DE19514836C2 - Lagerschale - Google Patents
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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.
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.
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