AT408352B

AT408352B - Galvanisch abgeschiedene legierungsschicht, insbesondere eine laufschicht eines gleitlagers

Info

Publication number: AT408352B
Application number: AT0056399A
Authority: AT
Original assignee: Miba Gleitlager Ag
Priority date: 1999-03-26
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2001-11-26
Also published as: GB2348210A; DE10009868C2; US6235405B1; DE10009868A1; GB2348210B; ATA56399A; GB0006165D0

Description


   <Desc/Clms Page number 1> 
 



   Die Erfindung bezieht sich auf eine galvanisch abgeschiedene Legierungsschicht, insbesonde- re eine Laufschicht eines Gleitlagers, bestehend aus einer neben einem Grundmetall wenigstens ein Legierungselement aufweisenden Schichtlegierung, in deren das Legierungselement   feinkristal-   lin enthaltenden Matrix anorganische Teilchen mit einem Durchmesser kleiner 2  m feinverteilt eingelagert sind. 



   Bei mehrschichtig aufgebauten Gleitlagern mit einer galvanisch abgeschiedenen Laufschicht auf Bleibasis mit Zinnzusatz werden zur Steigerung der Härte und der Verschleissfestigkeit der
Laufschicht in die Laufschichtmatrix anorganische Hartteilchen eingebettet, die möglichst feinver- teilt in Einzelpartikeln in der Laufschicht vorliegen sollen. Zu diesem Zweck ist es bekannt (DE 196 22 166 A1, DE 19 654 953 A1), ein fluoroboratfreies Galvanisierbad mit einem Zusatz eines nicht-ionischen Netzmittels zur Vereinzelung der Hartteilchen bereits im Galvanisierbad ein- zusetzen, so dass diese Hartteilchen mit einem Durchmesser kleiner 2  m zusammen mit den
Legierungsbestandteilen feinverteilt abgeschieden werden. Durch den Einsatz eines organischen
Kornverfeinerungsmittels im Galvanisierbad wird ausserdem eine feinkristalline Abscheidung des Zinns in der Legierungsmatrix angestrebt.

   Trotz dieser Massnahmen kommt es bei Wärme- belastungen, wie sie bei Gleitlagern für Verbrennungsmotoren auftreten, zu einer Vergröberung der Zinnabscheidungen, und zwar zufolge der temperaturabhängigen Löslichkeit des Zinns in der
Bleimatrix. Beim Abkühlen des bei einer Erwärmung im Blei gelösten Zinns tritt wegen seines
Bestrebens, seine Oberfläche gegenüber dem Blei zu verringern, eine grobkörnigere Zinnphase auf, wobei sich kleinere Ausscheidungen bevorzugt an bereits bestehende grössere Ausscheidungen anlagern. Die in der Legierungsmatrix eingelagerten Hartteilchen, die aus Carbiden, Oxiden, Nitriden, Boriden oder Siliziden bestehen, haben zwar einen Einfluss auf die Diffusion von Zinnteilchen, nicht aber auf deren Neigung zur Vergröberung, so dass mit einer entsprechenden Alterung der Laufschicht durch eine Strukturvergröberung gerechnet werden muss. 



   Da die galvanische Abscheidung einer Legierung aus einem Galvanisierbad üblicherweise in einem Temperaturbereich erfolgt, der unterhalb der Schmelz- bzw. Erweichungspunkte der Legierungsbestandteile liegt, stellen galvanisch abgeschiedene Legierungsschichten im allgemeinen metastabile, übersättigte, feste Lösungen dar. Bei im Motorbetneb auftretenden Wärmezyklen werden beim Unterschreiten der Löslichkeitsgrenze Legierungselemente aus der Legierungsmatrix elementar oder als intermetallische Verbindungen ausgeschieden, wobei diese Ausscheidung weitgehend ungeregelt erfolgt, allerdings mit der Neigung zur Bildung grösserer Ausscheidungen auf Kosten der kleineren Ausscheidungen, so dass dieses Alterungsverhalten nicht auf Laufschichten von Gleitlagern beschränkt ist, obwohl sie dort besondere Bedeutung haben. 



   Um eine Laufschicht aus einer Bleilegierung mit einer hohen Ermüdungsfestigkeit zu erhalten, ist es bekannt (GB 2 271 780 A), die Oberfläche der Laufschicht mit pyramidenförmigen Blei- oder Bleilegierungskristallen auszubilden, die mit einem Diffusionsmetall überzogen und anschliessend einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um die Pyramiden der Kristalle zu runden. Diese besondere kristalline Struktur der Laufschichtoberfläche hat jedoch keinen Einfluss auf die Alterung der Laufschicht. 



   Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine galvanisch abgeschiedene Legierungsschicht, insbesondere eine Laufschicht eines Gleitlagers anzugeben, bei der eine Alterung durch eine wärmebedingte Strukturvergröberung weitgehend unterbunden werden kann. 



   Ausgehend von einer galvanisch abgeschiedenen Legierungsschicht der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, dass die als Keimbildner mit einem Durchmesser von 0,01 bis 1   m   eingesetzten anorganischen Teilchen eine der Kristallisationsform des Legierungselementes entsprechende Kristallform besitzen
Die anorganischen Teilchen, die bisher nur zur Dispersionshärtung eingesetzt wurden, können unter der Voraussetzung, dass ihre Kristallform zumindest im wesentlichen der Kristallisationsform des Legierungselementes entspricht, dessen feinkristalline Abscheidung in der Legierungsmatrix sichergestellt werden soll, in überraschender Weise als Kristallisationskeime für dieses Legierungselement dienen,

   das aufgrund der kleinen Durchmesser dieser Kristallisationskeime und der damit ausreichend grossen Anzahl von Keimbildnern gleichzeitig an vielen Punkten kristallisiert, was zunächst zu einer besonders feinen Verteilung dieses Legierungselementes in der Legierungsmatnx führt. Da die bei den auftretenden Behandlungstemperaturen in der Legierungsmatrix unlöslichen Keimbildner in der Matrix festliegen und bei einer temperaturbedingten örtlichen 

 <Desc/Clms Page number 2> 

 
Lösung des Legierungselementes im Grundmetall freigelegt werden, stehen die freigelegten anor- ganischen Teilchen beim Unterschreiten der Löslichkeitsgrenze des Legierungselementes wieder als Keimbildner zur Verfügung so dass das ausgeschiedene Legierungselement bevorzugt wieder an diesen Kristallisationskeimen kristallisiert
Um einen Kristallisationskeim bilden zu können,

   muss der Durchmesser der Keimbildner eine bestimmte Mindestgrösse aufweisen, die sich bei 0,01  m ergibt. Damit die feinkristalline Struktur des in der Legierungsmatrix abgeschiedenen Legierungselementes sichergestellt werden kann, dürfen die Keimbildner selbst nicht zu grobkörnig gewählt werden. Ein oberer Durchmesser von
1  m ist in diesem Zusammenhang noch tragbar, obwohl mit einem oberen Teilchendurchmesser von 0,5  m bessere Kristallisationsbedingungen geschaffen werden können. Ein Teilchendurch- messer zwischen 0,03 bis 0,5  m hat sich für die meisten Anwendungsfälle bewährt. Die als Keim- bildner dienenden anorganischen Teilchen bedingen wahrscheinlich aufgrund ihrer Kleinheit auch keine ins Gewicht fallende Dispersionshärtung der Legierungsschicht. 



   Wie bereits ausgeführt wurde, ist es für eine feinkristalline Abscheidung des Legierungs- elementes in der Legierungsmatrix von wesentlicher Bedeutung, eine ausreichende Anzahl von
Kristallisationskeimen zur Verfügung zu stellen. Die Konzentration der Kristallisationskeime soll so an die Konzentration des Legierungselementes angepasst werden, dass im wesentlichen für jedes ausgeschiedene Teilchen der Legierungsphase ein anorganisches Teilchen als Kristallisationskeim zur Verfügung steht. Um diese Forderung zu erfüllen, kann die Gesamtoberfläche der anorgani- schen Teilchen in einer Volumseinheit der Laufschicht zehn- bis zehntausendmal, vorzugsweise hundert- bis tausendmal, grösser als die der Volumseinheit zugehörige Flächeneinheit sein.

   In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, dass die anorganischen Teilchen zur Erfüllung ihrer Aufgabe bevorzugt eine sphärische Struktur aufweisen sollen, nicht aber eine nadelige Struktur. 



   In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 eine erfindungsgemässe Laufschicht eines Gleitlagers in einem vergrösserten, schemati- schen Querschnitt,
Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer vergleichbaren Laufschicht gemäss dem
Stand der Technik nach einer Wärmebehandlung und
Fig. 3 die Laufschicht gemäss der Fig. 1 nach einer Wärmebehandlung entsprechend der Wär- mebehandlung der Laufschicht gemäss der Fig. 2. 



   Die auf einem Schichtträger 1 gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Haftvermittlungsschicht galvanisch aus einem Galvanisierbad abgeschiedene Laufschicht 2 besteht aus einer Legierung aus einem Grundmetall 3, dessen Matrix feinverteilte, kristalline Abscheidungen 4 wenigstens eines Legierungselementes aufweist. Unabhängig davon, ob in die Laufschicht 2 gemäss der Erfindung Keimbildner in Form von anorganischen Teilchen mit einer an die Kristallisationsform des Legierungselementes angepassten Kristallform eingesetzt werden oder nicht, kann durch geeignete Feinungsmittel eine gleichmässige, feinkristalline Abscheidung des Legierungselementes in der Matrix des Grundmetalls 3 entsprechend der Fig. 1 erreicht werden.

   Der wesentliche Unterschied zwischen einer erfindungsgemässen Laufschicht und einer herkömmlichen Laufschicht zeigt sich erst nach einer entsprechenden Wärmebehandlung der galvanisch abgeschiedenen Laufschichten 2. 



   In Anlehnung an eine Wärmebelastung der Gleitlager in einem Dieselmotor wurden die zu vergleichenden Lager in 50 Wärmebehandlungszyklen jeweils während einer Dauer von 20 Stunden einer Wärmebelastung von 150  C ausgesetzt, die zwischen den einzelnen Zyklen für jeweils vier Stunden unterbrochen wurde. Wie die Fig. 2 zeigt, bilden sich aufgrund dieser Wärmebehandlung bei herkömmlichen Laufschichten beispielsweise auf Bleibasis mit einem entsprechenden Zinnzusatz vergleichsweise grobe Zinnabscheidungen aus, die einen Korndurchmesser bis zu 10 um ohne weiteres erreichen können, was zwangsläufig zu Störungen in der Matrixstruktur führt.

   Werden hingegen Keimbildner in Form von anorganischen Teilchen in die Legierungsmatrix eingebaut, so kann die beim Stand der Technik beobachtete Vergröberung der Zinnausscheidungen weitgehend unterbunden werden, wenn die anorganischen Teilchen entsprechend dem Zinn eine tetragonale Kristallform aufweisen, wie dies für Teilchen beispielsweise aus Rutil (Ti02) zutrifft.

   Bei einer entsprechenden Beschränkung der Korndurchmesser dieser Teilchen auf einen Wert kleiner 1  m findet das sich temperaturbedingt zwischen den Wärmebelastungen aus der Bleimatrix ausscheidende Zinn eine Vielzahl von gleichmässig in der Legierungsmatrix verteilten Keimbildnern 

 <Desc/Clms Page number 3> 

 vor, so dass sich entsprechende Kristallisationskeime ergeben, die für eine gleichmässige Zinnausscheidung sorgen, ohne eine ins Gewicht fallende Vergröberung der Zinnausscheidungen befürchten zu müssen. Es kann lediglich eine geringfügige Vergröberung der Zinnausscheidungen festgestellt werden, die jedoch beschränkt bleibt, wie dies in der Fig. 3 angedeutet ist. 



   Obwohl die Erfindung bei Gleitlagern mit Laufschichten vorzugsweise auf Bleibasis besondere Bedeutung hat, ist sie nicht auf dieses Anwendungsgebiet beschränkt. So können beispielsweise neben Blei als Grundmetall der Schichtlegierung auch Gold, Silber, Kupfer und Zinn zum Einsatz kommen, wobei als Legierungselemente vor allem je nach Art des Grundmetalls Zinn, Kupfer, Blei, Wismut, Antimon, Nickel, Zink, Indium und Kobalt in Frage kommen. Von diesen Legierungselementen gehören Blei, Kupfer und Nickel der kubischen, Wismut und Antimon der rhomboedrischen, Zinn und Indium der tetragonalen sowie Zink und Kobalt dem hexagonalen Kristallsystem an. Dementsprechend sind anorganische Teilchen als Keimbildner einzusetzen, die kubisch, rhomboedrisch, tetragonal oder hexagonal kristallisieren.

   Da Bornitrid kubisch kristallisiert, kann Bornitrid für alle Legierungselemente des kubischen Kristallsystems eingesetzt werden Für Legierungselemente des rhomboedrischen Kristallsystems eignen sich aufgrund ihrer rhomboedrischen Kristallisationsform die rhomboednsche Modifikation des Siliciumcarbids, Graphit und Chromborid. 



  Tetragonal kristallisieren Rutil (Titandioxid), Chromborid und Zirkoniumsilikat, hexagonal Aluminiumoxid, die hexagonale Modifikation von Bornitrid, die hexagonale Modifikation von Bornitrid, die hexagonale Modifikation von Siliciumcarbid, Molybdänsulfid und eine entsprechende Modifikation von Graphit, so dass aus diesen anorganischen Teilchen Keimbildner für Legierungselemente des tetragonalen und hexagonalen Kristallsystems gewonnen werden können. 



   Um die erfindungsgemässe Wirkung zu überprüfen, wurde eine Laufschicht eines Gleitlagers auf Bleibasis mit 10 Gew. % Zinn in herkömmlicher Weise aus einem Galvanisierbad abgeschie- 
 EMI3.1 
 Feinkornzusatz, beispielsweise Hydrochinon, und 4 g/l eines Glättungsmittels, z. B. Knochenleim, enthielt. Die erfindungsgemässe Laufschicht wurde aus einem analog aufgebauten Elektrolyten hergestellt, allerdings mit dem Unterschied, dass der Elektrolyt einen Zusatz von Titandioxid in der tetragonalen Modifikation Rutil mit einer durchschnittlichen Korngrösse von 0,4  m (maximaler Korndurchmesser 0,6  m, minimaler Korndurchmesser 0,2   um)   und in einer Konzentration von 10 g/l enthielt. Das Rutilpulver wurde dabei durch einen Dispergator und eine entsprechende Rühreinrichtung im Elektrolyten in Schwebe gehalten.

   Im Abscheidezustand war sowohl bei der herkömmlichen Laufschicht als auch bei der erfindungsgemässen eine feinkörnige Matrixstruktur gegeben, wobei die Zinnphase lichtmikroskopisch kaum zu erkennen war. Nach der beschriebenen Langzeitwärmebehandlung lagen vergleichsweise grobe Zinnausscheidungen mit einem Durchmesser bis zu 10  m bei der herkömmlichen Laufschicht vor. Die Langzeitwärmebehandlung der erfindungsgemässen Laufschicht bewirkte jedoch nur eine geringfügige Vergröberung der Zinnausscheidungen, die lichtmikroskopisch gerade erkennbar wurden. Der Durchmesser der sich lichtmikroskopisch abzeichnenden Zinnausscheidungen konnte nach oben mit 1  m begrenzt werden. 



  Ausserdem zeigten Lager mit einer erfindungsgemässen Laufschicht ein wesentlich verbessertes Laufverhalten sowie eine deutlich verringerte Neigung zum Ausbrechen von Laufschichtteilen, was einen entsprechend höheren Verschleisswiderstand mit sich bringt. 



   In ähnlicher Weise wurden Laufschichten auf Bleibasis mit 7 Gew.% Indium, mit 7 Gew. % Zinn und 7 Gew.% Indium, mit 15 Gew. % Antimon sowie mit 12 Gew. % Antimon und 9 Gew. % Zinn als Legierungsbestandteile mit und ohne erfindungsgemässem Zusatz von Keimbildnern hergestellt, wobei sich stets die geschilderten Verhaltnisse hinsichtlich der Ausscheidung der Legierungselemente ergaben. Dies gilt nicht nur für Laufschichten auf Bleibasis, sondern auch auf Zinnbasis mit den Legierungselementen Antimon, Kobalt, Nickel oder Zink, auf Silberbasis mit den Legierungszusätzen Wismut oder Antimon sowie auf Basis von Kupfer mit den Legierungselementen Wismut, Blei, Zinn oder Zink. 



   Werden Legierungen mit mehreren Legierungselementen, wie z. B. PbSnCu, PbSnln, SnZnCu, SnSbCu, AgSnCu, AgSbCu, CuPbBi u. dgl., eingesetzt, so müssen entsprechend dem jeweiligen Kristallsystem der einzelnen Legierungselemente die jeweils erforderlichen Keimbildner hinsichtlich ihrer Kristallform ausgewählt und entsprechend den jeweiligen Legierungselementen zusammengestellt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Galvanisch abgeschiedene Legierungsschicht, insbesondere eine Laufschicht eines Gleit- lagers, bestehend aus einer neben einem Grundmetall wenigstens ein Legierungselement aufweisenden Schichtlegierung, in deren das Legierungselement feinkristallin enthaltenden Matrix anorganische Teilchen mit einem Durchmesser kleiner 2 m feinverteilt eingelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die als Keimbildner mit einem Durchmesser von 0,01 bis 1 m eingesetzten anorganischen Teilchen eine der Kristallisationsform des Legie- rungselementes (4) entsprechende Kristallform besitzen (Fig. 1.).
2. Galvanisch abgeschiedene Legierungsschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganischen Teilchen einen Durchmesser von 0,03 bis 0,5 m aufweisen.
3. Galvanisch abgeschiedene Legierungsschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Gesamtoberfläche der anorganischen Teilchen in einer Volumseinheit der Laufschicht (2) zehn- bis zehntausendmal, vorzugsweise hundert- bis tausendmal, grösser als die der Volumseinheit zugehörige Flächeneinheit ist.