DE3304740A1

DE3304740A1 - Mehrschichten-gleitlager

Info

Publication number: DE3304740A1
Application number: DE19833304740
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl.-Chem.Dr. 6365 Rosbach Hodes; Peter 6200 Wiesbaden Lippok; Bernd Dipl.-Ing. 6502 Mainz-Kostheim Miotk
Original assignee: GLYCO METALL WERKE; Glyco Metall Werke Daelen und Loos GmbH
Current assignee: Glyco AG
Priority date: 1983-02-11
Filing date: 1983-02-11
Publication date: 1984-08-16
Also published as: JPS59147118A; IT8419517A0; ES529655A0; US4562122A; GB2137288B; FR2540949A1; ES8501074A1; GB8400805D0; BR8400447A; DE3304740C2; GB2137288A; FR2540949B1; IT1175325B

Description

Dipl.-Phys. Heinrich Seids · Patentanwalt·.-bierstadter Hohe 15 · Postfach 51ϋά · 6200 Wiesbaden 1 ■ §Γ (0 6121) 56 2022

Die Erfindung bezieht sich auf Mehrschichten-Gleitlager, die aus einem festen, metallischen Stützkörper, einer weicheren, metallischen Tragschicht und einer galvanisch aufgetragenen metallischen Gleitschicht bestehen, wobei die Tragschicht und die Gleitschicht aus voneinander verschiedenen Metallen bzw. metallischen Legierungen bestehen und zwischen der Tragschicht und der Gleitschicht eine Einlageschicht angebracht_# ist.

Aus DE-PS 844 507 ist ein Versuch bekannt, eine maximal 1,2 um dicke Kupferschicht als. weichere, aber trotzdem eine hinreichende Bindungsfestigkeit sichernde Einlageschicht vorzusehen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Kupferschicht zwar zunächst geeignet ist, eine ausreichende Bindung zwischen einer Tragschicht aus Aluminium-Lagerwerkstoff und der eigentlichen Gleitschicht herzustellen. Bei thermischer Belastung des Lagers, insbesondere in Verbrennungsmotoren, wandert aus der aus PbSnCu oder PbSn bestehenden Gleitschicht Zinn in diese Einlageschicht aus Kupfer ab und bildet dort spröde intermetallische Phasen aus Kupfer/Zinn.

Diese intermetallischen Phasen führen nach kurzer Zeit unter dynamischer Belastung zu Ablösungen der Einlageschicht vom Aluminium-Lagerwerkstoff und damit auch der galvanisch aufgebrachten Gleitschicht, so daß die Lagerstelle nicht mehr den an sie gestellten Forderungen entsprechen kann. Hinzu kommt, daß durch die Abwanderung, von Zinn aus der galvanisch aufgebrachten Gleitschicht aus PbSnCu oder PbSn die Korrosionsbeständigkeit der Gleitschicht stark gemindert wird.

Aus US-PS 2,635,020 ist es bekannt, bei Gleitlagern mit Stützkörper aus Stahl, Tragschicht aus Bronze und galvanisch aufgebrachter Gleitschicht aus zinnhaltigen Legierungen eine Zwischenschicht aus CuZn (Messing) vorzusehen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß eine solche Einlageschicht aus Messing die Abwanderung von Zinn aus der Gleitschicht in nur

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relativ geringem Maße vermindert. Dies gilt auch für Einlageschichten aus Messing zwischen Tragschichten aus Aluminium-Lagermetall und galvanisch aufgebrachten zinnhaltigen Gleitschichten.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen Aufbau für Mehrschichten-Gleitlager der eingangs angeführten Art vorzuschlagen, bei welchem die zwischen der Tragschicht und der Gleitschicht angebrachte Einlageschicht wesentlich verstärkte Bindungseigenschaften sowohl zur Tragschicht als auch zur Gleitschicht - vergleichsweise zu Einlageschichten aus Kupfer oder Kupfer/Zink - hin bei Sicherstellung guter Diffusionsabsperrung für metallische Bestandteile der Tragschicht und der Gleitschicht entwickelt, wobei die Abriebeigenschaften der Einlageschicht zur Vermeidung von Fressen des Gegenläufers bei teilweise abgeriebener Gleitschicht an die Abriebeigenschaften der Gleitschicht und der Tragschicht anpaßbar sein sollen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einlageschicht in Art einer, die Diffusion von metallischen Bestandteilen aus der Gleitschicht, in die Tragschicht und umgekehrt verhindernden oder hemmenden Schicht aus einer dauerhaften Flächenbindung mit dem Material der Gleitschicht eingehenden eigentlichen B i'ndungs schicht und eine dauerhafte Flächenbindung mit dem Material der Tragschicht eingehenden Vorschicht aufgebaut ist.

Durch diesen doppelschichtigen Aufbau der Einlageschicht wird nicht allein die Materialauswahl für die eigentliche Bindungsschicht und die yorschicht im Hinblick auf optimale Bindung mit der Tragschicht und der Gleitschicht ermöglicht, sondern auch vermieden, daß durch Eindiffundieren von metallischen Bestandteilen aus der Gleitschicht und/oder der Tragschicht in die Einlageschicht die Bindungseigenschaften im Betrieb verschlechtert und die Gleiteigenschaften und Korrosionsfestigkeit, insbesondere der

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Gleitschicht, während des Betriebes nachteilig beeinflußt werden,

Als besonders überraschend hat sich ergeben, daß nach Verschleiß der Gleitschicht die Bindungsschicht und die Vorschicht an den freigelegten stellen überhaupt nicht mehr auf der Lagerlauffläche feststellbar sind oder in eine dünne Auflage auf der Tragschicht übergehen. Diese Erscheinung läßt sich offenbar damit erklären, daß das Merkmal der eigentlichen Bindungsschicht und der Vorschicht mit den Additiven des Schmiermittels chemisch reagieren.

Die Vorschicht kann galvanisch auf die Oberfläche der Tragschicht, die eigentliche Bindungsschicht galvanisch auf die Oberfläche der Vorschicht und die Gleitschicht galvanisch auf die Oberfläche der eigentlichen Bindungsschicht aufgebracht werden.

Beispielsweise können bei einer Tragschicht aus zumindest Notlaufeigenschaften aufweisender Lagerlegierung, beispielsweise Aluminium-Legierung und einer Gleitschicht aus zinnhaltiger Legierung auf Bleibasis, die eigentliche Bindungsschicht aus zinnhaltiger Kupfer-Legierung und die Vorschicht aus Zink oder/und Zinn bestehen. Dabei kann die eigentliche Bindungsschicht aus einer Legierung mit 30 bis 70 Gew.-% Zinn, Rest vorwiegend Kupfer, bestehen und eine Dicke von ca. 0,001 bis ca. 0,015 mm, vorzugsweise zwischen' etwa 0,001 und 0,004 mm, aufweisen. Eine Vorschicht aus Zink oder/und Zinn kann eine Dicke ^ 0,0015 mm aufweisen.

Die Erfindung hat sich überraschend besonders vorteilhaft in Verbindung mit an sich bekannten Rillenlagern erwiesen. Bei solchen Rillenlagern ist die Gleitschicht in Art von sich im wesentlichen in Umfangsrichtung erstreckenden Streifen, beispielsweise schraubenförmigen Streifen, in die Tragschicht eingelegt. Erfindungsgemäß wird man dann die streifenförmig in die Tragschicht eingelegte Gleitschicht innerhalb der Tragschicht mit einer eigentlichen

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Bindungsschicht und diese wiederum mit einer Vorschicht unterlegen.

Bevorzugt wird man bei einem solchen Rillenlager die eigentliche Bindungsschicht und die Vorschicht an den Rändern der streifenförmig in die Tragschicht eingelegten Gleitschicht bis- in die Lagerlauffläche erstrecken. Hierdurch wird nicht allein eine auch seitliche Abdeckung der streifenförmigen Gleitschicht gegenüber der Tragschicht erreicht, sondern auch das Material der eigentlichen Bindungsschicht und das Material der Vorschicht in der Lagerlauffläche bereitgehalten. Es hat sich nämlich überraschend herausgestellt, daß sich dann das Material der eigentlichen Bindungsschicht und ggf. auch das Material der Vorschicht während des Betriebs des Gleitlagers über di'e in der Lagerlauffläche liegende Oberfläche der Tragschicht verteilt. Hierdurch werden neben den grundsätzlichen Vorteilen der Ausbildung als Rillenlager, wie erhöhte Belastungsfähigkeit, auch die Gleiteigenschaften wesentlich verbessert.

Will man die Materialien der eigentlichen Bindungsschicht und der Vorschicht in der Lagerlauffläche wirksam werden lassen, so empfiehlt es sich die Seitenränder der streifenförmig in die Tragschicht eingelegten Gleitschicht sich nach der Tiefe der Tragschicht hin verjüngend geneigt auszubilden. Dadurch sind die eigentliche Bindungsschicht und die Vorschicht in der Lagerlauffläche schräg angeschnitten, ^ind halten unter Ausbildung einer vergrößerten Zugangsfläche mehr von ihrem Material in der Lagerlauffläche bereit. Empfehlenswert erscheinen dabei Neigungswinkel der Gleitschicht-Seitenränder, beispielsweise zwischen 45 und 75 .

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:

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Fig. 1 eine Halbschale eines erfindungsgemäßen Mehrschichten-Gleitlagers in perspektivischer Darstellung;

Fig. 2 einen Teilschnitt A-B der Figur 1, stark vergrößert und

Fig. 3 einen Teilschnitt entsprechend Figur 2 an einem erfindungsgemäß ausgebildeten Rillenlager.

Im Beispiel der Figuren 1 und 2 weist das Mehrschichten-Gleitlager einen metallischen Stützkörper 5 aus Stahl, eine weichere, metallische Tragschicht 4 aus Aluminium-Lagermetall und eine Gleitschicht 1 aus einer Legierung, beispielsweise PbSnlOCu2 oder aus Blei-Zinn-Legierung auf. Zwischen der Tragschicht 4 und der Tragschicht 1 ist eine Einlageschicht 2, 3 angebracht, die aus einer eigentlichen Bindungsschicht 2 und einer Vorschicht 3 besteht. Die eigentliche Bindungsschicht 2 besteht aus einer Legierung mit einem prozentualen Zinngehalt oberhalb von 30 Gew.-%. Sie hat eine Dicke zwischen etwa 0,001 und etwa 0,015 mm. Die Vorschicht 3 besteht im Beispiel der Figur 1 aus Zinn und hat eine Dicke von etwa 0,001 mm.

Zur Herstellung des Gleitlagers wurde zunächst bandförmiges Aluminium-Lagermetall auf ein Stahlband plattiert. Aus Zuschnitten aus diesem Bimetall-Material wurde die in Figur 1 gezeigte Gleitlagerschale geformt. Nach dem Formen ist auf die Oberfläche der Tragschicht 4 aus Aluminium-Lagermetall die Vorschicht 3 galvanisch aufgebracht, über die Vorschicht ist die eigentliche Bindungsschicht 2 galvanisch aufgebracht. Schließlich ist über diese eigentliche Bindungsschicht 2 die Gleitschicht 1 galvanisch aufgebracht. Bei Versuchen mit derartigen Gleitlagern hat sich gezeigt, daß die CuSn-Bindungsschicht 2 zwischen dem auf Stahl plattierten Aluminium-Lagermetall und aus einer Legierung, beispielsweise PbSnCu oder PbSn bestehenden Gleitschicht 1, dann keine

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Ablösungserscheinungen und Lagerausfälle zeigte, wenn der prozentuale Anteil an Zinn in der CuSn-Bindungsschicht größer als 30 Gew.-% war. Die Diffusion des aus der galvanisch aufgebrachten Gleitschicht 1 abwandelnden Zinns, ist vernachlässigbar klein. Desweiteren wurde überraschenderweise bei den eingehenden Untersuchungen unter Mangelschmierung festgestellt, daß selbst nach dem Verschleiß der aus PbSnCu oder PbSn bestehenden, galvanisch aufgebrachten Gleitschicht 1 zwischen der CuSn-Bindungsschicht und der metallischen Wellenwerkstoff keine Freßerscheinungen auftraten. Dagegen wurden bei Versuchen unter gleichen Bedingungen mit Gleitlagern auf der Basis Stahl/Aluminium-Lagermetall/Nickel-Zwischenschicht/ galvanisch aufgebrachte Gleitschicht aus PbSnCu oder PbSn nach dem Verschleiß der Gleitschicht bei Prüfläufen Ausfälle (Fresser) festgestellt.

Versuchsreihen haben ergeben, daß die vorstehend geschilderten Vorteile der eigentlichen Bindungsschicht nur dann erreicht werden, wenn zwischen der Tragschicht 4, insbesondere einer Tragschicht aus Aluminium-Lagermetall und der eigentlichen Bindungsschicht 2 eine Vorschicht aus Zinn oder Zink und einer Dicke von etwa<1,5 um erzeugt wird.

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Im Beispiel der Figur 3 handelt es sich um ein hochbelastbares Gleitlager in Form eines Rillenlagers, bei dem die Gleitschicht 1 in streifenförmigen, sich im wesentlichen in Umfangsrichtung erstreckenden Bereichen, beispielsweise schraubenförmig angeordneten Bereichen in die Tragschicht eingelegt ist. Wie die Zeichnung zeigt, ist die Gleitschicht 1 innerhalb der Tragschicht 4 mit der eigentlichen Bindungsschicht 2 unterlegt. Unter der eigentlichen Bindungsschicht 2 liegt innerhalb der Tragschicht 4 die Vorschicht 3. Die Seitenränder der streifenförmig in die Tragschicht 4 eingelegten Gleitschicht 1 sind nachher Tiefe der Tragschicht 4 hin verjüngend geneigt mit einem Neigungswinkel*» der im dargestellten Beispiel etwa 60 beträgt. Dabei sind die eigentliche Bindungsschicht 2 und die Vorschicht 3 an den Seitenrändern der Gleitschicht 1 bis in die Lagerlauffläche 6 erstreckt. Dadurch wird die Lagerlauffläche 6 teilweise durch die Oberfläche der Tragschicht und teilweise durch die Oberfläche der Gleitschicht 1 sowie zu einem weiteren Teil durch die schräg geschnittenen Querschnittsflächen der Bindungsschicht und der Vorschicht gebildet. Das Material der Bindungsschicht 2 und das Material der Vorschicht 3 wird dem Betrieb des Gleitlagers über die gesamte Lagerlauffläche 6 verteilt und bildet im Zusammenwirken mit im Schmiermittel enthaltenen Additiven eine,die gesamte Lagerlauffläche 6 überdeckende dünne Auflage, die die Gleiteigenschaften, insbesondere in den Oberflächenbereichen der Tragschicht 4 wesentlich verbessert.

Wie im Beispiel nach Figur 1 und 2, kann auch in diesem Beispiel der Stützkörper 5 aus Stahl bestellen. Die Tragschicht 4 kann aus Aluminium-Lagermetall und die Gleitschicht 1 aus zinnhaltiger Lagerlegierung, beispielsweise PbSnCu oder PbSn bestehen. Die Materialien und die Dicken der Bindungsschicht 2 und der Vorschicht 3 können im wesentlichen gleich wie im Beispiel der Figuren 1 und 2 vorgesehen sein.

PATENTANWALT DIPt.:^:P"HYS/HEINRICH SEIDS

6200 Wiesbaden ι · Bierstadter Höhe 15 · Postfach 5105 · Telefon (o 6121) 56 20 Postsdiedc Frankfurt/Main 2810 08 - £02 · Bank Deutsche Bank 306 571 · Nass. Sparkasse 120 040

Wiesbaden, den 10. Februar 1983 G 556 VNR IO 7565 S/we

Glyco-Metall-Werke Daelen & Loos GmbH Stielstraße 11

6200 Wiesbaden

Mehrschichten-Gleitlager

Bezugszeichenliste

1 Gleitschicht

2 eigentliche Bindungsschicht

3 Vorschicht

4 Tragschicht

5 Stützkörper

6 Lagerlauffläche el Neigungswinkel

- Leerseite -

Claims

PATENTANWALTDIPL-PHYS. HEINRICH SEIDS

6200 Wiesbaden α · Bierstadter Höhe 15 · Postfach 5105 · Telefon (o 6121) 56 20 22 Postscheck Frankfurt/Main 1810 08 - 602 · Bank Deutsche Bank 306 571 · Nass. Sparkasse 020 040 995

Wiesbaden, den 10. Februar 1983 G 556 VNR 10 7565 S/we

Glyco-Metall-Werke Daelen & Loos GmbH Stielstraße 11

6200 Wiesbaden

Mehrschichten-Gleitlager

Patentansprüche

/'l.WMehrschichten-Gleitlager bestehend aus einem festen, ^-^ metallischen Stützkörper, einer weicheren, metallischen Tragschicht und einer galvanisch aufgetragenen, metallischen Gleitschicht, wobei die Tragschicht und die Gleitschicht aus voneinander verschiedenen Metallen bzw. metallischen Legierungen bestehen und zwischen der Tragschicht und der Gleitschicht eine Einlageschicht angebracht ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einlageschicht in Art einer,die Diffusion von metallischen Bestandteilen aus der Gleitschicht in die Tragschicht und umgekehrt verhindernden oder hemmenden Schicht aus einer dauerhaften Flächenbindung mit dem Material der Gleitschicht (1) eingehenden eigentlichen Bindungsschicht (2) und einer dauerhaften Flächenbindung mit dem Material der Tragschicht (4) eingehenden Vorschicht (3) aufgebaut ist.
2.) Mehrschichten-Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschicht (3) galvanisch auf die Oberfläche der Tragschicht (4), die eigentliche Bindungsschicht (2) galvanisch auf die Oberfläche der Vorschicht

Dipl.-Fhys. Heinrich Seids · Patentanwalf'SiersFaclter HShel5"."Postfä(3i S105 · 6200 Wiesbaden 1 . ζ? (06121) 56 20

(3) und die Gleitschicht (1) galvanisch auf die Oberfläche der eigentlichen Bindungsschicht (2) aufgebracht sind.
3.) Mehrschichten-Gleitlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Tragschicht (4) aus zumindest Notlaufeigenschaften aufweisender Lagerlegierung, beispielsweise Aluminium-Legierung und einer Gleitschicht (1) aus zinnhaltiger Legierung auf Bleibasis, die eigentliche Bindungsschicht (2) aus einer Legierung, bestehend im wesentlichen aus Kupfer und Zinn und die Vorschicht (3) aus Zink oder/und Zinn besteht.
4.) Mehrschichten-Gleitlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eigentliche Bindungsschicht (2) aus einer Legierung mit 30 bis 70 Gew.-% Zinn, Rest vorwiegend Kupfer besteht und eine Dicke von ca. 0,001 bis ca. 0,015 mm, vorzugsweise zwischen etwa 0,001 und 0,004 mm, aufweist.
5.) Mehrschichten-Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Vorschicht (3) aus Zink oder/und Zinn in einer Dicke. von<o,00l5 mm.
6.) Mehrschichten-Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht (1) in Art bekannter Rillenlager streifenförmig in die Tragschicht

(4) eingelegt" und innerhalb der Tragschicht (4) mit der Bindungsschicht (2) und diese wiederum mit der Vorschicht

(3) unterlegt ist.

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7.) Mehrschichten-Gleitlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die eigentliche Bindungsschicht (2) und die Vorschicht (3) an den Rändern der streifenförmig in die Tragschicht (4) eingelegten Gleitschicht (1) bis in die .Lagerlauffläche (6) erstreckt sind.
8.) Mehrschichten-Gleitlager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenränder der streifenförmig in die Tragschicht (4) eingelegten Gleitschicht (1) sich nach der Tiefe der Tragschicht (4) hin verjüngend geneigt sind, beispielsweise mit einem Neigungswinkel (^) zwischen 45° und 75°.

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