DE102011013881B3

DE102011013881B3 - Gleitlagerverbundwerkstoff und daraus hergestelltes Gleitlagerelement

Info

Publication number: DE102011013881B3
Application number: DE102011013881A
Authority: DE
Inventors: Dr. Reinicke Rolf; Megjit Seremeti; Dr. Pucher Klaus
Original assignee: KS Gleitlager GmbH
Current assignee: KS Gleitlager GmbH
Priority date: 2011-03-04
Filing date: 2011-03-04
Publication date: 2012-05-03
Anticipated expiration: 2031-03-05
Also published as: WO2012119822A3; WO2012119822A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gleitlagerverbundwerkstoff (2) mit einer Trägerschicht (4), insbesondere aus Stahl, mit einer darauf aufgebrachten Schicht (6) aus einem Lagermaterial, insbesondere auf Kupfer-Basis oder Aluminium-Basis, mit einer elektrisch oder chemisch abgeschiedenen Zwischenschicht und mit einer auf der Zwischenschicht vorgesehenen Laufschicht (10); um die Abriebfestigkeit zu erhöhen wird vorgeschlagen, dass die Zwischenschicht eine Dispersionsschicht (8) auf Nickel-, Kupfer-, Silber- oder Cobaltbasis mit darin dispergierten tribologisch wirksamen Bestandteilen (9) ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleitlagerverbundwerkstoff mit einer Trägerschicht, insbesondere aus Stahl, mit einer darauf aufgebrachten Schicht aus einem Lagermaterial, insbesondere auf Kupfer-Basis oder Aluminium-Basis, mit einer elektrisch, also galvanisch, oder chemisch, also stromlos (autokatalytisch) abgeschiedenen Zwischenschicht und mit einer auf der Zwischenschicht vorgesehenen Laufschicht.
Gleitlagerverbundwerkstoffe der vorstehend beschriebenen Art mit einer Zwischenschicht aus Nickel oder Zinn-Nickel sind bekannt.
Zur Bereitstellung verschleißbeständiger Oberflächen wurde verschiedentlich der Vorschlag unterbreitet, auf der Oberseite eine Nickel oder nickelhaltige Beschichtung vorzusehen. Gemäß DE 10 2004 047 423 B3 wird eine Nickeldispersionsschicht mit darin dispergierten Teilchen, insbesondere PTFE, stromlos abgeschieden. Durch Angabe einer spezifischen Badzusammensetzung soll durch eine stromlose Abscheidung auch auf geometrisch komplexen Bauteilen ein gleichmäßiger Schichtaufbau erreicht werden, insbesondere bei Vergasergehäusen und Kraftstoffverteilern für Einspritzsysteme. Die stromlos abgeschiedene Nickeldispersionsschicht bildet dabei die die Oberfläche des Bauteils bildende Schicht.
Mit der nicht vorveröffentlichten Anmeldung DE 10 2010 011 083 B3 der Anmelderin ist ein gattungsgemäßer Gleitlagerverbundwerkstoff mit einer Nickeldispersionsschicht als Zwischenschicht beschrieben.
Ausgehend von einem Gleitlagerverbundwerkstoff der eingangs erwähnten Art, insbesondere zur Herstellung von Lagerschalen oder Lagerbuchsen, insbesondere für motorische Anwendungen, wie Pleuellagerschalen, Pleuellagerbuchsen, Hauptlagerschalen, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Gleitlagerverbundwerkstoff im Hinblick auf seine Abriebfestigkeit zu verbessern, ohne dass dabei Probleme hinsichtlich Anpassungsfähigkeit und Partikelverträglichkeit auftreten.
Diese Aufgabe wird bei einem Gleitlagerverbundwerkstoff der genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Zwischenschicht eine Dispersionsschicht auf Nickel-, Kupfer-, Silber- oder Cobaltbasis mit darin dispergierten tribologisch wirksamen Bestandteilen ist und dass die tribologisch wirksamen Bestandteile Carbide, kubische Nitride, Oxide und/oder Silizide umfassen.
Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass durch Ausbildung der – bei bekannten Gleitlagerverbundwerkstoffen lediglich als Nickelbasierte Sperrschicht zwischen einer galvanischen Laufschicht und dem eigentlichen Lagerwerkstoff dienenden – Zwischenschicht als Dispersionsschicht auf Nickel-, Kupfer-, Silber- oder Cobaltbasis mit darin dispergierten tribologisch wirksamen Partikeln im Zusammenwirken mit der Laufschicht eine wesentliche Verbesserung des Laufverhaltens der aus dem Gleitlagerverbundwerkstoff hergestellten Gleitlagerelemente erreicht werden kann. Dies wird darauf zurückgeführt, dass die Dispersionsschicht im Betrieb des Gleitlagerverbundwerkstoffs bzw. des hieraus hergestellten Gleitlagers bei lokalem Abtrag der Laufschicht den dispergierten Bestandteil teilweise freisetzt, so dass er tribologisch aktiv wird. Insgesamt wird hierdurch die Fressneigung und die Abriebfestigkeit wesentlich verbessert. Dadurch, dass die Dispersionsschicht als elektrisch oder chemisch abgeschiedene Zwischenschicht sehr dünn ausgebildet ist, weist sie zwar eine hinreichende Härte, jedoch gleichwohl – unterstützt durch die darunter befindliche Schicht aus Lagermaterial – im Verbund auch eine hinreichende Anpassbarkeit zur Aufnahme von Partikeln auf. Eine Dispersionsschicht auf Nickelbasis ist beispielsweise deutlich härter als die darunter befindliche Schicht aus Lagermaterial. Da sie jedoch verhältnismäßig dünn ausgebildet ist, lässt sich im Verbund dennoch eine hinreichende Duktilität und damit verbunden eine Partikelverträglichkeit erreichen. Diese Partikelverträglichkeit kann bei Ausbildung der Dispersionsschicht auf Kupfer-, Silber-, oder Cobaltbasis gegenüber einer Nickelbasis noch weiter begünstigt werden. In diesem Zusammenhang sei auch darauf hingewiesen, dass der Begriff Nickel-, Kupfer-, Silber- bzw. Cobaltbasis nicht ausschließt, dass die Basis Nickel-, Kupfer-, Silber- bzw. Cobalt-Legierungen umfasst.
Die tribologisch wirksamen Bestandteile in Form der Carbide, kubische Nitride, Oxide und/oder Silizide sind in besonderem Maße geeignet, die Notlaufeigenschaften zu verbessern, indem sie die Neigung zu fressendem Verschleiß und Abrieb reduzieren und dadurch insgesamt verschleißmindernd wirken. Sie steigern die Festigkeit und wirken somit härtend.
Diese tribologisch wirksamen Bestandteile in Form von Carbiden, kubischen Nitriden, Oxiden und/oder Siliziden sind einzeln oder wenn sie zu mehreren vorhanden sind in ihrer Gesamtmenge zu 1–15 Vol.-%, insbesondere 1–10 Vol.-%, insbesondere 1–8 Vol.-%, in der Dispersionsschicht enthalten.
Es erweist sich weiter als vorteilhaft, wenn vorzugsweise zusätzlich, als tribologisch wirksame Bestandteile Graphit, Molybdändisulfid (MoS₂), hexagonales Bornitrid und/oder PTFE enthalten ist. Diese Bestandteile wirken nämlich schmierend, d. h. sie setzen den Reibwert herab.
Diese tribologisch wirksamen Bestandteile in Form von Graphit, Molybdändisulfid (MoS₂), hexagonales Bornitrid und/oder PTFE sind einzeln oder wenn sie zu mehreren vorhanden sind in ihrer Gesamtmenge zu 5–30 Vol.-%, insbesondere 10–30 Vol.-%, insbesondere 10–25 Vol.-%, in der Dispersionsschicht enthalten.
Ein vorteilhafter Gleitlagerverbundwerkstoff ist gekennzeichnet durch eine Dispersionsschicht auf Nickelbasis mit 2–6 Vol.-% Carbid, insbesondere Siliziumcarbid, oder mit 2–6 Vol.-%Carbid, insbesondere Siliziumcarbid, und 15–25 Vol.-% PTFE oder mit 8–12 Vol.-% hexagonalem und 1–4 Vol.-% kubischem Bornitrid als tribologisch wirksame Bestandteile.
Ein anderer Gleitlagerverbundwerkstoff ist gekennzeichnet durch eine Dispersionsschicht auf Nickelphosphorbasis mit 15–25 Vol.-% PTFE als ein tribologisch wirksamer Bestandteil.
Das Lagermaterial ist vorzugsweise von einer CuSn-, CuZn-, CuAl- oder CuNi-Legierung oder von einer AlSn-, AlZn- oder AlSi-Legierung gebildet.
Die Laufschicht kann als galvanische Schicht elektrisch oder chemisch abgeschieden sein. Sie umfasst solchenfalls beispielsweise Zinn, Zinn-Kupfer, Zinn-Zink, Zink, Bismut, Silber, Indium, Antimon oder deren Legierungen.
Die Laufschicht kann durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), insbesondere als Sputterschicht, aufgebracht sein. Sie umfasst solchenfalls beispielsweise Aluminium, Zinn und/oder Zink und deren Legierungen, insbesondere AlSn oder AlZn.
Die Laufschicht kann als weitere Alternative von einem polymeren Gleitschichtmaterial, insbesondere auf Basis von PAI, PI, PBI, oder auf Basis eines Epoxyharzes, mit darin aufgenommenen Füllstoffen gebildet sein. Diese Füllstoffe können beispielsweise PTFE, Graphit, MoS₂ und/oder hexagonales Bornitrid, insbesondere zu einem Anteil von 20–70 Gew.-%, insbesondere zu 20–60 Gew.-%, der Laufschicht umfassen.
Die Dicke der Schicht aus Lagermaterial beträgt vorteilhafterweise 100–600 μm, insbesondere 100–500 μm.
Die Dicke der Dispersionsschicht beträgt vorteilhafterweise 3–12 μm, insbesondere 3–10 μm, insbesondere 5–7 μm.
Die Dicke der die Oberfläche bildenden Laufschicht beträgt vorteilhafterweise 3–30 μm, insbesondere 3–18 μm, insbesondere 3–12 μm, insbesondere 3–8 μm.
Gegenstand der Erfindung sind auch aus dem vorstehend beschriebenen Gleitlagerverbundwerkstoff hergestellte Gleitlagerelemente, insbesondere Gleitlagerschalen, Gleitlagerbuchsen und Anlaufscheiben, für motorische oder motorennahe Anwendungen.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleitlagerverbundwerkstoffs.
In der Zeichnung zeigt:
Die Figur eine schematische Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Gleitlagerverbundwerkstoff.
Die Figur zeigt in schematischer Schnittansicht (nicht maßstabsgetreu) einen Gleitlagerverbundwerkstoff 2 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Gleitlagerverbundwerkstoff 2 umfasst eine Trägerschicht 4, vorzugsweise aus Stahl, und eine darauf aufgebrachte Schicht 6 aus einem Lagermaterial, insbesondere Bronze. Darauf ist eine Dispersionsschicht 8 mit dispergierten tribologisch wirksamen Bestandteilen vorgesehen.
Die Dispersionsschicht 8 ist elektrisch oder chemisch, d. h. elektrolytisch/galvanisch oder stromlos/autokatalytisch, auf der Lagermaterialschicht 6 abgeschieden.
Auf der Dispersionsschicht 8 ist wiederum elektrisch oder chemisch oder durch PVD-Verfahren, insbesondere Sputtern, oder in Form einer Lackschicht auf Polymerbasis eine Laufschicht 10 ausgebildet.
Folgende Ausführungsbeispiele für eine Dispersionsschicht auf Nickelbasis werden vorgeschlagen:

– Nickel mit 3 Vol.-% Siliziumcarbid (SiC) (elektrisch abgeschieden)
– Nickel mit 20 Vol.-% PTFE und 3 Vol.-% Siliziumcarbid (SiC) (elektrisch abgeschieden)
– Nickel mit 10 Vol.-% hexagonales Bornitrid (BN) und 2 Vol.-% kubisches Bornitrid (BN) (elektrisch abgeschieden)
– Nickel mit Phosphor im Massenanteilsverhältnis von 9:1 mit darin eingelagertem PTFE, welches etwa 20 Vol.-% der Dispersionsschicht ausmacht, was durch EDX-Analyse bestimmt werden kann. (stromlos abgeschieden)

Die vorstehenden Dispersionsschichten können grundsätzlich mit allen der eingangs genannten Lagermetallschichten und Laufschichten kombiniert eingesetzt werden.
Der Gleitlagerverbundwerkstoff bzw. ein hieraus hergestelltes Gleitlagerelement, insbesondere Gleitlagerschale oder Gleitlagerbuchse oder Anlaufscheibe, zeichnet sich durch eine hohe Abriebfestigkeit und eine gute Anpassungsfähigkeit und daher durch eine geringe Fressneigung, insbesondere während der Anlaufphase aus.

Claims

Gleitlagerverbundwerkstoff (2) mit einer Trägerschicht (4), insbesondere aus Stahl, mit einer darauf aufgebrachten Schicht (6) aus einem Lagermaterial, insbesondere auf Kupfer-Basis oder Aluminium-Basis, mit einer elektrisch oder chemisch abgeschiedenen Zwischenschicht und mit einer auf der Zwischenschicht vorgesehenen Laufschicht (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht eine Dispersionsschicht (8) auf Nickel-, Kupfer-, Silber- oder Cobaltbasis mit darin dispergierten tribologisch wirksamen Bestandteilen (9) ist und dass die tribologisch wirksamen Bestandteile (9) Carbide, kubische Nitride, Oxide und/oder Silizide umfassen.
Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die tribologisch wirksamen Bestandteile (9) Carbide, kubische Nitride, Oxide und/oder Silizide in ihrer Gesamtmenge zu 1–15 Vol.-%, insbesondere 1–10 Vol.-%, insbesondere 1–8 Vol.-%, in der Dispersionsschicht (8) enthalten sind.
Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die tribologisch wirksamen Bestandteile (9) zusätzlich Graphit, Molybdändisulfid (MoS₂), hexagonales Bornitrid oder PTFE umfassen.
Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die tribologisch wirksamen Bestandteile (9) Graphit, Molybdändisulfid (MoS₂), hexagonales Bornitrid oder PTFE in ihrer Gesamtmenge zu 5–30 Vol.-%, insbesondere 10–30 Vol.-%, insbesondere 10–25 Vol.-%, in der Dispersionsschicht (8) enthalten sind.
Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Dispersionsschicht auf Nickelbasis mit 2–6 Vol.-% Carbid, insbesondere Siliziumcarbid, oder mit 2–6 Vol.-% Carbid, insbesondere Siliziumcarbid, und 15–25 Vol.-% PTFE oder mit 8–12 Vol.-% hexagonalem und 1–4 Vol.-% kubischem Bornitrid als tribologisch wirksame Bestandteile.
Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Dispersionsschicht auf Nickelphosphorbasis mit 15–25 Vol.-% PTFE als ein tribologisch wirksamer Bestandteil.
Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagermaterial von einer CuSn-, CuZn-, CuAl- oder CuNi-Legierung oder von einer AlSn-, AlZn- oder AlSi-Legierung gebildet ist.
Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht als galvanische Schicht elektrisch oder chemisch abgeschieden ist.
Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht (10) Zinn, Zinn-Kupfer, Zinn-Zink, Zink, Bismut, Silber, Indium, Antimon oder deren Legierungen umfasst.
Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), insbesondere als Sputterschicht, ausgebildet ist.
Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht (10) Aluminium, Zinn und/oder Zink und deren Legierungen, insbesondere AlSn oder AlZn, umfasst.
Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht (10) von einem polymeren Gleitschichtmaterial, insbesondere auf Basis von PAI, PI, PBI, oder auf Basis eines Epoxyharzes, mit darin aufgenommenen Füllstoffen gebildet ist.
Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht (10) als Füllstoffe PTFE, Graphit, MoS₂ und/oder hexagonales Bornitrid, insbesondere zu einem Anteil von 20–70 Gew.-%, insbesondere zu 20–60 Gew.-%, umfasst.
Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Schicht (6) aus Lagermaterial 100–600 μm, insbesondere 100–500 μm beträgt.
Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Dispersionsschicht (8) 3–12 μm, insbesondere 3–10 μm, insbesondere 5–7 μm beträgt.
Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Laufschicht 3–30 μm, insbesondere 3–18 μm, insbesondere 3–12 μm, insbesondere 3–8 μm beträgt.
Gleitlagerelement für motorische oder motorennahe Anwendungen, insbesondere Gleitlagerschale oder -buchse oder Anlaufscheibe, hergestellt aus einem Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche.