AT524071B1

AT524071B1 - Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Gleitlagerelementes

Info

Publication number: AT524071B1
Application number: ATA50629/2020A
Authority: AT
Inventors: Held Dipl Ing Christoph (Fh)
Original assignee: Miba Gleitlager Austria Gmbh
Priority date: 2020-07-21
Filing date: 2020-07-21
Publication date: 2022-06-15
Also published as: WO2022016204A2; WO2022016204A3; AT524071A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Gleitlagerelementes (1) umfassend die Schritte Bereitstellen eines Substrates (12) umfassend eine Trägerschicht (2), Abscheiden einer Laufschicht (3) auf dem Substrat (12) mittels Hochleistungsimpulsmagnetronsputtern.

Description

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Gleitlagerelementes umfassend die Schritte: Bereitstellen eines Substrates umfassend eine Trägerschicht, Abscheiden einer Laufschicht auf dem Substrat mittels Magnetronsputtern.

[0002] Weiter betrifft die Erfindung ein Gleitlagerelement umfassend eine Trägerschicht und eine Laufschicht, die metallische Teilchen umfasst bzw. aus metallischen Teilchen besteht, und gegebenenfalls zwischen der Trägerschicht und der Laufschicht eine Lagermetallschicht, umfasst.

[0003] Die Herstellung von Laufschichten für Gleitlager mittels PVD-Verfahren ist aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise die AT 414 128 B ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers aus zumindest einem Träger und einer darauf angeordneten Randschicht aus einer Aluminiumlegierung. Die Randschicht wird gemäß einer Ausführungsvariante mit einem Sputterverfahren, insbesondere einem Gleichstrommagnetronsputterverfahren, hergestellt werden.

[0004] Auch die AT 517 717 B1 beschreibt ein Verfahren zur Abscheidung einer Schicht auf einem Gileitlagerelementrohling aus der Gasphase in einem Prozessgas, nach dem die Schicht aus zumindest einem Target, das eine Metallkombination mit einem metallischen Basiselement umfasst oder daraus besteht, durch zumindest teilweises Zerstäuben des Targets und anschließendes Niederschlagen der zerstäubten Targetbestandteile auf dem Gleitlagerelementrohling hergestellt wird.

[0005] Obwohl Sputterschichten an sich sehr gute Eigenschaften aufweisen, die damit hergestellten Gleitlager demnach sehr hochwertig sind, besteht ein Bedarf zur weiteren Verbesserung derartiger Gleitlager, insbesondere wenn diese unter sehr widrigen Bedingungen betrieben werden.

[0006] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Gleitlagerelemente mit Sputterlaufschichten bzw. deren Herstellung zu verbessern.

[0007] Die Aufgabe der Erfindung wird mit dem eingangs genannten Verfahren gelöst, wonach vorgesehen ist, dass die Laufschicht mittels Hochleistungsimpulsmagnetronsputtern abgeschieden wird.

[0008] Weiter wird die Aufgabe bei dem eingangs genannte Gleitlagerelement dadurch gelöst, dass die Laufschicht eine Oberflächenrauigkeit Ra nach DIN EN ISO 4287:1984 von maximal 10 um aufweist.

[0009] Von Vorteil ist dabei, dass das durch die mit dem Hochleistungsimpulsmagnetronsputtern aus dem zumindest einen Target erzeugten geladenen Teilchen eine sehr glatte Oberfläche erzeugt werden kann. In der Folge kann damit die Reibung zwischen dem Gleitlagerelement und dem damit im tribologisch Bezug stehenden Bauteil bzw. dem vom Gileitlagerelement gelagerten Bauteil reduziert werden, sodass das Gleitlagerelement über einen längeren Zeitraum einsetzbar bleibt. Zudem können damit sehr dichte Laufschichten erzeugt werden. Dies wiederum reduziert das Eindiffundieren von korrosiven Medien in das Gleitlagerelement, sodass eine unterhalb der Laufschicht angeordnete Schicht des Gleitlagerelementes, wie beispielswiese eine Lagermetallschicht, besser vor korrosiven Angriffen geschützt ist, womit in weiterer Folge die Verwendungsdauer des Gleitlagerelementes ebenfalls erhöht werden kann.

[0010] Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Laufschicht direkt auf der Trägerschicht abgeschieden wird. Es kann damit ein vereinfachter Schichtaufbau erreicht werden. Zudem ist damit eine verbesserte Haftung der Laufschicht auf der Trägerschicht erreichbar, da hochenergetische Teilchen des Targets in die Trägerschicht zumindest teilweise eindringen, also in die Trägerschicht implantiert werden, womit eine Art Verkrallung bzw. eine Art Formschluss zwischen der Laufschicht und der Trägerschicht erreicht werden kann. Aus dem gleichen Grund kann gemäß einer Ausführungsvariante des Gleitlagerelementes vorgesehen sein, dass Teilchen der Laufschicht zumindest teilweise in das Substrat eingedrungen ange-

ordnet sind.

[0011] Nach einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Trägerschicht während der Abscheidung der Laufschicht in-situ gereinigt wird. Der Begriff „während“ ist dabei nicht zwangsweise so zu verstehen, dass die Reinigung der Oberfläche des Substrats bzw. der Trägerschicht gleichzeitig mit der Abscheidung der Laufschicht erfolgt. Die Abscheidung kann auch an die Reinigung (unmittelbar) anschließend durchgeführt werden. Bei dieser Ausführungsvariante wird das zu beschichtende Substrat, also insbesondere die Trägerschicht, mit den vom Target verdampften Teilchen gereinigt. Ein Targetwechsel oder das Reinigung in einer anderen Anlage ist daher nicht notwendig, womit die Herstellung des Gleitlagerelementes durch Einsparung von Prozessschritten vereinfacht werden kann.

[0012] Wie bereits voranstehend angedeutet, kann nach einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass auf die Trägerschicht vor der Abscheidung der Laufschicht eine Lagermetallschicht aufgebracht wird. Das Mehrschichtgleitlagerelement weist damit entsprechende Notlaufeigenschaften auf, falls die Laufschicht beginnt zu verschleißen, wobei bis dahin die Laufschicht die darunter angeordnete Lagermetallschicht besser vor Korrosion schützen kann, wie dies voranstehend ausgeführt wurde.

[0013] Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen werden, dass das Substrat während der Abscheidung der Laufschicht bewegt, insbesondere gedreht, wird, womit eine gleichmäßigere Schichtdicke der Laufschicht erreicht werden kann.

[0014] Nach weiteren Ausführungsvarianten der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Laufschicht aus mehreren Teillaufschichten mit unterschiedlicher Zusammensetzung aufgebaut wird und dass gegebenenfalls die mehreren Teillaufschichten alternierend abgeschieden werden. Die Laufschicht ist damit besser an die Erfordernisse im Lauf des Gleitlagers anpassbar, insbesondere kann damit eine Teillaufschicht eine Haftungsvermittlungsrolle zwischen der eigentlichen Laufschicht und der Trägerschicht haben, wobei diese Teillaufschicht Teilchen aufweisen kann, die besser in das darunter liegenden Substrat implantiert werden können. Mit der alternierenden Anordnung der Teillaufschichten können Diffusionswege weiter verringert werden, womit ein Verbesserung des Korrosionsschutzes des Substrates erreicht werden kann, also beispielsweise der Lagermetallschicht und/oder der Trägerschicht.

[0015] Zur weiteren Verbesserung der voranstehend genannten Effekte kann gemäß zumindest einer der folgenden Ausführungsvarianten der Erfindung vorgesehen sein:

- dass zur Erzeugung der Laufschicht zumindest ein Target verwendet wird, wobei das Target mit einer Pulsfrequenz betrieben wird, die ausgewählt ist aus einem Bereich von 100 Hz bis 1500 Hz oder aus einem Bereich von 500 Hz bis 2500Hz, und/oder

- dass für die Abscheidung Pulse mit einer Pulslänge zwischen 10 us und 100 us eingesetzt werden, und/oder

- dass die Targets mit einer Leistung betrieben werden, die ausgewählt ist aus einem Bereich von 2 W/cm? bis 50 W/cm?; und/oder

- dass ein Tastverhältnis zwischen 0,01 und 0,5 angewandt wird.

[0016] Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Laufschicht eine kolumnare Struktur mit Säulen aufweist, wobei die Säulen einen Winkel zu einer Oberfläche des Substrates, auf der die Laufschicht angeordnet ist, einnehmen, der ausgewählt ist aus einem Bereich von 80 ° bis 110 °. Durch die Längserstreckung der Säulen in Belastungsrichtung kann die Tragfähigkeit der Laufschicht verbessert werden. Zudem können Belastungen unmittelbarer in die unter der Laufschicht angeordnete Schicht eingeleitet werden, wenn sich zumindest einzelne der Säulen durchgehend durch die gesamte Dicke der Laufschicht erstrecken.

[0017] Zur weiteren Verbesserung zumindest eines dieser Effekte kann gemäß einer Ausführungsvariante vorgesehen sein, dass die Säulen in Draufsicht auf die Laufschicht einen maximalen Durchmesser aufweisen, der ausgewählt ist aus einem Bereich von 0,5 nm bis 300 nm.

[0018] Vorzugsweise kann nach einer weiteren Ausführungsvariante vorgesehen sein, dass die Laufschicht eine Schichtdicke zwischen 10 um bis 100 um aufweist.

[0019] Zur weiteren Verbesserung des Schutzes von einer unter der Laufschicht angeordneten Schicht des Gleitlagerelementes kann nach einer anderen Ausführungsvariante vorgesehen sein, dass die Laufschicht eine Härte zwischen 10 HV 0,01 und 800 HV 0,1 aufweist.

[0020] Wie voranstehend ausgeführt, kann zur besseren Anpassbarkeit der Laufschicht an die Einsatzbedingungen und der Schutzfunktion der Laufschicht nach Ausführungsvarianten der Erfindung vorgesehen sein, dass die Laufschicht als Gradientenschicht mit einem Konzentrationsgradienten zumindest eines Bestandteils der Laufschicht ausgebildet ist, oder dass die Laufschicht als Abfolge von mehreren Teillaufschichten mit unterschiedlicher Zusammensetzung ausgebildet ist.

[0021] Ein schnellerer Einlauf der Laufschicht kann erreicht werden, wenn gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen ist, dass die Laufschicht eine Schichtdickentoleranz zwischen + 1 um und + 10 um aufweist.

[0022] Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.

[0023] Es zeigen jeweils in vereinfachter, schematischer Darstellung:

[0024] Fig. 1 ein mehrschichtiges Gleitlagerelement in Seitenansicht;

[0025] Fig. 2 einen schematischen Aufbau einer Beschichtungsvorrichtung;

[0026] Fig. 3 einen Ausschnitt aus einer Ausführungsvariante eines Gleitlagerelementes; [0027] Fig. 4 einen Ausschnitt aus einer Laufschicht.

[0028] 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 sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.

[0029] Angaben zu den Legierungszusammensetzungen sind so zu verstehen, dass diese übliche Verunreinigungen, wie sie in großtechnisch eingesetzten Rohstoffen auftreten, mitumfassen. Es besteht aber im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass Rein- bzw. Reinstmetalle bzw. Rein- oder Reinststoffe eingesetzt werden.

[0030] Weiter sind Angaben zu Zusammensetzungen in Gew.-% zu verstehen, sofern nicht etwas anderes ausdrücklich angegeben ist.

[0031] Fig. 1 zeigt ein Gleitlagerelement 1 (auch als Mehrschichtgleitlagerelement bezeichenbar) in Form einer Gleitlagerhalbschale. Dargestellt ist eine zweischichtige Variante des Gleitlagerelements 1, bestehend aus einer Trägerschicht 2 (auch als Stützschicht bezeichenbar) und einer Laufschicht 3, die auf einer Vorderseite 4 (radial inneren Seite) des Gleitlagerelements 1, die einem zu lagernden Bauteil zuwendbar ist, angeordnet ist.

[0032] Gegebenenfalls kann eine Lagermetallschicht 5 zwischen der Laufschicht 3 und der Trägerschicht 2 angeordnet sein, wie dies in Fig. 1 strichliert angedeutet ist.

[0033] Der prinzipielle Aufbau derartiger Gleitlagerelemente 1, wie sie z.B. in Verbrennungskraftmaschinen Verwendung finden, ist aus dem Stand der Technik bekannt, sodass sich weitere Ausführungen hierzu erübrigen. Es sei jedoch erwähnt, dass weitere Schichten angeordnet werden können, also beispielsweise zwischen der Lagermetallschicht 5 und der Trägerschicht 1 eine Haftvermittlerschicht und/oder eine Diffusionssperrschicht, etc., wenngleich dies nicht notwendig ist, wie im Folgenden bzw. im Voranstehenden ausgeführt wird bzw. ist. Bevorzugt kann also vorgesehen sein, dass die Laufschicht 3 direkt auf der Trägerschicht 1 angeordnet ist, oder ge-

gebenenfalls die Lagermetallschicht 5 direkt auf der Trägerschicht 1 und die Laufschicht 3 direkt auf der Lagermetallschicht 5 angeordnet sind.

[0034] Im Rahmen der Erfindung kann das Mehrschichtgleitlager 1 auch anders ausgeführt sein, beispielsweise als Lagerbuchse, wie dies in Fig. 1 strichliert angedeutet ist. Ebenso sind andere Ausführungsformen von Mehrschichtgleitlagern 1 möglich.

[0035] Die Trägerschicht 2 ist aus einem metallischen Werkstoff hergestellt. Insbesondere kann sie aus Stahl bestehen. Sie kann aber auch aus einem anderen Werkstoff, der dem Gleitlagerelement 1 die erforderliche Strukturfestigkeit verleiht, bestehen. Derartige Werkstoffe sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann die Trägerschicht 2 aus einer Kupferbronze bestehen.

[0036] Für die Lagermetallschicht 5 sowie die Zwischenschichten können (auch) die aus dem einschlägigen Stand der Technik bekannten Legierungen bzw. Werkstoffe verwendet werden, und sei diesbezüglich darauf verwiesen. Beispielsweise kann die Lagermetallschicht 5 kann aus einer (bleifreien) Kupfer- oder Aluminium- oder Silber- oder Bismut- oder Zinnbasislegierung bestehen. Beispiele hierfür sind:

[0037] 1. Lagermetalle auf Aluminiumbasis (nach DIN ISO 4381 bzw. 4383):

[0038] Al-Sn-Legierungen, Al-Sn-Cu-Legierungen, Al-Sn-Ni-Mn-Legierungen, Al-Sn-SiLegierungen, Al-Sn-Si-Cu-Legierungen,

[0039] z.B. AlBi15Mo2, Al-Bi11Cu0,5Ni0,5, AIBi25Cu, AISn25Si7,5, AISn20, AISnN20Cu,

AISn20Sb10; AISN6CuNIi, AISN20Cu, AISi4Cd, AICA3CUuNI, AISi11Cu, AISN6Cu, AISn40, AISn25CuMn, AISi11CuMgNi;

[0040] 2. Lagermetalle auf Kupferbasis (nach DIN ISO 4383):

[0041] CuSn8-10, CuAl10Fe5Ni5, CuZn31Si1, CuPb24Sn2, CuSn8Bi10, CuBi40, CuBi20, CuAg20;

[0042] 3. Lagermetalle auf Zinnbasis:

[0043] SnSb8Cu4, SnSb12Cu6Pb, SnCu10, SnAg20, SnSb20Cu5; [0044] 4. Lagermetalle auf Silberbasis:

[0045] AgSn10-40, AgCuSn, AgSn20, AgBi15, AgCu20;

[0046] 5 Lagermetalle auf Bismustbasis:

[0047] BiCuO,1-10Sn0,5-10, BiAg20, BiCu20.

[0048] Für den Fall, dass eine Lagermetallschicht 5 angeordnet wird, kann diese mit üblichen Methoden auf der Trägerschicht 2 angeordnet bzw. abgeschieden werden. Beispielsweise kann sie walzplattiert oder schmelzmetallurgisch oder galvanisch abgeschieden werden.

[0049] Die Laufschicht 3 besteht vorzugsweise aus einer Basislegierung die als Hauptlegierungselement ein Element aus einer Al, Cu, Ag, Sn, Bi, Sb umfassenden Elementgruppe aufweist. Das Basiselement stellt dabei (wie auch generell in der Beschreibung) - verglichen mit den weiteren Legierungselementen - mengenmäßig den größten Anteil dar. Die Laufschicht 3 kann ebenfalls aus den voranstehend genannten Legierungen ausgewählt sein, beispielsweise durch AISn20Cu1 oder AISn40 oder eine Legierung auf Zinnbasis oder auf Bismutbasis oder auf Silberbasis oder durch eine Schicht aus Reinsilber mit den erschmelzungs- und/oder abscheidungsbedingten Verunreinigungen oder aus Reinkupfer oder aus CuSn oder CuAl gebildet sein. Die Zusammensetzung der Laufschicht 3 ist aber jedenfalls unterschiedlich zu jener der Lagermetallschicht 5, falls diese vorhanden ist.

[0050] Die Diffusionssperrschicht und/oder Bindeschicht kann z.B. durch Al, Mn, Ni, Fe, Cr, Co, Cu, Ag, Mo, Pd sowie NiSn- bzw. NiCr- bzw. CuSn-Legierungen gebildet sein. Andere bekannte Metalle und metallische Legierungen sind ebenfalls denkbar.

[0051] Es besteht weiter die Möglichkeit, dass auf der Laufschicht 3 eine Schicht angeordnet ist bzw. wird. Diese weitere Schicht kann die Funktion einer Einlaufschicht haben. Beispielsweise kann diese weitere Schicht Zinn oder eine Gleitlackschicht bzw. generell Polymerschicht mit Festschmierstoffpartikeln sein.

[0052] Es ist vorgesehen, dass die Laufschicht 3 mittels Hochleistungsimpulsmagnetronsputtern (HiPIMS) auf dem Substrat, also gemäß Ausführungsvarianten der Erfindung insbesondere entweder direkt auf der Trägerschicht 2 oder der Lagermetallschicht 5, abgeschieden wird. Dabei lässt man während des Sputtervorgangs kurze Spannungsimpulse auf das Target (Kathode) einwirken und erhält mit einer hohen Plasma-Elektronendichte hohe Elektronenstoß-lonisierungsraten, die zu einem hohen lonisierungsanteil der gesputterten Spezies führt.

[0053] Fig. 2 zeigt einen schematischen Aufbau einer Sputteranlage 6.

[0054] Beim angewandten Verfahren werden geladene metallische Teilchen 7 in einem Feld einer entsprechenden magnetischen Quelle 3 beschleunigt und auf eine Zielelektrode bzw. zumindest ein Target 9 gelenkt. Das Target 9 ist zugleich die Kathode.

[0055] Als Quelle der Teilchen 7 dient ein ijonisiertes Edelgas bzw. ein Plasma 10. Die beschleunigten Teilchen 7 schlagen beim Auftreffen auf das Target 9 Atome 11 aus der Oberfläche des Targetmaterials heraus. Weiter kommt es durch den hohen lonisierungsgrad in der Abscheidekammer der Sputteranlage 6 ebenfalls zur lonisierung von Metallteilchen (Atomen 11). Die Atome 11 bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit und Energiedichte in Richtung auf das Substrat 12 und schlagen sich dort als Laufschicht 3 nieder.

[0056] Das Target 9 wird während des Verfahrens mit hoch energetischen Impulsen beaufschlagt.

[0057] Das Substrat 12 soll nicht auf die in Fig. 2 dargestellte Plattenform beschränkt sein, sondern können erfindungsgemäß auch davon abweichende Formen, beispielsweise Lagerhalbschalen, verwendet werden.

[0058] Das Prozessgas, also insbesondere das Inertgas, wie beispielweise Argon, kann über zumindest einen Einlass 13 zugeführt werden.

[0059] Das Target 9 kann die gewünschte Zusammensetzung der Laufschicht 3 aufweisen. Es ist aber auch möglich mehrere Targets 9 einzusetzen, die jeweils unterschiedlich zusammengesetzt sind, und die Zusammensetzung der Laufschicht 3 aus diesen mehreren Targets 9 herzustellen. Dazu können die Abdampfraten der Targets 9 der gewünschten Zusammensetzung der Laufschicht 3 entsprechend unterschiedlich gestaltet werden.

[0060] Für die Abscheidung der Laufschicht 3 auf dem Substrat 12 können folgende Parameter angewandt werden:

[0061] Prozessdruck: 30x10 mbar bis 1x10°3 mbar [0062] Prozesstemperatur: 50 °C bis 200 °C

[0063] Pulsstrom: 10 A und 100 A

[0064] Pulsfrequenz: 500 Hz und 2500 Hz

[0065] Pulslänge: 10us - 100 us.

[0066] Targetleistung: 2 W/cm? - 50W/cm?

[0067] Gemäß einer Ausführungsvariante des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Trägerschicht 2 als Substrat 12 zur Direktbeschichtung mit der Laufschicht 3 während der Abscheidung der Laufschicht 3 in-situ gereinigt wird. Dazu wird die Trägerschicht 2, die gegebenenfalls vorgereinigt worden ist, in der Beschichtungskammer 14 angeordnet, beispielsweise auf einem geeigneten Substratträger (wie auch bei voranstehend angeführter Verfahrensvariante), und nach Herstellung der geeigneten Atmosphäre in-situ gereinigt. Hierfür können die folgenden Parameter angewandt werden:

[0068] Prozessdruck: 90x10 mbar bis 1x10°3 mbar [0069] Prozesstemperatur: 25 °C bis150 °C

[0070] Spitzenstrom: 50 A bis 1000 A

[0071] Pulsfrequenz: 100 Hz und 1000 Hz

[0072] Pulslänge: 10 us bis 100 us

[0073] Targetleistung: 0,1W/cm? bis 10 W/cm?

[0074] Unterstützend zum Target 9 kann das Substrat 12 mit einer Bias-Spannung zwischen 100 V bis 1500 V beaufschlagt werden.

[0075] Danach kann die Abscheidung der Laufschicht 3 unmittelbar an diese Reinigung anschlieBend mit den voranstehend genannten Parametern erfolgen.

[0076] Es wird also bei dieser Ausführungsvariante der Prozessschritt „Abscheidung der Laufschicht 2“ auf mehrere Teilschritte aufgeteilt. Die Angabe „während der Abscheidung der Laufschicht 3“ ist in diesem Sinne zu verstehen.

[0077] Der Substratträger kann während der Behandlung bzw. Abscheidung stillstehend verbleiben. Nach einer Ausführungsvariante des Verfahrens kann aber auch vorgesehen sein, das Substrat bewegt, insbesondere gedreht, wird. Der Substrathalter kann also beispielsweise ein Drehteller sein. Andere Bewegungsabläufe während der Abscheidung der Laufschicht 3 sind ebenfalls denkbar.

[0078] In Fig. 3 ist ein Ausschnitt aus einer Ausführungsvariante des Gleitlagerelementes 1 dargestellt. Bei dieser Ausführungsvariante weist die Laufschicht 3 ein Aufbau aus mehreren Teillaufschichten 15, 16 auf. Die Teillaufschicht 15 weist dabei eine zur Zusammensetzung der Teillaufschicht 16 unterschiedliche Zusammensetzung auf. Beispielsweise kann die Teillaufschicht 15 aus einer Kupferbasislegierung oder einer Aluminiumbasislegierung oder aus Silber bestehen, und die Teillaufschicht 16 aus einem der Elemente Nickel, Kobalt, Chrom, Molybdän, Titan, Edelstahl, Kupfer, Aluminium oder deren Legierungen, wobei das genannten Element das Basiselement (Element mit dem höchsten Anteil) bildet, gebildet sein.

[0079] Im einfachsten Fall ist die Laufschicht 3 nur aus einer Teillaufschicht 15 und einer Teillaufschicht 16 gebildet. Nach einer anderen Ausführungsvariante des Verfahrens kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die mehreren Teillaufschichten 15, 16 alternierend abgeschieden werden, sodass eine vielschichtige Laufschicht 3 entsteht, wie diese aus Fig. 3 zu ersehen ist.

[0080] Es sei dazu angemerkt, des weder die Anzahl der einzelnen Teillaufschichten 15, 16 noch deren konkrete in Fig. 3 dargestellte Anordnung beschränkend zu verstehen ist. Die Fig. 3 soll lediglich das Prinzip verdeutlichen.

[0081] Die Teillaufschichten 15, 16 stehen bevorzugt in direkten Kontakt miteinander.

[0082] Es besteht weiter die Möglichkeit, dass die Laufschicht 3 aus mehr als zwei unterschiedlichen Teillaufschichten 15, 16 aufgebaut wird.

[0083] Zur Herstellung des mehrschichtigen Laufschichtaufbaus kann eine der Anzahl der unterschiedlichen Teillaufschichten 15, 16 entsprechende Anzahl an unterschiedlichen Targets 9 eingesetzt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die unterschiedliche Zusammensetzung über die Abdampfrate(n) an Targetmaterial aus einem Target 9 oder mehreren Targets 9 zu erhalten.

[0084] Nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Laufschicht 3 so abgeschieden wird, dass Teilchen der Laufschicht 3 zumindest teilweise in das Substrat 12, also beispielsweise die Trägerschicht 2 oder die Lagermetallschicht 5, eindringen, also implantiert werden. Für diese Ausführungsvariante können folgende Prozessparameter angewandt werden:

[0085] Prozessdruck: 30x10 mbar bis 1x10°3 mbar

[0086] Prozesstemperatur: 50 °C bis 150 °C [0087] Pulsstrom: 10 A bis 500 A

[0088] Pulsfrequenz: 100 Hz bis 1500 Hz [0089] Pulslänge: 10 us bis 100 us

[0090] Targetleistung: 2 W/cm? bis 20 W/cm?

[0091] Unterstützend zum Target 9 kann das Substrat mit einer Bias-Spannung zwischen 10 V bis 500 V beaufschlagt werden.

[0092] Bei sämtlichen Ausführungsvarianten des Verfahrens kann es von Vorteil sein, wenn gemäß einer weiteren Ausführungsvariante ein Tastverhältnis zwischen 0,01 und 0,5 angewandt wird. Das Tastverhältnis beschreibt dabei das Ein-Aus-Verhältnis der Pulse.

[0093] Mit dem beschriebenen Verfahren kann ein Gleitlagerelement 1 mit einer Laufschicht 3 hergestellt werden, die eine Oberfläche 17 mit einer Oberflächenrauigkeit Ra nach DIN EN ISO 4287:1984 von maximal 8 um aufweist. Insbesondere kann die Oberflächenrauigkeit Ra zwischen 1 um und 8 um betragen.

[0094] Weiter kann die gemittelte Rauhtiefe Rz nach DIN EN ISO 4287:1984 zwischen 1 um und 10 um betragen.

[0095] Die Laufschicht 3 kann dabei gemäß einer Ausführungsvariante eine Schichtdickentoleranz zwischen 10 um und 100 um aufweisen.

[0096] Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante, die in Fig, 4 dargestellt ist, kann vorgesehen sein, dass die Laufschicht 3 eine kolumnare Struktur mit Säulen 18 aufweist, wobei die Säulen 18 einen Winkel zu einer Oberfläche 19 des Substrates, also beispielsweise der Trägerschicht 3, auf der die Laufschicht 3 angeordnet ist, einnehmen, der ausgewählt ist aus einem Bereich von 80 ° bis 110 °. Beispielsweise können die Säulen 18 zumindest annähernd rechtwinkelig zu dieser Oberfläche 19 angeordnet sein.

[0097] Der Winkel wird dabei zwischen der Höhe der Säulen 18 und der Oberfläche 19 ausgebildet. Die Höher der Säulen 18 ist bevorzugt (deutlich) größer, als ein Durchmesser 20 der Säulen 18. Dieser Durchmesser 20 der Säulen 18 kann nach einer weiteren Ausführungsvariante einen Wert aufweisen, der ausgewählt ist aus einem Bereich von 0,5 nm bis 300 nm. Der Durchmesser 20 ist dabei der maximale Durchmesser, als der Durchmesser eines Hüllkreises, der die jeweilige Säule 18 an der Oberfläche 19 gerade umgibt.

[0098] Die Laufschicht 3 kann generell eine Schichtdicke 21 zwischen 10 um bis 100 um aufweisen.

[0099] Weiter kann die Laufschicht 3 gemäß einer anderen Ausführungsvariante eine Härte zwischen 10 HV 0,01 und 800 HV 0,1 aufweisen.

[00100] Wie bereits voranstehend ausgeführt, kann vorgesehen sein, dass die Laufschicht 3 als Abfolge von mehreren Teillaufschichten 15, 16 mit unterschiedlicher Zusammensetzung ausgebildet ist. Gemäß einer Ausführungsvariante dazu kann vorgesehen sein, dass die Laufschicht 3 als Gradientenschicht mit einem Konzentrationsgradienten zumindest eines Bestandteils der Laufschicht 3 ausgebildet ist. Die Konzentration dieses Bestandteils kann dabei in Richtung auf die Trägerschicht 2 zunehmen oder abnehmen. Die Teillaufschicht 15 kann aus einer Kupferbasislegierung oder einer Aluminiumbasislegierung oder aus Silber bestehen, und die Teillaufschicht 16 aus einem der Elemente Nickel, Kobalt, Chrom, Molybdän, Titan, Edelstahl, Kupfer, Aluminium oder deren Legierungen, wobei das genannten Element das Basiselement (Element mit dem höchsten Anteil) bildet, bestehen.

[00101] Beispiele:

[00102] Auf konventionellen Bleibronzen Trägerschicht 2 in Form von Lagerschalen mit und ohne Lagermetallschicht 5 als Substrat 12 wurde nach der Formgebung, Reinigung, etc., eine Lauf-

schicht 3 aus AISn20Cu1 so abgeschieden, dass Teilchen der Laufschicht 3 zumindest teilweise in das Substrat 12, also die Trägerschicht 2 oder eine Lagermetallschicht 5, eindringen, also implantiert werden. Für diese Ausführungsvariante wurden folgende Prozessparameter angewandt:

[00103] Prozessdruck: 1,5x10-2 mbar bis 9,5x10-3 mbar [00104] Prozesstemperatur: 25 °C bis 80 °C

[00105] Pulsstrom: 50 A bis 70 A

[00106] Pulsfrequenz: 1200 Hz bis 1500 Hz

[00107] Pulslänge: 25 us bis 35 us

[00108] Targetleistung: 3 W/cm*® bis 4 W/cm?

[00109] Unterstützend dazu wurde das Substrat 12 mit einer Bias-Spannung zwischen 600 V bis 700 V beaufschlagt.

[00110] Anschließend wurde nach etwa 15 Minuten die Bias-Spannung vom Substrat 12 abgeschaltet und der Pulsstrom auf 40 A bis 50 A sowie die Pulsfrequenz auf 600 Hz bis 800 Hz reduziert um eine gute Beschichtungsrate mit erhöhter Targetleistung, welche zw. 8 W/cm® bis 12 W/cm? lag, zu erreichen.

[00111] Im Querschliff sind bei dem erfindungsgemäßen Gileitlagerelement 1 im Unterschied zu mit einem konventionellen Sputterverfahren AT 414 128 B auf einer Bleibronze abgeschiedenen Laufschicht 3 nahezu keine Fehlstellen zwischen der Laufschicht 3 und dem Substrat 12 erkennbar.

[00112] Die beschichteten Lagerschalen wurden einem Korrosionstest unterzogen, um die Dichtheit der Laufschicht 3 prüfen zu können. Auch hier zeigten die erfindungsgemäßen Gleitlagerelemente 1 bessere Werte als herkömmlich mittels einem konventionellen Sputterverfahren gemäß AT 414 128 B beschichtete Gleitlagerelemente.

[00113] Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass auch Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind.

[00114] Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus das Gleitlagerelement 1 und die Sputteranlage 6 nicht notwendigerweise maßstäblich dargestellt sind.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Gileitlagerelement 2 Trägerschicht

3 Laufschicht

4 Vorderseite

5 Lagermetallschicht 6 Sputteranlage

7 Teilchen

8 Quelle

9 Target

10 Plasma

11 Atom

12 Substrat

13 Einlass

14 Beschichtungskammer 15 Teillaufschicht

16 Teillaufschicht

17 Oberfläche

18 Säule

19 Oberfläche

20 Durchmesser

21 Schichtdicke

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Gleitlagerelementes (1) umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines Substrates (12) umfassend eine Trägerschicht (2), - Abscheiden einer Laufschicht (3) auf dem Substrat (12) mittels Magnetronsputtern; dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht (3) mittels Hochleistungsimpulsmagnetronsputtern abgeschieden wird.

2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht (3) direkt auf der Trägerschicht (2) abgeschieden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (2) während der Abscheidung der Laufschicht (3) in-situ gereinigt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Trägerschicht (2) vor der Abscheidung der Laufschicht (3) eine Lagermetallschicht (5) aufgebracht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (12) während der Abscheidung der Laufschicht (3) bewegt, insbesondere gedreht, wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht (3) aus mehreren Teillaufschichten (15, 16) mit unterschiedlicher Zusammensetzung aufgebaut wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Teillaufschichten (15, 16) alternierend abgeschieden werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Laufschicht (3) zumindest ein Target (9) verwendet wird, wobei das Target (9) mit einer Pulsfrequenz betrieben wird, die ausgewählt ist aus einem Bereich von 100 Hz bis 1500 Hz oder aus einem Bereich von 500 Hz bis 2500Hz.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die Abscheidung der Laufschicht (3) Pulse mit einer Pulslänge zwischen 10 us und 100 us eingesetzt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Target (9) mit einer Leistung betrieben werden, die ausgewählt ist aus einem Bereich von 2 W/cm® bis 50 W/cm?.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tastverhältnis zwischen 0,01 und 0,5 angewandt wird.

12. Gleitlagerelement (1) umfassend eine Trägerschicht (2) und eine Laufschicht (3), die metallische Teilchen, und gegebenenfalls zwischen der Trägerschicht (2) und der Laufschicht (3) eine Lagermetallschicht (5), umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlagerelement hergestellt ist mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und die Laufschicht (3) eine Oberflächenrauhigkeit Ra nach DIN EN ISO 4287:1984 von maximal 10 um aufweist.

13. Gleitlagerelement (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Teilchen der Laufschicht (3) zumindest teilweise in die Trägerschicht (2) oder die Lagermetallschicht (5) eingedrungen angeordnet sind.

14. Gleitlagerelement (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht (3) eine kolumnare Struktur mit Säulen (18) aufweist, wobei die Säulen (18) einen Winkel zu einer Oberfläche (19) der Trägerschicht (2) oder der Lagermetallschicht (5), auf der die Laufschicht (3) angeordnet ist, einnehmen, der ausgewählt ist aus einem Bereich von 80 ° bis 110 °.

15. Gleitlagerelement (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Säulen (18) in Draufsicht auf die Laufschicht (3) einen maximalen Durchmesser (20) aufweisen, der ausgewählt ist aus einem Bereich von 0,5 nm bis 300 nm.

16. Gleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht (3) eine Schichtdicke (21) zwischen 10 um bis 100 um aufweist.

17. Gleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht (3) eine Härte zwischen 10 HV 0,01 und 800 HV 0,1 aufweist.

18. Gleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht (3) als Gradientenschicht mit einem Konzentrationsgradienten zumindest eines Bestandteils der Laufschicht (3) ausgebildet ist.

19. Gleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht (3) als Abfolge von mehreren Teillaufschichten (15, 16) mit unterschiedlicher Zusammensetzung ausgebildet ist.

20. Gleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht (3) eine Schichtdickentoleranz zwischen + 1 um und + 10 um aufweist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen