DE102004045110B3

DE102004045110B3 - Hochverschleißfeste und dauerfeste Lagerbeschichtung für Kurbelwellen- und Pleuellager

Info

Publication number: DE102004045110B3
Application number: DE102004045110A
Authority: DE
Inventors: Johann Dr. Krämer; Erwin Schmidt
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2024-09-18
Also published as: US20060063019A1; FR2875564A1; GB0514922D0

Abstract

Gleitschicht für Gleitlager, insbesondere für Kurbelwellen- oder Pleuellager, aus einer Legierung mit mehreren Phasen, die eine Matrix und eine disperse Phase ausbilden, wobei die disperse Phase nur eine geringe Löslichkeit im Metall der Matrix aufweist, wobei die Metallmatrix durch eine Al-Legierung gebildet ist und die disperse Phase durch Bi oder eine hochschmelzende Bi-Legierung gebildet ist, sowie hiermit beschichtete Gleitlager und Verfahren zur Herstellung einer Gleichtschicht durch Sputter-Verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft hochverschleißfeste und dauerfeste Gleitschichten für Kurbelwellenlager und Pleuellager gemäß Anspruch 1.
Die übliche Vorgehensweise zur Herstellung der gattungsgemäßen Lager besteht darin, einen Grundwerkstoff (beispielsweise Stahl oder Leichtmetall) mit einem Lagemetall zu beschichten oder mit einer Lagerschale auszukleiden.
Mit der Entwicklung neuer Generationen von Kraftfahrzeugmotoren, steigen die Anforderungen an die im Antriebsaggregat verwendeten Werkstoffe zunehmend an. Für Hochleistungsmotoren im Bereich der Nutzfahrzeuge oder Pkw sollen zukünftig Spitzendrücke bis zu und über 25 MPa (250 bar) im Brennraum realisiert werden, um Effizienz, Leistung und Abgasqualität zu verbessern.
Die verfügbaren Lager der Antriebsaggregate, insbesondere die Lager für Kurbelwelle oder Pleuel sind den sich daraus ergebenden hohen mechanischen aber auch thermischen Belastungen nicht mehr gewachsen.
Während früher häufig Pb-haltige Legierungen auf Cu-Basis als Gleitlagerwerkstoffe angewendet wurden, werden diese heutzutage aus Gründen des Umweltschutzes zunehmend durch Pb-freie Legierungen ersetzt.
Häufig weisen die Gleitlager auf der Oberfläche eine Gleitschicht aus einem vergleichsweise weichen Werkstoff auf. Dieser wird beispielsweise durch Pb-Legierungen oder Al/Sn-Legierungen gebildet.

Aus der DE 198 01 074 A1 ist beispielsweise eine Schichtverbundwerkstoff als Gleitelement für Lagerschalen oder Lagerbuchsen bekannt, bei dem Werkstoffe aus dem Legierungssystem Cu/Zn/Al, oder Cu/Al eingesetzt werden. Die Gleitschicht wird in einem kontinuierlichen Bandgießprozess auf das Trägermaterial aufgebracht, welches auf eine Temperatur um 1000°C vorgewärmt wird.

Aus der DE 198 24 308 C1 ist eine Gleitlagerschale mit einer durch Elektronenstrahlbedampfung aufgebrachten Gleitschicht bekannt, die durch einen Verbundwerkstoff aus einer Matrixphase, vorzugsweise aus Aluminium und einer dispergierten Phase, vorzugsweise aus Sn, Pb, Bi und/oder Sb besteht.

Als Gleitlager für hohe technische Ansprüche sind auch Al/Cu-Legierungen mit Sn-Gehalten im Bereich von 17 bis 35 Gew.% bekannt.

Die WO 9100375 beschreibt ein Lager, dessen Laufschicht aus einer Grundmasse, insbesondere Al und einer darin dispergierten Phase, insbesondere aus Sn besteht. Die Schicht wird im Sputterverfahren aufgetragen.

Die bekannten Gleitlager und deren Gleitschichten zeigen hinsichtlich der hohen Anforderungen, speziell bei der Kombination aus hohem Druck und hoher Temperatur nicht die erforderliche Langzeitstabilität und unter trockenreibenden Bedingungen nicht die erforderliche Sicherheit vor dem Fressen. Gerade bei den hohen Anforderungen moderner Motoren ist der partielle kurzfristige Ausfall der Ölkühlung auf der Gleitfläche kein seltener Betriebszustand, so dass hohe Anforderungen an die Trocken-Lauffähigkeit gestellt werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einer Lagebeschichtung oder Gleitschicht bereitzustellen, die eine erhöhte Langzeitstabilität, insbesondere hinsichtlich gestiegener Druck- und Temperaturbelastungen aufweist und eine verringerte Neigung zum Fressen zeigt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Gleitschicht für Gleitlager, insbesondere für Kurbelwellen- oder Pleuellager, aus einer Legierung mit mehreren Phasen, die eine Matrix und eine disperse Phase ausbilden, wobei die disperse Phase nur eine geringe Löslichkeit im Metall der Matrix aufweist und die Metallmatrix durch eine Al-Legierung, sowie die disperse Phase durch Bi oder eine hochschmelzende Bi-Legierung gebildet ist, mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Die abgeschiedene Lagerschicht, ist aus einer Legierung gebildet, mit einem Gefüge aus mehreren Metallphasen, wobei eine Phase eine Metallmatrix darstellt und eine weitere Phase eine in dieser dispers verteilte metallische Phase darstellt. Die disperse Metallphase weist nur eine geringe Löslichkeit im Metall der Matrixphase auf.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Metallmatrix durch eine Al-Legierung gebildet und die disperse Phase durch Bi oder eine hochschmelzende Bi-Legierung.
Durch diese Materialkombination wird erreicht, dass auf Grund der geringen Löslichkeit des Bi im Al einerseits eine sehr fein verteilte disperse Phase gebildet wird und andererseits die thermische Stabilität der dispersen Phase und damit der gesamten Lagerschicht durch den vergleichsweise hohen Schmelzpunkt des Bi, beziehungsweise dessen Legierungen gegenüber bekannten vergleichbaren Lagerschichten deutlich erhöht wird. Durch die Mischungslücke im System Al/Bi wird die Rekristallisationsneigung des dispers verteilten Bi unter Temperatureinwirkung verringert.
Der Schmelzpunkt des Bi liegt mit 271°C deutlich höher als das in vergleichbaren Gleitlagern oder Gleitschichten als Legierungsbestandteil eingesetzte Sn mit einem Schmelzpunkt von 232°C.
Bekanntermaßen zeichnen sich die meisten Wismutlegierungen durch einen recht tiefen Schmelzpunkt aus, der sowohl unterhalb dem des Wismuts als auch der anderen Legierungselemente liegt. Wismut wird daher typischerweise als Legierungsbestandteil zum Senken des Schmelzpunktes einer Legierung eingesetzt. Eine Wismut-Legierung aus Wismut, Blei, Indium, Zinn und Kadmium erreicht einen Schmelzpunkt unter 50 °C. Andere Legierungen mit Wismut sind beispielsweise Woodsches Metall (Wismut 50%, Blei, Zinn und Kadmium) mit einem Schmelzpunkt von 71°C oder Lichtenberg-Metall (Wismut jeweils 50% mit wechselnden Anteilen Zinn und Blei).
Die erfindungsgemäßen Legierungen des Bi weisen dagegen einen erheblich höheren Schmelzpunkt auf. Bevorzugt werden Bi-Legierungen deren Schmelzpunkt oberhalb 250°C liegt eingesetzt. Hierzu gehören Bi-Legierung mit Sn oder Sb in einer Menge von 3 bis 6 Gew.%, beispielsweise Bi mit 4% Sn (Schmelzpunkt: 316°C) oder Bi mit 5% Sb (Schmelzpunkt: 296°C).
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Kombination aus Metallmatrix aus einer Al-Legierung gebildet und einer dispersen Phase aus Bi oder einer hochschmelzenden Bi-Legierung, ergibt sich aus den geringen Löslichkeiten der beiden Metallhauptkomponenten Al und Bi. Während bei eutektischen Legierungen eine Schmelze bei der eutektischen Temperatur simultan zwei kristalline Phasen ausbildet, zerfällt in einem Monotektikum die homogene Schmelze bei einer Temperatur (der monotektischen) in einen Festkörper und eine Schmelze deutlich anderer Zusammensetzung als die Ausgangsschmelze. Diese zweite Schmelze bleibt meist bis weit unterhalb dieser Temperatur noch flüssig. Monotektische Legierungen gehören zur Klasse der nichtmischbaren Legierungen, das heißt im schmelzflüssigen Zustand gibt es einen Bereich von Zusammensetzungen indem die beteiligten Komponenten nicht mischbar sind. Wird die erfindungsgemäße Lagerschicht bei erhöhten Temperaturen gebildet beziehungsweise abgeschieden und sehr schnell abgekühlt, so bildet sich daher ein sehr feines und Gefüge mit definierter disperser Phase aus Bi beziehungsweise Bi-Legierung aus.
Die erfindungsgemäß bevorzugte Gehalt an Bi in der in der Legierung beziehungsweise in der Lagerschicht liegt unter 50 Gew.%, insbesondere im Bereich von 10 bis 40 Gew.%. Besonders bevorzugt weist die Gleitschicht beziehungsweise Lagerschicht, 10 bis 35 Gew.% Bi, 0,1 bis 5 Gew.% Cu mit dem Rest im Wesentlichen aus Al auf.
Als weitere Legierungsbestandteile können insbesondere die Elemente Cu, oder Mn zugegeben werden. Deren Anteil liegt bevorzugt unterhalb 1 Gew.%.
Bei der Ausbildung der dispersen Phase ist es von Bedeutung in welcher Partikelgröße die Dispersoide vorliegen. Einerseits müssen die Dispersoide eine gewisse Größe aufweisen, um ihre mechanische Wirkung im Gleitsystemen ausüben zu können, andererseits dürfen sie nicht zu groß sein, so dass ein in homogener Werkstoff entstehen kann.
Die günstige Partikelgröße der Dispersoide liegt im Bereich von etwa 50 nm bis 1 μm. Bevorzugt ist der wesentliche Anteil des Bi oder der Bi-Legierung so fein verteilt, dass lichtmikroskopisch keine Primärphasen erkennbar sind. Besonders bevorzugt sind diese Phasen ebenso röntgenamorph, das heißt durch Röntgenbeugungsuntersuchung nicht mehr nachweisbar.
Je nach Herstellungsverfahren der Gleitschicht können sich sehr unterschiedliche Gefüge ausbilden, die sich insbesondere durch die Verteilung des Bi innerhalb der Matrix unterscheiden. So werden beispielsweise durch Schmelzverfahren sehr grobe Bi- oder Bi-Legierungs-Ausscheidungen gebildet durch Gasphasenabscheidungen dagegen sehr feine.
Die metallische Matrix der Gleitschicht ist in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung eine Al-Legierung mit Kupfer in einer Menge von 0,1 bis 5, besonders bevorzugt bis 3 Gew.%. Der Gehalt an weiteren niedrigschmelzenden Legierungskomponenten wird dabei gering gehalten.
Bevorzugt liegt der Sn-Gehalt und/oder der Pb-Gehalt der Al-Legierung unterhalb 0,1 Gew.%.
Die Gleitschicht bildet erfindungsgemäß die oberste metallische Schicht eines Gleitlagers. Das Gleitlager ist in der Regel aus mehreren Materialschichten aufgebaut.
Bevorzugt wird das Gleitlager durch ein Basiswerkstück aus Stahl, einer Schicht aus Lagermetall, einer dünnen Haftvermittlerschicht und der erfindungsgemäßen Gleitschicht gebildet. Das Basiswerkstück kann eine Lagerschale sein, die in das Lager eingelegt wird, oder ebenso durch das Lager selbst gebildet werden, wobei dann das Lagermetall direkt auf die Lageroberfläche aufgetragen wird. Zu den geeigneten Lagermetallen gehören insbesondere Cu/Ni-, Cu/Sn/Bi-Legierungen oder Bronzen. Die Lagermetallschicht weist bevorzugt eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 0,5 mm auf. Die Haftvermittlerschicht wird bevorzugt durch Ni- oder eine Ni-Legierung in einer Dicke im Bereich von 0,2 bis 5 μm gebildet.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft bevorzugte Verfahren zur Herstellung der ausgeführten Gleitlagerschicht. Geeignete Verfahren sind die Gasphasenabscheidungen, bei denen das Material in Form von Atomen oder kleineren Atomverbänden (Cluster) abgeschieden wird. Hierzu gehören die PVD- oder CVD-Verfahren.
Bei der Abscheidung aus der Gasphase wird die Werkstoffschicht im Wesentlichen ohne das Durchlaufen einer Schmelzphase gebildet. Dadurch können im erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff ausgesprochen homogene Gefüge mit sehr feinen Ausscheidungen disperser Phasen gebildet werden.
Zu den besonders bevorzugten Verfahren zur Herstellung der Gleitschichten gehören die Sputterverfahren, häufig auch als Kathodenzerstäubungsverfahren bezeichnet. In einer Vakuumkammer wird hierzu ein elektrisches Feld zwischen dem zu beschichtenden Substrat (Anode) und dem Target (Kathode) aus dem Schichtmaterial angelegt. In diesem Feld befindliche Elektronen werden beschleunigt und kollidieren mit Argonatomen, die in den Rezipient eingeleitet wurden, und ionisieren diese. Diese Stoßionisation bewirkt eine Plasmabildung. Beim Aufprall der beschleunigten Ar-Ionen auf die Kathode werden aus dieser Atome oder Atomcluster herausgelöst und auf dem Substrat (Werkstück) abgeschieden.
Als Sputtertarget können entsprechende Al/Bi-Legierungen eingesetzt werden. Bevorzugt werden aber mehrere Sputtertargets unterschiedlicher Zusammensetzung eingesetzt, beispielsweise aus der wismutfreien Al-Legierung und aus der Bi-Legierung. Die Mischungsverhältnisse können unter anderem in bekannter Weise durch die Größen- oder Flächenverhältnisse der unterschiedlichen Targets zueinander eingestellt werden. Die unterschiedlichen Targets werden alternierend eingesetzt, so dass sich bei der Abscheidung atomare Lagen aus Al-Legierung und Bi-Legierung abwechseln. Die Dicke der abgeschiedenen Atomlagen und damit die Homogenität der Schicht kann über die Sputterzeiten der unterschiedlichen Targets eingestellt und gesteuert werden.
Die Schichtdicken der erfindungsgemäßen Gleitschicht liegen typischerweise im Bereich von wenigen μm bis zu einigen 100 μm. Besonders bevorzugt wird eine Schichtdicke im Bereich von 5 bis 20 μm eingestellt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Schichten dabei auf einer Haftvermittlerschicht aus Ni oder einer Ni-Legierung abgeschieden.
Die Sputter-Verfahren haben den Vorteil, dass die Bildung einer Schmelzphase der abgeschiedenen Komponenten im Wesentlichen unterbleibt und die Größe der abgeschiedenen Partikel im Bereich von Atomen und Atomclustern liegt. Die abgeschiedenen Partikel liegen quasi auf atomarer Ebene gemischt vor.

Claims

Gleitschicht für Gleitlager, insbesondere für Kurbelwellen- oder Pleuellager, aus einer Legierung mit mehreren Phasen, die eine Matrix und eine disperse Phase ausbilden, wobei die disperse Phase nur eine geringe Löslichkeit im Metall der Matrix aufweist und die Metallmatrix durch eine Al-Legierung, sowie die disperse Phase durch Bi oder eine hochschmelzende Bi-Legierung gebildet ist dadurch gekennzeichnet, dass das Bi oder die Bi-Legierung so fein verteilt vorliegt, dass sie röntgenamorph ist oder dass deren Primärphasen lichtmikroskopisch nicht erkennbar sind.
Gleitschicht nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Bi-Gehalt in der gesamten Gleitschicht bei 10 bis 40 Gew.% liegt.
Gleitschicht nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzpunkt der Bi-Legierung oberhalb 250°C liegt.
Gleitschicht nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bi-Legierung Sn oder Sb in einer Menge von 3 bis 6 Gew.% aufweist.
Gleitschicht nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Al-Legierung Kupfer in einer Menge von 0,1 bis 5 Gew.% enthält.
Gleitschicht nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sn-Gehalt der Al-Legierung unterhalb 0,1 Gew.% liegt.
Gleitschicht nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pb-Gehalt der Al-Legierung unterhalb 0,1 Gew.% liegt.
Gleitlager mit Basiswerkstück aus Stahl, einer Schicht aus Lagermetall und einer dünnen Haftvermittlerschicht, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Gleitschicht nach einem der vorangegangenen Ansprüche trägt.
Gleitlager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagermetall aus Cu/Ni-, Cu/Sn/Bi-Legierungen oder Bronzen, die Haftvermittlerschicht durch Ni- oder Ni-Legierungen und die Gleitschicht aus einer Al-Legierung mit 10-40 Gew.% Bi gebildet ist.