DE4027362A1

DE4027362A1 - Verfahren zum herstellen eines gleitlagers

Info

Publication number: DE4027362A1
Application number: DE4027362A
Authority: DE
Inventors: Tadeshi Tanaka; Masaaki Sakamoto; Hideyuki Kidokoro
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 1989-09-28
Filing date: 1990-08-29
Publication date: 1991-04-11
Also published as: GB9019028D0; GB2238089A; GB2238089B; JPH03115560A; KR910006513A

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.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

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

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.

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.