DE102009028136B3

DE102009028136B3 - Gleitlagerverbundwerkstoff, Gleitlagerelement und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102009028136B3
Application number: DE102009028136A
Authority: DE
Inventors: Michael Waldschmidt
Original assignee: Federal Mogul Wiesbaden GmbH
Current assignee: Federal Mogul Wiesbaden GmbH
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2029-07-31

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gleitlagerverbundwerkstoff mit einer eine Verbundoberfläche aufweisenden Stahlstützschicht und einer auf die Verbundoberfläche der Stahlstützschicht walzplattierten Auflage. Die Verbundoberfläche der Stahlstützschicht weist wenigstens eine rillenartige Oberflächenstruktur mit zur Walzrichtung gekreuzter Orientierung auf. Die Erfindung betrifft ferner ein Gleitlagerelement aus einem solchen Gleitlagerverbundwerkstoff, insbesondere ein Radialgleitlagerelement und insoweit insbesondere eine Lagerschale. Die Erfindung betrifft schließlich ein Verfahren zur Herstellung des Gleitlagerverbundwerkstoffes sowie Verfahren zur Herstellung der genannten Gleitlagerelemente.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleitlagerverbundwerkstoff mit einer eine Verbundoberfläche aufweisenden Stahlstützschicht und einer auf die Verbundoberfläche der Stahlstützschicht walzplattierten Auflage, insbesondere auf Aluminiumbasis. Die Erfindung betrifft ferner ein Gleitlagerelement aus einem solchen Gleitlagerverbundwerkstoff, insbesondere ein Radialgleitlagerelement und insoweit insbesondere eine Lagerschale. Die Erfindung betrifft schließlich ein Verfahren zur Herstellung des Gleitlagerverbundwerkstoffes sowie Verfahren zur Herstellung der genannten Gleitlagerelemente.
Beim Walzplattieren von Gleitlagerverbundwerkstoffen wird die Auflage bekanntermaßen in Form eines Metallbandes aus einer Lagermetalllegierung zusammen mit der Stahlstützschicht in Form eines Stahlbandes durch ein Walzenspalt hindurchgeführt und dabei unter Druck der Gestalt verformt, dass sich eine mechanische Haftung der aufeinander liegenden Verbundoberflächen beider Werkstoffbänder einstellt. Zur Verbesserung der Bindung beider Schichten sind weitere Maßnahmen bekannt. Die Bindung kann beispielsweise durch ein anschließendes Diffusionsglühen verstärkt werden. Ferner ist es bekannt, die Verbundoberfläche der Auflage und/oder die Verbundoberfläche der Stahlstützschicht vor dem Aufwalzen beispielsweise durch Bürsten oder Schleifen zu reinigen und/oder aufzurauen und somit die Verbundoberfläche unmittelbar vor dem Aufwalzen zu aktivieren. Da insbesondere eine Auflage auf Aluminiumbasis an der Oberfläche sehr schnell oxidiert, wird beispielsweise in der DE-OS-21 25 250 oder DE 32 09 604 A1 ferner vorgeschlagen, die Zuführung der Metallbänder unter Schutzgasatmosphäre durchzuführen. Schließlich ist es bekannt, den Walzprozess durch Erwärmen wenigstens eines der zugeführten Bänder zu unterstützen.
Neben den prozesstechnischen Maßnahmen zur Verbesserung der Bindung der Auflage auf der Stahlstützschicht ist ferner bekannt, den Schichtaufbau dahingehend zu optimieren. Beispielsweise ist aus der DE 10 2005 023 541 A1 bekannt, eine Lagerschicht aus einer Aluminiumlegierung über eine Zwischenschicht mit verbesserten Hafteigenschaften ebenfalls aus einer Aluminiumlegierung auf der Stahlstützschicht aufzubringen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem Gleitlagerverbundwerkstoff, Gleitlagerelement und Herstellungsverfahren der eingangsgenannten Art eine nochmals verbesserte Bindung zwischen der Auflage und der Stahlstützschicht zu erreichen.
Die Aufgabe wird durch einen Gleitlagerverbundwerkstoff mit dem Merkmal des Anspruchs 1, einem Gleitlagerelement mit den Merkmalen des Anspruchs 7 und einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Der erfindungsgemäße Gleitlagerverbundwerkstoff sieht vor, dass die Verbundoberfläche der Stahlstützschicht wenigstens eine rillenartig aufgeraute Oberflächenstruktur mit zur Walzrichtung gekreuzter Orientierung aufweist. Diese Ergebnis wird verfahrensmäßig erzielt, indem die Verbundoberfläche eines Stahlbandes zunächst mit einer rillenartig aufgerauten Oberflächenstruktur versehen und anschließend die Auflage auf die Verbundoberfläche des Stahlbandes zu einem Verbundwerkstoff in eine Richtung aufgewalzt wird, die mit der Orientierung der rillenartigen Oberflächenstruktur gekreuzt ist.
Aus fertigungstechnischen Gründen war es bisher nur bekannt, das Stahlband bzw. die Auflage auf den einander zugewandten Verbundoberflächen mittels Schleifen oder Bürsten in Zuführ- und Walzrichtung aufzurauen. Hierdurch ergab sich immer eine rillenartige Oberflächenstruktur, deren Orientierung mit der Walzrichtung zusammenfällt.
Die Erfinder haben erkannt, dass sich bei einer demgegenüber anders orientierten Rauheit der Verbundoberfläche des Stahlbandes bzw. der Stahlstützschicht in Walzrichtung durch die gekreuzte Oberflächenstruktur die Festigkeit der Bindung zwischen der Stahlstützschicht und der Auflage erhöht. Dies wird darauf zurückgeführt, dass eine derart aufgeraute Verbundoberfläche der Stahlstützschicht eine Aktivierung der weicheren Verbundoberfläche der Auflage beim Aufwalzen erzwingt, weil die unterschiedlichen Materialien des Stahlbandes und des Auflagebandes eine unterschiedliche Duktilität und Elastizität aufweisen und somit beim Aufwalzen verschiedene Umformungsgeschwindigkeiten erfahren. Durch die quer zur Walzrichtung orientierte Rillenstruktur wird die Verbundoberfläche des Aluminiums beim Walzen auf mikroskopischer Ebene gewissermaßen aufgerissen und, da die beiden Flächen bereits in Vollkontakt aufeinander liegen, unter Sauerstoffausschluss unmittelbar beim Andrücken aktiviert. Eine Schutzgasatmosphäre ist deshalb nicht mehr zwingend notwendig.
Die Erfindung schließt die Überlagerung eines unregelmäßigen Oberflächenstrukturmusters und einer rillenartigen Oberflächenstruktur oder mehrerer rillenartiger Oberflächenstrukturen ein. Sind beispielsweise zwei sich kreuzende rillenartige Oberflächenstrukturen vorgesehen, die beispielsweise ein rautenförmiges Strukturmuster ergeben, ist zwangsläufig wenigstens eine der rillenartigen Oberflächenstrukturen mit der Walzrichtung gekreuzt.
Die Rauheit S_a der Verbundoberfläche der Stahlstützschicht beträgt, bedingt durch die Oberflächenstruktur vorzugsweise zwischen 2 μm und 10 μm; ermittelt mittels einem 3D Interferrometer-Rauhheitsmessverfahren.
Überraschender Weise haben die Erfinder nämlich festgestellt, dass nicht nur eine zu geringe Rauheit sondern auch eine zu hohe Rauheit die Bindungsfestigkeit der Walzplattierungsbindung negativ beeinträchtigt.
Der Begriff „rillenartig” ist im Sinne der Erfindung so zu verstehen, dass die Oberflächenstruktur abwechselnde Vertiefungen (Rillen) und Erhöhungen (Grate) aufweist. Es ist dabei in erster Linie unerheblich, ob die Oberflächenstruktur in Walzrichtung oder auch quer dazu regelmäßig ist, das heißt, ob z. B. eine Symmetrie oder eine Periodizität der Strukturmerkmale vorliegt, oder ob sie unregelmäßig ist, das heißt, ob sie eine zufällige Verteilung von Strukturmerkmalen aufweist. Eine Periodizität wird sich in Praxis regelmäßig aufgrund der maschinellen Bearbeitung automatisch einstellen.
Da der Walzvorgang und auch die Oberflächenstrukturierung der Stahlstützschicht am fertigen Erzeugnis eindeutige Bearbeitungsspuren hinterlassen, die auch nach dem aufplattieren erhalten bleiben, lassen sich erfindungsgemäß erzeugte Gleitlagerwerkstoffe nach Ablösen der Auflage bereits optisch sicher identifizieren.
Vorteilhafterweise schließt die Orientierung der rillenartigen Oberflächenstruktur (also der Rillen und der Grate) mit der Walzrichtung einen Winkel von mindestens 45° bis 90° ein.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Verbundoberfläche der Stahlstützschicht mehrere sich kreuzende rillenartige Oberflächenstrukturen aufweist, die ein zur Walzrichtung im Wesentlichen symmetrisches Strukturmuster ergeben.
Hiermit ist beispielsweise ein rautenförmiges Strukturmuster gemeint, das sich ergibt, wenn zwei sich kreuzende rillenartige Oberflächenstrukturen spiegelbildlich zur Walzrichtung angeordnet sind. Es ist zu beachten, dass das resultierende Strukturmuster aufgrund von fertigungsbedingten Ungenauigkeiten und der nacheinander erfolgenden Strukturierung in den unterschiedlichen Richtungen nicht exakt symmetrisch und insofern nur „im Wesentlichen” symmetrisch sein wird.
Der erfindungsgemäße Gleitlagerverbundwerkstoff weist in einer bevorzugten Ausführungsform eine Auflage auf Kupfer- oder Aluminiumbasis auf. Als Auflage wird sowohl eine Einzelschicht aus einer einheitlichen Legierung, also beispielsweise eine direkt aufgebrachte Lagermetallschicht, oder ein Schichtverbund aus mehreren Schichten, also beispielsweise eine auf dem Stahlband aufliegende Zwischenschicht und eine darauf aufliegende Lagermetallschicht, verstanden.
Vorteilhaft ist es insbesondere auch, wenn die Auflage eine mit der Verbundoberfläche der Stahlstützschicht verbundene Zwischenschicht auf Aluminiumbasis und eine mit der Zwischenschicht verbundene Lagermetallschicht auf Aluminiumbasis aufweist. Dabei sieht eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass die Zwischenschicht und die Lagermetallschicht vorplattiert und in Form eines Schichtwerkstoff-Metallbandes mit der Zwischenschicht auf die Verbundoberfläche der Stahlstützschicht aufgewalzt werden.
Die Zusammensetzungen der Zwischenschicht und der Lagermetallschicht können so auf die individuellen Funktionen beider Schichten, nämlich eine guten Bindungsfestigkeit zur Stahlstützschicht einerseits und gute tribologische Eigenschaften, Formanpassungsverhalten, etc. andererseits, abgestimmt werden. Gleichzeitig können durch die individuelle Wahl günstiger Legierungsbestandteile auch Materialkosten eingespart werden.
Eine rillenartige Oberflächenstruktur wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt durch Materialumformung und besonders bevorzugt durch Materialabtragung erzeugt.
Bei dem Verfahren ist es ferner vorteilhaft, wenn die Auflage, also das Lagermetall oder die Zwischenschicht, auf ihrer dem Stahlband zugewandten Verbundoberfläche vor dem Aufwalzen aktiviert wird.
Dies kann in der bekannten Weise durch Bürsten, Schleifen oder durch Laserablation, also durch Materialabtragung oder Materialumformung der Verbundoberfläche erfolgen. Das zusätzliche Aktivieren unterstützt die oben beschrieben Aktivierung durch die Oberflächenstruktur des Stahlbandes während des Walzens. Nochmals verbessert sich das Ergebnis, wenn das Materialband der Auflage in an sich bekannter Weise von der Aktivierung bis zum Aufwalzen unter Schutzgasatmosphäre geführt wird.
Aus dem erfindungsgemäßen Gleitlagerverbundwerkstoff lassen sich insbesondere Radialgleitlagerelementen herstellen, bei denen vorteilhafter Weise die Orientierung der rillenartigen Oberflächenstruktur mit der Umfangsrichtung des Radialgleitlagerelementes zusammenfällt. Dies geschieht verfahrensmäßig bevorzugt dadurch, dass eine Platine aus dem Band des erfindungsgemäßen Gleitlagerverbundwerkstoffes heraus- bzw. abgetrennt und zu dem Radialgleitlagerelement der Gestalt umgeformt wird, dass die Orientierung der rillenartigen Oberflächenstruktur mit der Umfangsrichtung des Radialgleitlagerelementes zusammenfällt.
Bei der Untersuchung der Bindungsfestigkeit walzplattierter Radialgleitlagerelemente hat sich insbesondere beim Einsatz von Lagerschalen in Pleuellagern von Verbrennungsmotoren gezeigt, dass teilweise flächige Ablösungen der Auflage von der Stahlstützschicht im Scheitelbereich auftraten. Bei genauerer Untersuchung konnte festgestellt werden, dass diese auf eine erhöhte Biegebeanspruchung des Verbundwerkstoffes in diesem Bereich zurückzuführen sind, die mit einer periodischen Deformierung des Pleuelauges im Betrieb einhergehen. Die Biegebeanspruchung führt nach Erkenntnissen der Erfinder zu einer Spannungskonzentration ausgehend von den Rauhigkeitsspitzen oder Graten auf der Verbundoberfläche des Stahlsubstrats und sich fortpflanzend in die Auflageschicht. Die Rissfortpflanzung innerhalb der Auflageschicht wird durch eine axiale Orientierung der Grate bezogen auf die Lagerachse begünstigt. Deshalb sieht die Erfindung vor, die Orientierung der rillenartigen Oberflächenstruktur in Umfangsrichtung vorzusehen. Dies setzt verfahrensmäßig voraus, dass die Platinen, aus denen die Radiallagerelemente gefertigt werden sollen, quer zur Walzrichtung von dem Verbundwerkstoffband abgetrennt werden müssen, wenn die Orientierung der rillenartigen Oberflächenstruktur senkrecht zur Walzrichtung ausgerichtet ist.

Claims

Gleitlagerverbundwerkstoff mit einer eine Verbundoberfläche aufweisenden Stahlstützschicht und einer auf die Verbundoberfläche der Stahlstützschicht walzplattierten Auflage, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundoberfläche der Stahlstützschicht wenigstens eine rillenartig aufgeraute Oberflächenstruktur mit zur Walzrichtung gekreuzter Orientierung aufweist.
Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur eine Rauheit von S_a = 2 μm bis 10 μm aufweist.
Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierung der rillenartigen Oberflächenstruktur mit der Walzrichtung einen Winkel von wenigstens 45° bis 90° einschließt.
Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundoberfläche der Stahlstützschicht mehrere sich kreuzende rillenartige Oberflächenstrukturen aufweist, die ein zur Walzrichtung im Wesentlichen symmetrisches Strukturmuster ergeben.
Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Auflage auf Aluminiumbasis.
Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflage eine mit der Verbundoberfläche der Stahlstützschicht verbundene Zwischenschicht auf Aluminiumbasis und eine mit der Zwischenschicht verbundene Lagermetallschicht auf Aluminiumbasis aufweist.
Gleitlagerelement aus einem Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Gleitlagerelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlagerelement ein Radialgleitlagerelement ist, bei dem die Orientierung der rillenartigen Oberflächenstruktur mit der Umfangsrichtung des Radialgleitlagerelementes zusammenfällt.
Gleitlagerelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Radialgleitlagerelement eine Lagerschale ist.
Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagerverbundwerkstoffes mit einer eine Verbundoberfläche aufweisenden Stahlstützschicht und einer auf der Verbundoberfläche der Stahlstützschicht aufgebrachten Auflage, – wobei die Verbundoberfläche eines Stahlbandes mit einer rillenartig aufgerauten Oberflächenstruktur versehen und – die Auflage anschließend auf die Verbundoberfläche des Stahlbandes zu einem Verbundwerkstoff in einer Richtung aufgewalzt wird, die mit der Orientierung der rillenartigen Oberflächenstruktur gekreuzt ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzrichtung mit der Orientierung der rillenartigen Oberflächenstruktur einen Winkel von wenigstens 45° bis 90° einschließt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch eine Auflage auf Aluminiumbasis.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflage eine Zwischenschicht auf Aluminiumbasis und eine auf der Zwischenschicht aufgebrachte Lagermetallschicht auf Aluminiumbasis aufweist und dass die Auflage mit der Zwischenschicht auf die Verbundoberfläche der Stahlstützschicht aufgewalzt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht und die Lagermetallschicht vorplattiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die rillenartige Oberflächenstruktur durch Materialabtragung erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflage auf Ihrer dem Stahlband zugewandten Verbundoberfläche vor dem Aufwalzen aktiviert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16 zur Herstellung eines Radialgleitlagerelementes aus einer Platine des Gleitlagerverbundwerkstoffes mit den Schritten – Heraus- oder Abtrennen einer Platine aus dem Band des Verbundwerkstoffes und – Umformen der Platine zu dem Radialgleitlagerelement, der Gestalt, dass die Orientierung der rillenartigen Oberflächenstruktur mit der Umfangsrichtung des Radialgleitlagerelementes zusammenfällt.