DE19525330A1 - Schichtwerkstoff - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Schichtwerkstoff mit einem unmittelbar auf einem
Trägerwerkstoff mittels Sputtern aufgebrachten Lagerwerkstoff, der einen
Matrixwerkstoff aus Kupfer oder Kupferbasislegierung mit feinverteilten
Bleieinlagerungen aufweist.
Werkstoffe auf Kupferbasis mit unterschiedlichen Legierungselementen finden
breite Anwendung als hochbelastbare Gleitlagerwerkstoffe in modernen
Verbrennungsmotoren. Ihre hohe Festigkeit zeichnet sie für den Einsatz als
Pleuellager, Hauptlager, Kolbenbolzen- und Kipphebelbuchsen sowie für den
Einsatz als Getriebeteile oder als Bauteile im allgemeinen Maschinenbau aus.
Mit zunehmendem Bleigehalt und z. B. abnehmendem Zinngehalt nimmt die
Anpassungsfähigkeit und Verträglichkeit mit dem Gegenläufer zu, wobei aber
die Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit deutlich abnimmt. Für den Einsatz
als Pleuel- oder Hauptlager im modernen Motorenbau werden diese Lager
deshalb meist mit einer, die Korrosionsbeständigkeit deutlich steigernden
galvanischen Drittschicht versehen. So gestaltete Pleuellager- bzw.
Kurbelwellenlager finden millionenfach Anwendung im Motorenbau. Der
Dreischichtaufbau dieser Schichtwerkstoffe ist jedoch verfahrenstechnisch
äußerst aufwendig.
Aus Gleitlager, E. Schmidt, R. Weber, 1953, S. 192 ist es bekannt, daß eine
eindeutige Korrelation zwischen der Gefügeausbildung bzw. Gefügegestalt und
dem Korrosionsverhalten bei Bleibronzen besteht. Dies bedeutet, daß je
feinkristalliner das Gefüge ist und damit auch je feiner die Bleiteilchen
innerhalb der Matrix verteilt sind, der Werkstoff umso korrosionsbeständiger
ist. Daneben wirkt sich eine möglichst feine globulistische Struktur der
Bleiteilchen vorteilhaft aus.
Um dem Verlust an Festigkeit der Matrix mit zunehmendem Bleigehalt
wirksam zu begegnen, wird eine möglichst feinkristalline Struktur angestrebt,
deren Realisierung aber z. B. auf gießtechnischem Wege nach unten Grenzen
gesetzt sind. Die weitaus günstigeren Festigkeitswerte bei feinkristallinen
metallischen Werkstoffen verglichen mit grobkristallinen basieren auf einem
die Festigkeit deutlich steigernden Effekt, der sich durch folgenden, in
Physikalische Metallkunde, Peter Haasen, 2. Auflage 1984, S. 246,
beschriebenen Hintergrund verstehen läßt:
In metallischen Werkstoffen wird eine Verformung durch das Wandern von
Gitterfehlern (Versetzungen) getragen. Liegt nun ein solcher Werkstoff mit
möglichst feinkristallinem Gefügeaufbau, d. h. hohem Korngrenzenanteil, vor,
kommt es bei einer Verformung und dem damit verbundenen Wandern von
Versetzungen zu einem Aufstau dieser an den Korngrenzen, die als Hindernisse
wirken. Hierdurch werden hohe innere Spannungsfelder induziert, die ein
weiteres Wandern der Versetzungen verhindern oder zumindest erschweren.
Dieser Sachverhalt führt zu einer direkten Korrelation zwischen Korngröße und
Festigkeit bei metallischen Werkstoffen über die Hall-Petch-Beziehung, wobei
diese sogenannte Korngrenzenverfestigung mit sinkendem Korndurchmesser d
gemäß d-0,5 zunimmt.
Diese Anforderungen an die Struktur bei der Herstellung von Gleitwerkstoffen
lassen sich durch die Anwendung der PVD-Technologie (Sputtern) zur
Abscheidung dieser Werkstoffgruppe hervorragend realisieren.
Aus der DE 28 53 724 ist es bekannt, daß mittels Kathodenzerstäubung von
Metallen, insbesondere AlSnCu-Legierungen, Gleitschichten hergestellt werden
können, die sich gegenüber Gußwerkstoffen gleicher chemischer
Zusammensetzung durch weitaus höhere Härten und einem damit verbundenen
hervorragenden Verschleißwiderstand auszeichnen. Diese höhere Festigkeit
wird durch in der Schicht fein verteilte harte Oxidteilchen bewirkt, was zu
einer Dispersionsverfestigung führt, die besonders bei höheren Temperaturen
gewährleistet, daß die mechanischen Kennwerte, wie Warmfestigkeit und
Warmverschleißfestigkeit, nicht deutlich absinken, wie es von Gußlegierungen
bekannt ist. Bei diesem bekannten Schichtwerkstoff, bei dem vorzugsweise
AlSn₂₀Cu₁ auf eine Bronzeschicht, z. B. aus CuPb₂₂Sn, aufgesputtert wird, ist
eine Diffusionssperrschicht erforderlich. Es werden hier
Diffusionssperrschichten aus Chrom/Nickel-Legierungen vorgeschlagen, weil
diese sich ebenfalls gut sputtern lassen und sich durch eine hervorragende
Haftfestigkeit auf dem Träger und hohe Wirksamkeit als Diffusionssperrschicht
auszeichnen. Das Vorsehen einer zusätzlichen Diffusionssperrschicht ist jedoch
aufwendig. Darüber hinaus besitzen diese bekannten Schichtwerkstoffe zwar
eine große Härte, jedoch Defizite bezüglich der Anpassungs- und
Einbettfähigkeit aufweist.
Um auf diese Nickel-Chrom-Zwischenschichten verzichten zu können, wurde
gemäß der EP 03 00 993 vorgeschlagen, die Sputterschicht derart auszubilden,
daß das Matrixmaterial ein ausgeprägtes Stengelwachstum zeigt, in deren
Zwischenräume die Weichphasen feindispers verteilt eingelagert sind. Durch
dieses Stengelwachstum, das über die Prozeßparameter eingestellt wird, sollte
auch die Abriebfestigkeit verbessert werden. Es hat sich jedoch als nachteilig
herausgestellt, daß die stengelförmigen Kristallite relativ groß sind, so daß kein
hoher Anteil an Korngrenzen erzielt werden konnte, wodurch die Festigkeit
sich als nicht ausreichend herausgestellt hat. Darüber hinaus ist die
Einbettfähigkeit der Lagerwerkstoffe nicht zufriedenstellend.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Schichtwerkstoff
bereitzustellen, dessen Laufschicht sich durch große Härte und gleichzeitig
gute Einbett- und Anpassungsfähigkeit sowie hohe Korrosionsbeständigkeit
auszeichnet.
Diese Aufgabe wird mit einem Schichtwerkstoff gelöst, dessen Matrixwerkstoff
isotrop mit polygonaler Korngestalt kristallisiert ist, wobei der mittlere
Kristallitdurchmesser 2-4 µm und die Korngröße der Bleiablagerungen
zwischen den Kristalliten das 0,2-0,4-fache des Kristallitdurchmessers
beträgt.
Es hat sich gezeigt, daß mit solchen CuPb-Systemen Härten erzielt werden
können, die zwischen 120 und 300 HV liegen. Schichten solch hoher Härten
werden in der Literatur über Gleitlager normalerweise als viel zu hart
angesehen, da sie jegliches Anpassungs- und Einbettvermögen, was als
typische Gleitlagerlegierungseigenschaft angesehen wird, vermissen lassen. Es
hat sich jedoch gezeigt, daß die erfindungsgemäßen Schichten sehr wohl als
hochbelastbare Gleitlager geeignet sind, weil als Folge des hohen Bleianteils
und der Unlöslichkeit von Blei in der Kupfer-Sputter-Matrix es während der
Einlaufphase im Betrieb eines solchen Gleitlagers sehr schnell zu einer
deutlichen Oberflächenanreicherung mit Blei kommt. Dies führt sogar so weit,
daß sich auf der Oberfläche eine festhaftende Schicht aus fast reinem Blei
ausbildet, die für ein sehr gutes Einlaufverhalten sorgt. Weiterhin hat sich
gezeigt, daß als Folge des sehr feinkörnigen Gefüges und dem damit
verbundenen großen Korngrenzenanteil jederzeit Blei aus dem Inneren der
Kupfer-Blei-Zinn-Matrix an die Oberfläche nachdiffundieren kann, d. h., wird
z. B. durch äußere Einflüsse die bleireiche Schicht gestört oder abgetragen, und
es kommt es relativ schnell zur Regeneration dieser Laufschicht. Die
Beweglichkeit der Bleieinlagerungen hängt offensichtlich weniger von der
absoluten Größe der Bleieinlagerungen als vielmehr von dem Matrixgefüge ab,
dessen feinkristalline Verteilung und Kristallitgröße auf die Größe der
Bleieinlagerungen abgestimmt sein muß. Außerdem gewährleistet die sehr feine
Bleiverteilung eine für hoch bleihaltige Lagerlegierungen ausgezeichnete
Korrosionsbeständigkeit.
Vorteilhafterweise weisen die Bleieinlagerungen einen mittleren
Korndurchmesser zwischen 0,4 µ-1,6 µm auf. Die obere Grenze des
mittleren Korndurchmessers liegt somit eine Größenordnung unterhalb der
Korndurchmesser, die auf gießtechnischem Wege hergestellt werden können.
Zu kleine Korndurchmesser, d. h. Korndurchmesser unter 0,6 µm können zwar
ebenfalls verwendet werden, hierbei ist es jedoch schwierig, den
Kristallitdurchmesser des Matrixmaterials entsprechend klein einzustellen,
damit das erfindungsgemäße Verhältnis von Kristallitdurchmesser zu
Korndurchmesser eingehalten werden kann. Vorzugsweise liegt der Bleianteil
bei 15-45 Gew.-%, wobei höhere Bleianteile von 30-45 Gew.-% bevorzugt
sind, um eine ausreichend dicke bleireiche Schicht auf der Oberfläche des
Lagerwerkstoffes zu erzielen.
Der Matrixwerkstoff kann noch weitere Zusätze einzeln oder in Kombination
enthalten. Hierzu zählen insbesondere Zinn, Nickel, Aluminium und Zink. Die
Anteile dieser Komponenten liegen vorzugsweise bei 0-10 Gew.-% für Zinn,
bei 2-8 Gew.-% für Nickel, bei 5-25 Gew.-% bei Zink und bei 2-10
Gew.-% für Aluminium.
Die Gesamtdicke der Laufschicht des Lagerwerkstoffes beträgt vorzugsweise
16-18 µm. Für besondere Anwendungsfälle kann der Lagerwerkstoff mit
einer galvanisch aufgebrachten Ternärschicht oder mit einem Flash versehen
sein. Eine solche Ternärschicht kann aus den an sich bekannten Systemen
PbSnCu oder SnSbCu bestehen. Sie wird vorzugsweise dann auf den
gesputterten Lagerwerkstoff aufgebracht, wenn der Schichtwerkstoff für
Anwendungsfälle mit besonders kritischer Einlaufphase vorgesehen ist und
dient dazu, die Zeit bis zu der endgültigen Ausbildung der bleireichen
Oberflächenschicht zu überbrücken. Die Dicke der Tenärschicht beträgt
vorzugsweise 3-8 µm und die Dicke des Flashs 1-3 µm. Die Dicke des
gesputterten Lagerwerkstoffes wird in diesem Fall auf 10-13 µm reduziert,
um die angestrebte Gesamtdicke von 16-18 µm nicht zu überschreiten.
Als Trägerwerkstoff kann ein Stahlstützmetall verwendet werden, auf das der
Lagerwerkstoff ohne weitere Zwischenschicht aufgebracht werden kann. Es
besteht aber auch die Möglichkeit, als Trägerwerkstoff einen kupferhaltigen,
insbesondere einen Trägerwerkstoff aus einer Kupfer-Blei-Zinn-Legierung zu
verwenden. Beispielsweise kann der Trägerwerkstoff aus CuPb₂₂Sn bestehen.
Wenn der Bleianteil des Trägerwerkstoffes in der Größenordnung des
Bleianteils des Lagerwerkstoffes liegt, besteht zwischen beiden Materialien
kein oder nur ein geringes Konzentrationsgefälle, so daß auch keine
Diffusionsvorgänge zwischen dem Lagerwerkstoff und dem Trägerwerkstoff
stattfinden können. Wenn der Trägerwerkstoff eine höhere Bleikonzentration
als der Lagerwerkstoff aufweist, wird die Abwanderung des Bleis an die
Oberfläche des Lagerwerkstoffes zusätzlich begünstigt. Die Kupfer-Blei-Zinn-
Legierung, die den Trägerwerkstoff bildet, kann auf ein Stahlstützmetall
gießplattiert sein.
Der erfindungsgemäße Schichtwerkstoff zeichnet sich dadurch aus, daß das
Material des Trägerwerkstoffes, also z. B. die gießplattierte CuPbSn-Schicht,
weicher ist als das Gleitmaterial, wobei die Gleitmaterialschicht an ihrer
Oberfläche in einem bestimmten Bereich durch die sich ausbildende Pb-reiche
Zone wiederum weicher ist als das Gleitmaterial. Ein Schichtaufbau, mit
derartigen Härteabstufungen weist eine große Verschleißbeständigkeit,
Korrosionsbeständigkeit sowie eine hervorragende Einbett- und
Anpassungsfähigkeit auf.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand
der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Schichtwerkstoff im Schnitt,
Fig. 2 die in Fig. 1 gezeigte Sputterschicht in vergrößerter
Darstellung,
Fig. 3 die Sputterschicht in vergrößerter Darstellung nach der
Einlaufphase und
Fig. 4a-d eine rastermikroskopische Oberflächenaufnahme nach einem
Laufversuch, vor (a) und nach Entfernen (b) der Pb-reichen
Schicht, sowie die dazugehörigen Röntgenspektren (c, d).
In der Fig. 1 ist der Schichtwerkstoff 1 im Schnitt dargestellt, der aus einem
Trägerwerkstoff 2 besteht, auf dem der Lagerwerkstoff als Gleitschicht 6
aufgesputtert ist. Es handelt sich hierbei um eine Kupfer-Blei-Legierung, die in
der Fig. 2 vergrößert dargestellt ist. Das Matrixmaterial 4, das in dem hier
gezeigten Beispiel aus Kupfer besteht, ist isotrop mit polygonaler Korngestalt
kristallisiert, d. h. es gibt keine Vorzugsrichtung oder gar ein Stengelwachstum.
An den Korngrenzen sind Bleiteilchen 3 eingelagert, deren Korngrößen im
Bereich des 0,2-0,4 µm-fachen der Matrixkristalle liegen.
In der Fig. 3 ist ein Schnitt durch die in Fig. 2 gezeigte Sputterschicht 6
nach der Einlaufphase dargestellt. Unter Einlaufphase wird die Phase
verstanden, bis sich Gleitlager und Gegenläufer in ihrer Oberflächenstruktur
aneinander angepaßt haben. Aufgrund der Wärmeentwicklung wandert das Blei
über die Korngrenzen des Matrixwerkstoffes 4 an die Oberfläche und bildet
dort eine weiche Deckschicht 5, die 1-3 µm dick ist.
Fig. 4a zeigt eine Oberflächenaufnahme einer gelaufenen Lagerschale.
Deutlich erkennbar ist das gute Anpassungsverhalten der Sputterschicht, was
sich in der Riefenausbildung, verursacht durch Schmutzpartikel im Öl
widerspiegelt.
Fig. 4b zeigt ebenfalls eine Oberflächenaufnahme der gleichen Lagerschale
jedoch nach Entfernen der Pb-reichen Deckschicht. Die dazugehörigen
Röntgenspektren belegen den hohen Pb-Gehalt der Deckschicht (Fig. 4c), der
sich während der Einlaufphase ausbildet und verantwortlich ist für das
erwähnte gute Anpassungsvermögen der Laufschicht. Nach Entfernen der Pb-reichen
Schicht ist in Fig. 4d die Zusammensetzung der darunterliegenden
Bereiche dargestellt.
Bezugszeichenliste
1 Schichtwerkstoff
2 Trägerwerkstoff
3 Bleiteilchen
4 Matrixwerkstoff
5 Deckschicht
6 Gleitschicht
2 Trägerwerkstoff
3 Bleiteilchen
4 Matrixwerkstoff
5 Deckschicht
6 Gleitschicht
Claims (14)
1. Schichtwerkstoff mit einem unmittelbar auf einem Trägerwerkstoff
mittels Sputtern aufgebrachten Lagerwerkstoff, der einen
Matrixwerkstoff aus Kupfer oder Kupferbasislegierung mit fein
verteilten Bleieinlagerungen aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Matrixwerkstoff (4) isotrop mit polygonaler Korngestalt
kristallisiert ist, wobei der mittlere Kristallitdurchmesser 2-4 µm und
die Korngröße der Bleieinlagerungen (3) das 0,2-0,4-fache des
Kristallitdurchmessers beträgt.
2. Schichtwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Bleieinlagerungen (3) einen mittleren Korndurchmesser zwischen
0,4 µm und 1,6 µm aufweisen.
3. Schichtwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Bleianteil 15 bis 45 Gew.-% beträgt.
4. Schichtwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Bleianteil 30 bis 45 Gew.-% beträgt.
5. Schichtwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Matrixwerkstoff (4) folgende Zusätze einzeln
oder in Kombination enthält: Zinn, Nickel, Aluminium, Zink.
6. Schichtwerkstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zusätze in folgenden Anteilen im Matrixwerkstoff (4)
enthalten sind: Zinn 0 bis 10 Gew.-%, Nickel 2 bis 8 Gew.-%,
Zink 5 bis 25 Gew.-%, Aluminium 2 bis 10 Gew.-%.
7. Schichtwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Lagerwerkstoff mit einer galvanisch
aufgebrachten Ternärschicht oder mit einem Flash versehen ist.
8. Schichtwerkstoff nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Dicke der Ternärschicht 3 bis 8 µm und die Dicke des Flash 1 bis 3 µm
beträgt.
9. Schichtwerkstoff nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dicke des Lagerwerkstoffes 10 bis 13 µm
beträgt.
10. Schichtwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gesamtdicke der Laufschicht aus
Lagerwerkstoff und Ternärschicht oder Flash 16 bis 18 µm. beträgt.
11. Schichtwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der Trägerwerkstoff Kupfer enthält.
12. Schichtwerkstoff nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der
Trägerwerkstoff eine Kupfer-Blei-Zinnlegierung ist.
13. Schichtwerkstoff nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kupfer-Blei-Zinnlegierung auf ein
Stahlstützmetall gießplattiert ist.
14. Schichtwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der Trägerwerkstoff ein Stahlstützmetall ist.
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