DE19514836C2 - Lagerschale - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lagerschale. Solche Gleite­ lemente haben z. B. als hochbelastbare Lager bzw. Lagerschalen in Verbren­ nungskraftmaschinen Bedeutung erlangt.

Bei Radialgleitlagern tritt die höchste Beanspruchung, d. h. abrasive Belastung, im Scheitelbereich der Lagerschalen auf. In der Nähe der Teilflächen, das sind die vom Scheitel entfernt liegenden Bereiche, sind dagegen verschleißartige und dynamische Belastungen wesentlich geringer. Durch mechanische Vorarbeit mit Einfluß auf die geometrische Gestaltung, z. B. Abweichung von der Kreisbogen­ form, wird u. a. versucht, die Ausbildung eines optimalen Schmierfilms und das Einbettungsverhalten für Fremdteilchen zu gewährleisten.

Es ist bekannt, bei hochbelastbaren Gleitelementen die Gleitschichten durch Va­ kuumbeschichtung aufzubringen. So ist es bekannt, eine Gleitschicht auf der Ba­ sis Al-Sn-Cu aufzustäuben (DE 28 53 724 C3; DE 29 40 376 A1; DE 37 29 414 A1).

Es ist auch bekannt, Schichten mit eingelagerten Kunststoffteilchen aufzustäuben (DE 29 14 618 C2).

Weiterhin ist eine speziell der Beschichtungsgeometrie von Lagerschalen ange­ paßte Zerstäubungsvorrichtung bzw. eine Vorrichtung zur Aufnahme von Träger­ körpern für die Herstellung von Gleitlagern durch Zerstäuben bekannt. Allgemein können durch die vorgenannten Materialien, die durch Zerstäuben im Vakuum aufgebracht werden, hochbelastbare Gleitschichten hergestellt werden, wobei jedoch die Abscheidung gleichmäßig dicker Gleitschichten im Vordergrund steht (AT-PS 392 291 B; EP 0 452 647 A1). Zerstäuben ist jedoch aufgrund seines Wirkmechanismus ein teures Verfahren, weil sich die Abscheiderate nicht über eine bestimmte Grenze hinaus erhöhen läßt. Daher sind diesem Verfahren enge Grenzen gesetzt.

Es ist auch bekannt, Gleitlager aus bandförmigen Halbzeugen herzustellen, bei welchen durch Vakuumbedampfung eine Gleitschicht auf das Band aufgebracht wird (DE 36 06 529 C2; DE 29 35 417). Ziel dieser bekannten Verfahren war die kostengünstigere Herstellung von Gleitlagern. Versuche, ein derart beschichtetes Band zu einem Gleitlager weiterzuverarbeiten, führten jedoch zu keinem brauch­ baren Ergebnis, weil der hohe Umformungsgrad zu Beschädigungen oder Brü­ chen innerhalb des Schichtverbundes führte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schichten des Schichtsystems ei­ ner hochbelastbaren Lagerschale so auszubilden, daß diese bei allen betriebsbedingten Belastungen die an sie gestellten Anforderungen er­ füllen, ohne die Herstellungskosten zu erhöhen.

Es soll auch ein optimaler Schmier­ film, der ebenso die Gebrauchsdauer mitbestimmt, zur Ausbildung kommen. Das Verfahren soll umweltfreundlich sein, d. h. galvanische Verfahren ablösen und hochproduktiv sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Gleitelementes zeigen die Patentansprüche 2 bis 5.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß bei Formteilen, wie Gleitlagerschalen, im Scheitelbereich eine Verschleißreserve aufgebaut wird, die allen betriebsbeding­ ten Belastungen gerecht wird. Derartige, durch Elektronenstrahlbedampfung auf­ gebrachte Schichten weisen gegenüber galvanisch aufgebrachten Schichten eine wesentlich höhere Dauerfestigkeit auf. So haben Versuche gezeigt, daß die Ge­ brauchsdauer im Hinblick auf vorgegebene Belastungen wesentlich verbessert wird, wenn die dickere Gleitschicht im Scheitelbereich durch Elektronenstrahlbe­ dampfung erzeugt wird. Hierfür sind folgende Ursachen ausschlaggebend:

Durch die energetischen Verhältnisse beim Bedampfen mit hoher Abscheiderate wird eine extreme Feinverteilung der dispers eingelagerten Komponenten in die Matrix der Dispersionslegierung erreicht. Die dabei entstehende Struktur der Schicht gewährleistet eine mit zunehmender Dicke der Gleitschicht steigende Tragfähigkeit. Zudem wirkt sich die ungleichmäßige Dicke der Gleitschicht auf die Ausbildung des Schmierkeils und das Einbettvermögen an den weniger abrasiv belasteten Gleitflächen im Bereich der Teilflächen positiv aus.

Es hat sich gezeigt, daß das erfindungsgemäße Dickenprofil der Gleitschicht in bezug auf den Krümmungsradius des Trägerelementes optimiert werden kann. Für große Krümmungsradien R ist das Verhältnis der Dicke D im Bereich des Scheitels zur Dicke d im Bereich der Teilfläche nicht so groß wie für kleine Krüm­ mungsradien eines Gleitlagers.

Die Tabelle zeigt für ausgewählte Krümmungsradien das zweckmäßige Schicht­ dickenverhältnis K = D/d.

Tabelle:

R in mm
Schichtdickenverhältnis K = D/d
20	1,9...2,1
30	1,8...2,0
40	1,7...1,9
60	1,5...1,7

Der genannte Zusammenhang zwischen Dickenprofil der Gleitschicht in bezug auf den Krümmungsradius läßt sich näherungsweise durch die Beziehung D/d = K(R) mit K(R) = 2R∘/(2R + R∘) + 1, verdeutlichen, wobei D die Dicke der Gleitschicht im Scheitel, d die Dicke der Gleitschicht an den Teilflächen, R der Krümmungsradius der Lagerschale und R∘ eine Normierungsgröße im Bereich von 10 bis 60 mm ist.

Die jeweilige konkrete geometrische Ge­ staltung der Gleitelemente und die spezifische Belastung bewirken eine gewisse Varianz der optimalen Schichtdickenverteilung.

Für das erfindungsgemäße Gleitelement haben sich insbesondere metallische Dispersionslegierungen, enthaltend mindestens ein Metall aus der Gruppe Al, Pb, Cd, Sn, Zn, Ni und Cu, bewährt. Vorzugsweise weist die Dispersionslegierung 15 bis 35 Gew.-% Sn und 0,1 bis 3,0 Gew.-% Cu und Al auf.

Es wird nach einer an sich bekannten Vorbehandlung auf den Trägerkörper mindestens die Gleitschicht durch Elektronenstrahlbedampfung aus einem Verdampfer aufgebracht. Zum Erreichen des erforderlichen Schichtdickenprofils ist das Gleitelement sta­ tionär und zentral über der Dampfquelle angeordnet und der Abstand zwi­ schen der Dampfquelle und dem Scheitelpunkt des Gleitelements wird derart einge­ stellt, daß eine raumwinkelabhängige Dampfdichteverteilung erfolgt. Dabei werden auch Blenden zum Einsatz kommen, die den Dampfraum begrenzen. Schließlich bestimmt die Kondensationsrate auch entscheidend die Schichtdic­ kenverteilung auf dem Gleitelement. Die Kondensationsrate muß deshalb auf ei­ nen Mindestwert eingestellt werden.

Das Verfahren hat den Vorteil, daß die Dispersionslegierung für die Gleitschicht aus einem Verdampfer aufgedampft werden kann, wobei es aber auch möglich ist, mindestens zwei Komponenten der Dispersionslegierung aus einzelnen eng nebeneinander angeordneten Verdampfertiegeln aufzudamp­ fen.

Das Verfahren zum Aufdampfen der Gleitschicht und/oder der Diffusionssperr­ schicht kann reaktiv unter Zufuhr eines Reaktionsgases und/oder plasmaaktiviert ausgeführt werden. Das Verfahren wird im wesentlichen durch die Auswahl des aufzudampfenden Materials bestimmt.

Der entscheidende Vorteil ist darin zu sehen, daß durch Anwendung des Verfahrens eine abfallende Gesamtwanddicke ohne mechanische Vorarbeit erreicht wird.

Anhand eines Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung ist ein Gleitelement dargestellt.

Die perspektivische Darstellung zeigt eine Lagerschale, bestehend aus einem Trägerkörper 1 aus Stahl, auf dem eine Zwischenschicht 2 aus Bleibronze, eine Diffusionssperrschicht 3 aus Nickel-Chrom sowie eine Gleitschicht 4 aus Alumini­ um-Zinn-Kupfer aufgebracht ist. Sie bilden ein Schichtsystem. Der Verlauf bzw. das Dickenverhältnis des Schichtsystems, im wesentlichen der Diffusionssperr­ schicht 3 und der Gleitschicht 4, ist derart ausgebildet, daß im Scheitelbereich 5, dem Bereich der höchsten abrasiven Belastung, das Schichtsystem seine max. Dicke x aufweist, die zu den Teilflächen 6 hin kontinuierlich abnimmt. Der Träger­ körper 1 und die Zwischenschicht 2 weisen dagegen eine kontinuierliche Dicke auf.

Das Verfahren zur Herstellung von Lagerschalen wird wie folgt ausgeführt: Auf den Trägerkörper 1 sind in bekannter Weise die Zwischenschicht 2 aus Blei­ bronze und die Diffusionssperrschicht 3 aus Nickel galvanisch oder aus Nickel- Chrom gesputtert aufgebracht. Danach wird der beschichtete Trägerkörper 1 entfettet und gereinigt.

In eine Vakuumbedampfungsanlage werden die so vorbehandelten Trägerkörper 1 mit der bereits aufgebrachten Zwischenschicht 2 und Diffusionssperrschicht 3 eingebracht und nach deren Evakuierung auf einen Druck von 0.01 Pa durch ei­ nen Sputterätzprozeß gereinigt. Nunmehr wird jeweils mindestens ein Trägerkör­ per 1 über den Verdampfer transportiert und während der Beschichtung fest und zentral zum Verdampfer positioniert. Der Abstand zwischen dem Verdampfertiegel und Scheitelbereich 5 des Trägerkörpers 1 wird dabei auf 200 mm eingestellt. Der Trägerkörper 1 ist zunächst durch eine bedienbare Blende vor Bedampfung ge­ schützt. Der Verdampfertiegel ist zum Aufbringen der Gleitschicht mit Material der Legierung AlSn20Cu0.25 gefüllt. Er wird durch den Elektronenstrahl einer axialen Elektronenkanone beheizt. Es wird ein bekanntes Verdampfungsverfahren ange­ wendet, das die weitgehende Übereinstimmung der Zusammensetzung von Ver­ dampfungs- und Schichtmaterial sichert. Die Bedampfungsrate in der Ebene des Scheitelbereiches des Trägerkörpers 1 wird auf 300 nm/s eingestellt.

Durch Öffnen der Blende wird die Bedampfung des Trägerkörpers 1 eingeleitet. Nach einer Zeit von 60 Sekunden wird die Blende geschlossen und die Bedamp­ fung abgebrochen. Durch die genannte Einstellung der Beschichtungsparameter wird bei Trägerkörpern 1 mit einem Krümmungsradius von 25 mm eine Schicht­ dicke von 18 µm im Scheitelbereich 5 und von 11 µm im Bereich der Teilflächen 6 erreicht. Die Schichtdickenverteilung entspricht damit der genannten Bedingung. Die unter den angegebenen Bedingungen durch Elektronenstrahlbedampfung abgeschiedene Gleitschicht erfüllt höchste Qualitätsanforderungen.

Zur Erhöhung der Produktivität des Verfahrens werden in bekannter Weise Lini­ enverdampfer eingesetzt und über diesen gleichzeitig mehrere Gleitelemente in Achsenrichtung nebeneinander angeordnet.

Claims (5)

1. Lagerschale mit konkaver Krümmung, deren auf einem Trägerkörper mit konstantem Innenkrümmungsradius im Vakuum durch Elektronenstrahl aufgedampftes Schichtsystem zu mindest die Gleitschicht aus einer metallenen Dispersionslegierung aufweist, die mindestens ein Metall aus der Gruppe Aluminium, Blei, Cadmium, Zinn, Zink, Nickel, Kupfer enthält, wobei die Komponenten der Dispersionslegierung überwiegend in ihrer metallenen Form und nur zu einem Bruchteil als oxidische, nitridische oder karbidische Verbindung aufgebracht sind, wobei mindestens diese Schicht des Schichtsystems im Bereich der höchsten abrasiven Belastung im Scheitelbereich (5) dicker als im Bereich der Teilflächen (6) ist, wobei die Dicke dieser Schicht vom Scheitelbereich (5) zu den Teilflächen (6) hin kontinuierlich abnimmt.

2. Lagerschale nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht des Schichtsystems eine Diffusionssperrschicht (3) ist.

3. Lagerschale nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionssperrschicht (3) im Scheitelbereich (5) dicker als im Bereich der Teilflächen (6) ist.

4. Lagerschale nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dispersionslegierung aus 15 bis 35 Gew.-% Zinn und 0,1 bis 3 Gew.-% Kupfer und Aluminium besteht.

5. Lagerschale nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionssperrschicht (3) aus Nickel/Zinn, Nickel/Kupfer, Nickel/Chrom, Titan oder Titannitrid besteht.