DE102005006397B4

DE102005006397B4 - Gleitlager für Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE102005006397B4
Application number: DE102005006397A
Authority: DE
Inventors: Yukihiko Inuyama Kagohara; Hideo Inuyama Ishikawa; Masaaki Inuyama Sakamoto; Hidemi Wako Ogihara
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2004-02-18
Filing date: 2005-02-11
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2025-02-12
Also published as: GB2411211A; JP4122305B2; GB0503355D0; US20050180669A1; JP2005233267A; US7771120B2; GB2411211B; DE102005006397A1

Abstract

Gleitlager für Verbrennungsmotoren, welches eine Stützmetallschicht (1) und eine Lagerlegierungsschicht (3) hergestellt aus einer Lagerlegierung auf Aluminium-Basis, welche auf der Stützmetallschicht (1) ausgebildet ist, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerlegierung auf Aluminium-Basis 3 bis 20 Massen-% Sn umfasst, und dass die Lagerlegierungsschicht (3) eine Vickershärte (VH) von nicht weniger als 40 bis nicht mehr als 80 aufweist und einen Schmieroberflächenbereich (4) umfasst, welcher eine Tiefe von nicht mehr als 10 μm von der Oberfläche der Lagerlegierungsschicht (3) aufweist und einen Festschmierstoff enthält, und dass die maximale Konzentration eines im Festschmierstoff enthaltenen Elements nicht weniger als 5 Massen-% ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitlager für Verbrennungsmotoren, bei welchem eine Stützmetallschicht mit einer Lagerlegierungsschicht auf Aluminium-Basis beschichtet ist, und insbesondere ein Gleitlager, dessen Reibungskoeffizient verringert ist, während eine gute Dauerfestigkeit beibehalten wird, und welches in seiner Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß verbessert ist.
Gleitlager mit einer Lagerlegierung auf Aluminium-Basis sind hervorragend in ihrer Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß, in ihrer Dauerfestigkeit und in ihrer Verschleißbeständigkeit und finden weite Anwendung in Verbrennungsmotoren für Automobile und allgemeine Industriemaschinen.
Solche in Gleitlagern für Verbrennungsmotoren verwendete Lagerlegierungen auf Aluminium-Basis enthalten Zusätze wie z.B. Sn, Cu und Si zur Verbesserung ihrer Lagereigenschaften. Sn ist ein weiches Metall, welches aufgrund seiner Verformbarkeit dazu beiträgt, Formanpassungsvermögen zu gewährleisten. Cu festigt die Al-Matrix und verbessert die Dauerfestigkeit. Si, welches zur Realisierung harter Teilchen dient, läppt eine Oberfläche einer Anschlusswelle, welche von dem Gleitlager getragen ist, und gewährleistet dadurch einen Schmierölfilm zwischen einer inneren Oberfläche des Gleitlagers und der Anschlusswelle, um die Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß zu verbessern.
Während Verbrennungsmotoren heute so ausgeführt sind, dass sie die Anforderungen für immer höhere Drehzahl, höhere Ausgangsleistung, leichteres Gewicht und niedrigeren Brennstoffverbrauch erfüllen, ist erwünscht, dass die Gleitlager eine weiter verbesserte Leistungsfähigkeit aufweisen. Derartige Verbrennungsmotoren mit hoher Drehzahl und hoher Leistung bewirken einen dünneren Schmierölfilm im Gleitlager und werfen das Problem von Verformungsanfälligkeit eines leichter gemachten Lagergehäuses auf. Als Folge wird der Ölfilm sehr viel dünner und vergrößert die Metall-Metall-Kontaktabschnitte, was zu anomaler Abnutzung oder zu Festfressen aufgrund von Adhäsion führen kann.
Um derartige Nachteile zu vermeiden, müssen Gleitlager die Eigenschaften von Formanpassungsvermögen, hoher Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß und guter Dauerfestigkeit aufweisen, wobei das gute Formanpassungsvermögen zur Bildung eines Ölfilms in einer Einlaufphase des Betriebs dient, die hohe Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß aus einer Gegenmaßnahme zum Metall-Metall-Kontakt besteht und die gute Dauerfestigkeit dazu dient, das Auftreten von Ermüdung in einem frühen Betriebsstadium zu verhindern.
Andererseits wird als ein Weg zu niedrigerem Brennstoffverbrauch ein Schmieröl, welches niedrige Viskosität aufweist, in Gleitlagern verwendet, um den Scherwiderstand des Schmieröls zu verringern, was dazu führt, dass der Ölfilm dünner wird und dadurch die Metall-Metall-Kontaktabschnitte vergrößert werden. In derartigen Metall-Metall-Kontaktabschnitten ist der Reibungswiderstand zwischen einer Anschlusswelle und einem Gleitlager hoch, so dass die Gleitlager möglicherweise nicht dazu beitragen, den Brennstoffverbrauch zu erniedrigen, und Reibungswärme erzeugt wird. Die Viskosität des Schmieröls kann aufgrund der Reibungswärme sinken und so den Metall-Metall-Kontakt begünstigen. Um eine derartige Wärmeerzeugung zu verhindern ist es nötig, den Reibungskoeffizienten des Gleitlagers bezüglich der Anschlusswelle zu erniedrigen. Falls der Reibungskoeffizient erniedrigt werden kann, ist es nicht nur möglich, Wärmeerzeugung zu verringern, sondern auch die Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß und die Dauerfestigkeit zu verbessern.

WO 02/040743 A1, welche sich nicht auf ein Gleitlager bezieht, offenbart, einen Kolben in einem Verbrennungsmotor dadurch mit einer MoS₂ enthaltenden Oberflächenschicht zu versehen, dass ein feines Pulver aus Molybdändisulfid (MoS₂) als Festschmierstoff geschleudert wird, um so auf den Kolben zu prallen, dass es in die Oberflächenschicht des Kolbens innerhalb einer Tiefe von nicht mehr als 20 μm eindringt.

Es ist wohlbekannt, dass die Hinzufügung eines Festschmierstoffs in einer Lagerlegierung oder die Beschichtung der Lagerlegierungsoberfläche mit einem Festschmierstoff unter Verwendendung eines Bindeharzes den Reibungswiderstand eines Gleitlagers bezüglich einer Anschlusswelle verringert.

Allerdings bestehen für den Fall der Beschichtung die Probleme, dass die Beschichtung eine minderwertige Bindungsfestigkeit aufweist und die Reibung des Festschmierstoffs aufgrund des Vorhandenseins des Bindeharzes nicht ausreichend verringert wird. Für den Fall, dass die Lagerlegierung den Festschmierstoff enthält, wird, wenn z.B. eine Lagerlegierung auf Aluminium-Basis mit der Pulvermetallurgietechnik hergestellt wird, eine Mischung eines Lagerlegierungspulvers auf Aluminium-Basis und ein Festschmierstoffpulver gesintert, um eine Lagerlegierung zu erhalten, welche im wirklichen Gebrauch in Verbrennungsmotoren aufgrund eines Problems minderwertiger Pulverbindung, welches zu einem Mangel an Legierungsfestigkeit führt, nicht beständig ist.

Entsprechend könnte man sich vorstellen, die in der WO 02/040743 A1 dargelegt Technik auf ein in Verbrennungsmotoren verwendetes Gleitlager anzuwenden, um es mit einer MoS₂ enthaltenden Oberflächenschicht zu versehen. Nach dieser Veröffentlichung wird ein feines Pulver aus Molybdändisulfid (MoS₂) auf einen Kolben geschleudert, um eine MoS₂ enthaltende Oberflächenschicht zu bilden, welche eine Dicke von nicht mehr als 20 μm aufweist, und um zugleich die Oberfläche des Kolbens mit feinen Grübchen zu versehen, wodurch aufgrund der Schmierwirkung von MoS₂ selbst und aufgrund eines Ölreservoireffekts der Grübchen auf der Oberfläche eine Reibungsverringerung erzielt wird.

Die Veröffentlichung lehrt weiter, dass, wenn das feine Pulver aus Molybdändisulfid (MoS₂) mit hoher Geschwindigkeit auf den Kolben geschleudert wird, um auf diesen zu prallen, die Oberflächentemperatur des Kolbens auf ein so hohes Niveau ansteigt, dass die Oberflächenschicht des Kolbens teilweise geschmolzen wird, um eine intermetallische Verbindung abgeleitet aus den Legierungskomponenten und Mo in MoS₂ zu bilden, wodurch die Verankerungsfestigkeit von MoS₂ erhöht wird, und die Oberfläche wird kaltverfestigt, um einen verbesserte Verschleißwiderstand aufzuweisen.

Es sollte jedoch beachtet werden, dass der Kolben aus einem Hartmetall hergestellt ist, welches eine Vickershärte von nicht weniger als 300 aufweist, während die Lagerlegierung auf Aluminium-Basis im Gegensatz zum Kolben weich ist. Aufgrund dieses Unterschieds zwischen der Lagerlegierung auf Aluminium-Basis und dem Kolben nimmt, nach einem von den vorliegenden Erfindern ausgeführten Experiment, eine Oberflächenrauigkeit der Legierung zu, wenn ein feines Pulver eines Festschmierstoffs auf eine Lagerlegierung auf Aluminium-Basis geschleudert wird, um auf diese zu prallen, und große Grübchen, von welchen jedes eine unregelmäßige Form aufweist, werden an der Oberfläche der Legierung gebildet, was dazu führt, dass ein Schmierölfilm aufgrund derartiger Grübchen reißt, während der Ölreservoireffekt durch die Grübchen nichtig gemacht wird, wodurch Wärmeerzeugung aufgrund überhöhten Metall-Metall-Kontakts auftritt, welche zu verschlechterter Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß und verschlechterter Dauerfestigkeit führt.

Die DE 26 31 907 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitmaterials aus einer Stahlplatte als Unterlage, einer darauf befindlichen gesinterten Zwischenschicht aus Aluminium oder überwiegend aus Aluminium und einer ein- oder zweischichtigen gesinterten Oberflächenschicht aus einer Legierung mit Aluminium als Hauptkomponente, wobei in der Oberflächenschicht 2 bis 40 Gewichts-% Schmieradditive dispergiert sind. Die Legierung weist eine Vickershärte VH von 42 bis 43 auf. Die Dicke der Oberflächenschicht beträgt 0,15 bis 1,5 mm.

Aus der EP 1 338 679 A1 ist ein Metallgleitteil bekannt, welches eine Schicht umfasst, die Molybdändisulfid als Festschmierstoff in einem Oberflächenbereich mit 20 μm Tiefe enthält.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Im Hinblick auf den obigen technischen Hintergrund liegt eine Aufgabe der gegenwärtigen Erfindung darin, ein Gleitlager für Verbrennungsmotoren bereitzustellen, welches mit einer Schmieroberflächenschicht oder einem Schmieroberflächenbereich, die bzw. der einen Festschmierstoff enthält, versehen ist, während die Bildung einer gerauten Oberfläche vermieden ist, wodurch ein niedriger Reibungskoeffizient des Gleitlagers verwirklicht ist, während eine gute Dauerfestigkeit aufrecht erhalten ist, und dadurch eine hervorragende Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß erreicht wird.

Nach der Erfindung wird ein Gleitlager für Verbrennungsmotoren bereitgestellt, welches eine Stützmetallschicht und eine aus einer Lagerlegierung auf Aluminium-Basis hergestellte Lagerlegierungsschicht auf der Stützmetallschicht umfasst, wobei die Lagerlegierungsschicht eine Vickershärte (VH) von nicht weniger als 40 bis nicht mehr als 80 aufweist und einen Schmieroberflächenbereich umfasst, welcher eine Dicke von nicht mehr als 10 μm aufweist und einen Festschmierstoff enthält, wobei die maximale Konzentration eines in dem Festschmierstoff enthaltenen Elements nicht weniger als 5 Massen-% ist. Die Lagerlegierung auf Aluminium-Basis umfasst 3 bis 20 Massen-% Sn.

Ein zwischen dem Gleitlager und einer Anschlusswelle in einem Verbrennungsmotor gebildeter Ölfilm ist anfällig dafür, aufgrund von Fehlausrichtung, z.B. während einer Einlaufphase des Maschinenbetriebs, oder aufgrund hoher Drehzahl oder einer abrupten Drehzahländerung während eines normalen Maschinenbetriebs dünner zu werden. Unter derartigen Bedingungen ist die Oberfläche des Gleitlagers in direktem Kontakt mit der Anschlusswelle (d.h. ein Metall-Metall-Kontakt), wobei sie ein entsprechendes Ausmaß an Verformung und Abnutzung zulässt. Eine derartige Verformung und Abnutzung gestatten es der Oberfläche des Gleitlagers, einen Schmierölfilm beizubehalten, durch welchen die Oberfläche während des Betriebs des Verbrennungsmotors einem Ölfilmdruck unterliegt, wodurch ein normaler Betrieb des Verbrennungsmotors gewährleistet wird.

Wenn das Gleitlager in Metall-Metall-Kontakt mit der Anschlusswelle gebracht wird, nimmt der Reibungswiderstand zwischen diesen auf einen höheren Wert als in dem Zustand zu, in welchem sich der Ölfilm bildet, welcher ein Flüssigkeitsschmierungszustand ist. Im Metall-Metall-Kontaktzustand wird Wärme erzeugt, was zu einer Verschlechterung der Festigkeit der Lagerlegierung und einer Zunahme von Adhäsion zwischen der Lagerlegierung und der Anschlusswelle führt, wodurch fressender Verschleiß oder Ermüdung auftritt.

Beim erfindungsgemäßen Gleitlager weist die Lagerlegierungsschicht einen Schmieroberflächenbereich auf, welcher einen Festschmierstoff enthält. Der Festschmierstoff ist selbstschmierend und weist einen niedrigen Reibungskoeffizienten auf. Daher kann, selbst wenn ein Metall-Metall-Kontakt zwischen dem Gleitlager und der Anschlusswelle auftritt, bei dem erfindungsgemäßen Gleitlager eine Zunahme des Reibungswiderstands zwischen diesen durch die Anwesenheit des Schmieroberflächenbereichs verhindert werden. Die Wärmeerzeugung an den Metall-Metall-Kontaktabschnitten wird dadurch beträchtlich verringert, wodurch eine Verschlechterung der Festigkeit der Lagerlegierungsschicht verhindert wird und was des Weiteren vorteilhaft hinsichtlich der Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß und der Dauerfestigkeit ist.

Wie oben dargelegt ist es vorteilhaft, dass sich die Oberflächenschicht der Lagerlegierung in mäßiger Weise abnützt, um einen Schmierölfilm zu bilden. Um eine Festschmierstoffwirkung zu erhalten, welche eine Gesamtabnutzung des Gleitlagers bis zum Ablauf der Lebensdauer des Verbrennungsmotors berücksichtigt, weist der den Festschmierstoff enthaltende Schmieroberflächenbereich bevorzugt eine Tiefe von ca. 10 μm von der Oberfläche der Lagerlegierungsschicht auf. Falls die Tiefe 10 μm übersteigt, verschlechtert sich die Lagerlegierungsschicht hinsichtlich ihrer Festigkeit, was zu Ermüdung unter dem Ölfilmdruck führt. Eine weiter bevorzugte Dicke des Schmieroberflächenbereichs ist nicht mehr als 5 μm.

Hinsichtlich einer Menge eines im Festschmierstoff enthaltenen Bestandteilelements kann ein verringerter Reibungskoeffizient erhalten werden, indem die Menge auf nicht weniger als 5 Massen-% in einem Tiefenabschnitt des Schmieroberflächenbereichs festgesetzt ist, welcher die maximale Konzentration des Elements (d.h. nicht weniger als 5 Massen-%) aufweist. In dem Fall, in welchem mehrere Festschmierstoffe in dem Schmieroberflächenbereich enthalten sind, steht die obige Menge für eine Gesamtmenge der entsprechenden Elemente, welche in allen Festschmierstoffen enthalten sind. Die Menge des Elements (der Elemente) ist bevorzugt nicht weniger als 15 Massen-%. Diesbezüglich ist das im Festschmierstoff enthaltene Element so definiert, dass, falls der Festschmierstoff aus einem einzigen Element besteht, dieses das entsprechende Element ist, und falls der Festschmierstoff zwei oder mehr Elemente enthält, ein Element, welches das größte atomare Gewicht unter den zwei oder mehr Elementen aufweist, das entsprechende Element ist. 6 bis 8 zeigen schematisch drei Arten von Konzentrationsverteilungen des obigen Elements in der Lagerlegierungsschicht, wobei die Abszissen- und Ordinatenachsen die Elementkonzentration bzw. die Tiefe von der Oberfläche darstellen. Die Konzentration des im Festschmierstoff enthaltenen Elements kann sich in dem Schmieroberflächenbereich entweder, wie in 6 und 7 dargestellt, im Verhältnis zur Tiefe von der Oberfläche der Lagerlegierung (in Richtung zur Stützmetallschicht) ändern oder, wie in 8 dargestellt, über die gesamte Tiefe ohne Konzentrationsänderung konstant sein.

Falls sich die Elementkonzentration im Verhältnis zur Tiefe von der Oberfläche der Lagerlegierungsschicht ändert, kann die Konzentration, wie in 6 dargestellt, ihren größten Wert entweder an der Oberfläche mit einem allmählichen Abfall im Verhältnis zur Tiefe, oder, wie in 7 dargestellt, bei einer Tiefe geringfügig unterhalb der Oberfläche annehmen, wobei die Konzentration von der Oberfläche zum Abschnitt mit maximaler Konzentration ansteigt und allmählich im Verhältnis zur Tiefe abfällt. Falls, wie in 8 dargestellt, die Elementkonzentration über die gesamte Tiefe ohne Veränderung konstant ist, ist der Abschnitt mit maximaler Konzentration der gesamte Schmieroberflächenbereich.

Falls sich die Elementkonzentration in dem Schmieroberflächenbereich von einem Abschnitt mit maximaler Konzentration an der Oberfläche in Richtung eines tieferen Abschnitts mit niedrigerer Konzentration im Verhältnis zur Tiefe ändert, ist es möglich, eine Verringerung des Reibungskoeffizienten an der Oberfläche der den Festschmierstoff enthaltende Schmieroberflächenbereich zu erhalten und zusätzlich die Dauerfestigkeit aufrecht zu erhalten, während im tieferen Abschnitt die Festigkeit der Lagerlegierung auf Aluminium-Basis aufrecht erhalten ist.

Die erfindungsgemäße Lagerlegierung auf Aluminium-Basis umfasst einen Zusatz von 3 bis 20 Massen-% Sn und kann Zusätze von nicht mehr als 15 Massen% Si enthalten.

Während Sn das Formanpassungsvermögen erhöht, kann die Lagerlegierung keine angemessenen mechanischen Eigenschaften aufweisen, falls Sn 30 Massenübersteigt. Während Si die Bildung eines Ölfilms an der Oberfläche der Lagerlegierung gewährleistet und so die Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß verbessert, wird die plastische Bearbeitung der Lagerlegierung schwierig, falls Si 15 Massen-% übersteigt.

Hinsichtlich eines anderen Legierungselements bzw. anderer Legierungselemente, können die folgenden Elemente der Lagerlegierung zugefügt werden, um die Al-Matrix zu festigen und dadurch die Dauerfestigkeit zu verbessern, wobei dieses Element bzw. diese Elemente aus wenigstens einem Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cu, Zn und Mg mit einer Gesamtmenge von 0,1 bis 6 Massen-% und/oder wenigstens einem Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Mn, V, Mo, Cr, Ni, Co und W mit einer Gesamtmenge von 0,01 bis 3 Massen-% besteht bzw. bestehen.

Um den Festschmierstoff der Lagerlegierungsschicht hinzuzufügen, kann man die bekannte Methode, wie in WO 02-040743 A1 dargelegt, auf die Lagerlegierung anwenden, nach welcher ein feines Pulver des Festschmierstoffs geschleudert wird, um auf die Oberfläche der Lagerlegierungsschicht zu prallen. In einem derartigen Schleuderstrahlverfahren ist es möglich, einen Stoff oder mehrere Stoffe ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Molybdändisulfid, Graphit, Wolframdisulfid, Bornitrid, Gaphitfluorid und Molybdäntrioxid zu verwenden. Die Teilchengröße des Festschmierstoffs ist bevorzugt 0,5 bis 10 μm.

Erfindungsgemäß ist die Härte der Lagerlegierungsschicht auf eine Vickershärte (VH) von nicht weniger als 40 bis nicht mehr als 80 festgesetzt. Falls die Lagerlegierungsschicht eine Vickershärte (VH) von mehr als 160 aufweist, ist hinsichtlich der Aufprallgeschwindigkeit von geschleuderten Teilchen und einer Pulvermasse eine höhere Energie nötig, um zu bewirken, dass der Festschmierstoff in die Lagerlegierungsschicht eindringt, was zum Auftreten von Grübchen auf der Oberfläche der Lagerlegierungsschicht oder einer rauen Oberfläche derselben aufgrund örtlichen Schmelzens der Oberfläche führen kann. Falls die Lagerlegierungsschicht eine Vickershärte (VH) von weniger als 40 aufweist, wird sie für die in Verbrennungsmotoren verwendeten Lager unter hoher Belastung nicht beständig sein und könnte zum Auftreten von Ermüdung führen.

Wie oben dargestellt, könnten beim Schleuderstrahlverfahren mit einem feinen Pulver des Festschmierstoffs abhängig von den Pulverschleuderbedingungen Grübchen auf der Oberfläche der Lagerlegierungsschicht auftreten, wodurch die Oberfläche vergröbert wird. Im Hinblick darauf, ein Reißen des Ölfilms zu verhindern und den Reibungskoeffizienten, die Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß und die Dauerfestigkeit angemessen aufrecht zu erhalten, weist die Oberflächenrauigkeit bevorzugt eine maximale Höhe (Rz) von nicht mehr als 5 μm auf. Weiter bevorzugt beträgt die Oberflächenrauigkeit nicht mehr als 3 μm.

Erfindungsgemäß enthält die Aluminium-basierte Lagerlegierung der Lagerlegierungsschicht, welche eine Vickershärte (VH) von nicht mehr als 40 bis nicht mehr als 80 aufweist, 3 bis 20 Massen-% Sn.

Sn verbessert die für das Gleitlager notwendigen Eigenschaften, welche Formanpassungsvermögen, Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß und Einbettbarkeit beinhalten. In Anbetracht dieser Eigenschaften und der mechanischen Eigenschaften der Lagerlegierung beträgt die Sn-Menge 3 bis 20 Massen-%, weiter bevorzugt 6 bis 15 Massen-%.

Zieht man weiterhin die plastische Bearbeitbarkeit einschließlich Walzen in Betracht, weist die Lagerlegierung auf Aluminium-Basis eine Vickershärte (VH) von nicht mehr als 80, weiter bevorzugt von 40 bis 60 auf.

Die Aluminium-basierte Lagerlegierung einer Lagerlegierungsschicht nach einem Vergleichsbeispiel, das kein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist, welche eine Vickershärte (VH) von nicht weniger als 80 bis nicht mehr als 160 aufweist, kann 4 bis 12 Massen-% Si enthalten.

Si löst sich in der Al-Matrix und kristallisiert als Si-Teilchen, welche hohe Härte aufweisen, wodurch die Legierungshärte verbessert wird. Die kristallisierten Si-Teilchen läppen die Oberfläche der Anschlusswelle, um deren Oberflächenrauigkeit zu verringern, wodurch sie die Bildung eines Ölfilms auf der Oberfläche der Anschlusswelle begünstigen. Falls die Lagerlegierung eine 80 übersteigende Vickershärte (VH) aufweist, ist die Läppung der Anschlusswelle wichtig. Um gute Läppwirkung und plastische Bearbeitbarkeit zu erhalten, beträgt die Si-Menge bevorzugt 4 bis 12 Massen-%, weiter bevorzugt 5 bis 10 Massen-%.

Falls die Vickershärte 160 übersteigt, verschlechtert sich die Lagerlegierung auf Aluminium-Basis deutlich hinsichtlich ihres Formanpassungsvermögens.

Die Aluminium-basierte Lagerlegierung der Lagerlegierungsschicht nach der Erfindung, welche eine Vickershärte (VH) von nicht weniger als 40 bis nicht mehr als 80 aufweist, kann 3 bis 20 Massen-% Sn und 1,5 bis 8 Massen-% Si enthalten.

Falls die Si-Menge in der Lagerlegierung auf Aluminium-Basis weniger als 1,5 Massen-% beträgt, verschlechtert sich die Läppwirkung. Falls die Si-Menge 8 Massen-% übersteigt, verschlechtert sich die Lagerlegierung auf Aluminium-Basis aufgrund der Anwesenheit von weichem Sn hinsichtlich ihrer plastischen Bearbeitbarkeit. Die Sn-Menge beträgt bevorzugt 6 bis 15 Massen-% und die Si-Menge bevorzugt 2 bis 5 Massen-%.

Bei der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Oberfläche der Lagerlegierungsschicht mit einer Beschichtung zu versehen, welche aus einem Festschmierstoff besteht und eine Dicke von 0,01 bis 10 μm aufweist. Eine derartige Beschichtung kann gebildet werden, indem der Festschmierstoff gegen die Lagerlegierungsschicht geschleudert wird. Falls die Schleuderenergie des Festschmierstoffs niedrig ist, haftet der Festschmierstoff an der Oberfläche der Lagerlegierungsschicht, um eine Festschmierstoffschicht zu bilden, welche durch intermolekulare Kräfte an die Lagerlegierung gebunden ist, während der Festschmierstoff nicht in die Lagerlegierungsschicht eindringt.

Da die Beschichtung nur aus dem Festschmierstoff besteht, kann die Selbstschmiereigenschaft des Lagers weiter verbessert werden. Falls die Beschichtung eine Dicke von weniger als 0,01 μm aufweist, kann man im Wesentlichen dieselbe Wirkung wie für den Fall erzielen, dass die Oberflächenschicht der Lagerlegierung auf Aluminium-Basis nicht weniger als 5 Massen-% eines im Festschmierstoff enthaltenen Elements bzw. von im Festschmierstoff enthaltenen Elementen enthält. Falls die Beschichtung eine 10 μm übersteigende Dicke aufweist, unterliegt sie Abblätterung von der Lagerlegierungsschicht. Die Dicke ist bevorzugt 0,1 bis 5 μm. 9 zeigt ein Beispiel der Konzentrationsveränderung des im Festschmierstoff enthaltenen Elements, welches die Beschichtung beinhaltet, und welcher (d.h. der Festschmierstoff) in der Schmieroberflächenschicht der Lagerlegierungsschicht vorhanden ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

1 zeigt eine Kennlinie, welche das Messergebnis für den Koeffizienten der Anlaufreibung darstellt;

2 zeigt eine Kennlinie, welche das Ergebnis eines Festfresstests darstellt;

3 zeigt eine Kennlinie, welche das Ergebnis eines Ermüdungstests darstellt;

4 zeigt einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;

5 zeigt einen Querschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung;

6 zeigt eine erste Verteilungsart der Konzentration des im Festschmierstoff enthaltenen Elements in dem Schmieroberflächenbereich;

7 zeigt eine zweite Verteilungsart der Konzentration des im Festschmierstoff enthaltenen Elements in dem Schmieroberflächenbereich;

8 zeigt eine dritte Verteilungsart der Konzentration des im Festschmierstoff enthaltenen Elements in dem Schmieroberflächenbereich; und

9 zeigt eine vierte Verteilungsart der Konzentration des im Festschmierstoff enthaltenen Elements in dem Schmieroberflächenbereich.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Im Folgenden werden spezifische nicht-beschränkende Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben.
Zuerst wird ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Gleitlagers beschrieben. Eine Aluminium-basierte Lagerlegierungsplatte als Lagerlegierungsschicht wird durch den üblichen Prozess von Schmelzen und Walzen hergestellt. Eine Aluminiumlegierungsplatte, welche als Verbindungsschicht verwendet wird, wird der obigen Aluminium-basierten Lagerlegierungsplatte aufgelegt und sie werden einem Roll-Bond-Verfahren unterworfen, um eine zweilagige Aluminiumlegierungsplatte herzustellen. Die zweilagige Aluminiumlegierungsplatte wird einem Streifen kohlenstoffarmen Stahls, welcher als Stützmetallschicht dient, so aufgelegt, dass die Aluminiumlegierungsplatte als Verbindungsschicht dem Streifen gegenüberliegt, und sie werden nachfolgenden einem Roll-Bond-Verfahren unterworfen, um ein Bimetall herzustellen, in welchem die Aluminium-basierte Lagerlegierungsplatte mit dem Streifen kohlenstoffarmen Stahls durch die Aluminiumlegierungsplatte als Verbindungsschicht verbunden ist.
Das Bimetall wird gehärtet und nachfolgend einem Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers unterworfen, welches eine halbzylindrische Form aufweist. Anschließend wird ein feines Pulver des Festschmierstoffs, welches eine Teilchengröße von 0,5 bis 10 μm aufweist, unter Verwendung von Druckluft, welche einen Druck von 0,5 bis 1,0 MPa aufweist, gegen die innere Oberfläche des Gleitlagers geschleudert, um die Lagerlegierungsschicht mit einer Schmieroberflächenschicht oder einem Schmieroberflächenbereich zu versehen.
Das so gebildete Gleitlager hat einen abschnittsweisen Aufbau wie in 4 dargestellt, wobei die Bezugsziffer 1 eine Stützmetallschicht, 2 eine Verbindungsschicht, 3 eine Lagerlegierungsschicht und 4 einen Schmieroberflächenbereich der Lagerlegierungsschicht bezeichnet.
Alternativ kann eine aus einem Festschmierstoff bestehende Beschichtung 5 auf der Oberfläche des Festschmierstoff-Schmieroberflächenbereichs 4 (d.h. der Oberfläche der Lagerlegierungsschicht 3) gebildet werden, wie in 5 dargestellt.
Erfindungsgemäße Probekörper und Vergleichsprobekörper, wie in der folgenden Tabelle 1 gezeigt, wurden durch das oben beschriebene Herstellungsverfahren hergestellt und Gütetests unterworfen. Keiner der Probekörper war mit einer Beschichtung versehen. Für den jeweiligen Probekörper wurde die Konzentration des im Festschmierstoff enthaltenen Elements in dem Schmieroberflächenbereich 4 durch optische Emissionsspektrometrie der Glimmentladung gemessen. Die Gütetests waren ein Test zur Messung eines Koeffizienten der Anlaufreibung, ein Festfresstest und ein Ermüdungstest. Die Testbedingungen sind in Tabellen 2 bis 4 und die Testergebnisse in 1 bis 3 dargestellt. Dabei sind die Probekörper Nr. 1, 2 und 4 erfindungsgemäße Probekörper, die Probekörper Nr. 3, 5 und 11–15 Vergleichsprobekörper.
Tabelle 2:
Tabelle 3
Im Folgenden werden die Tests beschrieben:
(1) TEST ZUR MESSUNG DES KOEFFIZIENTEN DER ANLAUFREIBUNG
In diesem Test galt der Koeffizient der Anlaufreibung des Vergleichsprobekörpers Nr. 11 als Referenzwert 100 und derjenige des jeweiligen Probekörpers wurde bezüglich dazu bestimmt und in 1 dargestellt.
Vergleicht man den erfindungsgemäßen Probekörper Nr. 1 und den Vergleichsprobekörper Nr.5 mit den Vergleichsprobekörpern Nr. 11 bzw. 15, weisen die ersteren Probekörper, welche jeweils nicht weniger als 5 Massen-% des Festschmierstoffs innerhalb einer Tiefe von 10 μm von der Oberfläche enthalten, einen im Vergleich zu den letzteren Vergleichsprobekörpern, welche keinen Festschmierstoff enthalten, um 27% bzw. 50% verringerten Koeffizienten der Anlaufreibung auf.
Vergleicht man die erfindungsgemäßen Probekörper Nr. 1, 2 und 4 sowie die Vergleichsprobekörper Nr. 3 und 5 mit dem Vergleichsprobekörper Nr. 12, weist der letztere Probekörper, welcher eine 5 μm übersteigende Oberflächenrauigkeit aufweist, einen höheren Koeffizienten der Anlaufreibung als die ersteren erfindungsgemäßen Probekörper Nr. 1, 2 und 4 sowie die Vergleichsprobekörper Nr. 3 und 5 auf.
Vergleicht man weiter die erfindungsgemäßen Probekörper Nr. 1, 2 und 4 sowie die Vergleichskörper Nr. 3 und 5 mit dem Vergleichsprobekörper Nr. 13, weist der letztere Probekörper, in welchem der Festschmierstoff das Element enthält, welches die maximale Konzentration von weniger als 5 Massen-% aufweist, einen höheren Koeffizienten der Anlaufreibung als die ersteren erfindungsgemäßen Probekörper Nr. 1, 2 und 4 sowie die Vergleichskörper Nr. 3 und 5 auf.
(2) FESTFRESSTEST
Vergleicht man den erfindungsgemäßen Probekörper Nr. 1 mit dem Vergleichsprobekörper Nr. 11 bzw. den Vergleichsprobekörper Nr. 5 mit dem Vergleichsprobekörper Nr. 15, weisen, wie aus 2 ersichtlich, beide Probekörper Nr. 1 und 5, welche jeweils nicht weniger als 5 Massen-% eines Festschmierstoffs innerhalb einer Tiefe von 10 μm von der Oberfläche der Lagerlegierungsschicht enthalten, eine weiter verbesserte Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß als die Vergleichsprobekörper Nr. 11 und 15 auf, welche keinen Festschmierstoff enthalten. Dies rührt mutmaßlich aus einer Beschränkung der Wärmeerzeugung aufgrund des verringerten Reibungskoeffizienten her.
Vergleicht man die erfindungsgemäßen Probekörper Nr. 1, 2 und 4 sowie die Vergleichsprobekörper Nr. 3 und 5 mit dem Vergleichsprobekörper Nr. 12, ist der letztere Probekörper, welcher eine 5 μm übersteigende Oberflächenrauigkeit aufweist, hinsichtlich der Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß den ersteren erfindungsgemäßen Probekörpern 1, 2 und 4 sowie die Vergleichsprobekörper Nr. 3 und 5 unterlegen. Dies ist mutmaßlich eine Folge erhöhter Wärmeerzeugung aufgrund der höheren Oberflächenrauigkeit.
Vergleicht man des Weiteren den Vergleichsprobekörper Nr. 3 mit dem Vergleichsprobekörper Nr. 13, weist der erstere Probekörper eine höhere Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß als der letztere Vergleichsprobekörper auf, in welchem der Festschmierstoff das Element enthält, welches eine maximale Konzentration von weniger als 5 Massen-% aufweist. Dies ist mutmaßlich eine Folge der Beschränkung der Wärmeerzeugung aufgrund des im Probekörper Nr. 3 enthaltenen Festschmierstoffs.
Es ist erwähnt, dass alle erfindungsgemäßen Probekörper eine hervorragende Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß aufweisen.
(3) ERMÜDUNGSTEST
Hier werden der erfindungsgemäße Probekörper Nr. 1 und der Vergleichsprobekörper Nr. 11 bzw. der Vergleichsprobekörper Nr. 5 und der Vergleichsprobekörper Nr. 15 miteinander verglichen. Die Probekörper Nr. 1 und 5, welche jeweils nicht weniger als 5 Massen-% des Elements eines Festschmierstoffs innerhalb einer Tiefe von 10 μm von der Oberfläche der Lagerlegierungsschicht enthalten, sind hinsichtlich ihrer Dauerfestigkeit den Vergleichsprobekörpern Nr. 11 und 15, welche keinen Festschmierstoff enthalten, nicht unterlegen.
Vergleicht man den erfindungsgemäßen Probekörper Nr. 2 mit dem Vergleichsprobekörper Nr. 12, ist der letztere Probekörper, welcher eine 5 μm übersteigende Oberflächenrauigkeit aufweist, hinsichtlich seiner Dauerfestigkeit dem ersteren erfindungsgemäßen Probekörper Nr. 2 deutlich unterlegen.
Vergleicht man den erfindungsgemäßen Probekörper Nr. 4 mit dem Vergleichsprobekörper Nr. 14, weist der letztere Probekörper, dessen Lagerlegierung eine Vickershärte (VH) von weniger als 40 aufweist, eine deutlich niedrigere Härte als der erstere erfindungsgemäße Probekörper Nr. 4 auf. Der Grund hierfür ist mutmaßlich, dass die Lagerlegierung des Vergleichsprobekörpers Nr. 14 eine Vickershärte (VH) von weniger als 40 aufweist, d.h. sie ist zu weich, wodurch sich die Dauerfestigkeit verschlechtert.
Wie aus dem oben Dargelegten ersichtlich wird, ist es nach dem erfindungsgemäßen Gleitlager, in welchem die Lagerlegierung eine Vickershärte (VH) von nicht weniger als 40 bis nicht mehr als 80 aufweist und welches einen Schmieroberflächenbereich aufweist, welcher den Festschmierstoff enthält, der das Element enthält, welches eine maximale Konzentration von nicht weniger als 5 Massen-% innerhalb einer Tiefe von 10 μm von der Oberfläche der Lagerlegierungsschicht aufweist, möglich, den Reibungskoeffizienten zu verringern, während die gute Dauerfestigkeit aufrecht erhalten ist, und die Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß zu verbessern.

Claims

Gleitlager für Verbrennungsmotoren, welches eine Stützmetallschicht (1) und eine Lagerlegierungsschicht (3) hergestellt aus einer Lagerlegierung auf Aluminium-Basis, welche auf der Stützmetallschicht (1) ausgebildet ist, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerlegierung auf Aluminium-Basis 3 bis 20 Massen-% Sn umfasst, und dass die Lagerlegierungsschicht (3) eine Vickershärte (VH) von nicht weniger als 40 bis nicht mehr als 80 aufweist und einen Schmieroberflächenbereich (4) umfasst, welcher eine Tiefe von nicht mehr als 10 μm von der Oberfläche der Lagerlegierungsschicht (3) aufweist und einen Festschmierstoff enthält, und dass die maximale Konzentration eines im Festschmierstoff enthaltenen Elements nicht weniger als 5 Massen-% ist.
Gleitlager nach Anspruch 1, wobei die Lagerlegierungsschicht (3) eine Oberflächenrauigkeit von nicht mehr als 5 μm in Bezug auf die maximale Höhe (Rz) aufweist.
Gleitlager nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Festschmierstoff aus einem der Stoffe ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Molybdändisulfid, Graphit, Wolframdisulfid, Bornitrid, Graphitfluorid und Molybdäntrioxid besteht.
Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Lagerlegierung auf Aluminium-Basis 1,5 bis 8 Massen-% Si umfasst.
Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Beschichtung (5), welche eine Dicke von 0,01 bis 10 μm aufweist, auf der Lagerlegierungsschicht (3) vorhanden ist, wobei die Beschichtung (5) aus einem Festschmierstoffmaterial besteht.
Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der in dem Schmieroberflächenbereich (4) enthaltene Festschmierstoff vorgesehen wird, indem ein feines Pulver des Festschmierstoffs nach dem Schleuderstrahlverfahren geschleudert wird, um gegen die Oberfläche der Lagerlegierungsschicht zu prallen.