AT518876B1 - Verfahren zur Herstellung eines Mehrschichtgleitlagerelementes - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrschichtgleitlagerelementes (1) mit einem PVD-Verfahren, nach dem ein Substrat in eine Beschichtungskammer eingebracht wird und auf dem Substrat aus der Gasphase eine metallische Laufschicht (4) aufgebracht wird, die aus mehreren Einzelschichten aufgebaut wird, wobei die Abscheidung der Laufschicht (4) mehrmals unterbrochen wird, sodass die Laufschicht (4) zumindest im an das Substrat anschließenden Bereich aus einer Abfolge aus mehreren ersten Teillaufschichten (6) und mehreren zweiten Teillaufschichten (7) aufgebaut ist, wobei die ersten Teillaufschichten (6) mit einer Schichtdicke (8) zwischen 2 nm und 100 nm und die zweiten Teillaufschichten (7) mit einer Schichtdicke (9) zwischen 40 nm und 10 μm hergestellt werden, und wobei die ersten Teillaufschichten (6) jedenfalls mit einer geringeren Schichtdicke (8) hergestellt werden als die zweiten Teillaufschichten (7).

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrschichtgleitlagerelementes mit einem PVD-Verfahren, nach dem ein Substrat in eine Beschichtungskammer eingebracht wird und auf dem Substrat zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus der Gasphase eine metallische Laufschicht aufgebracht wird, die aus mehreren Teillaufschichten aufgebaut wird.

[0002] Weiter betrifft die Erfindung ein mit dem Verfahren hergestelltes Mehrschichtgleitlagerelement aus einem Verbundwerkstoff umfassend eine Stützschicht und eine Laufschicht, wobei die Laufschicht aus mehreren Einzelschichten besteht.

[0003] Mehrschichtgleitlagerelemente mit PVD-Laufschichten, insbesondere Sputterschichten, sind bereits hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt. Obwohl sich diese Laufschichten durch eine sehr hohe Verschleißbeständigkeit auszeichnen, hat sich im Betrieb herausgestellt, dass diese zur Erweichung neigen. Dies trifft insbesondere zu, wenn die Laufschicht ein weiches Matrixmetall, wie beispielsweise Zinn, aufweisen. Es wurde zwar schon versucht, die Reduzierung der Verschleißbeständigkeit durch das Einbetten von Hartpartikeln in die Laufschicht zu verbessern, allerdings tritt auch hier das Problem der Erweichung des Matrixmaterials im Betrieb zu Tage, da nämlich die Hartpartikel durch die Erweichung des Matrixmaterials zu wandern beginnen und sich bevorzugt in der Stützschicht des Mehrschichtgleitlagerelementes näheren Bereichen ablagern bzw. anhäufen. Es wird also selbst bei Einlagerung von Hartpartikeln in die Laufschicht eine Reduzierung der Dauerfestigkeit der Laufschicht und damit eine Reduzierung der Standzeit des Mehrschichtgleitlagerelementes beobachtet.

[0004] Aus der AT 501 722 B1 ist ein Beschichtungsverfahren zur Herstellung eines Mehrschichtgleitlagerelementes bekannt, bei dem auf einem ebenen, metallischen Substrat aus der Gasphase eine metallische Schicht aus Partikel unter vermindertem Druck niedergeschlagen wird, wobei die Partikel mit zumindest einer Energiequelle aus zumindest einem, eine Verdampfungsquelle bildenden Behälter verdampft werden. Die metallische Schicht wird dabei aus mehreren Einzelschichten sequenziell aufgebaut. Es werden damit relativ dicke Laufschichten im 100 pm Bereich hergestellt, um somit für die Herstellung von Gleitlagerhalbschalen ein ebenes Substrat beschichten zu können. Ein Hinweis zur Lösung der voranstehend angeführten Problematik findet sich in dieser Druckschrift jedoch nicht.

[0005] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Mehrschichtgleitlagerelement mit einer verbesserten Standzeit zur Verfügung zu stellen. Die verbesserte Standzeit bezieht sich dabei auf ein Mehrschichtgleitlagerelement mit dem gleichen Aufbau aber ohne die erfindungsgemäßen Merkmale.

[0006] Die Aufgabe der Erfindung wird mit dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, dass die Abscheidung der Laufschicht mehrmals unterbrochen wird, sodass die Laufschicht zumindest im an das Substrat anschließenden Bereich aus einer Abfolge aus mehreren ersten Teillaufschichten und mehreren zweiten Teillaufschichten aufgebaut ist, wobei die ersten Teillaufschichten mit einer Schichtdicke zwischen 2 nm und 100 nm und die zweiten Teillaufschichten mit einer Schichtdicke zwischen 40 nm und 10 pm hergestellt werden, und wobei die ersten Teillaufschichten jedenfalls mit einer geringeren Schichtdicke hergestellt werden als die zweiten Teillaufschichten.

[0007] Weiter wird die Aufgabe der Erfindung mit dem eingangs genannten Mehrschichtgleitlagerelement gelöst, bei dem die Laufschicht zumindest im an das Substrat anschließenden Bereich aus einer Abfolge aus mehreren ersten Teillaufschichten und mehreren zweiten Teillaufschichten aufgebaut ist, wobei die ersten Teillaufschichten eine Schichtdicke zwischen 2 nm und 100 nm und die zweiten Teillaufschichten eine Schichtdicke zwischen 40 nm und 10 pm aufweisen, und wobei die ersten Teillaufschichten jedenfalls eine geringere Schichtdicke aufweisen als die zweiten Teillaufschichten.

[0008] Durch die Unterbrechung der Abscheidung der Laufschicht und die Abscheidung der ersten Teillaufschichten kann die Diffusion von Laufschichtbestandteilen in Richtung auf die Stützschicht verringert bzw. vermieden werden. Dadurch kann die Dauerfestigkeit und die Standzeit des Mehrschichtgleitlagerelements verbessert werden, selbst wenn das Mehrschichtgleitlagerelement kurzzeitig höheren Betriebstemperaturen ausgesetzt ist. Als Nebeneffekt wird mit der Unterbrechung der Abscheidung der Laufschicht auch eine Verbesserung der Glattheit bzw. Ebenheit der Laufschicht, wodurch auch das Einlaufverhalten des Mehrschichtgleitlagerelementes durch verminderte Anpassungsnotwendigkeit an die Oberfläche des zu lagernden Bauteils verbessert werden kann.

[0009] Nach einer Ausführungsvariante des Verfahrens bzw. des Mehrschichtgleitlagerelementes kann vorgesehen sein, dass die Laufschicht mit einem Schichtdickenverhältnis der zweiten Teillaufschichten zu den ersten Teillaufschichten hergestellt wird bzw. ist, das ausgewählt wird aus einem Bereich von 100 : 1 bis 200 : 1. Es kann damit erreicht werden, dass zwar die Diffusion von Laufschichtbestandteilen wirkungsvoll unterbunden wird, die Laufschicht an sich aber noch eine ausreichende Einbettungsfähigkeit für Fremdpartikel während des Betriebes aufweist.

[0010] Nach einer weiteren, bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens bzw. des Mehrschichtgleitlagerelementes kann vorgesehen sein, dass die gesamte Laufschicht aus einer Abfolge aus ersten Teillaufschichten und zweiten Teillaufschichten hergestellt wird. Es können damit die voranstehend genannten Effekte weiter verbessert werden.

[0011] Die Laufschicht kann mit einer Anzahl an ersten Teillaufschichten hergestellt werden bzw. diese umfassen, die ausgewählt wird aus einem Bereich von 5 bis 30. Unter fünf ersten Teillaufschichten wird zwar der Effekt der Diffusionsbehinderung erreicht, allerdings sind die verbleibenden Schichtdicken der zweiten Teillaufschichten (bei üblicher Gesamtschichtdicke der Laufschicht) relativ groß, sodass oberflächennahe Schichtbereiche an Laufschichtbestandteilen verarmen kann. Andererseits werden bei einer Anzahl von mehr als 30 ersten Teillaufschichten die tribologischen Eigenschaften der Laufschicht, wie beispielsweise die Anpassungsfähigkeit der Laufschicht, verschlechtert (wiederum bei üblicher Gesamtschichtdicke der Laufschicht). Eine Anzahl an ersten Teillaufschichten zwischen 5 und 30 hat sich daher aus vorteilhaft herausgestellt.

[0012] Die Laufschicht kann als Legierung mit einem Matrixmetall, das ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend oder bestehend aus Zinn, Aluminium, Blei, Bismut, Silber, Kupfer hergestellt werden bzw. umfasst diese. Die Vorteile bzw. Effekte der Erfindung können besonders bei Legierungen mit diesen Matrixmetallen erreicht werden, da diese Metalle teilweise einen relativ geringen Erweichungspunkt bzw. eine relativ geringe Schmelztemperatur aufweisen. Es handelt sich dabei um Metalle, die bereits vielfach in Mehrschichtgleitlagerelementen eingesetzt werden und ein bevorzugte tribologische Eigenschaften aufweisen. Aufgrund der geringen Erweichungstemperatur ist es überraschend, dass eine Laufschicht mit den erfindungsgemäßen Merkmalen eine deutlich verbesserte Dauerfestigkeit aufweist.

[0013] Zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit bzw. Tragfähigkeit der Laufschicht kann -wie an sich bekannt - vorgesehen werden, dass in die Laufschicht während der Abscheidung Hartpartikel eingebettet werden bzw. diese in der Laufschicht enthalten sind. Auch treten wiederum die Vorteile der Laufschicht nach der Erfindung deutlich zu Tage, wie die Verhinderung des Absinkens der Hartpartikel während des Betriebes des Mehrschichtgleitlagerelementes. Damit können die Hartpartikel ihre Aufgabe während der Lebensdauer des Mehrschichtgleitlagerelementes besser bzw. deutlich länger erfüllen.

[0014] Nach einer weiteren Ausführungsvariante des Verfahrens bzw. des Mehrschichtgleitlagerelementes kann vorgesehen sein, dass die ersten Teillaufschichten mit einer zu der Zusammensetzung der zweiten Teillaufschichten unterschiedlichen Zusammensetzung hergestellt werden bzw. diese andere Zusammensetzung aufweisen. Es ist damit eine bessere Anpassung der tribologischen Eigenschaften trotz der „unterbrochenen“ Laufschicht des Mehrschichtgleitlagerelementes erreichbar. Darüber hinaus ist damit auch die Sperrwirkung der ersten Teillaufschichten besser einstellbar.

[0015] Die ersten Teillaufschichten können aus einem einzigen Metall hergestellt werden bzw. daraus bestehen, wodurch die Herstellung der Laufschicht vereinfacht werden kann.

[0016] Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.

[0017] Es zeigen jeweils in vereinfachter, schematischer Darstellung: [0018] Fig. 1 ein Mehrschichtgleitlagerelement in Seitenansicht; [0019] Fig. 2 einen Ausschnitt aus einem Mehrschichtgleitlagerelement in Seitenansicht.

[0020] Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.

[0021] In Fig. 1 ein metallisches Mehrschichtgleitlagerelement 1, insbesondere ein Radialgleitlagerelement, in Seitenansicht dargestellt. Dieses weist einen Gleitlagerelementkörper 2 aus einem Verbundwerkstoff auf. Der Gleitlagerelementkörper 2 umfasst eine Stützschicht 3 und eine darauf angeordnete Laufschicht 4 bzw. besteht aus der Stützschicht 3 und der damit direkt verbundenen Laufschicht 4.

[0022] Wie in Fig. 1 strichliert angedeutet zu ersehen ist, kann der Gleitlagerelementkörper 2 auch zumindest eine zusätzlich Schicht aufweisen, beispielsweise eine Zwischenschicht 5, die zwischen der Laufschicht 4 und der Stützschicht 3 angeordnet ist. Die Zwischenschicht 5 kann beispielsweise eine Diffusionssperrschicht oder eine Bindeschicht oder eine Lagermetallschicht sein, wobei auch mehrere Zwischenschichten 5 in Form von Kombinationen aus den genannten Schichten vorhanden sein können.

[0023] Dieser Aufbau eines Mehrschichtgleitlagerelementes 1 ist aus dem Stand der Technik bekannt, sodass hierzu darauf verwiesen sei.

[0024] Das Mehrschichtgleitlagerelement 1 bildet zusammen mit zumindest einem weiteren Gleitlagerelement - je nach konstruktivem Aufbau kann auch mehr als ein weiteres Gleitlagerelement vorhanden sein - ein Gleitlager aus, wie dies an sich bekannt ist. Dabei ist bevorzugt das im Betrieb des Gleitlagers höher belastete Gleitlagerelement durch das Mehrschichtgleitlagerelement 1 nach der Erfindung gebildet. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass zumindest eines der zumindest einen weiteren Gleitlagerelemente durch das Mehrschichtgleitlagerelement 1 nach der Erfindung gebildet wird.

[0025] Das Mehrschichtgleitlagerelement 1 nach Fig. 1 ist in Form einer Halbschale ausgebil-det. Es ist weiter möglich, dass das Mehrschichtgleitlagerelement 1 als Gleitlagerbuchse ausgebildet ist, wie dies in Fig. 1 ebenfalls dargestellt ist. In diesem Fall ist das Mehrschichtgleitlagerelement 1 gleichzeitig das Gleitlager.

[0026] Weiter besteht die Möglichkeit einer anderen Teilung, beispielsweise einer Drittelteilung, sodass das Mehrschichtgleitlagerelement 1 mit zwei weiteren Gleitlagerelementen zu einem Gleitlager kombiniert wird, wobei zumindest eines der beiden weiteren Gleitlagerelemente ebenfalls durch das Mehrschichtgleitlagerelement 1 gebildet sein kann. In diesem Fall deckt das Mehrschichtgleitlagerelement nicht eine Winkelbereich von 180 0 sondern einen Winkelbereich von 120° ab.

[0027] Das Mehrschichtgleitlagerelement 1 kann aber auch ein Axiallager sein, wie z.B. eine Anlaufscheibe.

[0028] Insbesondere ist das Mehrschichtgleitlagerelement 1 zur Verwendung in der Motorenin-dustrie bzw. in Motoren vorgesehen.

[0029] Die Stützschicht 3 besteht vorzugsweise aus einem Stahl, kann aber auch aus anderen geeigneten Werkstoffen, wie z.B. einer Bronze, bestehen.

[0030] Eine allfällige vorhandene Lagermetallschicht kann aus einer Kupferbasislegierung oder einer Aluminiumbasislegierung bestehen, wie sie für diese Zwecke aus dem Stand der Technik bekannt sind. Beispielsweise kann die Lagermetallschicht aus einer Legierung auf Kupferbasis nach DIN ISO 4383, wie z.B. CuSn10, CuAI10Fe5Ni5, CuZn31Si, CuPb10Sn10, CuPb24Sn2, CuSn8Bi10, CuSn4Zn, bestehen. Insbesondere kann die Lagermetallschicht aus einer Bleibronze oder einer bleifreien Bronze bestehen.

[0031] Eine gegebenenfalls vorhandene Bindeschicht oder Diffusionssperrschicht kann ebenfalls aus einem für diese Zwecke aus dem Stand der Technik bekannten Werkstoff bestehen, beispielsweise aus Nickel, Kobalt, Chrom, Molybdän, Titan, Edelstahl, Kupfer, Aluminium sowie Legierungen oder Oxide dieser Elemente.

[0032] Die Laufschicht 4 besteht, wie diese besser aus Fig. 2 ersichtlich ist, aus mehreren Einzelschichten. Aus Fig. 2 ist wiederum das Mehrschichtgleitlagerelement 1 ersichtlich, das aus der Stützschicht 3 und der Laufschicht 4 besteht.

[0033] Die Laufschicht 4 ist aus einer Abfolge aus mehreren ersten Teillaufschichten und mehreren zweiten Teillaufschichten aufgebaut, d.h. dass die Laufschicht 4 aus diesen ersten und zweiten Teillaufschichten 6, 7 besteht. Die ersten Teillaufschichten 6 weisen dabei jeweils eine Schichtdicke 8 auf, die ausgewählt ist aus einem Bereich von 2 nm bis 100 nm, insbesondere aus einem Bereich von 10 nm bis 30 nm. Die zweiten Teillaufschichten 7 weisen hingegen jeweils eine Schichtdicke 9 auf, die ausgewählt ist aus einem Bereich von 40 nm bis 10.000 nm, insbesondere aus einem Bereich von 200 nm bis 500 nm. Jedenfalls sind aber die ersten Teillaufschichten 6 dünner als die zweiten Teillaufschichten 8.

[0034] Die Schichtdicken 8, 9 sind dabei jeweils auf die radiale Richtung 10 des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 bezogen, also in Richtung senkrecht auf die Stützschicht 3.

[0035] Nur der Vollständigkeit halber sei in diesem Zusammenhang erwähnt, dass die Laufschicht 4 die radial innerste Schicht des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 ist (sofern es sich um Radialgleitlager handelt), sofern auf dieser keine Einlaufschicht aufgebracht ist, wie dies an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist.

[0036] Bevorzugt besteht die gesamte Laufschicht 4 aus dieser Abfolge an ersten und zweiten Teillaufschichten 6, 7. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, wenngleich dies nicht bevorzugt ist, dass lediglich ein an die Stützschicht 3 oder an eine Zwischenschicht 5 anschließender Bereich aus dieser Abfolge besteht, und dass in einem radial inneren Bereich bis zu einer Lauffläche 11 nur mehr die zweite Teillaufschicht 7 mit einer größeren Schichtdicke 9 vorhanden ist. Dabei kann diese Schichtdicke 9 ausgewählt sein aus einem Bereich von 0,5 pm bis 10 pm.

[0037] Generell kann die Laufschicht 4 insgesamt eine Gesamtschichtdicke aufweisen (in Richtung der Schichtdicken 8, 9 betrachtet), die ausgewählt ist aus einem Bereich von 5 pm bis 200 pm, insbesondere aus einem Bereich von 10 pm bis 50 pm.

[0038] Herstellungsbedingt ist - wie dies nachfolgend noch näher ausgeführt wird - die erste an die Stützschicht 3 oder die Zwischenschicht 5 anschließende Teillaufschicht der Laufschicht 4 bevorzugt eine zweite Teillaufschicht 7.

[0039] Bevorzugt kann die Anzahl der ersten Teillaufschichten 6 in der Laufschicht 4 kann ausgewählt sein aus einem Bereich von 5 bis 30, insbesondere aus einem Bereich von 5 bis 15. Die Anzahl an zweiten Teillaufschichten 7 ergibt sich daraus unter Berücksichtigung der Gesamtschichtdicke der Laufschicht 4 und der Schichtdicke 9 der zweiten Teillaufschichten 7.

[0040] Vorzugsweise weisen jeweils alle ersten Teillaufschichten 6 für sich betrachtet und jeweils alle zweiten Teillaufschichten 7 für sich betrachtet einer Laufschicht 4 die gleiche Schichtdicke 8 bzw. 9 auf. Zu berücksichtigen sind dabei jedoch herstellungsbedingte Schwankungsbreiten im Bereich von ± 20 % der jeweiligen Schichtdicken 8 bzw. 9 über die Gesamtfläche der Lauffläche 11 betrachtet. Die Schichtdicken 8 sind gegebenenfalls als arithmetische

Mittelwerte der Schichtdicken 8 sämtlicher ersten Teillaufschichten 6 und/oder sind die Schichtdicken 9 daher gegebenenfalls als arithmetische Mittelwerte der Schichtdicken 9 sämtlicher zweiten Teillaufschichten 7 zu betrachten.

[0041] Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 kann die Laufschicht 4 ein Schichtdickenverhältnis der zweiten Teillaufschichten 7 zu den ersten Teillaufschichten 6 aufweisen, das ausgewählt wird aus einem Bereich von 100 : 1 bis 200 : 1, insbesondere aus einem Bereich von 100 :1 bis 150 :1.

[0042] Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Schichtdicken 8 der ersten Teillaufschichten 6 über die Gesamtschichtdicke der Laufschicht 4 betrachtet gleich bleiben und dass die Schichtdicken 9 der zweiten Teillaufschichten 7 über die Gesamtschichtdicke der Laufschicht 4 betrachtet in Richtung auf die Lauffläche 11 zunehmen. Damit kann also die zweite Teillaufschicht 7 mit der geringsten Schichtdicke 9 an die Stützschicht 3 oder die Zwischenschicht 5 anschließend und die zweite Teillaufschicht 7 mit der größten Schichtdicke 9 an die Lauffläche 11 anschließend ausgebildet sein. Die Lauffläche 11 der Laufschicht 4 wird dabei also durch die zweite Teillaufschicht 7 mit der größten Schichtdicke 9 gebildet, sofern auf der Laufschicht 4 nicht noch eine weitere Schicht angeordnet ist (die Lauffläche 11 ist die Oberfläche des Mehrschichtgleitlagerelementes 1, die mit dem zu lagernden Bauteil, also beispielsweise einer Welle, in Kontakt steht).

[0043] Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass in diesem Sinne sowohl die Schichtdicken 8 der ersten Teillaufschichten 6 als auch die Schichtdicken 9 der zweiten Teillaufschichten 7 in Richtung auf die Lauffläche 11 zunehmen oder dass nur die Schichtdicken 8 der ersten Teillaufschichten 6 in Richtung auf die Lauffläche 11 zunehmen und die zweiten Teillaufschichten 7 mit einer in dieser Richtung gleichbleibenden Schichtdicke 9 ausgebildet sind.

[0044] Die Laufschicht 4 kann die hierfür im Stand der Technik bekannten Legierungen umfassen bzw. daraus bestehen. Bevorzugt ist die Laufschicht 4 aber aus einer Legierung mit einem Matrixmetall, das ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Zinn, Aluminium, Kupfer, Blei, Bismut, Silber, gebildet bzw. besteht daraus. Das Matrixmetall ist dabei jenes Metall, das den höchsten Mengenanteil in der Legierung aufweist.

[0045] Diese Legierungen enthalten zumindest ein weiteres Legierungselement. Das zumindest eine weitere Legierungselement ist bevorzugt ausgewählt aus einer Gruppe umfassend oder bestehend aus Kupfer, Antimon, Aluminium, Bismut, Blei, Nickel, Chrom, Silber, Zinn, Silizium, Eisen, Molybdän, mit der Maßgabe, dass das zumindest eine weitere Legierungselement ungleich dem Matrixelement ist.

[0046] Als Legierungen kommen beispielsweise AISnxCuy, AISnxSi, AIPbx, CuSnx, CuBix, CuS-nBix, SnAlx, SnSbx, SnCuxSby, AISnx, AlSi in Frage, wobei x ein Wert sein kann, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 6 und einer oberen Grenze von 30 und y ein Wert sein kann, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1 und einer oberen Grenze von 15.

[0047] Bevorzugte Legierungen sind AISn20Cu1, SnCu12Sb3Ni1.

[0048] Die Legierung der Laufschicht 4 kann weiter Hartpartikel enthalten. Als Hartpartikel können beispielsweise Carbide, Oxide, Nitride etc. verwendet werden. Beispiele hierfür sind Cr02, FE3O4, PbO, ZnO, CdO, Al203, Si02, Sn02, SiC, Si3N4, Ti-Nitride, Cr-Nitride.

[0049] Neben diesen Hartpartikeln kann die Laufschicht aber auch Hartpartikel enthalten, die aus den Elementen, aus denen die metallische Legierung besteht, als intermetallische Phasen gebildet werden. Beispiele für Elemente, die intermetallische Phasen bilden, sind Nickel, Chrom, Molybdän, Mangan, Silber, Eisen, Antimon, Kupfer, Aluminium.

[0050] Der Anteil der Hartpartikel an der Zusammensetzung der Laufschicht 4 kann ausgewählt sein aus einem Bereich von 0,1 Gew.-% bis 30 Gew.-%, insbesondere aus einem Bereich von 0,1 Gew.-% bis 5 Gew.-%.

[0051] Es ist möglich, dass die gesamte Laufschicht 4, d.h. die ersten Teillaufschichten 6 und die zweiten Teillaufschichten 7, die gleiche Zusammensetzung aufweist. Der voranstehend beschriebene Effekt tritt aber stärker zu Tage, wenn zumindest ein Teil, insbesondere sämtliche, der ersten Teillaufschichten 6 eine andere Zusammensetzung aufweisen, als die zweiten Teillaufschichten 7.

[0052] Beispielsweise können die ersten Teillaufschichten 6 durch eine der voranstehend genannten Legierungen für die Laufschicht 4 gebildet sein.

[0053] Es ist weiter möglich, dass zumindest ein Teil, insbesondere sämtliche, der ersten Teillaufschichten 6 aus einer vollständig anderen metallischen Legierung, wie beispielsweise Legierungen mit Nickel oder Chrom oder Kupfer, Antimon oder Eisen als Hauptbestandteil bestehen. Nach einer bevorzugten Ausführungsvariante kann zumindest ein Teil, insbesondere sämtliche, der ersten Teillaufschichten 6 aus einem einzigen Metall bestehen, insbesondere aus Nickel, Chrom, Kupfer, Eisen. Es ist weiter möglich, dass zumindest ein Teil, insbesondere sämtliche, der ersten Teillaufschichten 6 aus einem Metalloxid der voranstehend für die Laufschicht 4 genannten Matrixmetalle, wie beispielsweise Al203, gebildet sind oder daraus bestehen.

[0054] In den Ausführungsvarianten des Mehrschichtgleitlagerelementes 1, bei denen die ersten Teillaufschichten 6 zumindest teilweise eine andere Zusammensetzung aufweisen, als die zweiten Teillaufschichten 7, sind die zweiten Teillaufschichten 7 entsprechend den voranstehenden Ausführungen zur Zusammensetzung der Laufschicht 4 zusammengesetzt. Dies insbesondere deswegen, da primär die zweiten Teillaufschichten 7 die Aufgaben, die einer Laufschicht eines Gleitlagers zukommen, übernehmen, also beispielsweise die Einbettfähigkeit für Fremdpartikel, die Anpassungsfähigkeit an die Oberfläche des Gleitpartners, etc., wie diese an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind.

[0055] Es ist dabei auch möglich, dass für zumindest ein Element, das in den zweiten Teillaufschichten 7 enthalten ist, in Richtung auf die Lauffläche 11 ein Konzentrationsgradient mit zunehmender oder abnehmender Konzentration ausgebildet wird.

[0056] Wie bereits voranstehend erwähnt, wird die Laufschicht 4 nach einem PVD-Verfahren hergestellt. Derartige Verfahren sind für die Herstellung von Laufschichten in der Gleitlagertechnik bereits beschrieben worden. Gemein ist diesen Verfahren, dass die Elemente, aus denen die Laufschicht 4 hergestellt werden soll, in einem ersten Schritt verdampft und danach auf der Oberfläche des Substrates für das Mehrschichtgleitlagerelement 1 niedergeschlagen werden. In der Regel erfolgt die Beschichtung in einer Beschichtungskammer unter Unterdrück.

[0057] Die Laufschicht 4 nach der Erfindung wird vorzugsweise mit einem Sputterverfahren hergestellt, wobei aber auch andere PVD-Verfahren prinzipiell in Frage kommen.

[0058] Für die Herstellung wird ein Substrat nach entsprechender Vorbehandlung in die Beschichtungskammer der PVD-Anlage eingeführt. Als Substrat wird dabei entweder nur die Stützschicht 3 alleine oder aber bereits ein Verbundwerkstoff aus der Stützschicht 3, auf der zumindest eine weitere Zwischenschicht 5, beispielsweise eine Lagermetallschicht und/oder eine Bindeschicht und/oder eine Diffusionssperrschicht, angeordnet ist, eingesetzt. Die Vorbehandlung des Substrates kann also die Herstellung dieses ersten Verbundwerkstoffes, beispielsweise mittels Walzenverfahren, und/oder die Umformung des Substrates in die gewünschte Endgeometrie des Mehrschichtgleitlagerelementes 1, beispielsweise in eine Halbschale, und/oder die Reinigung des Substrates und/oder eine mechanische (spanende) Bearbeitung des Substrates sein.

[0059] Die Endreinigung des Substrates kann auch in der Beschichtungskammer der PVD-Anlage selbst erfolgen, wie dies an sich bekannt ist.

[0060] In einem ersten Schritt der Abscheidung der Laufschicht 4 wird eine zweite Teillaufschicht 7 auf der Oberfläche des Substrates abgeschieden. Sobald diese zweite Teillaufschicht 7 die gewünschte Schichtdicke 9 erreicht hat, wird das Beschichtungsverfahren unterbrochen und es wird in einem zweiten Schritt die erste Teillaufschicht 6 auf der Oberfläche der ersten zweiten Teillaufschicht 7 abgeschieden, bis diese ebenfalls die gewünschte Schichtdicke 8 aufweist. Danach wird die Abscheidung wieder unterbrochen und anschließend die zweite Teillaufschicht 7 bis zur gewünschten Schichtdicke 9 abgeschieden. Dieser Vorgang der abwechselnden Abscheidung der ersten Teillaufschichten 6 und der zweiten Teillaufschichten 7 wird solange wiederholt, bis die Laufschicht 4 den gewünschten Aufbau und die gewünschte Gesamtschichtdicke aufweist.

[0061] Hinsichtlich der (bevorzugten) Anzahl an ersten und zweiten Teillaufschichten 6, 7 sowie deren (bevorzugte) Schichtdicken 8, 9 und das bevorzugte Schichtdickenverhältnis der ersten und zweiten Teillaufschichten 6, 7 sei auf voranstehende Ausführungen dazu verwiesen.

[0062] Für die Abscheidung der ersten Teillaufschichten 6 können beispielsweise folgende Parameter verwendet werden:

[0063] Temperatur: 100 °C bis 180 °C, insbesondere 120 °C bis 140 °C

[0064] Druck: 10 pbar bis 40 pbar, insbesondere 15 pbar bis 20 pbar [0065] Abscheiderate: 0,05 pm/min bis 0,8 pm/min, insbesondere 0,1 pm/min bis 0,3 pm/min [0066] Für die Abscheidung der zweiten Teillaufschichten 7 können beispielsweise folgende Parameter verwendet werden:

[0067] Temperatur: 100 °C bis 170 °C, insbesondere 110 °C bis 120 °C

[0068] Druck: 10 pbar bis 40 pbar, insbesondere 15 pbar bis 20 pbar [0069] Abscheiderate: 0,5 nm/s bis 20 nm/s, insbesondere 5 pm/s bis 10 nm/s [0070] Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass diese Parameter nur beispielhaften Charakter haben. Da dem Fachmann PVD-Verfahren bekannt sind, kann er die jeweils für eine bestimmte Zusammensetzung der ersten und der zweiten Teillaufschichten 6, 7 erforderlichen Parameter für die Abscheidung einfach aus seinem Fachwissen heraus ohne unzumutbaren Aufwand ermitteln.

[0071] Nach der Abscheidung de Laufschicht 4 kann diese bei erhöhter Temperatur (z.B. zwischen 100 °C und 200 °C, insbesondere zwischen 120 °C und 180 °C) für eine vorbestimmbare Zeit (z.B. zwischen 10 h und 200 h, insbesondere zwischen 50 h und 150 h) ausgelagert werden.

[0072] Im Folgenden werden konkrete Ausführungsbeispiele des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 wiedergegeben, die zwar bevorzugte Ausführungsvarianten des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 sind, jedoch ebenfalls keinen einschränkenden Charakter haben.

[0073] Beispiel 1: [0074] Auf einen wie üblich vorbereiteten Stahlstreifen (Formgebung, Reinigung, etc.) wurde eine Laufschicht 4 aus ersten Teillaufschichten 6 und zweiten Teillaufschichten 7 unter Anwendung der voranstehend genannten Parameter hergestellt. Es wurde ein Target aus SnCu9,5Sb3,5 und ein Ni-Target verwendet. Die zweiten Teillaufschichten 7 wurden aus dem SnCu9,5Sb3,5-Target hergestellt. Die Schichtdicke der zweiten Teillaufschichten 7 aus SnCu9,5Sb3,5 betrug jeweils 2 pm.

[0075] Die ersten Teillaufschichten 6 wurden aus dem Ni-Target hergestellt. Deren Schichtdicke betrug 100 nm. Die Laufschicht 4 enthielt insgesamt neun erste Teillaufschichten 6 und zehn zweite Teillaufschichten 7, wobei abwechselnd erste und zweite Teillaufschichten 6, 7 abgeschieden wurden.

[0076] Nach der Beschichtung wurde die Härte der Laufschicht 4 mit 75 HV 0,001 bestimmt.

[0077] Der beschichtete Stahlstreifen wurde danach bei 160 °C für 100 h ausgelagert. Danach wurde die Härte noch einmal gemessen. Es konnte eine Härte von 116 HV 0,001 bestimmt werden.

[0078] Beispiel 2: [0079] Das Beispiel 1 wurde wiederholt wobei jedoch die ersten Teillaufschichten 6 mit 20 nm Schichtdicke hergestellt wurden. Es wurde dabei nach der Auslagerung eine Härteabfall von 65 HV 0,001 auf 60 HV 0,001 beobachtet.

[0080] Vergleichsbeispiel: [0081] Es wurde das Beispiel 1 ohne die Abscheidung der ersten Teillaufschichten 6 wiederholt. Nach der Auslagerung bei 160 °C für 100 h wurde ein Abfall der Härte der Laufschicht 4 von 50 HV 0,001 auf 30 HV 0,001 beobachtet.

[0082] Die Beispiele zeigen deutlich die Vorteile der erfindungsgemäßen Laufschicht 4, die aus ersten und zweiten Teillaufschichten 6, 7 aufgebaut ist.

[0083] Die Ausführungsbeispiele zeigen bzw. beschreiben mögliche Ausführungsvarianten des Mehrschichtgleitlagerelementes 1, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass auch Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind.

[0084] Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 dieses nicht zwingendenweise maßstäblich dargestellt wurde.

BEZUGSZEICHENLISTE 1 Mehrschichtgleitlagerelement 2 Gleitlagerelementkörper 3 Stützschicht 4 Laufschicht 5 Zwischenschicht 6 Teillaufschicht 7 Teillaufschicht 8 Schichtdicke 9 Schichtdicke 10 Richtung 11 Lauffläche

Claims (16)

1. Patentansprüche

   1. Verfahren zur Herstellung eines Mehrschichtgleitlagerelementes (1) mit einem PVD-Verfahren, nach dem ein Substrat in eine Beschichtungskammer eingebracht wird und auf dem Substrat zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus der Gasphase eine metallische Laufschicht (4) aufgebracht wird, die aus mehreren Einzelschichten aufgebaut wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung der Laufschicht (4) mehrmals unterbrochen wird, sodass die Laufschicht (4) zumindest im an das Substrat anschließenden Bereich aus einer Abfolge aus mehreren ersten Teillaufschichten (6) und mehreren zweiten Teillaufschichten (7) aufgebaut ist, wobei die ersten Teillaufschichten (6) mit einer Schichtdicke (8) zwischen 2 nm und 100 nm und die zweiten Teillaufschichten (7) mit einer Schichtdicke (9) zwischen 40 nm und 10 pm hergestellt werden, und wobei die ersten Teillaufschichten (6) jedenfalls mit einer geringeren Schichtdicke (8) hergestellt werden als die zweiten Teillaufschichten (7).
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht mit einem Schichtdickenverhältnis der zweiten Teillaufschichten (7) zu den ersten Teillaufschichten (6) hergestellt wird, das ausgewählt wird aus einem Bereich von 100 :1 bis 200 :1.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Laufschicht (4) aus einer Abfolge aus ersten Teillaufschichten (6) und zweiten Teillaufschichten (7) hergestellt wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht (4) mit einer Anzahl an ersten Teillaufschichten (6) hergestellt wird, die ausgewählt wird aus einem Bereich von 5 bis 30.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht (4) als Legierung mit einem Matrixmetall, das ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Zinn, Aluminium, Kupfer, Blei, Bismut, Silber, Zink hergestellt wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die Laufschicht (4) während der Abscheidung Hartpartikel eingebettet werden.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Teillaufschichten (6) mit einer zu der Zusammensetzung der zweiten Teillaufschichten (7) unterschiedlichen Zusammensetzung hergestellt werden.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Teillaufschichten (6) aus einem einzigen Metall hergestellt werden.
9. 9. Mehrschichtgleitlagerelement (1) aus einem Verbundwerkstoff umfassend eine Stützschicht (3) und eine Laufschicht (4), wobei die Laufschicht (4) aus mehreren Einzelschichten besteht, und der Verbundwerkstoff nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht (4) zumindest im an die Stützschicht (3) anschließenden Bereich aus einer Abfolge aus mehreren ersten Teillaufschichten (6) und mehreren zweiten Teillaufschichten (7) aufgebaut ist, wobei die ersten Teillaufschichten (6) eine Schichtdicke (8) zwischen 2 nm und 100 nm und die zweiten Teillaufschichten (7) eine Schichtdicke (9) zwischen 40 nm und 10 pm aufweisen, und wobei die ersten Teillaufschichten (6) jedenfalls eine geringere Schichtdicke (8) aufweisen als die zweiten Teillaufschichten (7).
10. 10. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht (4) ein Schichtdickenverhältnis der zweiten Teillaufschichten (7) zu den ersten Teillaufschichten (6) aufweist, das ausgewählt wird aus einem Bereich von 100 : 1 bis 200 : 1.
11. 11. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Laufschicht (4) aus einer Abfolge aus ersten Teillaufschichten (6) und zweiten Teillaufschichten (7) besteht.
12. 12. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht (4) eine Anzahl an ersten Teillaufschichten (6) aufweist, die ausgewählt wird aus einem Bereich von 5 bis 30.
13. 13. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht (4) eine Legierung mit einem Matrixmetall, das ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Zinn, Aluminium, Kupfer, Blei, Bismut, Silber, aufweist.
14. 14. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Laufschicht (4) Hartpartikel eingebettet sind.
15. 15. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Teillaufschichten (6) eine zu der Zusammensetzung der zweiten Teillaufschichten (7) unterschiedlichen Zusammensetzung aufweisen.
16. 16. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Teillaufschichten (6) aus einem einzigen Metall bestehen. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen