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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum galvanischen Abscheiden einer Dispersions- schicht auf einer Oberfläche eines Werkstückes, insbesondere einer Laufschicht auf einer Gleit- lagerschale, wobei ein Elektrolyt mit der in ihm fein verteilten dispersen Phase gegenüber der zu beschichtenden Werkstückoberfläche unter Ausbildung einer oberflächenparallelen Strömungs- komponente bewegt wird.
Durch die in der Schichtmatrix eingelagerte disperse Phase, die aus sehr unterschiedlichen, in der Schichtmatrix zumindest im wesentlichen unlöslichen Teilchen besteht, können die Eigenschaf- ten von Dispersionsschichten an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden. So können beispielsweise bei Laufschichten von Gleitlagern durch eine entsprechende Einlagerung von Hart- stoffteilchen in die Schichtmatrix die mechanischen und korrosionshemmenden Eigenschaften erheblich verbessert werden. Mit dem Einsatz von gegenüber der Schichtmatrix weicheren Einla- gerungen wird hingegen auf das Gleitverhalten Einfluss genommen.
Um Dispersionsschichten in vergleichsweise einfacher Art auf Werkstückoberflächen aufbrin- gen zu können, ist es bekannt, diese Schichten galvanisch abzuscheiden. Zu diesem Zweck wer- den die Teilchen der dispersen Phase in einem entsprechenden Elektrolyt fein verteilt, in dem sie während des Elektrolysevorganges durch ein Rühren, ein Lufteinblasen oder ein Umpumpen in
Suspension gehalten werden. Sie kommen dadurch mit der zu beschichtenden Oberfläche in
Berührung und werden durch Adsorption, durch elektrostatische Anziehung und durch mechani- sche Einschlüsse in die Dispersionsschicht eingelagert.
Die Einlagerungsrate ist naturgemäss vom
Gehalt der dispersen Phase im Elektrolyt abhängig, doch verlangen höhere Einlagerungsraten überproportionale Konzentrationssteigerungen der dispersen Phase im Elektrolyt, wobei sich mit zunehmendem Anteil der dispersen Phase im Elektrolyt der Aufwand erhöht, der für eine gleich- mässige Verteilung der Teilchen entgegen deren Sedimentationsneigung eingesetzt werden muss.
Beim Versuch, die Phasenkonzentration in der Schichtmatrix durch eine Vergrösserung des
Phasenanteils im Elektrolyt zu steigern, ergeben sich somit entsprechende Grenzen.
Eine andere Möglichkeit, die Einlagerungsrate der dispersen Phase in der Schichtmatrix zu vergrössern, besteht darin, die Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyts gegenüber der zu be- schichtenden Werkstückoberfläche zu steigern. Eine solche Steigerung der Strömungsgeschwin- digkeit ist allerdings nur bis zu einem Optimum zielführend, weil dann - vermutlich durch eine Abspülwirkung - die Einlagerungsrate wieder sinkt. In diesem Zusammenhang ist ausserdem zu berücksichtigen, dass mit der Verringerung der Korngrösse der dispersen Phase die Viskosität des
Elektrolyts stark ansteigt, was zu zusätzlichen Schwierigkeiten führt. Gerade feinkörnige disperse
Phasen sind jedoch in der Dispersionsschicht erwünscht.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum galvanischen Abscheiden einer Dispersionsschicht auf einer Oberfläche eines Werkstückes, insbesondere einer Laufschicht auf einer Gleitlagerschale, der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, dass mit einem vergleichsweise geringen Aufwand Dispersionsschichten galvanisch abgeschieden werden können, die einen vergleichsweise hohen Anteil an einer dispersen Phase aufweisen.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass die Oberfläche des zu beschichtenden Werkstückes vor der Beschichtung mit einer durchschnittlichen Mindestprofiltiefe von 5 m profiliert und dann bei einer Strömungskomponente des Elektrolyts gegenüber der Werkstückoberfläche quer zu einer allfälligen Profilrichtung beschichtet wird.
Durch die Profilierung der zu beschichtenden Werkstückoberfläche mit einer durchschnittlichen Mindestprofiltiefe von 5 um konnte in Verbindung mit einer Strömungskomponente des Elektrolyts gegenüber der Werkstückoberfläche quer zu einer allfälligen Profilrichtung in überraschender Weise der Anteil der in die Schichtmatrix eingelagerten dispersen Phase ausserordentlich gesteigert werden, ohne die Konzentration der dispersen Phase im Elektrolyt vergrössern zu müssen. Damit erübrigt sich der mit einer Vergrösserung des Phasenanteils im Elektrolyt einhergehende Verfahrensaufwand. Es können nicht nur höhere Einlagerungsdichten der dispersen Phase in der Schichtmatrix erzielt, sondern auch übliche Phasenkonzentrationen in der Schichtmatrix mit einem erheblich verringerten Verfahrensaufwand durch eine bedeutende Verringerung des Phasenanteils im Elektrolyt erreicht werden.
Die Wirkung der erheblich verbesserten Einlagerung der dispersen Phase in die Schichtmatrix aufgrund der Profilierung der zu beschichtenden Werkstoffoberfläche kann vermutlich auf die sich im Bereich dieser Profilierung einstellenden Strömungsturbulenzen zurückgeführt werden, die die Einlagerungen der dispersen Phase in die sich abscheidende
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Schichtmatrix entscheidend unterstützen. Für eine solche Wirkungsweise spricht, dass bei einer ausgeprägten Profilrichtung die Strömungskomponente quer zu dieser Profilrichtung verlaufen muss. Als Profilrichtung wird in diesem Zusammenhang der Verlauf von mehr oder weniger zusammenhängenden Profilrücken verstanden, zwischen denen sich Profiltiefen ergeben, wie dies bei einer Profilierung durch Rillen oder Nuten der Fall ist.
Gleitlager mit einer genuteten Lager- schicht zur Aufnahme einer galvanisch abgeschiedenen Laufschicht sind zwar bereits bekannt (AT 369 145 B, AT 382 215 B, EP 0 155 257 B), doch dienen diese profilierten, eine Laufschicht tragenden Werkstückoberflächen nicht zur Vergrösserung des Anteils einer Dispersionsphase in der
Laufschicht, was eine Elektrolytströmung quer zu den Nuten oder Rillen voraussetzt, sondern zur feinen Verteilung örtlich unterschiedlicher Eigenschaften.
Wird die zu beschichtende Werkstückoberfläche nicht mit einer ausgeprägten Profilrichtung profiliert, wie dies beispielsweise bei der Ausbildung von Profilspitzen durch ein Ätzen oder Strah- len der Werkstückoberfläche erreicht werden kann, so braucht auf die Anströmrichtung der oberflä- chenparallelen Strömungskomponente des Elektrolyts gegenüber der Werkstückoberfläche keine
Rücksicht genommen zu werden, weil sich eben hinsichtlich der Profilierung keine Vorzugsrichtung ergibt und daher in allen Strömungsrichtungen mit entsprechenden Verwirbelungen im Bereich der
Profilierung zu rechnen ist. Es kommt ja nicht auf die Ausrichtung der Profilierung, sondern auf den
Einfluss der Profilierung auf die Elektrolytströmung im Oberflächenbereich an.
Obwohl sich bei einer durchschnittlichen Mindestprofiltiefe von 5 (im bereits eine erhebliche
Steigerung der Einlagerungsrate der dispersen Phase in die Schichtmatrix feststellen lässt, kann die angestrebte Wirkung durch eine Vergrösserung der durchschnittlichen Mindestprofiltiefe bedeutend gesteigert werden. Es empfiehlt sich daher, dass die Oberfläche des zu beschichtenden Werk- stückes mit einer durchschnittlichen Mindestprofiltiefe von 8 m profiliert wird. Bei der Wahl der durchschnittlichen Mindestprofiltiefe ist naturgemäss auf die für das jeweilige Werkstück zu fordernde Oberflächengestalt Rücksicht zu nehmen, was unter Umständen eine Nachbearbeitung der galvanisch abgeschiedenen Dispersionsschicht verlangt.
Da die Einlagerungsrate der dispersen Phase in der Schichtmatrix unter anderem von der durchschnittlichen Profiltiefe abhängt, kann über die durchschnittliche Profiltiefe der Gehalt der dispersen Phase in der Dispersionsschicht unterschiedlich über die Werkstückoberfläche verteilt werden, um beispielsweise im Umfangsbereich der grössten Belastung eines Gleitlagers die Festigkeit der Laufschicht im Vergleich zu den übrigen Bereichen zu erhöhen. Zu diesem Zweck braucht ja lediglich die zu beschichtende Werkstückoberfläche mit unterschiedlichen durchschnittlichen Profiltiefen profiliert zu werden.
Eine andere Möglichkeit, die Phasenkonzentration in der Schichtmatrix zu beeinflussen, besteht darin, dass die zu beschichtende Werkstückoberfläche in verschiedenen Bereichen mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten vom Elektrolyt angeströmt wird, was ebenfalls zu unterschiedlichen Eigenschaften der abgeschiedenen Dispersionsschicht über die Werkstückoberfläche führt. Mit einer Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyts kann aber auch der Phasengehalt über die Schichtdicke unterschiedlich eingestellt werden. Zu diesem Zweck ist ja nur die Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyts gegenüber der Werkstückoberfläche zeitlich zu verändern.
Wie bereits ausgeführt wurde, erhöht die für die Eigenschaften der Dispersionsschicht vorteilhafte Feinkörnigkeit der dispersen Phase die Viskosität des Elektrolyts, so dass bereits aus diesem Grunde die Konzentration der dispersen Phase im Elektrolyt begrenzt werden muss. Trotz dieses Sachverhaltes können disperse Phasen mit einer Korngrösse kleiner 1 um, vorzugsweise kleiner 0,5 m, in einer ausreichenden Menge in die Dispersionsschicht fein verteilt eingelagert werden, weil eben mit einer vergleichsweise kleinen Phasenkonzentration im Elektrolyt gearbeitet werden kann.
Anhand der Zeichnung, die den grundsätzlichen Zusammenhang zwischen der Phasenkonzentration im Elektrolyt und der durchschnittlichen Profiltiefe der zu beschichtenden Werkstückoberfläche für eine vorgegebene Phasenkonzentration in der Dispersionsschicht in Form einer Kennlinie zeigt, wird das erfindungsgemässe Verfahren näher erläutert.
Aus der Kennlinie 1, die die Phasenkonzentration k in g/l über der auf der Abszisse angegebenen, in um gemessenen durchschnittlichen Profiltiefe einer zu beschichtenden, profilierten Oberflache aufgetragen ist, kann unmittelbar entnommen werden, dass mit zunehmender durchschnittlicher Profiltiefe t die für eine konstante Phasenkonzentration in der Dispersionsschicht erforderliche
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Phasenkonzentration im Elektrolyt überproportional abnimmt, so dass auch für höhere Phasenkonzentrationen in der Dispersionsschicht die mit einer höheren Phasenkonzentration im Elektrolyt verbundenen Schwierigkeiten einfach vermieden werden können, wenn für eine entsprechende Anströmung der profilierten Werkstückoberfläche durch den Elektrolyt gesorgt wird.
Die übliche Oberflächenrauhigkeit eines Gleitlagers bestimmt im allgemeinen auch die Oberflächenrauhigkeit der Lagerwerkstoffschicht, auf der die Laufsicht galvanisch abgeschieden wird. Dieser Rauhigkeitsbereich 2, für den eine Rauhtiefe in Abhängigkeit vom Lagerdurchmesser bis zu 3,7 m angegeben werden kann, ist in der Zeichnung schraffiert angedeutet. Es zeigt sich, dass die Profiltiefe der zu beschichtenden Werkstückoberflächen deutlich über diesen Oberflächenrauhigkeitsbereich 2 angehoben werden muss, um die erfindungsgemässe Wirkung vorteilhaft nützen zu können.
Die verbesserte Abscheidewirkung der dispersen Phase ist weitgehend unabhängig von der Art der dispersen Phase, die aus unterschiedlichen, in der Schichtmatrix zumindest angenähert unlöslichen Teilchen, wie Oxide, Carbide, Nitride, Boride, Sulfide, Graphit, oberflächenmodifizierter Graphit (z.B. fluonerter Graphit) und/oder Fluorkohlenwasserstoff-Harze oder deren Homologe, bestehen kann. Die Teilchengrösse der harten, nichtmetallischen Teilchen wird im allgemeinen kleiner als
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zu 10 m betragen kann. Mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens lassen sich Phasenkonzentrationen in der Dispersionsschicht bis zu 10 % ohne Schwierigkeiten erzielen. Aufgrund der angestrebten Eigenschaften der Dispersionsschicht wird sich jedoch der Phasenanteil im allgemeinen auf einen Bereich von 0,5 bis 3 % beschränken.
Wie bereits ausgeführt wurde, hängt der angestrebte Effekt bei einer Vorzugsrichtung der Profilierung von der Anströmrichtung der Werkstückoberfläche im Profilierungsbereich ab, und zwar muss eine ausreichende Strömungskomponente quer zur Profilrichtung sichergestellt sein, die auch dann erreicht werden kann, wenn die Hauptströmungsrichtung unter einem spitzen Winkel zur Profilrichtung verläuft. Die Art der Strömungserzeugung spielt jedoch keine Rolle, so dass die Elektrolytströmung durch ein Rühren, durch eine Injektorwirkung, durch das Einblasen von Gas, durch Leiteinrichtungen oder durch eine Werkstückbewegung sichergestellt werden kann.
Um die erfindungsgemässe Wirkung im Vergleich zu Lagerschalen mit einer in herkömmlicher Weise galvanisch abgeschiedenen Dispersionsschicht darzustellen, wurden erfindungsgemäss hergestellte Gleitlager bei sonst übereinstimmenden Herstellungsbedingungen mit je einem Stan- dardlager verglichen, und zwar bezogen auf die Phasenkonzentration im Elektrolyt und in der Schichtmatrix des Standardlagers. In der folgenden Tabelle sind die Messwerte zusammengefasst, wobei das Standardlager eine Rauhtiefe von 2,8 m aufwies.
Die relative Strömungsgeschwindigkeit zwischen dem Elektrolyt und der zu beschichtenden Oberfläche betrug 3 m/min.
EMI3.2
EMI3.3
<tb>
<tb> gebohrtes <SEP> Gleitlager <SEP> mit <SEP> 45 <SEP> 900 <SEP> ¯ <SEP> 60 <SEP> 4 <SEP> 120
<tb> schraubenförmigen <SEP> Nuten
<tb> gebohrtes <SEP> Gleitlager <SEP> mit <SEP> 8 <SEP> 900 <SEP> 300 <SEP> 24 <SEP> 100
<tb> schraubenförmigen <SEP> Nuten
<tb> geräumtes <SEP> Gleitlager <SEP> 8 <SEP> 900 <SEP> ¯ <SEP> 300 <SEP> 23 <SEP> 100
<tb> gehontes <SEP> Gleitlager <SEP> 7 <SEP> 0 <SEP> - <SEP> 360 <SEP> 25 <SEP> 100
<tb> geätztes <SEP> Gleitlager <SEP> 5,6 <SEP> 0 <SEP> - <SEP> 360 <SEP> 28 <SEP> 100
<tb>
Es zeigt sich,
dass bei den erfindungsgemassen Versuchslagern die Phasenkonzentration ke im Elektrolyt unabhängig von der Art der Profilierung bei entsprechenden durchschnittlichen Profiltiefen t drastisch gesenkt werden konnte, ohne Einbussen im Phasengehalt ks der Dispersionsschicht in Kauf nehmen zu müssen, wenn für einen entsprechenden Anströmwinkel a gegenüber der Profilrichtung gesorgt wurde Für die Versuchslager mit einer Profilierung ohne Vorzugsnchtung wurde der Winkelbereich a = 0 - 360 angegeben.
Vergleichbare Verhältnisse ergeben sich bei einem Standardlager mit einer Oberflächenrau- higkeit von 3,7 m und einer Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyts gegenüber der zu beschichtenden Oberfläche von 1 m/min, wie dies die nachfolgende Tabelle offenbart.
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<tb>
<tb>
Versuchslager <SEP> t <SEP> [ m] <SEP> a <SEP> ke <SEP> [%] <SEP> ks <SEP> [%] <SEP>
<tb> gebohrtes <SEP> Lager <SEP> mit <SEP> 20 <SEP> 90 <SEP> ¯ <SEP> 45 <SEP> 5 <SEP> 120
<tb> schraubenförmigen <SEP> Nuten
<tb> gestrahltes <SEP> Gleitlager <SEP> 15 <SEP> 0 <SEP> - <SEP> 360 <SEP> 10 <SEP> 110
<tb> gefrästes <SEP> Gleitlager <SEP> 11 <SEP> 0 <SEP> - <SEP> 360 <SEP> 19 <SEP> 120
<tb> gerändeltes <SEP> Gleitlager <SEP> 13 <SEP> 0 <SEP> - <SEP> 360 <SEP> 16 <SEP> 100
<tb>
PATENTANSPRÜCHE: 1.
Verfahren zum galvanischen Abscheiden einer Dispersionsschicht auf einer Oberfläche eines Werkstückes, insbesondere einer Laufschicht auf einer Gleitlagerschale, wobei ein
Elektrolyt mit der in ihm fein verteilten dispersen Phase gegenüber der zu beschichtenden
Werkstückoberfläche unter Ausbildung einer oberflächenparallelen Strömungskomponente bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des zu beschichtenden Werk- stückes vor der Beschichtung mit einer durchschnittlichen Mindestprofiltiefe von 5 um profiliert und dann bei einer Strömungskomponente des Elektrolyts gegenüber der Werk- stückoberfläche quer zu einer allfälligen Profilrichtung beschichtet wird.