Gleitschicht verhältnismäßig dünn ist.

Es hat sich gezeigt, daß das Einlaufverhalten von Motoren durch den Konzentrationsgradienten der weichen Komponente in der Gleitschicht verbessert wird. Außerdem hat es sich als besonders günstig erwiesen, daß der erfindungsgemäße Konzentrationsgradient der die Gleiteigenschaften bestimmenden weichen Komponente noch wärend der Einlaufphase des Lagers sich günstig auswirkt, so daß hier an der Gleitfläche der Gleitschicht eine höhere Konzentration der gut gleitenden Komponente vorliegt. Von Vorteil ist hierbei, daß der Diffussionsvorgang unter der Betriebstemperatur in der Einlaufphase fortschreitet und dabei die Region erhöhter Konzentration der die Gleiteigenschaften bestimmenden weichen Komponente in die gesamte Gleitschicht eindiffundiert. Die weiche Komponente wandert somit vor der Verschleißfront in die Gleitschicht und bildet hierdurch eine besonders gute Gleitfläche.

Diesen Vorteil weisen bekannte Gleitschichten, die mit einem dünnen Zinnflash ausgerüstet sind, nicht auf. Dieser bekannte Zinnflash, der eine nur wenige um dicke Schutzschicht auf Gleitlagern ist, dient bei den bekannten Gleitlagern als Oberflächenschutz gegen Oxidation und verbessert das optische Aussehen der Gleitfläche. Der Zinnflash wird bei der ersten Inbetriebnahme der Gleitlager von der Welle abgetragen, da er zu weich ist. Eine gewisse Verbesserung des Einlaufsverhalten kann durch den Zinnflash erreicht werden, die eigentliche Einlaufschicht ist jedoch die unter dem Zinnflash liegende Gleitschicht, meist eine Ternärschicht (Legierung aus 3 Metallen), die die geometrische Anpassung der Reibpartner ermöglicht. Der Vorteil, daß praktisch über die gesamte Laufzeit des Gleitlagers eine deutlich erhöhte Konzentration der weichen Komkonente in der Gleitschicht vorliegt, kann mit einem Zinnflash nicht erreicht werden, da er bei der Inbetriebnahme des Gleitlagers abgerieben wird.

Die erfindungsgemäße Gleitschicht kann so ausgebildet sein, daß die auf die Basis-Legierung aufgebrachte weiche Komponente, bevorzugt Zinn, nicht vollständig eindiffundiert ist, so daß auch hier ein Zinnflash (mit den gleichen Eigenschaften wie oben beschrieben) auf der Oberfäche der Gleitschicht zurückbleibt. Vorzugsweise soll die auf die Basis-Legierung aufgebrachte weiche Komponente vollständig eindiffundieren, hier kann jedoch auch nachträglich (nach der Thermodiffussion) noch ein Zinnffash aufgetragen werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Gleitschicht aus einer Basislegierung aufgebaut, die den eindiffundierbaren Legierungsbestandteil bereits in der Mindestkonzentration enthält, wobei die darüber erhöhte Konzentration durch Eindiffundieren des eindiffundierbaren Legierungsbestandteiles von der die Gleitfläche bildenden Oberfläche der Gleitschicht her eingestellt ist. Bevorzugterweise ist dabei die Basislegierung der Gleitschicht eine Blei-Zinn-Kupfer-Legierung mit einem Kupfergehalt zwischen 2 Gew.-% und 1Q Gew.-% und einem Zinngehalt zwischen 12 Gew.-% und 15 Gew.-%, Rest Blei, wobei der eindiffundierbare zusätzliche Legierungsbestandteil Zinn ist, dessen Konzentration von reinem Zinn an der 3

AT 397 969 B freien Oberfläche der Gleitschicht mit dem Konzentrationsgradienten auf die Tiefe der Gleitschicht bis auf den Zinngehalt der Basislegierung im inneren Bereich, beispielsweise in der unteren Hälfte der Gleitschicht, abnimmt.

Auch Blei-Indium-Legierungen sind möglich, in denen die Indium-Konzentration zur Gleitfläche hin 5 ansteigt. Diese Legierungen haben schon ohne den Konzentrationsgradienten der weichen Komponente gute Lagereigenschaften und lassen sich, insbesondere die Blei-Zinn-Kupfer-Legierung, auf bekannte Weise auf galvanischem Wege hersteilen.

Die Anwendung der Erfindung ist bei Zweischichtlagern, z.B. mit einer Pbln-Gleitschicht, denkbar. Vorzugsweise ist dabei die Gleitschicht mit einer Dicke von 30 am bis 100 am auf einer beispielsweise aus 7o Stahl bestehenden Stützschale aufgebracht.

Besonders günstig ist aber der Einsatz in Mehrschichtgleitlagern, wobei dann die Gleitschicht über eine Diffusionssperrschicht auf einer Lagermetallschicht angebracht ist, die selbst vo einer Stützschale getragen ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines Mehrschichtgleitlagers ist die Stützschale eine Stahlstütz-75 schale, wobei die Lagermetallschicht auf Kupferbasis mit 22 Gew.-% Blei und 1,5 Gew.-% Zinn, Rest Kupfer, die als Diffusionssperre dienende Zwischenschicht aus Nickel oder aus Kupfer/Zinn besteht und die Gleitschicht eine Bleilegierung ist, die einen Gradienten der Zinnkonzentration aufweist bei mittlerer Zinnkonzentration von 12 Gew.-% bis 17 Gew.-% und einem Kupfergehalt von 2 Gew.-% bis 6 Gew.-%.

Die Zwischenschicht dient als dichter Untergrund (Damm) für die Gleitschicht, damit das Zinn nicht aus 2o der Gleitschicht in die Lagermetallschicht wandern kann. Als Zwischenschicht können auch andere Dämme, wie z.B. CuSn-Schichten (z.B. CuSn40), verwendet werden. Als Lagermetallschicht kommen auch andere Lagerlegierungen in Frage, z.B. AISn-Legierungen wie AISn20.

Bei einer zweckmäßigen Dimensionierung hat die Stahlstützschale eine Dicke von 1 mm bis über 10 mm, die Lagermetallschicht von 0,2 mm bis 0,5 mm, die Zwischenschicht eine Dicke von 1 am bis 3 um 25 und die Gleitschicht eine Dicke von 10 um bis 25 um.

Die erfindungsgemäßen Gleitelemente sind erfindungsgemäß dadurch erhältlich, daß eine auf eine Trägerschicht aufgebrachte Schicht auf binärer oder ternärer Basislegierung von Metallen mit guten Gleiteigenschaften aus einer Gruppe von Blei, Zinn, Antimon, Indium, Thallium sowie Kupfer, Cadmium, Arsen, an ihrer freien Oberfläche mit einer weiteren Schicht aus in die Schicht aus Basislegierung 30 eindiffundierbarem zusätzlichem Legierungsbestandteil aus weichem Metall der Gruppe Zinn, Antimon, Indium, Thallium belegt wird und daß dieser zusätzliche Legierungsbestandteil durch derart zeitlich gesteuerte Temperaturbehandlung in die Schicht aus Basislegierung zumindest teilweise eindiffundiert wird, daß die Konzentration des eindiffundierten Legierungsbestandteiles von der belegten Oberfläche der ersten Schicht nach ihrem Inneren von reinem Metall der Belegungsschicht auf eine vorher festgelegte Mindest-35 konzentration abnimmt und ein Konzentrationsgradient eingestellt wird, der von der Konzentration des reinen Belegungsmetalles exponentiell mit asymptotischer Annäherung an die Konzentration des Beie-gungsmetalles in der Basislegierung abfällt.

Wichtig ist, daß die Basis-Gleitschicht und die weitere Schicht aus der weichen Komponente in möglichst gleichmäßiger Dicke aufgebracht werden und daß die resultierende weiche Gleitschicht möglichst 4o dünn ist, damit deren relative dynamische Belastung verhältnismäßig groß ist (vergleiche Figur 3).

Zur Herstellung eines Mehrschichtgleitlagers bringt man die Basislegierung der Gleitschicht auf einer Zwischenschicht, die gegenüber der weichen Komponente als Diffusionssperrschicht wirkt, über eine Lagermetallschicht auf, die man zuvor auf einer Stützschale aufgegossen hat.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform setzt man als Basis-Legierung für die Gleitschicht PbSn8-4s 12Cu2-6 ein, wobei man in die Schicht aus dieser Basislegierung Zinn eindiffundieren läßt, bis der durchschnittliche Zinngehalt in der Gleitschicht 12 Gew.-% bis 17 Gew.-% beträgt.

Es ist zweckmäßig, wenn man eine Schicht aus Basis-Legierung in einer Dicke von 10 am bis 20 am aufbringt und darauf eine weitere Schicht aus der weichen Komponente in einer Dicke von 1 am bis 5 am und daß man durch Thermodiffusion die aufgebrachte weitere Schicht in die Schicht aus Basislegierung 50 eindiffundiert.

Schließlich werden vorzugsweise die Schicht aus Basis-Legierung und die weitere Schicht elektrochemisch aufgebracht.

Es hat sich herausgestellt, daß mit dem Verfahren besonders einfach hoch-bleihaltige Blel-Kupfer-Zirrn-Gleitschichten mit 8 Gew.-% bis 40 Gew.-% Zinn und 2 Gew.-% bis 12 Gew.-% Kupfer herstellbar sind, 55 wobei man eine Schicht aus Blei und Kupfer enthaltender Basis-Legierung elektro-chemisch abscheidet darauf eine Zinrrschicht abscheidet und diese durch Thermodiffusion in die Basis-Gleitschicht eindiffundtert. Dabei wird bevorzugt daß man eine Schicht aus Blei, Kupfer und Zinn enthaltender Basis-Legierung mit einem Zinngehait, der niedriger ais der gewünschte Zinngehalt der resultierenden Gleitschicht ist, abschei- 4

AT 397 969 B det, darauf eine Zinnschicht abscheidet und diese durch Thermodiffusion in die Basis-Gleitschicht eindiffundiert, so daß der Zinngehalt in der Gleitschicht über denjenigen der Basis-Legierung erhöht und der Blei-und Kupfergehalt erniedrigt wird. Dadurch wird also der Zinngehalt in der Basis-Gleitschicht entsprechend erhöht und der Blei- und Kupfergehalt relativ erniedrigt.

Das Verfahren wird günstigerweise so durchgeführt, daß die Schicht aus Basis-Legierung in einer Dicke von 10 um bis 20 um und die Zinnschicht in einer Dicke von 1 um bis 5 um abgeschieden werden.

Vorzugsweise scheidet man eine Schicht aus Basis-Legierung mit 10 Gew.-% bis 12 Gew.-% Zinn und 2 Gew.-% bis 6 Gew.-% Kupfer ab.

Bei dem angegebenen Kupfergehalt lassen sich entsprechende Gleitschichten mit mehr als 12 Gew.-% Zinn auf rein galvanischem Wege nur schwer herstellen, da die entsprechenden galvanischen Lösungen nicht stabil sind.

Prinzipiell können die erfindungsgemäßen Gleitschichten am günstigsten in Mehrschichtgleitlagern eingesetzt werden, wobei dann eine weitere Lagermetallschicht vorgesehen ist, die meist aus Bleibronze besteht. Solche Dreischichtlager haben eine hohe Betriebssicherheit und gute Notlaufeigenschaften, da einerseits die Gleitschicht Fremdkörper einbetten kann und bei einem Abtrag der Gleitschicht die darunter befindliche Bleibronze noch eine ausreichende Gleitwirkung gewährleisten kann. Statt der Bleibronze kann auch eine Aluminium-Lagerschicht verwendet werden, die als Gleitkomponente z.B. eingebettetes Zinn enthält.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Figur 1 eine perspektivische Darstellung einer Lagerhälfte mit einem teilweisen Aufriß der einzelnen Schichten;

Figur 2 eine Darstellung eines Schliffbildes im Schnitt ll-ll gemäß

Fig. 1 durch eine Gleitschicht mit einem Konzentrationsgradienten einer weichen Komponente;

Figur 3 eine graphische Darstellung des Einflusses der Schichtdicke auf die Ermüdungsfestigkeit von Gleitschichten.

In Figur 1 ist der Aufbau eines Mehrschichtgleitlagers 1 mit einer erfindungsgemäßen Gleitschicht 2 dargestellt. Die Gleitschicht 2 ist über eine Zwischenschicht 3, die ein Nickeldamm ist, auf einer Lagermetallschicht 4 aus Bleibronze aufgebracht, die auf eine Stahlstützschale 5 gegossen wurde. Statt der Bleibronzeschicht kann auch eine Aluminiumlagerschicht und statt des Nickeldamms auch ein Kupfer-Zinn-Damm eingesetzt werden.

Die einzelnen Schichten haben folgende Dicke, wobei in Klammern die Dickenbereiche für weitere günstige Ausgestaltungsformen angegeben sind:

Stahlstützschale 4 mm (1 bis über 10 mm)

Lagermetaiischicht 0,3 mm (0,2-0,5 mm)

Zwischenschicht 2 um (1-3 um)

Gleitschicht 17 um (10-25 um)

Die Lagermetallschicht 4 ist vorzugsweise eine CuPb22Snl,5 Legierung, die nach herkömmlichen Methoden auf ein Stahlband oder Stahlrohr aufgegossen wurde.

Die Zwischenschicht 3 und die Basis-Gleitschicht sowie auch die reine Zinnschicht können direkt auf die Lagermetallschicht 4 aufgebracht werden, oder vorzugsweise auf einen Lagerschalenrohling, der aus dem Stahlband oder Stahlrohr gefertigt wird und damit eine für das Aufbringen der folgenden Schichten geeignetere und glattere Oberfläche hat.

Die Gleitschicht 2 wird wie folgt hergestellt:

Auf den Zwischenschicht 3 wird auf galvanischem Wege eine zinnarme ternäre Gleitschicht (Basis-Gleitschicht) aus PbSn12Cu6 in einer Dicke von ca. 16 um (vorteilhafterweise in einer Dicke zwischen 10-20 um) aufgebracht. Auf diese ternäre Gleitschicht wird ebenfalls auf galvanischem Wege eine t um (0,5-5 um) dicke Rein-Zinnschicht aufgebracht und durch eine sich daran anschließende Thermodiffussion in die zinnärmere ternäre Basis-Gleitschicht eingebracht Die Thermodiffussion findet bei Temperaturen zwischen 100 und 150 *C und bei einer Diffussionszeit von tO min bis 4 h statt. Die resultierende Gleitschicht 2 hat eine durchschnittliche Zusammensetzung PbSn17Cu5,5. Hierdurch wird eine Zinnanreicherung der Basis-Gleitschicht erreicht wobei die Zinnanreicherung an der Außenseite der Gleitschicht 2, die später mit einer Welle oder einem entsprechenden anderen Gegenstand in Gleitbeziehung kommt, bei niedriger Diffussions-temperatur und kurzen Diffussionszeiten am größten ist und in einem Konzentrationsgradienten in Richtung auf die Zwischenschichtseite der Gleitschicht 2 abfällt. 5

Claims (14)

1. AT 397 969 B Vorzugsweise haben die auf diese Weise erzeugten zinnreichen ternären Laufschichten (Gleitschichten 2) eine Zusammensetzung von 4-6% Kupfer, 12-17% Zinn und Rest Blei. In der Gleitschicht 2 (ternären Laufschicht) des Mehrschichtslagers 1 hat sich das eindiffundierte Zinn vorzugsweise derart verteilt, daß an der späteren Lauffläche ein höherer Zinngehalt vorzufinden ist, der zur Zwischenschicht 3 hin abnimmt. Diese Verteilung des Zinns mit einer Anreicherung an der Oberfläche des Gleitlagers führt insbesondere beim Einlaufen zu besonders günstigen Verhältnisssen. Figur 2 zeigt die Darstellung einer REM-Aufnahme (Röntgen-Elektronen-Mikroskop) einer - wie oben beschrieben dargestellten - Gleitschicht 2 des Mehrschichtgleitlagers 1, wobei in das Bild die Zinnkonzentration 6 eingeblendet ist, aus der der gemittelte Zinn-Konzentrationsgradient 7 in der Gleitschicht 2 ersichtlich ist. Das Diagramm in Figur 3 zeigt, warum in der erfindungsgemäßen Gleitschicht 2 der Bereich mit einem hohen Zinnanteil, der entsprechend auch besonders weich ist, sehr dünn sein soll. Je dünner die Gleitschicht ist, desto größer ist die relative dynamische Belastbarkeit, die sie aufnehmen kann. Beträgt z.B. die relative Dicke der Gleitschicht nur ein Hundertstel der Dicke einer entsprechenden Gleitschicht, bei der bei einer Schichtdickenvergrößerung keine Änderung der relativen dynamischen Belastbarkeit mehr feststellbar ist, so ist die relative dynamische Belastbarkeit (Ermüdungsfestigkeit) der dünnen Schicht dreifach höher als die der entsprechenden dickeren Schicht. Da diese Steigerung der relativen dynamischen Belastbarkeit von verschiedenen Faktoren, wie z.B. Legierungszusammensetzung, abhängig ist, empfielt es sich, die optimale Dicke der erfindungsgemäßen Gleitschicht und den optimalen Konzentrationsgradientenverlauf zum Einsatz als Gleitschicht in Versuchsreihen zu ermitteln. Obige Werte zeigten deutliche Verbesserungen im Verschleiß gegenüber dem Stand der Technik und können als Richtwerte oder Ausgangspunkt dienen. Wie oben schon beschrieben, wurde in Prüfstandversuchen festgestellt, daß die erfindungsgemäßen Gleitschichten, die nach einem neuen Verfahren herstellbar und vorteilhaft aus einer Blei-Zinn-Kupfer-Legierung sind, vorteilhaft als Gleitlagerwerkstoffe in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden können, wobei sie sich als sehr verschleißfest erwiesen. Diese neuen Gleitlagerwerkstoffe sind geeignet für Verbrennungsmotoren wie Saugmotoren, Einspritzer, Dieselmotoren und Turbo-Varianten. Die erfindungsgemäße Metallgleitschicht kann mit Vorteil auch mit Sphärogußwellen eingesetzt werden. Die Besonderheit dieses Werkstoffes besteht darin, daß in der ternären Gleitschicht an der Gleitfläche ein besonders hoher Zinngehait eingebracht ist, der für die guten Gleiteigenschaften dieses Werkstoffes verantwortlich ist. Wie oben beschrieben, können auch andere Varianten des Ausführungsbeispiels erfolgreich verwendet werden. Patentansprüche 1. Gleitelement mit einer 10 um bis 100 um dicken Gleitschicht aus ternärer oder binärer Legierung von Metallen mit guten Gleiteigenschaften aus einer Gruppe von Blei, Zinn, Antimon, Indium, Thallium sowie Kupfer, Cadmium, Arsen, wobei sich die Legierungszusammensetzung der Gleitschicht von ihrer die Gleitfläche bildenden Oberfläche nach dem Schichtinneren ändert und ein oder mehrere Legierungsbestandteile aus weichem Metall, beispielsweise Zinn und/oder Antimon, in die ternäre oder binäre Legierung der Gleitschicht eindiffundiert ist bzw sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Legierungszusammensetzung hinsichtlich des Legierungsbestandteils oder der Legierungsbestandteile,der bzw. die in die ternäre oder binäre Legierung der Gleitschicht (2) eindiffundiert ist bzw. sind, kontinuierlich mit einem Konzentrationsgradienten senkrecht zur Gleitfläche (6) ändert, und zwar ausgehend von einer dem reinen eindiffundierbaren Metall entsprechenden Maximalkonzentration im Bereich der Gleitfläche (6) exponentiell abfallend bis zur asymptotischen Annäherung an eine vorher festgelegte Mindestkonzentration dieses Legierungsbestandteiles in einem vorher festgelegten Tiefenbereich innerhalb der Gleitschicht (2).
2. 2. Gleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht (2) aus einer Basislegierung aufgebaut ist, die den eindiffundierbaren Legierungsbestandteil bereits in der Mirtdestkonzen-tration enthält und die darüber erhöhte Konzentration durch Eindiffundieren des eindiffundierbaren Legierungsbestandteiles von der die Gleitfläche (6) bildenden Oberfläche der Gteitschicht (2) her eingestellt ist
3. 3. Gleitelement nach Anspruch 2, dadurch geifennzeichnet, daß die Basislegierung der Gleitschicht (2) eine Blei-Zinn-Kupfer-Legierung mit einem Kupfergehalt zwischen 2 Gew.-% und 10 Gew.-% und einem Zinngehait zwischen t2 Gew.-% und 15 Gew.-%, Rest Blei ist, wobei der eindiffundierbare zusätzliche Legierungsbestandteil Zinn ist, dessen Konzentration von reinem Zinn an der freien 6 AT 397 969 B Oberfläche der Gleitschicht (2) mit dem Konzentrationsgradienten auf die Tiefe der Gleitschicht bis auf den Zinngehait der Basislegierung im inneren Bereich, beispielsweise in der unteren Hälfte der Gleitschicht (2), abnimmt.
4. 4. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht (2) mit einer Dicke von 30 um bis 100 um auf einer beispielsweise aus Stahl bestehenden Stützschale (5) aufgebracht ist.
5. 5. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht (2) über eine Diffusionssperrschicht (3) auf einer Lagermetallschicht (4) angebracht ist, die selbst von einer Stützschale (5) getragen ist.
6. 6. Gleitelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützschale (5) eine Stahlstützschale ist, die Lagermetallschicht auf Kupferbasis mit 22 Gew.-% Blei und 1,5 Gew.-% Zinn, Rest Kupfer, die als Diffusionssperre dienende Zwischenschicht (4) aus Nickel oder aus Kupfer/Zinn besteht und die Gleitschicht eine Bleilegierung ist, die einen Gradienten der Zinnkonzentration aufweist bei mittlerer Zinnkonzentration von 12 Gew.-% bis 17 Gew.-% und einem Kupfergehalt von 2 Gew.-% bis 6 Gew.-%.
7. 7. Gleitelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlstützschale (5) eine Dicke von 1 mm bis über 10 mm, die Lagermetallschicht von 0,2 mm bis 0,5 mm, die Zwischenschicht eine Dicke von 1 um bis 3 um und die Gleitschicht eine Dicke von 10 um bis 25 um hat.
8. 8. Verfahren zur Herstellung eines Gleitelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf eine Trägerschicht aufgebrachte Schicht auf binärer oder ternärer Basislegierung von Metallen mit guten Gleiteigenschaften aus einer Gruppe von Blei, Zinn, Antimon, Indium, Thallium sowie Kupfer, Cadmium, Arsen, an ihrer freien Oberfläche mit einer weiteren Schicht aus in die Schicht aus Basislegierung eindiffundierbarem zusätzlichem Legierungsbestandteil aus weichem Metall der Gruppe Zinn, Antimon, Indium, Thallium belegt wird und daß dieser zusätzliche Legierungsbestandteil durch derart zeitlich gesteuerte Temperaturbehandlung in die Schicht aus Basislegierung zumindest teilweise eindiffundiert wird, daß die Konzentration des eindiffundierten Legierungsbestandteiles von der belegten Oberfläche der ersten Schicht nach ihrem Inneren von reinem Metall der Belegungsschicht auf eine vorher festgelegte Mindestkonzentration abnimmt und ein Konzentrationsgra-dient eingestellt wird, der von der Konzentration des reinen Beiegungsmetailes exponentiell mit asymptotischer Annäherung an die Konzentration des Beiegungsmetailes in der Basislegierung abfällt.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Basislegierung der Gleitschicht auf einer Zwischenschicht, die gegenüber der weichen Komponente als Diffussionssperrschicht wirkt, über eine Lagermetallschicht aufbringt, die man zuvor auf einer Stützschale aufgegossen hat.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß man als Basis-Legierung für die Gleitschicht PbSn8-12Cu2-6 einsetzt und in die Schicht aus dieser Basislegierung Zinn eindiffundieren läßt, bis der durchschnittliche Zinngehalt in der Gleitschicht 12 Gew.-% bis 17 Gew.-% beträgt.
11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Schicht aus Basis-Legierung in einer Dicke von 10 um bis 20 um aufbringt und darauf eine weitere Schicht aus der weichen Komponente in einer Dicke von 1 um bis 5 um und daß man durch Thermodiffusion die aufgebrachte weitere Schicht in die Schicht aus Basislegierung eindiffundiert.
12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schicht aus Basis-Legierung und die weitere Schicht elektro-chemisch aufbringt t3L Verfahren zur Herstellung einer hochbleihaltigen Biei-Kupfer-Zinn-Gleitschicht mit 8 Gew.-% bis 40 Gew-% Zinn und 2 Gew.-% bis 12 Gew.-% Kupfer, dadurch gekennzeichnet daß man eine Schicht aus Blei und Kupfer enthaftender Basis-Legierung elektro-chemisch abscheidet, darauf eine Zinnschicht abscheidet und diese durch Thermodiffusion in die Basis-Gleitschicht eindiffundiert. 14t Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Schicht aus Blei, Kupfer und Zinn enthaftender Basis-Legierung mit einem Zinngehaltder niedriger als der gewünschte Zinngehalt 7 AT 397 969 B der resultierenden Gleitschicht ist, abscheidet, darauf eine Zinnschicht abscheidet und diese durch Thermodiffusion in die Basis-Gleitschicht eindiffundiert, so daß der Zinngehalt in der Gleitschicht über denjenigen der Basis-Legierung erhöht und der Blei- und Kupfergehalt erniedrigt wird.
13. 15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus Basis-Legierung in einer Dicke von 10 um bis 20 um und die Zinnschicht in einer Dicke von 1 um bis 5 um abgeschieden werden.
14. 16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Schicht aus Basis-Legierung mit 10 Gew.-% bis 12 Gew.-% Zinn und 2 Gew.-% bis 6 Gew.-% Kupfer abscheidet. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 8