DE4103117A1 - Verfahren zur herstellung von gleitelementen mit gleitschicht aus ternaerer oder binaerer weissmetall-lagerlegierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Gleitelementen mit einer 10 µm bis 100 µm dicken Gleitschicht aus ternärer oder binärer Weißmetall-Lagerlegierung von Metallen mit guten Gleiteigenschaften aus einer Gruppe von Blei, Zinn, Antimon, Indium, Thallium, sowie Kupfer, Cadmium, Arsen.

Wesentliche Anforderungen an ein modernes Gleitlager sind hohe thermo-mechanische Belastbarkeit und gute Gleiteigenschaften. Das erstgenannte Merkmal verlangt einen Werkstoff hoher Wärmebeständigkeit und Festigkeit, während für gute Gleiteigenschaften im Bereich von Gleitgeschwindigkeiten ab ca. 15 m/s und darüber weiche Werkstoffe einzusetzen sind. Diese Forderungen werden insbesondere von Mehrschichtlagern, die eine weiche Gleitschicht und eine hochfeste Lagermetallschicht aus Bronze- oder Aluminiumwerkstoffen haben, erfüllt. Die Gleitschicht, die besonders gute Gleiteigenschaften besitzt, besteht je nach Ausführung meist aus Blei mit 8-20 Gew.-% Zinn und 2-6 Gew.-% Kupfer, wobei vereinzelt auch bis zu 10 Gew.-% Kupfer und weitere Metalle eingesetzt werden können. Auch andere Gleitschichten sind bekannt, wie z. B. SnSb7- oder PbIn6-Legierungen.

Solche Gleitlagerlegierungen sind auch als Weißmetall-Gleitlagerlegierungen bekannt.

Ein Gleitlager, dessen Gleitschicht aus solcher Weißmetall-Gleitlagerlegierung gebildet ist, wird in DE-A-27 22 144 beschrieben. Die Gleitschicht der hier beschriebenen Lager ist auf Bleibasis mit 10-20 Gew.-% Zinn und bis zu 10 Gew.-% Kupfer. Es wurde festgestellt, daß sich mit höherem Kupfer- und Zinngehalt die Dauerbelastbarkeit des Gleitlagers erhöhen läßt.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Gleitschicht nur schwer durch elektro-chemische Abscheidung herstellbar ist, da hoch Sn-haltige Elektrolytlösungen sehr instabil sind, und daß mit einer Erhöhung der Dauerbelastbarkeit auch ein Anstieg der Härte erfolgt, so daß ein erhöhter Abrieb an der Welle eintreten kann. Es ist daher wünschenswert, den Zinngehalt in einer Gleitschicht zu erhöhen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Gleitelementen zur Verfügung zu stellen, das in einfacher Weise die optimale Zusammensetzung der Lagerlegierung in der Gleitschicht ermöglicht, auch wenn die eine oder andere Komponente der Legierung für das jeweilige Verfahren zum Erstellen der Gleitschicht, beispielsweise elektrochemische Verfahren, schädlich ist oder in dem jeweiligen Verfahren in dem gewünschten Mengenanteil nicht in die Legierung eingebracht werden kann. Dies gilt insbesondere für Methoden zur elektrochemischen Abscheidung. Trotz dieser Schwierigkeiten oder Unmöglichkeiten soll dennoch optimale Zusammensetzung der in der Gleitschicht benutzten Gleitlagerlegierung ermöglicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine auf eine Trägerschicht aufgebrachte Schicht aus binärer oder ternärer Basislegierung mit geringerem als gewünschten Anteil mindestens eines Legierungsbestandteiles an ihrer freien Oberfläche mit einer weiteren Schicht aus mindestens einem in die Basislegierung eindiffundierbaren Legierungsbestandteil belegt wird, der in einem höheren Anteil erwünscht ist, als er in der Basislegierung vorliegt, und daß dieser zusätzliche Legierungsbestandteil bzw. diese zusätzlichen Legierungsbestandteile durch zeitlich gesteuerte Temperaturbehandlung in die Schicht aus Basislegierung eindiffundiert und in dieser in gewünschtem Mengenanteil verteilt wird bzw. werden. Hierdurch wird erreicht, daß die Basislegierung in der jeweilig günstigsten einfachsten Methode auf der Trägerschicht angebracht werden kann und daß sodann ein Belegen dieser Schicht aus Basislegierung mit einer Schicht aus gewünschtem zusätzlichen Legierungsbestandteil oder zusätzlichen gewünschten Legierungsbestandteilen erfolgen kann. Dabei kann beispielsweise die Basislegierung elektrochemisch d. h. galvanisch und die zusätzliche Schicht in anderer Methode beispielsweise durch Vakuumbedampfung aufgebracht werden. Der gewünschte Mengenanteil des durch Diffusion in die Gleitschicht eingebrachten zusätzlichen Legierungsbestandteiles kann im wesentlichen gleichmäßig in der Gleitschicht verteilt werden. Es ist aber auch möglich, daß der eindiffundierte Legierungsbestandteil oder die eindiffundierten Legierungsbestandteile mit bei der Temperaturbehandlung mit einer von der belegten Oberfläche nach dem Inneren der Gleitschicht abnehmenden Konzentration verteilt werden und zwar unter Ausbildung einer an der belegten Oberfläche der Gleitschicht herrschenden Maximalkonzentration bis zu einer im Inneren, beispielsweise am Grund der Gleitschicht, herrschenden Mindestkonzentration, und zwar mit einem Konzentrationsgradienten, der von der Maximalkonzentration bis zur asymptotischen Annäherung an die Mindestkonzentration konstant, aber exponentiell abfallend verläuft.

Beispielsweise eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Bildung einer Gleitschicht aus Weißmetall-Lagerlegierung mit hohem Zinngehalt. Hierzu empfiehlt die Erfindung, daß als Basislegierung eine Weißmetall-Lagerlegierung aus 10 Gew.-% bis 18 Gew.-% Zinn, 6 Gew.-% bis 10 Gew.-% Kupfer, Rest Blei eingesetzt und der endgültige Zinngehalt der Weißmetall-Lagerlegierung der Gleitschicht um 2 Gew.-% auf 12 Gew.-% bis 20 Gew.-% durch Eindiffundieren erhöht wird. Hierdurch lassen sich Gleitschichten auf der Basis von Blei-, Zinn-, Kupferlegierungen mit hohem Zinngehalt auf galvanischem Wege erzeugen, unter Umgehen der durch das instabile Verhalten der galvanischen Bäder hohen Zinngehaltes eintretenden Schwierigkeiten.

Im Rahmen der Erfindung können noch andere gewünschte Legierungsbestandteile, beispielsweise Antimon und oder Cadmium, durch Eindiffundieren in die Gleitschicht nachträglich eingegeben werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich bei der Herstellung von Zweischichtlagern anwenden. Hierzu kann man die Schicht aus Basislegierung auf einer Stützschale, vorzugsweise einer Stahlstützschale, aufbringen, dann mit der Schicht der zusätzlichen Legierungskomponente oder Legierungskomponenten überschichten und dann die Gesamtheit von Stützschale, Basislegierungsschicht und Überschichtung einer Thermodiffusionsbehandlung unterwerfen.

Für die Herstellung von Mehrschichtlagern kann man die Schicht aus Basislegierung auf einer Zwischenschicht, die gegenüber der zusätzlichen Komponente als Diffusionssperrschicht wirkt, über einer Lagermetallschicht aufbringen, die man zuvor auf einer Stützschale aufgegossen hat, wobei man dann die Gesamtheit der Stützschalen und der darauf angebrachten Schichten einer Thermodiffusionsbehandlung unterwirft.

Die Schicht aus Basislegierung kann in einer Dicke von 10 bis 20 µm oder bei Zweischichtlagern auch in größerer Dicke bis zu 100 µm aufgebracht werden. Auf dieser Schicht aus Basislegierung ist die weitere Schicht aus der zusätzlichen Komponente in einer Dicke von 1 µm oder bis zu 10 µm aufzubringen und durch Thermodiffusion in die Basisschicht einzudiffundieren.

Wenn die Schicht aus zusätzlicher Komponente zugleich die Funktion einer Korrosionsschutzschicht übernehmen kann, empfiehlt es sich im Rahmen der Erfindung diese aufgebrachte Schicht aus zusätzlicher Komponente nicht vollständig in die Basisschicht einzudiffundieren, sondern in Form eines Korrosionsschutz-Flashes auf der Oberfläche der Gleitschicht zurückzulassen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Lagerhälfte mit einem teilweisen Aufriß der einzelnen Schichten;

Fig. 2 eine Darstellung eines Schliffbildes im Schnitt II-II gemäß Fig. 1 durch eine Gleitschicht mit einem Konzentrationsgradienten einer weichen Komponente;

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Einflusses der Schichtdicke auf die Ermüdungsfestigkeit von Gleitschichten.

In Fig. 1 ist der Aufbau eines Mehrschichtgleitlagers 1 mit einer erfindungsgemäßen Gleitschicht 2 dargestellt. Die Gleitschicht 2 ist über eine Zwischenschicht 3, die ein Nickeldamm ist, auf einer Lagermetallschicht 4 aus Bleibronze aufgebracht, die auf eine Stahlstützschale 5 gegossen wurde. Statt der Bleibronzeschicht kann auch eine Aluminiumlagerschicht und statt des Nickeldamms auch ein Kupfer-Zinn-Damm eingesetzt werden.

Die einzelnen Schichten haben folgende Dicke, wobei in Klammern die Dickenbereiche für weitere günstige Ausgestaltungsformen angegeben sind:
Stahlstützschale 4 mm (1 bis über 10 mm)
Lagermetallschicht 0,3 mm (0,2-0,5 mm)
Zwischenschicht 2 µm (1-3 µm)
Gleitschicht 17 µm (10-25 µm).

Die Lagermetallschicht 4 ist vorzugsweise eine CuPb22Sn1,5-Legierung, die nach herkömmlichen Methoden auf ein Stahlband oder Stahlrohr aufgegossen wurde.

Die Zwischenschicht 3 und die Basis-Gleitschicht sowie auch die reine Zinnschicht können direkt auf die Lagermetallschicht 4 aufgebracht werden, oder vorzugsweise auf einen Lagerschalenrohling, der aus dem Stahlband oder Stahlrohr gefertigt wird und damit eine für das Aufbringen der folgenden Schichten geeignetere und glattere Oberfläche hat.

Die Gleitschicht 2 wird wie folgt hergestellt: Auf den Zwischenschicht 3 wird auf galvanischem Wege eine zinnarme ternäre Gleitschicht (Basis-Gleitschicht) aus PbSn12Cu6 in einer Dicke von ca. 16 µm (vorteilhafterweise in einer Dicke zwischen 10-20 µm) aufgebracht. Auf diese ternäre Gleitschicht wird ebenfalls auf galvanischem Wege eine 1 µm (0,5-5 µm) dicke Rein-Zinnschicht aufgebracht und durch eine sich daran anschließende Thermodiffussion in die zinnärmere ternäre Basis-Gleitschicht eingebracht. Die Thermodiffussion findet bei Temperaturen zwischen 100 und 150°C und bei einer Diffussionszeit von 10 min bis 4 h statt. Die resultierende Gleitschicht 2 hat eine durchschnittliche Zusammensetzung PbSn17Cu5,5. Hierdurch wird eine Zinnanreicherung der Basis-Gleitschicht erreicht, wobei die Zinnanreicherung an der Außenseite der Gleitschicht 2, die später mit einer Welle oder einem entsprechenden anderen Gegenstand in Gleitbeziehung kommt, bei niedriger Diffussionstemperatur und kurzen Diffussionszeiten am größten ist und in einem Konzentrationsgradienten in Richtung auf die Zwischenschichtseite der Gleitschicht 2 abfällt.

Vorzugsweise haben die auf diese Weise erzeugten zinnreichen ternären Laufschichten (Gleitschichten 2) eine Zusammensetzung von 4-6% Kupfer, 12-17% Zinn und Rest Blei.

In der Gleitschicht 2 (ternären Laufschicht) des Mehrschichtslagers 1 hat sich das eindiffundierte Zinn vorzugsweise derart verteilt, daß an der späteren Lauffläche ein höherer Zinngehalt vorzufinden ist, der zur Zwischenschicht 3 hin abnimmt. Diese Verteilung des Zinns mit einer Anreicherung an der Oberfläche des Gleitlagers führt insbesondere beim Einlaufen zu besonders günstigen Verhältnisssen.

Fig. 2 zeigt die Darstellung einer REM-Aufnahme (Röntgen-Elektronen-Mikroskop) einer - wie oben beschrieben dargestellten - Gleitschicht 2 des Mehrschichtgleitlagers 1, wobei in das Bild die Zinnkonzentration 6 eingeblendet ist, aus der der gemittelte Zinn-Konzentrationsgradient 7 in der Gleitschicht 2 ersichtlich ist.

Das Diagramm in Fig. 3 zeigt, warum in der erfindungsgemäßen Gleitschicht 2 der Bereich mit einem hohen Zinnanteil, der entsprechend auch besonders weich ist, sehr dünn sein soll. Je dünner die Gleitschicht ist, desto größer ist die relative dynamische Belastbarkeit, die sie aufnehmen kann. Beträgt z. B. die relative Dicke der Gleitschicht nur ein Hundertstel der Dicke einer entsprechenden Gleitschicht, bei der bei einer Schichtdickenvergrößerung keine Anderung der relativen dynamischen Belastbarkeit mehr feststellbar ist, so ist die relative dynamische Belastbarkeit (Ermüdungsfestigkeit) der dünnen Schicht dreifach höher als die der entsprechenden dickeren Schicht. Da diese Steigerung der relativen dynamischen Belastbarkeit von verschiedenen Faktoren, wie z. B. Legierungszusammensetzung, abhängig ist, empfielt es sich, die optimale Dicke der erfindungsgemäßen Gleitschicht und den optimalen Konzentrationsgradientenverlauf zum Einsatz als Gleitschicht in Versuchsreihen zu ermitteln. Obige Werte zeigten deutliche Verbesserungen im Verschleiß gegenüber dem Stand der Technik und können als Richtwerte oder Ausgangspunkt dienen.

Wie oben schon beschrieben, wurde in Prüfstandversuchen festgestellt, daß die erfindungsgemäßen Gleitschichten, die nach einem neuen Verfahren herstellbar und vorteilhaft aus einer Blei-Zinn-Kupfer-Legierung sind, vorteilhaft als Gleitlagerwerkstoffe in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden können, wobei sie sich als sehr verschleißfest erwiesen. Diese neuen Gleitlagerwerkstoffe sind geeignet für Verbrennungsmotoren wie Saugmotoren, Einspritzer, Dieselmotoren und Turbo-Varianten. Die erfindungsgemäße Metallgleitschicht kann mit Vorteil auch mit Sphärogußwellen eingesetzt werden. Die Besonderheit dieses Werkstoffes besteht darin, daß in der ternären Gleitschicht an der Gleitfläche ein besonders hoher Zinngehalt eingebracht ist, der für die guten Gleiteigenschaften dieses Werkstoffes verantwortlich ist. Wie oben beschrieben, können auch andere Varianten des Ausführungsbeispiels erfolgreich verwendet werden.

Claims (10)

1. Verfahren zum Herstellen von Gleitelementen, mit einer 10 µm bis 100 µm dicken Gleitschicht aus ternärer oder binärer Weißmetall-Lagerlegierung von Metallen mit guten Gleiteigenschaften aus einer Gruppe von Blei, Zinn, Antimon, Indium, Thallium, sowie Kupfer, Cadmium, Arsen, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf eine Trägerschicht aufgebrachte Schicht aus binärer oder ternärer Basislegierung mit geringerem als gewünschtem Anteil mindestens eines Legierungsbestandteiles an ihrer freien Oberfläche mit einer weiteren Schicht aus mindestens einem in die Basislegierung eindiffundierbaren Legierungsbestandteil belegt wird, der in einem höheren Anteil erwünscht ist, als er in der Basislegierung vorliegt, und daß dieser zusätzliche Legierungsbestandteil bzw. diese zusätzlichen Legierungsbestandteile durch zeitlich gesteuerte Temperaturbehandlung in die Schicht aus Basislegierung eindiffundiert und in dieser in gewünschtem Mengenanteil verteilt wird bzw. werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eindiffundierte Legierungsbestandteil oder die eindiffundierten Legierungsbestandteile mit bei der Temperaturbehandlung mit von der belegten Oberfläche nach dem Inneren der Gleitschicht abnehmender Konzentration verteilt werden, und zwar unter Ausbildung einer an der belegten Oberfläche der Gleitschicht herrschenden Maximalkonzentration bis zu einer im Inneren, beispielsweise am Grund der Gleitschicht, herrschenden Mindestkonzentration, und zwar mit einem Konzentrationsgradienten, der von der Maximalkonzentration bis zur asymptotischen Annäherung an die Mindestkonzentration konstant, aber exponentiell abfallend verläuft.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Basislegierung eine Weißmetall-Lagerlegierung aus 10 Gew.-% bis 18 Gew.-% Zinn, 6 Gew.-% bis 10 Gew.-% Kupfer einsetzt, und den endgültigen Zinngehalt der Weißmetall-Lagerlegierung der Gleitschicht um 2 Gew.-% auf 12 Gew.-% bis 20 Gew.-% durch Eindiffundieren erhöht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitschicht durch Beschichtung und Eindiffundieren durch Wärmebehandlung Antimon und/oder Cadmium zugegeben wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schicht aus Basislegierung auf einer Stützschale, vorzugsweise einer Stahlstützschale, aufbringt, dann mit der Schicht der zusätzlichen Legierungskomponente oder Legierungskomponenten überschichtet und dann die Gesamtheit von Stützschale, Basislegierungsschicht und Überschichtung der Thermodiffusionsbehandlung unterwirft.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schicht aus Basislegierung auf einer Zwischenschicht, die gegenüber der zusätzlichen Komponente als Diffusionssperrschicht wirkt, über einer Lagermetallschicht aufbringt, die man zuvor auf eine Stahlstützschale aufgegossen hat, und daß man die Gesamtheit der Stützschale und der darauf angebrachten Schichten der Thermodiffusionsbehandlung unterwirft.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schicht aus Basislegierung in einer Dicke von 10-20 µm oder bei Zweischichtgleitlagern in einer Dicke bis zu 100 µm, darauf die weitere Schicht aus der zusätzlichen Komponente in einer Dicke von 1-5 µm oder bei Zweischichtgleitlagern bis zu 10 µm aufbringt und durch Thermodiffusion in die Schicht der Basislegierung eindiffundiert.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schicht aus Basislegierung und die weitere Schicht elektro- chemisch aufbringt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schicht aus Basislegierung elektrochemisch aufbringt und die weitere Schicht aus der Gasphase über der Schicht aus Basislegierung niederschlägt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die weitere Schicht nur teilweise in die Schicht aus Basislegierung eindiffundiert und den Rest der weiteren Schicht als Korrosionsschutz-Flash auf der Oberfläche der Gleitschicht beläßt.