DE3936498A1 - Verfahren zur herstellung einer gleitschicht fuer gleitlager - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers zur Verwendung in Verbrennungsmotoren. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung der Gleitschicht von Lagern mit hoher Beanspruchbarkeit, die zur Verwendung in Verbindungsstangen oder Pleuelstangen und Kurbel­ wellen beabsichtigt sind.

Im allgemeinen bestehen einfache mehrschichtige Gleitlager aus Metall aus einer Unterlagsschicht (meist aus Stahl oder Aluminium), einer Zwischenschicht (gewöhnlich aus Aluminium oder einer Legierung auf Kupferbasis), in manchen Konstruktionen einer Diffusions- oder Binde­ schicht (im allgemeinen aus Kupfer, Nickel, Cu-Sn- oder Cu-Zn-Legie­ rungen) und einer Gleitschicht (im allgemeinen aus einer Kupfer /Zinn/Blei-Legierung). Auf die Gleitschicht kann eine Antikorrosions­ schicht auf Zinnbasis aufgebracht werden. Lager mit diesen Konstruktions­ merkmalen sind bekannt und in der Literatur gut beschrieben, wie z. B. in Metals Handbook, im Kapitel "Materials for Sliding Bearings", insbe­ sondere in dem "Laminated Construction" betitelten Absatz.

Im allgemeinen werden diese Lager durch die aufeinanderfolgende Abscheidung, beginnend mit der Zwischenschicht, verschiedener Schichten hergestellt, die nach verschiedenen Verfahren, z. B. Gießen, Sintern, Elektroplattieren oder Bedampfen, aufgebracht werden. Am häufigsten wird das Elektroplattierverfahren angewendet. Bei diesem Verfahren werden die Lager nacheinander chemischen Lösungen ausgesetzt, die die Elemente oder Legierungen enthalten, welche in Schichten abgeschieden werden, bis das Lager gebildet ist.

In der Absicht, die Strukturfestigkeit der Gleitlager wie z. B. Radiallager, insbesondere ihrer Gleitschicht, zu verbessern, ist erfindungsgemäß eine spezielle Struktur für diese Gleitschicht entwickelt worden, die aus alternierenden Schichten eines weicheren Matrials und Schichten eines härteren Materials aufgebaut wird, wodurch eine Laminatstruktur gebildet wird.

Dieses Konstruktionskonzept wird in der brasilianischen Patentanmeldung 88 04 586 vom 17. Oktober 1988 beschrieben und veranschaulicht. Danach bestehen die Schichten des weicheren Materials aus einer Cu-Sn-Pb-Le­ gierung und die Schichten des härteren Materials aus reinem Kupfer oder einer Kupfer-Zinn-Legierung. Diese mit Kupfer oder einer Kupfer- Zinn-Legierung verstärkte Gleitschichtstruktur zeigt bezüglich Bean­ spruchbarkeit bzw. Tragfähigkeit verbesserte Eigenschaften, was sich in einer höheren Beständigkeit gegen Ermüdung zeigt, während andere wünschenswerte Eigenschaften, z. B. die Einbettbarkeit von Fremdteilchen im Schmieröl und die Paßfähigkeit zum Ausgleichen von Fehlausrich­ tungen der Welle, beibehalten werden. Gemäß der Anmeldung sind die anzuwendenden Verfahren das Gießen, Elektroplattieren oder Sputtern bzw. Metallspritzen. Obgleich wirksam, sind alle diese Verfahren außer dem Elektroplattieren unwirtschaftlich. Andererseits erfordert das übliche Elektroplattierverfahren zur Herstellung der Gleitschicht mit Laminatstruktur die Durchführung der Abscheidung in mindestens zwei Lö­ sungen, was ein langsames, kompliziertes und kostspieliges Verfahren ergibt, das einen ausgedehnten Herstellungsraum und intensive Wartung der Elektroplattierlösung erfordert.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens zur Bildung einer Laminatgleitschicht durch Elektroplattieren, das wirk­ samer, schneller und wirtschaftlicher ist und die Qualität der so erhalte­ nen Lager im Vergleich zu den Eigenschaften von Lagern, die nach üblichen Verfahren hergestellt sind, verbessert.

Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Ver­ fahrens zur Bildung einer Gleitschicht für Gleitlager, die eine mehr­ schichtige Laminatstruktur aufweisen.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die der Elektro­ plattierung zu unterwerfenden Metallsubstrate in eine einzige chemische Lösung eingetaucht, die alle zum Aufbau der verschiedenen Schichten erforderlichen Elemente enthält, welche die Gleitschichtlaminatstruktur bilden.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auch die selektive Ab­ scheidung der die Schichten aus weicherem Material und härterem Ma­ terial bildenden Elemente mittels der Regelung des elektrischen Poten­ tials und der Stromdichten durchgeführt, welche auf die chemische Lösung als Funktion der Aufbringzeit angelegt werden.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Gleitlagers, dessen Gleitschicht mit Laminatstruktur verbesserte Beständigkeit gegen Ermüdung und Abnutzung zeigt.

Diese und weitere Ziele werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen

Fig. 1 eine beispielhafte schematische Darstellung der Parameter ist, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens angewendet werden, und

Fig. 2 ein Querschnitt der Laminatgleitschicht ist, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wird, dargestellt durch ein 580fach vergrößertes Mikrobild.

Erfindungsgemäß wird eine Lösung hergestellt, die im wesentlichen Kupfer-, Zinn- und Bleisalz enthält. Der Lösung wird eine bestimmte Menge einer der Verbindungen zugegeben, die durch die folgenden drei beispielhaften Strukturen dargestellt werden:

In obiger Formel bedeutet X entweder Schwefel oder Stickstoff. C bedeutet ein Kohlenstoffatom. Die Reste R₁ und R₂ stellen die erlaubten Variationen in Form eines einfachen Wasserstoffatoms bis zu den typischen Strukturen anorganischer Verbindungen oder aliphatische, aromatische, alicyclische oder cyclisch-kettenförmige organischer Reste dar. Durch sukzessiven Ausschluß dieser Reste, zu jeder Zeit eines Restes, ist es möglich, daß das X-Atom mit dem C-Atom eine chemische Einfach-, Doppel- oder Dreifachbindung bildet, was bezüglich der Bindungen stets in Übereinstimmung mit der Valenztheorie stehen muß. Es ist selbstverständlich, daß das Wasserstoffatom in diese beispielhaften Strukturen einbezogen wird, wenn es erforderlich ist, um die chemischen Valenzen sowohl des C-Atoms als auch des X-Atoms abzusättigen bzw. zu vervollständigen, was von der Priorität der Bindungen in den Resten abhängig ist. In der obigen beispielhaften Struktur (3) ist die cyclische Kette aus 4 Kohlenstoffatomen und einem X-Atom lediglich ein Beispiel. Dies bedeutet, daß die cyclischen Ketten 4 oder mehr Kohlenstoffatome enthalten können. Auch können Reste R₁ und R₂ in der cyclischen Kette an jedes beliebige Kohlenstoffatom gebunden sein. Ebenso ist es keine Hinderung für das X-Atom, in anderen Stellungen der beispielhaften chemischen Struktur der Reste R₁ und R₂ wiederholt zu werden.

Als Beispiele von Verbindungen einer derartigen Molekularstruktur und einem die Stellung X einnehmenden Schwefelatom kann man Thionikotin­ amid, Thioisonikotinamid, 1-Alkyl-2-thioharnstoff, Thioharnstoff, Thio­ phen und Thiosemicarbazid nennen. Eine von derartigen Verbindungen wird der Lösung in einer Menge von 0,2 bis 5,0 g/l zugefügt. Danach werden die der Elektroplattierung zu unterwerfenden Metallsubstrate in die Lösung eingetaucht, deren Temperatur auf etwa 25 bis 30°C eingeregelt wird. Danach wird ein elektrischer Strom einer Dichte zwischen 0 und 80 A/dm² und eines Potentials von -1,5 bis +0,5 Volt, gemessen gegen eine gesättigte Kalomel-Elektrode, durch die Lösung geleitet. Dann erfolgt die sukzessive und mehrschichtige elektrische Metallabscheidung der alternierenden Schichten aus einem weicheren Material, eine Cu-Sn-Pb-Legierung, und dem härteren Material, reines Kupfer oder eine Cu-Sn-Legierung, durch Einregeln des Potentials oder elektrischen Stroms als Funktion der Zeit. Die der Lösung zugefügte Verbindung beschleunigt das Wachstum und die Haftung der Kupfer- oder Cu-Sn-Schichten, die zwischen den Cu-Sn-Pb-Schichten eingefügt werden.

Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die gemäß den in Fig. 1 schematisch dargestellten Betriebsparametern durch­ geführt wird, wird eine Lösung verwendet, die 165 bis 200 g/l Blei­ fluoroborat [Pb (BF₄)₂], 20 bis 25 g/l Zinnfluoroborat [Sn (BF₄)₂], 7,5 bis 11 g/l Kupferfluoroborat [Cu (BF₄)₂] und 0,2 bis 5,0 g/l Thioharnstoff enthielt. Danach wurde die sukzessive und alternierende elektrische Metallabscheidung der Cu-Sn-Pb-Schichten und der Schichten aus reinem Kupfer oder einer Cu-Sn-Legierung entsprechend den in Fig. 1 darge­ stellten Parametern von Temperatur, Stromdichte und elektrischem Potential durchgeführt.

Die nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erhaltene Gleit­ schicht wird in Fig. 2 dargestellt, die die Zwischenschicht 1, die Diffu­ sions- oder Bindeschicht 2 und die Gleitschicht 3 veranschaulicht, die eine Laminatstruktur aufweist und aus mehreren alternierenden Schichten aus einer Cu-Sn-Pb-Legierung 3 a und aus Cu oder aus einer Cu-Sn-Le­ gierung 3 b besteht. Die oberste und unterste Schicht 3 a der Gleitschicht 3 bestehen immer aus einem weicheren Material, nämlich einer Cu-Sn-Pb-Legierung. Die Gesamtdicke der Laminatgleitschicht 3 liegt im allgemeinen zwischen 2 und 30 µm. Die Dicke jeder Schicht aus einem weicheren Material 3 a, einer Cu-Sn-Pb-Legierung, liegt zwischen 1 und 20 µm.

Die Dicke jeder Schicht aus einem härteren Material, nämlich aus reinem Kupfer oder einer Cu-Sn-Legierung, liegt zwischen 0,3 und 4 µm. Die in Fig. 2 gezeigte Anzahl der Schichten aus weicherem und härterem Material ist rein beispielhaft; die Schichten können in beliebiger Anzahl als Funktion der Beanspruchungsbedingungen des Lagers vorliegen.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung einer Gleitschicht für Gleitlager, das die Stufen umfaßt: Eintauchen eines Metallsubstrates in eine einzige chemi­ sche Lösung, die alle Elemente der zu bildenden Gleitschicht enthält, und Anlegen eines elektrischen Stromes an die chemische Lösung durch derartiges Einregeln seines Potentials und seiner Dichte als Funktion der Zeit, daß eine selektive elektrische Metallabscheidung dieser Elemente auf dem Metallsubstrat erfolgt, wobei die selektive elektrische Metall­ abscheidung eingeregelt wird, um sukzessive und alternierende Schichten eines weicheren Materials und eines härteren Materials auf den Metall­ substratoberflächen zu bilden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Lösung im wesentlichen aus Kupfer-, Zinn- und Bleisalzen besteht, der eine organische Verbindung der folgenden beispielhaften Strukturen zugefügt worden ist, in der X eine Stellung darstellt, die durch eines der chemischen Elemente in Form von Schwefel und Stickstoff besetzt ist, die Stellung C ein Kohlenstoffatom darstellt, die Reste R₁ und R₂ irgendwelche möglichen Variationen von einem einzelnen Wasserstoffatom bis zu typischen Strukturen von anorganischen Verbindungen oder aliphatischen, aromatischen oder cyclisch-kettenförmigen organischen Radikalen darstellen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die organi­ sche Verbindung nur einen der Reste R₁, R₂ und R₃ enthält, wobei die anderen beiden Reste unter Bildung einer cyclischen Verbindung ersetzt sind.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das chemi­ sche Element X mit dem Kohlenstoffatom eine chemische Einfach-, Doppel- oder Dreifachbindung eingeht.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt der in der chemischen Lösung anwesenden organischen Verbindung zwischen 0,2 und 5,0 g/l liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die chemi­ sche Lösung auf einer Temperatur zwischen etwa 25 und 30°C gehalten wird und ein elektrischer Strom einer Dichte von 0 bis 80 A/dm² und eines Potentials von -1,5 bis +0,5 Volt, gegen eine gesättigte Kalo­ mel-Elektrode angelegt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten aus weicherem Material eine Cu-Sn-Pb-Schicht sind und die Schichten aus einem härteren Material aus reinem Kupfer oder einer Cu-Sn-Legierung bestehen.