AT514955A4 - Verfahren zur Herstellung eines Zweistoff-Gleitlagers - Google Patents

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AT514955A4 ATA50071/2014A AT500712014A AT514955A4 AT 514955 A4 AT514955 A4 AT 514955A4 AT 500712014 A AT500712014 A AT 500712014A AT 514955 A4 AT514955 A4 AT 514955A4
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zweistoff-Gleitlagers (1) nach dem auf einem ebenen, metallischen Substrat (8) aus der Gasphase eine metallische Gleitschicht (3) aus zumindest zwei unterschiedlichen Partikelarten unter vermindertem Druck niedergeschlagen wird, wobei eine erste Partikelart eine Matrix mit ersten Körnern und die zweite Partikelart in der Matrix eingelagerte Körner der metallischen Gleitschicht (3) bilden, wobei die metallische Gleitschicht (3) mit einer Schichtdicke (4) von mehr als 250 μm sowie mit einer Härte nach Vickers von unter 100 HV(0,025) hergestellt wird, und die metallische Gleitschicht (3) aus einer einzigen Schicht in nur einem Durchgang und mit einer maximalen Korngröße von zumindest 90 % der die Matrix bildenden ersten Körner sowie mit einer maximalen Korngröße von zumindest 90 % der eingelagerten Körner von maximal 1 μm und einer maximalen Korngröße der restlichen Körner auf 100 % Gesamtkörner von maximal 1,5 μm hergestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zweistoff-Gleitlagersnach dem auf einem ebenen, metallischen Substrat, das die Stützschicht desGleitlagers bildet, aus der Gasphase eine metallische Gleitschicht aus zumindestzwei unterschiedlichen Partikelarten unter vermindertem Druck niedergeschlagenwird, wobei die Partikelarten mit zumindest einem Elektronenstrahl aus zumindesteinem, eine Verdampfungsquelle bildenden Behälter durch Verdampfen erzeugtwerden, und eine erste Partikelart eine Matrix mit ersten Körnern und die zweitePartikelart in der Matrix eingelagerte Körner der metallischen Gleitschicht bilden,und wobei nach dem Abscheiden der metallischen Gleitschicht das beschichteteSubstrat zum Gleitlager umgeformt wird, wobei die metallische Gleitschicht miteiner Schichtdicke von mehr als 250 pm sowie mit einer Härte nach Vickers vonunter 100 HV(0,025) hergestellt wird.
Weiter betrifft die Erfindung ein Zweistoff-Gleitlager umfassend eine metallischeStützschicht und eine daraufangeordnete metallische Gleitschicht, wobei die me¬tallische Gleitschicht nach einem Elektronenstrahlbedampfungsverfahren herge¬stellt ist und eine Matrix mit ersten Körner sowie in die Matrix eingelagerte zweiteKörner aufweist, und wobei weiter die metallische Gleitschicht eine Schichtdickevon mehr als 250 pm sowie eine Härte nach Vickers von kleiner 100 HV(0,025)aufweist.
Der Einsatz des Elektronenstahlbedampfungsverfahrens zur Herstellung von me¬tallischen Gleitlagern ist aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Üblicher¬weise weisen die mit derartigen Verfahren hergestellten Schichten nur eine gerin¬ge Schichtdicke auf.
Es ist aber aus dem Stand der Technik auch bekannt, mittels Elektronenstahlbe¬dampfungsverfahren dicke Schichten abzuscheiden. So beschreibt die AT 501722 A4 ein Beschichtungsverfahren zur Herstellung von dicken Gleitschichten beidem auf einem ebenen, metallischen Substrat, das von einem Substrathalter geh¬altert ist, aus der Gasphase eine metallische Schicht aus Partikel unter verminder¬tem Druck niedergeschlagen wird, wobei die Partikel mit zumindest einer Elektro¬nenstrahlquelle aus zumindest einem, eine Verdampfungsquelle bildenden Behäl¬ter verdampft werden. Die Gleitschicht selbst wird bei diesem Verfahren aus meh¬reren Einzelschichten sequenziell aufgebaut wird. Zwar hat dieses Verfahren Vor¬teile wenn Konzentrationsgradienten von Legierungselementen ausgebildet wer¬den sollen, allerdings ist dies aber auch von Nachteil, da homogene Schichten nurschwer darstellbar sind. Die nach diesem Verfahren hergestellten Gleitschichtenweisen naturgemäß eine ausgeprägte Lagenstruktur auf. Es wird zwar in dieserDruckschrift erwähnt, dass durch Diffusionseffekte die Homogenität der abge¬schiedenen Gleitschicht verbessert werden kann, wobei dies so weit gehen kann,dass die einzelnen Schichten makroskopisch nicht mehr unterscheidbar sind. DieLagenstruktur bleibt aber trotzdem aufrecht und ist mikroskopisch nachweisbar.
Dicke metallische Schichten, d.h. Schichten mit Schichtdicken von mehr als 200pm, können in der Gleitlagertechnik für die Motoren Industrie durch direktes Auf¬gießen oder aufwalzen einer gegossenen Schicht erzeugt werden. Diese weisenaber herstellungsbedingt ein relativ grobkörniges Gefüge auf. Letzteres trifft auchauf galvanisch erzeugte Schichten zu, wenngleich das Gefüge von galvanisch er¬zeugten Schichten feinkörniger ist, als von gegossenen Schichten. Das Gefügekann zwar durch die Zugabe von Kornfeinern verfeinert werden, bleibt aber hin¬sichtlich der Korngröße hinter den Gefügen, die mittels der Sputtertechnik her¬stellbar sind. Mittels der Sputtertechnik, bei der die Partikel durch lonenbeschusseines Targets erzeugt werden, sind sehr hochwertige Schichten mit geringenKorngrößen möglich. Nachteilig sind dabei allerdings die teure Verfahrenstechnikund die geringen erzielbaren Abscheideraten, sodass Sputterschichten mit gerin¬gen Schichtdicken hergestellt werden, wie dies z.B. auch in der EP 0 692 674 A2festgehalten wird.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung, eine dicke metallischeGleitschicht wirtschaftlich herzustellen, wobei diese Schicht zumindest im Oberflä¬chenbereich zumindest teilweise annähernd vergleichbare Eigenschaften mitSputterschichten aufweisen soll.
Diese Aufgabe der Erfindung wird mit dem eingangs genannten Verfahrendadurch gelöst, dass die metallische Gleitschicht aus einer einzigen Schicht in nureinem Durchgang und mit einer maximalen Korngröße von zumindest 90 % derdie Matrix bildenden ersten Körner sowie mit einer maximalen Korngröße von zu¬mindest 90 % der eingelagerten Körner von maximal 1 pm und einer maximalenKorngröße der restlichen Körner von maximal 1,5 pm hergestellt wird, und bei demeingangs genannte Zweistoff-Gleitlager dadurch, dass die metallische Gleitschichtaus einer einzigen Schicht besteht und zumindest 90 % der ersten und zweitenKörner der metallischen Gleitschicht eine maximale Korngröße von maximal 1 pmund die restlichen Körner eine maximale Korngröße von maximal 1,5 pm aufwei¬sen.
Von Vorteil ist dabei, dass damit ein Zweistoff-Gleitlager zur Verfügung gestelltwerden kann, dessen Gleitschicht hoch belastbar, anpassungsfähig und duktil ist,und die eine homogene Struktur über die Schichtdicke aufweisen kann. Die Gleit¬schicht weist zumindest im Oberflächenbereich aufgrund der Feinkörnigkeit zu¬mindest annähernd vergleichbare Eigenschaften auf, wie sie von Sputterlagernbekannt sind. Damit kann also ein Gleitlager zur Verfügung gestellt werden, dasim Vergleich zu herkömmlichen Gleitlagern mit (auf)gegossenen Gleitschichtenhöher belastbar ist, bessere tribologische Eigenschaften aufweist als Sputtergleit-schichten und dessen Verschleißwerte im Betrieb annährend die Verschleißwertevon Sputtergleitschichten erreichen. Darüber hinaus ist das Gleitlager mit der rela¬tiv dicken Gleitschicht wirtschaftlicher herstellbar, als ein Sputterlager. Mit der Er¬findung kann also ein Zweitsoff-Gleitlager zur Verfügung gestellt werden, das an¬nähernd die Eigenschaften von Sputtergleitlagern aufweist, im Vergleich dazuaber kostengünstiger herstellbar ist.
Gemäß einer Ausführungsvariante des Verfahrens kann vorgesehen sein, dassdie Partikel mittels eines Plasmas aktiviert werden. Zwar ist damit der Nachteil verbunden, dass die Beschichtungsrate reduziert wird, allerdings übersteigt diesenNachteil der Vorteil des feinkörnigeren und dichteren Gefüges, wodurch die Ver¬schleißeigenschaften und die tribologischen Eigenschaften weiter verbessert wer¬den können.
Vorzugsweise wird die metallische Gleitschicht mit einer statischen Abscheideratevon zumindest 50 pm/nnin abgeschieden. Es kann damit die Duktilität und dieFeinkörnigkeit der Gleitschicht verbessert werden.
Unter der statischen Abscheiderate wird dabei die Beschichtungsrate bei einerVorschubgeschwindigkeit von Null verstanden.
Es ist weiter bevorzugt das metallische Substrat mit einer linearen Bewegung miteiner Geschwindigkeit ausgewählt aus einem Bereich von 0,1 mm/s bis 1 mm/süber die zumindest eine Verdampfungsquelle zu bewegen, da damit die Schichtdi¬ckenvarianz verringert werden kann. Der Aufwand einer mechanischen Nachbear¬beitung der Gleitschichtoberfläche, beispielsweise durch Feinbohren, kann damitreduziert werden.
Nach einer weiteren Ausführungsvariante des Verfahrens kann vorgesehen sein,dass das metallische Substrat in einem Abstand über die zumindest eine Ver¬dampferquelle bewegt wird, der ausgewählt wird aus einem Bereich von 200 mmund 500 mm. Einerseits ist es damit möglich, die tribologischen Eigenschaften dermetallischen Gleitschicht zu beeinflussen. Andererseits kann damit auch die Korn¬größe der Körner beeinflusst werden, indem der Zusammenstoß von Partikeln aufdem Weg zum Substrat besser vermieden werden kann. Zudem kann damit einegleichmäßigere Schichtdicke der metallischen Gleitschicht auch über die Breitedes Substrates, also quer zur Bewegungsrichtung, erreicht werden.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die Oberfläche des metallischen Substrats vorder Beschichtung einem Plasma ausgesetzt wird. Es kann damit die Metalloberflä¬che gereinigt und/oder aktiviert werden, wodurch die Bindefestigkeit der auf demSubstrat niedergeschlagenen metallischen Gleitschicht verbessert werden kann.
Es ist damit möglich auf Bindeschichten zu verzichten, wodurch die Herstellungdes Gleitlagers vereinfacht werden kann.
Vorzugsweise besteht die Matrix aus einem Basiselement ausgewählt aus einerersten Gruppe umfassend Aluminium, Zinn, Kupfer. Insbesondere diese Metallehaben sich sowohl in Hinblick auf die Verwendung in Gleitlagern, wie dies an sichbekannt ist, als auch in Hinblick auf die Abscheidung mittels Elektronenstrahlbe¬dampfungsverfahren als vorteilhaft erwiesen.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die zweiten Körner zumindest ein Elementausgewählt aus einer Gruppe umfassend Zinn, Wismut, Silizium, Magnesium,Mangan, Eisen, Scandium, Zirkonium, Chrom, Kupfer, Aluminium, Antimon, Ni¬ckel, Kohlenstoff (Graphit) aufweisen, mit der Maßgabe, dass das weitere Elementungleich dem Basiselement ist, wodurch eine entsprechende Anpassung desZweitstoff-Gleitlagers an die bevorzugte Verwendung in LKW-Motoren bzw.Großmotoren erfolgen kann und die Abscheidung der metallischen Gleitschichttrotzdem noch wirtschaftliche durchgeführt werden kann. Insbesondere wird eineKombination der Elemente Aluminium, Zinn und Kupfer eingesetzt, da die Dampf¬drücke dieser Elemente sehr nahe beieinander liegen.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die metallische Gleitschicht aus einer Legie¬rung besteht, die ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend AlSnxCuy, AIS-nxSiy, AIBix, CuSnx, CuBix, CuSnxBiy, SnAIx, SnSbx, SnCuxSby, wobei x und yjeweils ein Wert ist ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1und einer oberen Grenze von 30.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Korngröße der zweiten Körner maximalhalb so groß ist wie die Korngröße der ersten Körner. Bevorzugt werden als zweiteKörner Körner der Weichphase(n) abgeschieden. Dadurch, dass diese Weichpha-sen-Körner eine geringere Korngröße als die Matrix-Körner aufweisen, kann bes¬ser verhindert werden, dass sich ein durchgehendes Netz aus Weichphasen-Körnern bildet, wodurch die Gleitschicht duktiler ausgebildet werden kann.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass unter einer Weichphase ein Element ver¬standen wird, das eine geringere Härte als die Matrix aufweist. Insbesondere sinddies die Elemente Zinn und Wismut.
Weiter sei erwähnt, dass es auch möglich ist, dass die Weichphase, also z.B. Zinnoder Wismut, die Matrix bildet (beispielsweise in Zinnbasislegierungen). Dabeikann es von Vorteil sein, wenn die Korngröße der ersten Körner, also der Matrix,kleiner oder gleich ist der Korngröße der zweiten Körner, also der in die Matrixeingelagerten Körner. Es ist aber auch der umgekehrte Fall möglich, dass also dieKorngröße der ersten Körner größer ist, als die Korngröße der zweiten Körner.
Es ist weiter bevorzugt, wenn die die Matrix bildenden ersten Körner und/oder diein die Matrix eingelagerten zweiten Körner einen globularen Habitus aufweisenbzw. das Gefüge insgesamt ein globulares Erscheinungsbild aufweist. Es kanndamit eine möglicherweise auftretenden Kerbwirkung der Körner besser vermie¬den werden.
Wie bereits voranstehend ausgeführt, ist die metallische Gleitschicht vorzugsweisedirekt auf der metallischen Stützschicht angeordnet, wodurch die Herstellung desGleitlagers vereinfacht und der Materialverbrauch reduziert werden kann. Darüberhinaus kann damit die Gleitschicht weicher und duktiler ausgeführt werden, da dieBelastung unmittelbar auf die Stützschicht übertragen wird.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgendenFiguren näher erläutert.
Es zeigen jeweils in vereinfachter, schematischer Darstellung:
Fig. 1 ein Zweistoff-Gleitlager in Form einer Halbschale in Schrägansicht;
Fig. 2 eine Anlage zur Herstellung eines Bimetallstreifens.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausfüh¬rungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbe¬zeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthal¬tenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die inder Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. aufdie unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese La¬geangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
Fig. 1 zeigt ein Zweistoff-Gleitlager 1 in Form einer Halbschale. Das Zweistoff-Gleitlager 1 besteht aus einer Stützschicht 2 und einer auf dieser angeordnetenGleitschicht 3.
Unter einem Zweistoff-Gleitlager 1 wird entsprechend dem technischen Sprachge¬brauch ein Gleitlager verstanden, das aus einer Stützschicht 2 und einer Gleit¬schicht 3 besteht, wobei die Gleitschicht 3 jene radial innere Schicht des Gleitla¬gers ist, an dem das zu lagernde Bauteil, beispielsweise eine Welle, abgleitet. DerBegriff „Zweistoff-Gleitlager“ umfasst - wie dies in der Fachsprache üblich ist -auch Gleitlager mit einer Stützschicht 2 und einer Gleitschicht 3, wobei zwischendiesen beiden Schichten zumindest eine weitere Schicht in Form einer Binde¬schicht oder einer Diffusionssperrschicht angeordnet ist. Derartige Schichten wer¬den für den Begriff Zweistoff-Gleitlager nicht mitgezählt. Mit anderen Worten aus¬gedrückt ist also zwischen der Stützschicht 2 und der Gleitschicht 3 keine Lager¬metallschicht aus einer Lagermetalllegierung angeordnet. Dies hat den Vorteil,dass vor der Abscheidung der Gleitschicht 3 keine Gieß- oder Plattierschritte fürdie Abscheidung einer Lagermetallschicht erforderlich sind.
Es sei bereits an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass in der bevorzugten Aus¬führungsform des Zweistoff-Gleitlagers 1 die Gleitschicht 3 unmittelbar, d.h. direkt,ohne Zwischenschichten auf der Stützschicht 2 angeordnet ist.
Sowohl die Stützschicht 2 als auch die Gleitschicht 3 sind aus einem metallischenWerkstoff hergestellt.
Die Stützschicht 2 besteht insbesondere aus einem Stahl, kann jedoch auch auseinem anderen metallischen Werkstoff gebildet sein, der dem Zweistoff-Gleitlager1 die erforderliche Strukturfestigkeit verleiht, wie beispielsweise Bronze, Messing,einer hochfesten Aluminiumlegierung, etc.
Die metallische Gleitschicht 3 weist eine Matrix aus einem Basiselement auf, dasbevorzugt ausgewählt aus einer ersten Gruppe umfassend oder bestehend ausAluminium, Zinn, Kupfer. Dieses Basiselement bildet den Hauptbestandteil dermetallischen Legierung der Gleitschicht 3, weist also im Vergleich zu den weiterenElementen in der Gleitschicht 3 mengenmäßig den größten Anteil an der Gleit¬schicht 3 auf (bezogen auf eine Zusammensetzung ausgedrückt in Gew.-%).
In diese Matrix ist zumindest ein weiteres Element eingelagert. Dieses weiterenElement ist bevorzugt ausgewählt aus einer zweiten Gruppe umfassend oder be¬stehend aus Zinn, Wismut, Silizium, Magnesium, Mangan, Eisen, Scandium, Zir¬konium, Chrom, Kupfer, Aluminium, Antimon, Nickel, Kohlenstoff (Graphit), mit derMaßgabe, dass das weitere Element ungleich dem Basiselement ist. Mit diesenElementen ist eine Anpassung der Eigenschaften der Gleitschicht 3 an die jeweili¬gen Erfordernisse möglich. Da die Wirkungen der einzelnen Elemente aus demeinschlägigen Stand der Technik bekannt sind, sei zur Vermeidung von Wiederho¬lungen darauf verwiesen.
Der Anteil jedes dieser Elemente der zweiten Gruppe an der Gleitschicht 3 kannausgewählt sein aus einem Bereich von 0,3 Gew.-% bis 35 Gew.-%, wobei derSummenanteil sämtlicher Elemente der zweiten Gruppe an der Gleitschicht 3 aus¬gewählt ist aus einem Bereich von 5 Gew.-% bis 40 Gew.-%. Den Rest auf 100Gew.-% bildet das Basiselement der ersten Gruppe.
Insbesondere kann die Gleitschicht 3 aus einer Legierung bestehen, die ausge¬wählt ist aus einer Gruppe umfassend AlSnxCuy, AlSnxSiy, AIBix, CuSnx, CuBix,CuSnxBiy, SnAIx, SnSbx, SnCuxSby, wobei x und y jeweils ein Wert ist ausge¬wählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1 und einer oberen Grenzevon 30, vorzugsweise aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 2 und ei¬ner oberen Grenze von 15.
Sollte zwischen der Stützschicht 2 und der Gleitschicht 3 eine Zwischenschichtangeordnet sein - wie bereits erwähnt ist dies nicht die bevorzugte Ausführungs¬variante der Erfindung - kann diese z.B. aus der Matrixkomponente der Legierungder Gleitschicht 3 (dem Basiselement), Eisen, einer Eisenlegierung, Nickel, einer
Nickellegierung, Kobalt, einer Kobaltlegierung, Reinaluminium, etc., bestehen.Derartige Zwischenschichten (Bindeschichten bzw. Diffusionssperrschichten) sindebenfalls aus dem einschlägigen Stand der Technik bekannt, aus dem auch weite¬re Werkstoffbeispiele für diese Schichten bekannt sind, sodass auch dazu auf dieeinschlägige Literatur verwiesen sei.
Die metallische Gleitschicht 3 wird nach einem Elektronenstrahlbedampfungsver¬fahren hergestellt bzw. auf der Stützschicht 2 niedergeschlagen, wie dies im Nach¬folgenden noch näher erläutert wird. Im Vergleich zu nach einem Sputterverfahrenhergestellten Gleitschichten ist damit eine wirtschaftlichere Abscheidung möglich.
Die Gleitschicht 3 wird in einem einzigen Durchgang durch die Bedampfungsein¬richtung niedergeschlagen, es erfolgt also kein schichtweiser Aufbau, wie dies beidem Verfahren nach der eingangs genannten AT 501 722 A4 der Fall ist. Trotz¬dem kann die Gleitschicht 3 mit einer Schichtdicke 4 von mehr als 250 pm, insbe¬sondere mehr als 400 pm, hergestellt werden. Die Schichtdicke 4 kann dabei aus¬gewählt sein aus einem Bereich von 250 pm bis 2000 pm.
Nach der Abscheidung der Gleitschicht 3 weist diese eine Matrix auf, die durcherste Körner aus dem Basiselement gebildet wird. In dieser Matrix sind zweiteKörner eingelagert, die durch zumindest ein Element aus der zweiten Element¬gruppe und gegebenenfalls zumindest eine intermetallische Verbindung aus denElementen der zweiten Elementgruppe und/oder gegebenenfalls zumindest eineintermetallische Verbindung aus einem Element der zweiten Elementgruppe mitdem Basiselement gebildet werden. Beispielsweise weist also die Gleitschicht 3erste Körner aus Aluminium als Matrix auf, in die Zinn als zweite Körner eingela¬gert ist.
Aufgrund des nachfolgend noch näher beschriebenen Herstellungsverfahrenskann die Gleitschicht 3 so hergestellt werden, dass ein Großteil der Körner, vor¬zugsweise sämtliche Körner, der Gleitschicht 3, also die ersten und die zweitenKörner, ein maximale Korngröße von maximal 1 pm aufweisen, insbesondere zwi¬schen 0,1 pm und 1 pm, und dass die Gleitschicht 3 eine Härte nach Vickers von kleiner 100 HV(0,025) aufweist, insbesondere zwischen 40 HV(0,025) und 80HV(0,025).
Unter maximale Korngröße wird dabei der größte Durchmesser eines Einzelkornsverstanden, den dieses aufgrund eines unregelmäßigen Habitus aufweist. Herstel¬lungsbedingt können aber einzelne Körner geringfügig größer als 1 gm sein, wobeijedoch zumindest 90 %, insbesondere zumindest 95 %, sämtlicher Körner eineKorngröße von maximal 1 gm und der Rest der Körner eine maximale Korngrößevon 1,5 gm aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Korngrö¬ße der zweiten Körner maximal halb so groß ist wie die Korngröße der ersten Kör¬ner, also der Körner der Matrix.
Weiter ist aus den voranstehenden Gründen bevorzugt, wenn die die Matrix bil¬denden ersten Körner und/oderdie in die Matrix eingelagerten zweiten Körnerei¬nen globularen Habitus aufweisen. Besonders bevorzugt ist dabei wiederum,wenn sämtliche ersten und/oder zweiten Körnereinen globularen Habitus aufwei¬sen. Es ist aber auch möglich, dass lediglich zumindest 90 %, insbesondere zu¬mindest 95%, sämtlicher ersten und/oder zweiten Körner einen zumindest annä¬hernd globularen Habitus aufweisen und der Rest der Körner einen davon abwei¬chenden Habitus.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist das Zweistoff-Gleitlager 1 vorzugsweise dieForm einer Halbschale auf. Es ist aber auch möglich, wie dies in Fig. 1 strichliertangedeutet ist, dass das Zweistoff-Gleitlager 1 als Buchse ausgebildet ist. Ebensosind andere Formen von Zweistoff-Gleitlagern 1, wie z.B. Anlaufscheiben, etc.,möglich.
In Fig. 2 ist ein Schema für eine Bedampfungsanlage 5 zur Herstellung eines be¬dampften Vorproduktes 6 für das Zweistoff-Gleitlager 1 dargestellt. Diese weisteine evakuierbare Bedampfungskammer 7 auf, in die ein ebenes bzw. flachesSubstrat 8 zur Herstellung des Vorproduktes 6 über nicht weiter dargestellteSchleusen ein- und ausgeschleust wird, da in der Bedampfungskammer 7 die
Gleitschicht 3 unter Unterdrück (bezogen auf den Normaldruck außerhalb der Be¬dampfungskammer 7) aufgedampft wird.
Das Substrat 8 kann beispielsweise ein Stahlstreifen oder ein Stahlblech sein.
Das Substrat 8 kann auf einer Transporteinrichtung 9 durch die Bedampfungs¬kammer 7 transportiert werden. Es ist aber auch möglich, dass das Substrat 8 oh¬ne diese Transporteinrichtung 9 durch die Bedampfungskammer 7 gefördert wird,beispielsweise wenn das Substrat 8 als Band oder Blech ausgebildet ist und ausdem daraus hergestellten Vorprodukt 6 die entsprechende Größe für das Zwei¬stoff-Gleitlager 1 nach dem Bedampfen geschnitten oder gestanzt wird.
Die Transporteinrichtung 9 oder das Substrat 8 sind über eine entsprechende An¬triebsvorrichtung, die in Fig. 2 nicht dargestellt ist, angetrieben.
Das Substrat 8 wird mit einer linearen, kontinuierlichen Bewegung ohne Unterbre¬chung durch die Bedampfungskammer 7 bewegt.
In der Bedampfungskammer 7 ist zumindest eine Elektronenstahlquelle 10, vor¬zugsweise eine Axialelektronenkanonen, zumindest teilweise angeordnet. Diesekann eine Leistung von einigen 10 kW, z.B. 120 kW aufweisen. Selbstverständlichist es möglich mehr als eine Elektronenstahlquelle 10 vorzusehen.
Weiter sei darauf hingewiesen, dass die Situierung der Elektronenstahlquelle 10 inFig. 2 beispielhaften Charakter hat, da es möglich ist, mit Hilfe von elektromagne¬tischen Feldern den von der Elektronenstahlquelle 10 ausgesandten Elektronen¬strahl abzulenken. So kann beispielsweise die Elektronenstahlquelle auch in einGehäuse 11 der Bedampfungskammer 7 integriert werden bzw. in einer eigenshierfür am Gehäuse 11 vorgesehenen Aufnahme angeordnet werden, um damitz.B. für Wartungsarbeiten eine bessere Zugänglichkeit zu erreichen.
Innerhalb des Gehäuses 11 der Bedampfungskammer 7, insbesondere unterhalbdes Substrats 8, ist zumindest ein Behälter 12 angeordnet, in dem sich ein zu ver¬dampfende metallischer Werkstoff 13 befindet und der somit die Verdampfungs¬quelle bildet. Je nach der Zusammensetzung der herzustellenden Gleitschicht 3 können auch mehrere derartige Behälter 12 angeordnet werden, in denen sich diemetallischen Reinelemente oder unterschiedliche Vorlegierungen befinden, ausdenen die Legierung der Gleitschicht 3 gebildet wird. Es ist aber auch möglich, ineinem Behälter 12 bereits die Legierung in der qualitativ und quantitativ richtigenZusammensetzung vorzulegen, sodass also die Gleitschicht 3 auch nur unterVerwendung einer Verdampfungsquelle hergestellt werden kann. Selbstverständ¬lich sind hinsichtlich der richtigen quantitativen Zusammensetzung die unter¬schiedlichen Dampfdrücke der Elemente zu berücksichtigen, sodass also diequantitative Zusammensetzung in dem zumindest einen Behälter 12 in der Regelunterschiedlich ist zur quantitativen Zusammensetzung der Legierung der Gleit¬schicht 3. Gegebenenfalls ist es weiter möglich, dass mehrere Verdampfungsquel¬len das gleiche Metall, d.h. das gleiche Beschichtungsmaterial, zur Ausbildung dermetallischen Gleitschicht 3 enthalten, wobei diese in Förderrichtung des Substrats8 hintereinander angeordnet werden können.
Es ist möglich, dass der Elektronenstrahl auf die mehreren Behälter 12 gelenktwird, also insbesondere zwischen diesen Behältern 12 hin und her springt. Ebensokann der Elektronenstrahl innerhalb eines Behälters 12 zwischen zwei oder meh¬reren Punkten hin und her springen, beispielsweise wenn ein Behälter 12 mit grö¬ßeren Abmessungen verwendet wird.
Es werden also zur Erzeugung der Gleitschicht 3, die bevorzugt aus den voran¬stehend genannten Legierungen gebildet ist, zumindest zwei unterschiedliche Par¬tikelarten erzeugt, beispielsweise eine erste Partikelart aus Aluminium und einezweite Partikelart aus Zinn.
Die Verdampfungsquelle(n), d.h. der oder die Behälter 12, kann oder könnenkühlbar sein, z.B. mit einem Fluid, wie z.B. Wasser, Öl, etc.. Des Weiteren ist esmöglich, neben der diskontinuierlichen Vorlage des Werkstoffes 13, diesen konti¬nuierlich, z.B. als Strang oder Draht, beispielsweise über den Boden des oder derBehälter 12 zuzuführen.
Durch die Beaufschlagung des metallischen Werkstoffes 13 bzw. der metallischenWerkstoffe 13 mit Elektronen aus der zumindest einen Elektronenstahlquelle 10 verdampft dieser Werkstoff 13, wodurch sich ein Partikelstrom 14 in Form einerDampfkeule bildet. Die Partikel aus dem Partikelstrom 14 schlagen sich auf derOberfläche des Substrats 8 nieder, wodurch letztendlich die Gleitschicht 3 ausge¬bildet wird.
Zur Steuerung kann der Bedampfungsanlage 5 eine Steuer- und/oder Regelein¬richtung (nicht gezeigt) zugeordnet sein, wobei mit dieser auch weitere Kompo¬nenten der Bedampfungsanlage 5 wirkungsverbunden sein können.
Zwischen dem Substrat 8 und der oder den Verdampfungsquelle(n) kann zumin¬dest eine Blende (nicht dargestellt) angeordnet sein, um damit den Partikelstrom14 zur Gänze bzw. teilweise auszublenden, um beispielsweise einen bestimmtenBeschichtungsverlaufzu ermöglichen. Dies kann z.B. dann sinnvoll sein, wenn dieGleitschicht 3 aus Metallen aus mehreren Behältern 12 hergestellt wird, sodasszumindest einzelne dieser Metalle während der Bedampfung ausgeblendet wer¬den können und damit eine bestimmte Legierungszusammensetzung bzw. Be¬schichtungszusammensetzung ermöglicht wird bzw. um die Ausbildung einesKonzentrationsgradienten innerhalb der Gleitschicht 3 zu ermöglichen. Beispiels¬weise ist es auf diese Weise möglich, eine zunehmende Konzentration an Weich¬phase aus z.B. Zinn oder Bismut in Richtung auf die Gleitfläche der Gleitschicht 3herzustellen.
Die Blenden können wassergekühlt sein. Jegliche andere Art der Kühlung, diehierfür geeignet ist, ist selbstverständlich möglich. Weiter können die Blenden jedebeliebige Ausgestaltung aufweisen, z.B. flächig und linear verschiebbar, zweige¬teilt und verschwenkbar, etc..
Zur Erreichung einer feinkörnigeren Gleitschicht 3 ist zwischen dem Behälter 12bzw. den Behältern 12 und dem Substrat 8 eine Vorrichtung 15 zur Erzeugungeines Plasmas angeordnet sein, beispielsweise eine Plasmaelektrode oder eineHohlkathode. Es wird damit eine Entladung erzeugt, die die verdampften Partikelionisiert. Es kann dazu z.B. ein Gleichstrom ausgewählt aus einem Bereich von 10A bis 100 A und eine Gleichspannung ausgewählt aus einem Bereich von -20 Vbis -100 V angewandt werden.
Es ist weiter möglich, dass an das Substrat 8 eine Biasspannung angelegt wird,z.B. ausgewählt aus einem Bereich von -30 V bis - 500 V, die über eine Stromver¬sorgungsvorrichtung 16 zur Verfügung gestellt werden kann.
Es ist weiter von Vorteil die Oberfläche des Substrates 8 vorzubehandeln, wie diesstrichpunktiert im linken oberen Quadranten des Gehäuses 11 der Bedampfungs¬kammer 7 in Form einer Vorbehandlungseinrichtung 17 dargestellt ist. Diese Vor¬behandlungseinrichtung 17 kann z.B. als Ätzvorrichtung ausgebildet sein, bei¬spielsweise mit Glühkathoden versehen sein. Die Vorbehandlung kann durch Ko¬ronaentladung etc., erfolgen. Vorzugsweise erfolgt eine Plasmabehandlung derOberfläche des Substrats 8, wozu die Vorbehandlungseinrichtung 17 z.B. einePlasmaelektrode umfassen kann, um damit eine Bogenentladung zu erzeugen.
Andere Vorbehandlungsverfahren, wie z.B. das Sputtercleaning oder das AEGDVerfahren (Arc Enhanced Glow Discharge Verfahren) oder die Vorbehandlungmittels Hohlkathodenentladung, sind ebenfalls anwendbar.
Gegebenenfalls kann vor dieser Oberflächenbehandlung bzw. Aktivierung derOberfläche des Substrates 8 eine weitere Vorbehandlung z.B. in Form einer Ent¬fettung bzw. generell Reinigung des Substrates 8 durchgeführt werden.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die Transporteinrichtung 9 und/oder das Sub¬strat 8 temperierbar sind. Dazu kann z.B. im Inneren der Transporteinrichtung 9ein Kühlsystem 18 ausgebildet bzw. angeordnet sein, um die Oberfläche derTransporteinrichtung 9 und in weiterer Folge das Substrat 8 auf einem bestimmtenTemperaturniveau zu halten bzw. mit einem definierten Temperaturverlaufzu be¬schichten. Dieses Kühlsystem 18 kann z.B. als Kühlmittelleitung ausgebildet seinund entsprechende Anschlüsse für einen Zulauf und einen Ablauf aufweisen, diemit einem entsprechenden Versorgungssystem (in Fig. 2 nicht dargestellt) strö¬mungsverbunden sind. Zur Kühlung kann beispielsweise Öl, Wasser, Luft, etc.verwendet werden, wobei gegebenenfalls zur Abfuhr von überschüssiger Wärmediesem Kühlsystem 18 zur Energierückgewinnung ein Wärmetauscher zugeordnetsein kann. Es ist aber auch möglich, andere Kühlsysteme 18 vorzusehen. Solltekeine gesonderte Transporteinrichtung 9 vorhanden sein, wie dies voranstehend beschrieben wurde, besteht die Möglichkeit das Substrat 8 selbst direkt mit demKühlsystem 18 zu verbinden.
Es ist mit dem Kühlsystem 18 möglich, das Beschichtungsverfahren mit einerexakten Temperatursteuerung durchzuführen, sodass aufgrund dieser Beschich¬tungstemperatur bzw. des Beschichtungstemperaturverlaufes ebenfalls eine ho¬mogene dichte Struktur der Gleitschicht 3 ausgebildet werden kann.
Weiter besteht die Möglichkeit, dass das Substrat 8 vor der Abscheidung derGleitschicht 3 mit einer Haftvermittlerschicht versehen wird.
Zur Herstellung der Gleitschicht 3 wird also ein ebenes Substrat 8 in einem einzi¬gen Durchgang durch die Bedampfungskammer 7 beschichtet, wozu das Substrat8 kontinuierlich und insbesondere mit gleichmäßiger Geschwindigkeit linear durchdie Bedampfungskammer 7 bewegt wird. Es können dabei folgende allgemeineParameter angewandt werden:
Elektronenkanone:
Beschleunigungsspannung: 20 kV - 35 kVStrahlleistung der Elektronenkanone: 60 kW bis 240 kWSubstrat-Temperatur: 150 °C bis 250 °CProzessdruck: 2x10'4 Pa - 10'1 Pa
Abscheiderate: zumindest 50 pm/min, insbesondere von 50 pm/min bis 100pm/min Fördergeschwindigkeit des Substrats 8: 0,1 mm/s bis 1 mm/s, vorzugsweise 0,2mm/s bis 0,5 mm/s
Abstand Substrat 8 von der Oberfläche der Verdampferquelle: 200 mm und 500mm, insbesondere 250 mm bis 350 mm.
Nachdem das Substrat 8 mit der Gleitschicht 3 beschichtet ist, also das Vorpro¬dukt 6 fertig ist, erfolgt noch die Ausformung des Zweistoff-Gleitlagers 1 durchmechanische Bearbeitung. Dazu können gegebenenfalls aus dem Vorprodukt 6,sofern dieses noch nicht die richtige Größe hat, die für das Zweistoff-Gleitlager 1richtigen Vorformlinge geschnitten oder gestanzt werden. Danach erfolgt eine Um¬formung des ebenen Vorproduktes 6 bzw. Vorformlings in die jeweilige Form desGleitlagers, also beispielsweise eine Halbschale oder eine Buchse. Diese Umfor¬mung kann z.B. in einem Gesenk bzw. einer Presse oder durch Rollen erfolgen.Für den Fall, dass eine Gleitlagerbuchse hergestellt wird, kann diese - wie diesaus dem Stand der Technik bekannt ist - verschweißt oder verklammert, etc.,werden. Gegebenenfalls kann danach noch ein Feinbohren der Gleitschicht 3durchgeführt werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsvariante weisen die ersten Körner des dieMatrix bildenden Metalls mindestens die doppelte maximale Korngröße auf, als dieweiteren Körner des weiteren Metalls, das in die Matrix eingebettet ist, wie diesbereits voranstehend ausgeführt wurde. Erreicht wird dies durch insbesonderedurch höhere Abscheideraten.
Weiter weisen die ersten und/oder die zweiten Körner vorzugsweise einen globu¬laren Habitus bzw. weist das gesamte Gefüge ein globulares, d.h. nicht stängeli-ges, Erscheinungsbild auf, wie dies ebenfalls bereits voranstehend ausgeführtwurde. Erreicht wird dies durch einen höheren Energieeintrag, der insbesonderedurch eine hohe Beschichtungsrate und/oder eine hohe Substrattemperaturund/oder durch eine hohe Badtemperatur ermöglicht werden kann.
Beispiel:
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Zweistoff-Gleitlager 1 mit einer Gleitschicht 3aus AISn20Cu auf einer Stützschicht 2 aus Stahl wie folgt hergestellt.
Ein Stahlsubstrat wurde einer Vorreinigung in einem Plasma unterzogen (ραγ*0,3Pa, Paegd * 3 kW, Ub * -1000V, t * 15 Minuten).
Die Beschichtung dieses gereinigten Substrates 8 erfolgte mit einem Anfangs¬druck in der Bedampfungskammer 7 von weniger als 2.1 CT4 Pa unter Verwendungeiner AISn14Cu5 Legierung in einem Behälter 12. Diesem Behälter 12 wurde wäh¬rend der Abscheidung der Gleitschicht 3 eine AISn20Cu Legierung zugeführt. DerAbstand zwischen dem Substrat 8 und dem Behälter 12 betrug 300 mm. Das Sub¬strat 8 wurde auf einer ölgekühlten Transportvorrichtung 9 (Töi, vorlaut = 145 °C)durch die Bedampfungskammer 7 befördert. Für die Abscheidung wurden folgen¬de weitere Parameter verwendet:
Elektronenstrahlleistung: 100 kW (sodass sich die Oberflächen-Temperatur imBehälter 12 auf ca. 1450 °C einstellt) Fördergeschwindigkeit des Substrats 8: 0,3 mm/sAbscheiderate Rstat.: 50 pm/min
Die Schichtdicke der Gleitschicht 3 betrug mit 615 ± 40 pm und die Härte 63HV(0,025). Für die Prüfung wurde die Gleitschicht 3 feingebohrt, wonach sie eineSchichtdicke von ca. 400 pm aufwies. Die maximale Korngröße von Aluminiumbetrug ca. 0,9 pm, jene von Zinn ca. 0,4 pm. Die restlichen Körner hatten eineKorngröße von maximal ca. 1,3 pm. Die Korngrößen wurden optisch mittels Licht¬mikroskop bzw. Elektronenmikroskop bestimmt.
Die Fressgrenzlast wurde mit 74 MPa und der Verschleiß wurde mit 5,2 pm (75MPa, 15 Stunden) bestimmt. Im Vergleich dazu weist ein Zweitstoff-Gleitlager miteiner gesputterten Gleitschicht eine Fressgrenzlast von 62 MPa und einen Ver¬schleiß von 3,7 pm auf (jeweils gleiche Prüfbedingungen).
Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten des Zweistoff-Gleitlagers 1, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass auch diverse Kombinatio¬nen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besserenVerständnis des Aufbaus Zweistoff-Gleitlagers 1 und der Bedampfungsanlage 5diese bzw. deren Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößertund/oder verkleinert dargestellt wurden.
Bezugszeichenliste 1 Zweistoff-Gleitlager 2 Stützschicht 3 Gleitschicht 4 Schichtdicke 5 Bedampfungsanlage 6 Vorprodukt 7 Bedampfungskammer 8 Substrat 9 Transporteinrichtung 10 Elektronenstrahlquelle 11 Gehäuse 12 Behälter 13 Werkstoff 14 Partikelstrom 15 Vorrichtung 16 Stromversorgungsvorrichtung 17 Vorbehandlungseinrichtung 18 Kühlsystem

Claims (13)

  1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung eines Zweistoff-Gleitlagers (1) nach dem aufeinem ebenen, metallischen Substrat (8), das die Stützschicht (2) des Gleitlagersbildet, aus der Gasphase eine metallische Gleitschicht (3) aus zumindest zwei un¬terschiedlichen Partikelarten unter vermindertem Druck niedergeschlagen wird,wobei die Partikelarten mit zumindest einem Elektronenstrahl aus zumindest ei¬nem, eine Verdampfungsquelle bildenden Behälter (12) durch Verdampfen er¬zeugt werden, und eine erste Partikelart eine Matrix mit ersten Körnern und diezweite Partikelart in der Matrix eingelagerte Körner der metallischen Gleitschicht (3) bilden, und wobei nach dem Abscheiden der metallischen Gleitschicht (3) dasbeschichtete Substrat (8) zum Gleitlager umgeformt wird, wobei die metallischeGleitschicht (3) mit einer Schichtdicke (4) von mehr als 250 pm sowie mit einerHärte nach Vickers von unter 100 HV(0,025) hergestellt wird, dadurch gekenn¬zeichnet, dass die metallische Gleitschicht (3) aus einer einzigen Schicht in nureinem Durchgang und mit einer maximalen Korngröße von zumindest 90 % derdie Matrix bildenden ersten Körner sowie mit einer maximalen Korngröße von zu¬mindest 90 % der eingelagerten Körner von maximal 1 pm und einer maximalenKorngröße der restlichen Körner auf 100 % Gesamtkörner von maximal 1,5 pmhergestellt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Parti¬kel mittels eines Plasmas aktiviert werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass diemetallische Gleitschicht (3) mit einer Abscheiderate von zumindest 50 pm/min ab¬geschieden wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich¬net, dass das metallische Substrat (8) mit einer linearen Bewegung mit einer Ge¬ schwindigkeit ausgewählt aus einem Bereich von 0,1 mm/s bis 1 mm/s über diezumindest eine Verdampfungsquelle bewegt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich¬net, dass das metallische Substrat (8) in einem Abstand über die zumindest eineVerdampferquelle bewegt wird, der ausgewählt wird aus einem Bereich von 200mm und 500 mm.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich¬net, dass die Oberfläche des metallischen Substrats (6) vorder Beschichtung ei¬nem Plasma ausgesetzt wird.
  7. 7. Zweistoff-Gleitlager (1) umfassend eine metallische Stützschicht (2)und eine daraufangeordnete metallische Gleitschicht (3), wobei die metallischeGleitschicht (3) nach einem Elektronenstrahlbedampfungsverfahren hergestellt ist,insbesondere nach einem Verfahren entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 7,und eine Matrix mit ersten Körner sowie in die Matrix eingelagerte zweite Körneraufweist, und wobei weiter die metallische Gleitschicht (3) eine Schichtdicke (4)von mehr als 250 pm sowie eine Härte nach Vickers von kleiner 100 HV(0,025)aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Gleitschicht (3) aus einereinzigen Schicht besteht und zumindest 90 % der ersten und zweiten Körner dermetallischen Gleitschicht (3) eine maximale Korngröße von maximal 1 pm und dierestlichen Körner eine maximale Korngröße von maximal 1,5 pm aufweisen.
  8. 8. Zweistoff-Gleitlager (1) nach einem der Ansprüche 7, dadurch ge¬kennzeichnet, dass die Matrix aus einem Basiselement ausgewählt aus einer ers¬ten Gruppe umfassend Aluminium, Zinn, Kupfer besteht
  9. 9. Zweistoff-Gleitlager (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,dass die zweiten Körner zumindest ein Element ausgewählt aus einer Gruppe um¬fassend Zinn, Wismut, Silizium, Magnesium, Mangan, Eisen, Scandium, Zirkoni¬ um, Chrom, Kupfer, Aluminium, Antimon, Nickel, Kohlenstoff (Graphit) aufweisen,mit der Maßgabe, dass das weitere Element ungleich dem Basiselement ist.
  10. 10. Zweistoff-Gleitlager (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurchgekennzeichnet, dass die metallische Gleitschicht (3) aus einer Legierung besteht,die ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend AlSnxCuy, AlSnxSiy, AIBix,CuSnx, CuBix, CuSnxBiy, SnAIx, SnSbx, SnCuxSby, wobei x und y jeweils einWert ist ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1 und eineroberen Grenze von 30.
  11. 11. Zweistoff-Gleitlager (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurchgekennzeichnet, dass die Korngröße der zweiten Körner maximal halb so groß istwie die Korngröße der ersten Körner.
  12. 12. Zweistoff-Gleitlager (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurchgekennzeichnet, dass die die Matrix bildenden ersten Körner und/oder die in dieMatrix eingelagerten zweiten Körnereinen zumindest annähernd globularen Habi¬tus aufweisen.
  13. 13. Zweistoff-Gleitlager (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurchgekennzeichnet, dass die metallische Gleitschicht (3) direkt auf der metallischenStützschicht (2) angeordnet ist.
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