DE4027362A1 - Verfahren zum herstellen eines gleitlagers - Google Patents
Verfahren zum herstellen eines gleitlagersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Gleitlager zur Verwendung in ei
ner Brennkraftmaschine, und zwar vorzugsweise ein Verfahren
zum Herstellen eines Halblagers, bevorzugt einer Halblager
schale, und insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfah
ren zum Herstellen eines Gleitlagers, das eine ausgezeichne
te Bindefähigkeit zwischen einer Lagerlegierung und einer
Oberflächenschicht desselben bzw. derselben hat.
Mittel zum Vorsehen einer Oberflächenschicht auf der Ober
fläche einer Lagerlegierung, die ein Gleitlager bildet, um
fassen Mittel zum Vorsehen der Oberflächenschicht auf der
Oberfläche der Lagerlegierung durch Elektroplattieren oder
direkt durch Sputtern.
Das konventionelle Verfahren zum Herstellen der Oberflächen
schicht durch Elektroplattierung erfordert einen umfassenden
Betrag an Aufwand für die Wasserableitung und erfordert au
ßerdem eine präzise Flüssigkeitssteuerung bzw. -regelung wie
auch komplizierte Verfahrensschritte. Weiter war es in dem
Fall, in welchem eine Oberflächenschicht, die aus einer In
haltigen Legierung hergestellt ist, durch Plattieren vorge
sehen wird, allgemeine Praxis, da ein direktes Plattieren
dieser Legierung unmöglich ist, daß zunächst eine Legierung
von Pb auf die Lagerlegierungsoberfläche plattiert wurde,
und daß dann In auf die auf diese Weise aufplattierte Pb-Le
gierung plattiert wurde, und daß zur Vergleichmäßigung der
Komponenten das In thermisch diffundiert wurde.
Die Verwendung der Sputtertechnik hat insbesondere das fol
gende Problem beinhaltet. Und zwar ist es so, daß auf der
Oberfläche der Lagerlegierung ein Oxidfilm und eine modifi
zierte Oberflächenschicht, wenn die Zeit vergeht, auftreten.
Konventionellerweise wurde die Oberflächenschicht direkt
durch Sputtern vorgesehen, ohne daß die Schichten entfernt
wurden, die aufgrund von Alterungsänderung auftraten. Daher
wurde die Bindefestigkeit zwischen der Lagerlegierungs
schicht und der Oberflächenschicht niedrig, so daß es zu dem
Problem kam, daß die Oberflächenschicht die Neigung hatte,
abzublättern, abzuplatzen und/oder abzuschiefern. Außerdem
sind die Sputtereinrichtungen nicht für die Massenproduktion
geeignet.
Aufgabe der Erfindung ist es daher insbesondere, ein Verfah
ren zum Herstellen eines Gleitlagers zur Verfügung zu stel
len, bei dem die Nachteile der konventionellen Techniken
ausgeschaltet sind.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines
Gleitlagers zur Verfügung gestellt, welches die folgenden
Verfahrensschritte umfaßt: Herstellen eines Gleitlagermate
rials, das eine Gleitlagerlegierungsschicht hat, Entfernen
von wenigstens einem Teil von sowohl dem Oxidfilm als auch
einer bzw. der modifizierten Lagerlegierung unter Vakuum
mittels Ionenbombardement durch ein Argongas, dann Erhitzen
der Gleitlagerlegierungsschicht in einen aktivierten Zustand
und Ausbilden eines dünnen Films einer Oberflächenschicht,
der eine Dicke von 3 bis 60 µm hat, auf der Gleitlagerlegie
rungsschicht durch physikalische Dampfablagerung (PVD). Vor
zugsweise kann eine Diffusionsverhinderungsschicht, wie Ni
oder Cu, zwischen der Lagerlegierungsschicht und der Ober
flächenschicht vorgesehen werden.
In dem Fall, in welchem die Oberflächenschicht auf der La
gerlegierung mittels des physikalischen Dampfablagerungsver
fahrens bzw. PVD-Verfahrens ausgebildet wird, kam es zu ei
nem Problem, was die Adhäsion zwischen den beiden betrifft.
Die Oberfläche der Lagerlegierung ist mit einem Oxidfilm
oder mit einer modifizierten Oberflächenschicht bedeckt. Da
insbesondere Aluminiumlegierung von einem starken Oxidfilm
bedeckt ist, ist die Bindung oder Adhäsion des Films, der
mittels des physikalischen Dampfablagerungsverfahrens bzw.
PVD-Verfahrens auf der Aluminiumlagerlegierungsschicht er
zeugt wird, beeinträchtigt. Um einen derartigen Oxidfilm
und/oder eine modifizierte Oberflächenschicht auszuschalten,
wird gemäß der Erfindung eine Spannung an das Lagerlegie
rungsmaterial, welches die Lagerlegierungsschicht hat und
als Kathode benutzt wird, angelegt, so daß dadurch bewirkt
wird, daß Kationen aus Argon die Oberfläche der Lagerlegie
rung bombardieren. Diese Bombardierungsenergie schaltet den
Oxidfilm und/oder die modifizierte Oberflächenschicht aus
bzw. beseitigt den Oxidfilm und/oder die modifizierte Ober
flächenschicht. Danach wird ein dünner Legierungsfilm für
die Verwendung als die Oberflächenschicht auf der resultie
renden Lagerlegierungsoberfläche mittels des physikalischen
Dampfablagerungsverfahrens bzw. PVD-Verfahrens vorgesehen,
so daß dadurch die Oberflächenschicht auf der Lagerlegie
rungsoberfläche ausgebildet wird. Dadurch wird ein Verfahren
zum Erzielen einer hohen Bindefestigkeit zur Verfügung ge
stellt. Weiter erhöht das Erhitzen des Lagerlegierungsmate
rials in einer unter Vakuum stehenden Kammer die Reaktionse
nergie zwischen der Gleitlagerlegierung und der Oberflächen
schicht derselben, so daß dadurch der Legierungsvorgang bzw.
die Legierungsbildung zwischen den beiden beschleunigt wird.
Das ermöglicht es, eine stärkere Bindung oder Adhäsion zwi
schen denselben zu erzielen, und zusätzlich wird dadurch die
Bindung zwischen den Körnern bzw. Korngrenzflächen der Ober
flächenschichtlegierung verbessert, so daß man eine Schicht
erhält, die eine höhere Bindungsfestigkeit hat.
Die Dicke der Oberflächenschicht ist wenigstens 3 µm zu dem
Zweck, das Auftreten eines Festfressens einer Welle durch
teilweise Kollision zu verhindern, und sie ist außerdem auf
60 µm maximal im Hinblick auf die mechanische Festigkeit und
ökonomische Gründe beschränkt.
Weiter dient das Vorsehen einer 0,1 bis 5 µm dicken Diffusi
onsverhinderungsschicht aus Ni oder Cu zwischen der Lagerle
gierungsschicht und der Oberflächenschicht durch das chemi
sche Dampfablagerungsverfahren bzw. CVD-Verfahren oder durch
Elektroplattieren nicht nur dazu, das Auftreten einer Verar
mung in den Oberflächenschichtkomponenten aufgrund der Dif
fusion von In und Sn in die Gleitlagerlegierung zu verhin
dern, sondern auch dazu, die Korrosionswiderstandsfähigkeit
zu verbessern und dadurch die Leistungsfähigkeit des Gleit
lagers zu erhöhen.
Die vorstehenden sowie weitere Merkmale und Vorteile der Er
findung seien nachfolgend anhand einiger besonders bevorzug
ter Ausführungsformen der Erfindung, insbesondere unter Be
zugnahme auf die einzige Figur der Zeichnung, näher erläu
tert, wobei diese einzige Figur, die mit Fig. 1 bezeichnet
ist, schematisch eine experimentelle Einrichtung zum Erzeu
gen eines Gleitlagers nach der Erfindung veranschaulicht.
Es sei nun eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Es wurden hinsichtlich der Oberflächenschichtkomponenten und
der Gleitlagerlegierungen, die beide in Tabelle 1 angegeben
sind, Experimente unter Verwendung einer Magnetronsputter
einrichtung ausgeführt.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wurde ein Teil 1 von Basis- bzw.
Ausgangshalblagermaterial (Halblagerschale), das eine Gleit
lagerlegierungsschicht hatte, auf einem Drehteil 6 montiert
und in einer Vakuumkammer 7 angordnet, die dann auf ein Vakuum
von 10-5 Torr gebracht wurde. Dann wurde Argongas eingelei
tet, und die Vakuumkammer wurde auf einem Niveau von 10-2
bis 10-3 Torr gehalten. Als nächstes wurde unter Verwendung
des Halblagerteils 1 als eine Kathode ein Potential von 500
Volt zwischen dieser Kathode und einer Anode 3 angelegt, so
daß eine Glimmentladung bewirkt wurde. Auf diese Weise wur
den die positiv geladenen Argonionen in Kollision gegen das
Halblager 1, das als die Kathode verwendet wurde, gebracht,
wodurch eine Argonbombardierung ausgeführt wurde, mit der
der Oberflächenoxidfilm und die modifizierte Oberflächen
schicht auf der Lagerlegierungsschicht entfernt wurden. Da
nach wurde die Kammer wieder auf Vakuum gebracht, um das In
nere der Vakuumkammer zu reinigen. Dann wurde Argongas er
neut in die Vakuumkammer eingeleitet, und zwar so, daß diese
auf einem Vakuumniveau von 10-2 bis 10-3 Torr gehalten wur
de. Als nächstes wurde ein Target 2 hergestellt, an das eine
gegossene Platte gebunden war, welche Oberflächenschichtkom
ponenten enthielt, und dieses Target wurde als eine Kathode
benutzt. Ein Potential von 800 Volt wurde zwischen diese Ka
thode und die Anode 3 angelegt, um eine Glimmentladung zu
erzeugen, und dadurch wurde bewirkt, daß das Argongas posi
tiv geladen wurde, so daß es auf das als Kathode benutzte
Target 2 auftraf bzw. dieses Target 2 bombardierte. Auf die
se Weise wurden die Teilchen, die aufgrund der Auftreffener
gie erzeugt worden waren, auf der inneren Oberfläche des Halbla
gers 1 abgelagert, das parallel zu dem Target angeordnet war
(siehe Fig. 1). Das Target wurde einem magnetischen Feld
durch Verwendung eines Magneten 4 ausgesetzt, um eine wirk
same und leistungsfähige Vakuumverdampfung der Oberflächen
schichtkomponenten zu erzielen. Weiter wurde das Basis- bzw.
Ausgangshalblagermaterialteil 1 mittels des Drehteils 6 ge
dreht, während es durch Verwendung eines Heizers 5 auf 200°C
erhitzt wurde. Die Verdampfung wurde nach der Erhitzung des
Teils 1 bewirkt, so daß die Reaktionsenergie zwischen der
Lagerlegierung und der Oberflächenschicht erhöht und dadurch
die Legierungsbildung bzw. das Legieren derselben beschleu
nigt wurde. Infolgedessen wurde ein höheres Niveau an Adhä
sion bzw. Bindekraft zwischen den beiden erhalten, und zu
sätzlich wurde die Bindung zwischen den Teilchen der Ober
flächenschichtlegierung erhöht, wodurch eine feste und aus
gezeichnet haftende Oberflächenschicht erzeugt wurde.
Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, wurden Experimente mit und
ohne Argonbombardierung sowie mit und ohne Erhitzen vor dem
Sputtern zum Vergleich der Herstellungsverfahren ausgeführt.
Weiter wurde das vorliegende Verfahren mit dem Elektroplat
tierungsverfahren verglichen.
Die Ergebnisse der Bindetests sind in Tabelle 2 gezeigt. Die
Bindetests wurden in der nachfolgend angegebenen Weise aus
geführt. Nachdem ein Halblagerprodukt zwangsweise flach ge
macht worden war, wurde ein Spitzenende eines Rundstabs, der
einen kreisförmigen Querschnitt (10 mm im Durchmesser) hatte
und mit einem Klebstoff aus Epoxyharz beschichtet war, je an
eine Oberflächenschicht des Produkts und die entgegengesetz
te Oberfläche desselben gebunden. Dann wurden die Stäbe mit
tels einer Zugmaschine gezogen, und die Bruchbelastung wurde
gemessen. Der gemessene Wert wurde durch die Querschnitts
fläche des Stabs geteilt, um die Bindefestigkeit oder Adhä
sionsfestigkeit zu bestimmen. Wie aus Tabelle 2 ersichtlich
ist, wird die Adhäsionsfestigkeit verbessert. Insbesondere
in dem Fall, in dem ein starker Aluminiumoxidfilm auf einer
Aluminiumlegierung entfernt worden ist, wurde die Adhäsions
festigkeit in hohem Maße verbessert. Außerdem wurde die Ad
häsionsfestigkeit durch Erhitzen der Halblager erhöht. Ins
besondere im Fall einer Kupferlegierung treten Cu/Sn-Verbin
dungen an der Grenzfläche zwischen der Legierung selbst und
der Sn-Komponente ihrer Oberflächenschicht auf, so daß da
durch die Adhäsionsfestigkeit sehr stark erhöht wurde.
Das übliche Sputterverfahren ist tatsächlich schlechter als
das Elektroplattierungsverfahren in Bezug auf die Adhäsions
festigkeit. Bei der Anwendung des Verfahrens gemäß der vor
liegenden Erfindung ist es jedoch möglich, eine Adhäsionsfe
stigkeit zu erzielen, die äquivalent derjenigen ist, welche
mit dem Elektroplattierungsverfahren erzielbar ist.
Als nächstes sind die Ergebnisse von Tests, die mittels ei
ner Freß- bzw. Festfreßmaschine ausgeführt wurden, in Tabel
le 3 gezeigt.
Die Testbedingungen bestanden darin, eine kumulative Bela
stung von 50 kg (Kraft)/cm2 für jedes Vergehen einer 10-Mi
nuten-Periode auf ein Teststück anzuwenden, das mit einer
Umfangsgeschwindigkeit von 10 m/s rotierte, um den Oberflä
chendruck zu bestimmen, bei dem Fressen bzw. Festfressen
auftrat.
Wie in Tabelle 3 angegeben ist, erbringt die Anwendung des
üblichen Sputterverfahrens Ergebnisse, die schlechter als
diejenigen sind, welche durch die Anwendung des Elektroplat
tierungsverfahrens erzielt werden, was die Freß- bzw. Fest
freßbelastung anbetrifft. Das ist der Anwendung einer hohen
Belastung auf die Oberflächenschicht bei einer Hochgeschwin
digkeitsrotation, mit dem Ergebnis, daß eine hohe Scherbela
stung an der Oberflächenschicht bei einer hohen Temperatur
auftrat, zuzuschreiben. Dieses erbringt eine schlechtere Ad
häsionsfestigkeit, so daß die Oberflächenschicht abgeblät
tert wird, was zu einem Fressen bzw. Festfressen führt.
Andererseits ermöglicht es das Verfahren nach der vorliegen
den Erfindung, das zu Produkten von wesentlich verbesserter
Adhäsionsfestigkeit führt, die Freß- bzw. Festfreßbelastung
stark zu erhöhen. Außerdem erhält man bei den mit der Erfin
dung erzielten Produkten ausgezeichnete Ergebnisse sogar im
Vergleich mit den durch das Elektroplattierungsverfahren er
haltenen Produkten.
Weiterhin ist in der Ausführungsform ein Halblager eines
Gleitlagers verwendet worden. Jedoch ist dieses nur zur Er
läuterung und Veranschaulichung geschehen, und die Erfindung
ermöglicht auch die Verwendung von Teilen mit anderen For
men, wie beispielsweise eine Druckscheibe, ein Drucklager,
etc.
Wie oben beschrieben wurde, wird gemäß der vorliegenden Er
findung das physikalische Dampfablagerungsverfahren bzw.
PVD-Verfahren angewandt, um eine Oberflächenschicht eines
Gleitlagers herzustellen. Die Anwendung des physikalischen
Dampfablagerungsverfahrens bzw. PVD-Verfahrens schaltet die
Notwendigkeit der Verwendung einer Wasserableitungsanlage,
wie sie im Falle des Elektroplattierungsverfahrens verwendet
wird, aus und macht es außerdem möglich, die Verfahrens
schritte des physikalischen Dampfablagerungsverfahrens bzw.
PVD-Verfahrens automatisch zu steuern und/oder zu regeln, so
daß es ermöglicht wird, die Produktion der Gleitlager nach
der Erfindung ohne Bedienungsperson durchzuführen. Weiter
können die in Frage stehenden Oberflächenschichtkomponenten
bzw. die Oberflächenschichtkomponenten des Gleitlagers nach
der Erfindung auf der inneren Oberfläche des Lagers durch
Ablagern von Targetkomponenten darauf, wie sie gerade vor
handen sind, abgelagert werden, wobei die Targetkomponenten
aus einer Targetplatte durch Gießen hergestellt werden,
oder, falls Gießen schwierig ist, durch Bewirken von Sintern
oder durch Verbundbindung der Lagermaterialien aneinander.
Das schaltet die thermische Behandlung und die resultierende
Diffusion der Komponenten von zwei plattierten Schichten,
was im Falle des Elektroplattierungsverfahrens bewirkt wird,
aus. Außerdem werden bei dem Verfahren nach der vorliegenden
Erfindung nicht nur der Oxidfilm und Schmutzstellen an der
Bindungsgrenzfläche durch Argonbombardement entfernt, son
dern das erfindungsgemäße Verfahren beschleunigt auch das
Legieren an der Bindungsgrenzfläche durch Erhitzen, so daß
dadurch die Adhäsion gemäß dem Verfahren der physikalischen
Dampfablagerung bzw. dem PVD-Verfahren verbessert wird, und
dadurch wird das Problem der Massenproduktion gelöst. Auf
diese Weise erbringt das Gleitlagerherstellungsverfahren
nach der vorliegenden Erfindung ausgezeichnete Vorteile im
Hinblick auf die Anti-Freß- bzw. Anti-Festfreßeigenschaft.
Mit der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines
Gleitlagers zur Verfügung gestellt, welches die folgenden
Verfahrensschritte umfaßt: Herstellen eines Gleitlagermate
rials, das eine Gleitlagerlegierungsschicht hat, Entfernen
von wenigstens einem Teil von sowohl dem Oxidfilm als auch
den modifizierten Oberflächenschichten, die auf der Gleitla
gerlegierungsschicht vorhanden sind, unter Vakuum mittels
einer Ionenbombardierung durch ein Argongas, dann Erhitzen
der Gleitlagerlegierungsschicht in einen aktivierten Zustand
und Ausbildung eines dünnen Films einer Oberflächenschicht
legierung auf der Gleitlagerlegierungsschicht durch phy
sikalische Dampfablagerung, um eine Oberflächenschicht von 3
bis 60 µm Dicke vorzusehen.
Claims (2)
1. Verfahren zum Herstellen eines Gleitlagers, das eine
ausgezeichnete Bindung zwischen einer Gleitlagerlegierungs
schicht und einer Oberflächenschicht desselben hat, umfas
send den Verfahrensschritt des:
Herstellens eines Gleitlagermaterials, das eine Gleitlager legierungsschicht hat;
dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren weiter die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:
Entfernen von wenigstens einem Teil von sowohl dem Oxidfilm als auch der modifizierten Oberflächenschichten, die auf der Gleitlagerlegierungsschicht vorhanden sind, unter Vakuum mittels Ionenbombardierung durch Argongas;
dann Erhitzen der Gleitlagerlegierungsschicht in einen akti vierten Zustand; und
Ausbilden eines dünnen Films einer Oberflächenschichtlegie rung bzw. Oberflächenlegierungsschicht, die eine Dicke von 3 bis 60 µm hat, auf der Gleitlagerlegierungsschicht durch physikalische Dampfablagerung.
Herstellens eines Gleitlagermaterials, das eine Gleitlager legierungsschicht hat;
dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren weiter die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:
Entfernen von wenigstens einem Teil von sowohl dem Oxidfilm als auch der modifizierten Oberflächenschichten, die auf der Gleitlagerlegierungsschicht vorhanden sind, unter Vakuum mittels Ionenbombardierung durch Argongas;
dann Erhitzen der Gleitlagerlegierungsschicht in einen akti vierten Zustand; und
Ausbilden eines dünnen Films einer Oberflächenschichtlegie rung bzw. Oberflächenlegierungsschicht, die eine Dicke von 3 bis 60 µm hat, auf der Gleitlagerlegierungsschicht durch physikalische Dampfablagerung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine Diffusionsverhinderungsschicht
aus einem Legierungsmaterial, welches aus der aus Ni-Legie
rungen und Cu-Legierungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist,
zwischen der Gleitlagerlegierungsschicht und der Oberflä
chenschicht vorgesehen wird.
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