DE4220937A1 - Schichtwerkstoff mit massiver Funktionsschicht auf poröser Trägerschicht sowie Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schichtwerkstoff mit einer aus zusammengesinterten Werkstoffteilchen gebildeten porösen Trägerschicht und einer auf dieser durch thermokinetisches Plattieren angebrachten, im wesentlichen massiven Funktionsschicht. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung von solchem Schichtwerkstoff.

Die Herstellung von Schichtwerkstoff, insbesondere Schichtwerkstoff für Gleitelemente mittels thermokinetischer Beschichtung ist in zahlreichen Vorveröffentlichungen angesprochen. So ist aus DE-26 56 203 A1 bekannt, eine beispielsweise aus Aluminiumlegierung bestehende Funktionsschicht thermokinetisch auf ein gesintertes, poröses Substrat aufzubringen. Das gesinterte, poröse Substrat soll jedoch nur als Rauhgrund dienen, auf welchem die Funktionsschicht im wesentlichen durch mechanische Verklammerung gehalten ist, um dadurch diese verbesserte Bindungseigenschaften zu einer optimierten Verformungsfähigkeit und günstigeren Belastungseigenschaften zu erzielen. Die Anbindung der beiden Werkstoffe soll dabei durch mechanisches Verdichten, beispielsweise Walzen und dabei eintretende Diffusionsvorgänge sichergestellt werden. Es hat sich aber herausgestellt, daß diese auf diese bekannte Weise erzielte Anbindung einer im wesentlichen massiven Funktionsschicht an ein gesintertes, poröses Substrat für viele Anwendungsfälle nicht ausreichend ist, insbesondere wenn das Substrat und die Funktionsschicht stofflich erheblich verschieden sind.

Es sind daher auch bereits verschiedenste Bindungsschichten bekannt geworden, um die stoffliche Anpassung einer Funktionsschicht an eine Trägerschicht und damit die Bindung zwischen der Trägerschicht und der Funktionsschicht zu verbessern. So ist beispielsweise aus DE-32 42 543 bekannt, beim Aufbringen einer Funktionsschicht aus Aluminium-Blei-Dispersionslegierung auf ein an seiner zu beschichtenden Oberfläche durch Strahlen aufgerauhtes Stahlband zunächst eine Grundspritzschicht aus reinem Aluminium auf die Stahloberfläche zu spritzen. Auf dieser Grundspritzschicht ist dann die Funktionsschicht aus Aluminium-Blei-Dispersionslegierung aufzubauen, wobei die Funktionsschicht von der Grundspritzschicht aus stufenweise mit höherem Bleianteil gebildet werden kann. Dieser bekannte Aufbau einer Funktionsschicht mit Grundspritzschicht ist aufwendig und hat in der Praxis trotzdem Bindungsprobleme bei einer späteren Umformung des Schichtverbundes erbracht, weil, zum größten Teil bedingt durch den strukturellen Aufbau des Werkstoffes, sehr komplexe und kritische Spannungszustände auftreten können.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, bei Schichtwerkstoff mit gesinterter, poröser Trägerschicht auf dieser durch thermokinetisches Plattieren aufgebauter, im wesentlichen massiver Funktionsschicht die Bindungsprobleme zwischen dem porösem Substrat und der massiven Funktionsschicht zu lösen, insbesondere auch im Hinblick auf Verformbarkeit des Schichtwerkstoffes bei der Verarbeitung, beispielsweise bei der Bildung von Gleitelementen. Dabei soll solche sichere Verbindung zwischen dem porösen Substrat und der Funktionsschicht auch dann sichergestellt sein, wenn erhebliche stoffliche Unterschiede zwischen dem porösen Substrat und der im wesentlichen massiven Funktionsschicht bestehen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen der Trägerschicht, d. h. dem porösen Substrat und der Funktionsschicht durch die Einwirkung von durch das thermokinetische Plattieren bei Bildung der Funktionsschicht eingetragene Energie eine Bindungsschicht aus solchem Material ausgebildet ist, das durch Vereinigung von Werkstoffbestandteilen der Trägerschicht und der Funktionsschicht gebildet ist.

Durch die erfindungsgemäß zwischen der gesinterten, porösen Trägerschicht und der massiven Funktionsschicht beim thermokinetischen Aufbringen aus Werkstoffbestandteilen beider Schichten gebildete Bindungsschicht bietet den überraschenden Vorteil, daß sichere, feste Bindung zwischen den Schichten gewährleistet ist zusammen mit sicherer Überbrückung sowohl der stofflichen als auch der strukturellen Unterschiede beider Schichten. Ein mehr oder weniger ausgedehnter Rest der Filterschicht wirkt sich mit seiner Porosität günstig auf die Umformeigenschaften des Schichtwerkstoffes aus, während die massive Funktionsschicht beim Umformen des Schichtwerkstoffes in ihren Eigenschaften nicht beeinträchtigt wird und die mehr oder weniger poröse Bindungsschicht auch beim Umformen des Schichtwerkstoffes sowie auch bei der Betriebsbelastung von aus dem Schichtwerkstoff hergestellten Werkstücken sichere Bindung zwischen der Trägerschicht und der Funktionsschicht gewährleistet.

Für die Herstellung von Gleitelementen bietet sich mit dem erfindungsgemäßen Schichtwerkstoff die besonders vorteilhafte Möglichkeit, daß die Trägerschicht im wesentlichen aus gesintertem metallischem Werkstoff mit Notlaufeigenschaften und die Funktionsschicht im wesentlichen aus metallischem Gleitwerkstoff bestehen, während die Bindungsschicht aus einer gemeinsamen Schmelze von Werkstoffbestandteilen der Trägerschicht und der Funktionsschicht gebildet ist. Dabei können nicht-schmelzbare und/oder nur bei sehr hohen Temperaturen schmelzende Bestandteile mit der Funktionsschicht aus dispergierten Teilchen in das Material der Bindungsschicht eingelagert sein.

Im Rahmen der Erfindung ist es auch mögliche daß in der gemeinsamen Schmelze von Werkstoffbestandteilen der Trägerschicht und der Funktionsschicht nicht-lösbare oder nicht-mischbare geschmolzene Bestandteile als Feinteilchen in Art einer Dispersionslegierung in die Bindungsschicht eingelagert sind.

Für Gleitelemente, die aus erfindungsgemäßen Schichtwerkstoff hergestellt werden, sind Einlagerungen in die Bindungsschicht von erheblichem Vorteil, weil hierdurch die Bindungsschicht Gleiteigenschaften erhält, die wirksam werden, wenn die Funktionsschicht durch Abrieb im Betrieb verbraucht wird. Bei aus dem erfindungsgemäßen Schichtwerkstoff hergestellten Gleitelementen ist erst dann auf die Notlaufeigenschaften der Trägerschicht zurückzugreifen, wenn außer der Funktionsschicht auch die mit Gleiteigenschaften ausgestattete Bindungsschicht im Betrieb verbraucht worden ist. Ein erfindungsgemäßer Schichtwerkstoff, bei welchem die Trägerschicht und die Funktionsschicht sehr stark unterschiedliche strukturelle und stoffliche Unterschiede aufweisen und bei dem eine Bindungsschicht gebildet ist, die besonders vorteilhafte Gleiteigenschaften aufweist, ergibt sich im Rahmen der Erfindung, wenn bei einer gesinterten Trägerschicht aus Zinn-Bronze und einer massiven Funktionsschicht aus Aluminium-Blei-Dispersionslegierung eine Bindungsschicht gebildet ist, die eine im wesentlichen massive Aluminium-Kupfer-Basislegierung enthält. In diese Basislegierung können harte sowie weiche Feinteilchen, insbesondere feine Bleiteilchen eingelagert sein.

Für die Herstellung eines erfindungsgemäßen Schichtwerkstoffes empfiehlt sich insbesondere ein Verfahren, bei welchem auf eine Trägerschicht aus zusammengesinterten Teilchen eine Funktionsschicht aus mit dem Werkstoff der Trägerschicht mindestens teilweise vereinigbarem Werkstoff thermokinetisch mit solcher Temperatur und mit solcher kinetischer Energie aufgebracht wird, daß die Trägerschicht zumindest in ihrem Oberflächenbereich zumindest erweicht wird und die für die Bildung der Funktionsschicht vorgesehenen Teilchen selbst in einem im wesentlichen erreichten Zustand unter Ausbildung einer massiven Bindungsschicht kinetisch in den erweichten Werkstoff der Trägerschicht hineingetrieben werden.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren beruht die während des Prozesses entstehende Bindungsschicht bzw. Haftvermittlungsschicht auf einer schmelzmetallurgischen Reaktion. Dabei ist beabsichtigt, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Struktur und die Ausdehnung der Sinterschicht zu Gunsten der als Reaktionsschicht neu entstehenden Bindungsschicht bzw. Haftvermittlungsschicht stark verändert wird. Dabei soll eine mehr oder weniger ausgedehnte restliche Sinterschicht sich zur Verbesserung der Umformeigenschaften des Schichtwerkstoffes auswirken.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Einstellung einer neuen Werkstoffkombination im Sinne eines Schichtverbundes durch die Kombination des thermokinetischen Beschichtens und den ihm anhaftenden Steuerungsmöglichkeiten der Wärmeeinbringung mit den typischen Eigenschaften betreffend Wärmeübertragung und Wärmeabführung einer porösen Sinterschicht mit einer sehr großen spezifischen Oberfläche erreicht. In der Tat wächst die eingebrachte Wärmeenergie mit der zur Verfügung stehenden Übergangsfläche. Andererseits ist auf Grund ihrer verminderten Kompaktheit die Wärmeleitung der porösen gesinterten Trägerschicht mehr oder weniger stark herabgesetzt. Somit erfüllt eine poröse Sinterschicht idealerweise beide Bindungen, die nötig sind, um den lokal zur erfindungsgemäßen Erzeugung der schmelzmetallurgischen Reaktion benötigten Wärmestau zu erzielen. Durch Einstellen der wärmetechnisch relevanten Parameter beim thermischen Spritzen und der Struktur der Sinterschicht wird eine Steuerung der erfindungsgemäße zu bildenden Zwischenschicht im Sinne ihrer Ausdehnung, ihrer Zusammensetzung und ihrer Struktur erreicht.

Besonders vorteilhaft ist es hierbei im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das thermokinetische Beschichten der Trägerschicht unter solcher Temperatur und solcher kinetischer Energie vorgenommen wird, daß der gesinterte Werkstoff der Trägerschicht zumindest in deren Oberflächenbereich geschmolzen und die zugeführten Teilchen des für die Funktionsschicht vorgesehenen Werkstoffs in diese Schmelze aufgenommen werden. Die Trägerschicht kann dabei auf einen wesentlichen Teil ihrer Dicke beim thermokinetischen Beschichten geschmolzen und mit eingeführtem Werkstoff für die Funktionsschicht versetzt werden.

Hierbei können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens die zugeführten Teilchen für die Funktionsschicht zumindest in ihren wesentlichen Bestandteilen in den geschmolzenen Teil der Trägerschicht unter Bildung einer gemeinsamen Schmelze geschmolzen werden. Es ist aber auch möglich, daß die Teilchen für die Funktionsschicht nicht oder nur teilweise aufgeschmolzen werden. Sie werden dann in Art von dispergierten Teilchen in die geschmolzenen Bestandteile der Trägerschicht aufgenommen.

Bei Trägerschichten und für Funktionsschichten aus metallischen Werkstoffen kann das thermokinetische Beschichten als Plasmaspritzen ausgeführt werden. Bevorzugt sollte das thermokinetische Beschichten mit Schutzgasmantel oder in Schutzgasatmosphäre oder unter Vakuum ausgeführt werden. Dies gilt insbesondere wenn die Trägerschicht und die Funktionsschicht Werkstoffbestandteile enthalten, die entweder leicht verdampfen oder zur Oxidation an der Atmosphäre neigen.

Im erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch möglich, die Temperatur und/oder die Energie der zugeführten Teilchen während der thermokinetischen Beschichtung zu verändern, beispielsweise herabzusetzen. Hierbei kann beispielsweise nach anfänglichem Aufschmelzen von Teilen der Trägerschicht ein Übergang von anfänglicher schmelzmetallurgischer Reaktion zwischen Werkstoffbestandteilen der Trägerschicht und der Funktionsschicht auf Hineinschlagen von Teilchen für die Funktionsschicht in die aufgeweichte Oberfläche der im Entstehen begriffenen Bindungsschicht übergegangen werden.

Das thermokinetische Beschichten kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kontinuierlich an einem vorbeigeführten Trägerwerkstoff-Band ausgeführt werden, wobei zwei oder mehr Stufen für thermokinetisches Beschichten mit unterschiedlichen Temperatur- und Energiebedingungen vorgesehen sein können. Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es auch von besonderem Vorteil sein, die Trägerschicht vor dem thermokinetischen Beschichten vorzuheizen, vorzugsweise an ihrer zu beschichtenden Seite.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Schichtwerkstoff im Schnitt und

Fig. 2 den Ausschnitt A der Fig. 1 in vergrößerten Darstellung.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel handelt es sich um einen Schichtwerkstoff, der für die Darstellung von Gleitelementen, insbesondere Gleitlager in Form von Lagerschalen und Lagerbuchsen zu verarbeiten ist.

Wie Fig. 1 zeigt, weist der Schichtwerkstoff im dargestellten Beispiel eine Stützschicht 1, beispielsweise aus Stahl auf. Die Stützschicht 1 trägt auf ihrer einen Oberfläche eine Trägerschicht 2 aus Sintermetall. Im dargestellten Beispiel ist die Trägerschicht 2 aus Kupfer-Zinn-Legierung CuSnx oder Kupfer-Zinn-Blei-Legierung CuSnxPby gebildet. Der Anteil x von Zinn und der Anteil y von Blei können in weiten Grenzen variieren, in welchen die Kupfer-Zinn-Legierung bzw. Kupfer-Zinn-Blei-Legierung noch Notlaufeigenschaften aufweist und als Teilchen zu einer porösen Trägerschicht 2 zusammengesintert werden kann. Bevorzugtes Beispiel ist eine Zinn-Bronze der Zusammensetzung CuSn10 oder eine Zinn-Blei-Bronze der Zusammensetzung CuSn7Pb6. Auf der in der Zeichnung oben gezeigten Seite ist der Schichtwerkstoff mit einer Funktionsschicht in Form einer thermokinetisch aufgebrachten Spritzschicht aus Aluminium-Blei-Dispersionslegierung AlPbx belegt. Für Gleitlagerzwecke eignet sich besonders eine Funktionsschicht der Zusammensetzung AlPb10. Zwischen der Trägerschicht 2 und der Funktionsschicht 3 ist eine Bindungsschicht 4 ausgebildet, die als Reaktionsschicht, z. B. des Systems Cu-Al gebildet sein kann. Im dargestellten Beispiel enthält die Bindungsschicht 4 benachbart zur Trägerschicht 2 eine Teilschicht, die im wesentlichen durch R-CuAl-Phase 5 aufgebaut ist, während sich zwischen dieser R-CuAl-Phase 5 und der aufgespritzten Funktionsschicht 3 eine Teilschicht erstreckt, die als Reaktionsschicht im wesentlichen aufgebaut ist aus Al-Mischkristall 6 und R-CuAl/Al-Eutektikum 7. Mit der O-CuAl-Phase 5 hat die Bindungsschicht 4 vorzügliche Bindung zur restlichen Trägerschicht aus Sintermetall, während die Reaktionsschicht aus Al-Mischkristall 6 und R-CuAl/Al-Eutektikum, insbesondere mit ihrem Al-Mischkristall 6 vorzüglich Bindung mit der aufgespritzten Funktionsschicht 3 aus Aluminium-Blei-Dispersionslegierung hat.

Ausführungsbeispiel

Auf einem die Stützschicht 1 bildenden Stahlblech wurde nach Reinigung und Entfettung einseitig in einem sinterthermischen Prozeß eine Sintermetallschicht 2 aus CuSn10 aufgebracht.

Nach erneutem Reinigen und Entfetten wurde mittels Plasmaspritz-Verfahren ein Pulver der Zusammensetzung AlPb10 auf die Sintermetallschicht 2 als Funktionsschicht 3 aufgespritzt. Die Spritzparameter waren hierbei derart eingestellt, daß durch Wärmeübergang des Spritzmaterials auf die Sinterschicht 2 diese teilweise aufgeschmolzen wurde. Hauptsächlich die Cu-Komponente der aufgeschmolzenen Sintermetallschicht 2 und hauptsächlich die Al-Komponente des wärmeeinbringenden Spritzmaterials haben sich zu einer neuen Legierung vereinigt.

Aus dieser Legierung entstand bei der Erstarrung eine Bindungsschicht 4 in Form einer Reaktionsschicht. Diese Reaktionsschicht besteht im wesentlichen aus den aus dem Cu-Al-Phasendiagramm bekannten Bestandteilen, nämlich O-Phase, Aluminium-Mischkristall und eutektischer Mischung beider vorgenannter Phasen. Da die Härte der Cu-Al-Legierungen in dem betrachteten Konzentrationsbereich mit steigendem Cu-Gehalt ansteigt und da ferner die Cu-reichere Phase sich nahe der Sinterschicht bildet, die Al-reichere hingegen nahe der AlPb-Spritzschicht, entsteht ein Schichtverbund mit sanft abgestuften Festigkeitseigenschaften.

Durch das oben beschriebene Verfahren erhält man in vorteilhafter Weise einen gut umformbaren Schichtverbundwerkstoff, der sich besonders für die Herstellung von Gleitelementen, insbesondere Gleitlagerschalen und Gleitlagerbuchsen eignet. Dabei bietet die sich als Reaktionsschicht gebildete Bindungsschicht 4 eine zweite Gleitschicht zwischen der eigentlichen Gleitschicht aus AlPb-Dispersionslegierung und der mit Notlaufeigenschaften ausgestatteten Trägerschicht aus CuSn10-Sintermetall.

Claims (15)

1. Schichtwerkstoff mit einer aus zusammengesinterten Werkstoffteilchen gebildeten porösen Trägerschicht und einer auf dieser durch thermokinetisches Plattieren angebrachten, im wesentlichen massiven Funktionsschicht, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Trägerschicht (2) und der Funktionsschicht (3) durch die Einwirkung von durch das thermokinetische Plattieren bei Bildung der Funktionsschicht (3) eingetragener Energie eine Bindungsschicht (4) aus solchem Material ausgebildet ist, das durch Vereinigung von Werkstoffbestandteilen, der Trägerschicht (2) und der Funktionsschicht (3) gebildet ist.

2. Schichtwerkstoff nach Anspruch 1 für die Herstellung von Gleitelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht (2) im wesentlichen aus gesintertem metallischem Werkstoff mit Notlaufeigenschaften und die Funktionsschicht (3) im wesentlichen aus metallischem Gleitwerkstoff bestehen und die Bindungsschicht (4) aus einer gemeinsamen Schmelze von Werkstoffbestandteilen der Trägerschicht (2) und der Funktionsschicht (3) gebildet ist.

3. Schichtwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nicht schmelzbare und/oder nur bei sehr hohen Temperaturen schmelzende Bestandteile der Trägerschicht (2) und der Funktionsschicht (3) als dispergierte Teilchen in das Material der Bindungsschicht (4) eingelagert sind.

4. Schichtwerkstoff nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der gemeinsamen Schmelze von Werkstoffbestandteilen der Trägerschicht (2) und der Funktionsschicht (3) nicht lösbare oder nicht vermischbare geschmolzene Bestandteile als Feinteilchen in Art einer Dispersionslegierung in die Bindungsschicht (4) eingelagert sind.

5. Schichtwerkstoff nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer gesinterten Trägerschicht (2) aus Zinnbronze und einer massiven Funktionsschicht (3) aus Aluminium-Blei-Dispersionslegierung die Bindungsschicht (4) im wesentlichen massive Aluminium-Kupfer-Basislegierung enthält.

6. Verfahren zum Herstellen eines Schichtwerkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Trägerschicht aus zusammengesinterten Teilchen eine Funktionsschicht aus mit dem Werkstoff der Trägerschicht mindestens teilweise vereinigbarem Werkstoff thermokinetisch mit solcher Temperatur und mit solcher kinetischer Energie aufgebracht wird, daß die Trägerschicht zumindest in ihrem Oberflächenbereich zumindest erweicht wird und die für die Bildung der Funktionsschicht vorgesehenen Teilchen selbst in einem im wesentlichen erweichten Zustand unter Ausbildung einer massiven Bindungsschicht kinetisch in den erweichten Werkstoff der Trägerschicht hineingetrieben werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das thermokinetische Beschichten der Trägerschicht unter solcher Temperatur und solcher kinetischer Energie vorgenommen wird, daß der gesinterte Werkstoff der Trägerschicht zumindest in deren Oberflächenbereich geschmolzen und die zugeführten Teilchen des für die Funktionsschicht vorgesehenen Werkstoffs in diese Schmelze aufgenommen werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht auf einem wesentlichen Teil ihrer Dicke beim thermokinetischen Beschichten geschmolzen und mit eingeführtem Werkstoff für die Funktionsschicht versetzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zugeführten Teilchen für die Funktionsschicht zumindest in ihren wesentlichen Bestandteilen in dem geschmolzenen Teil der Trägerschicht unter Bildung einer gemeinsamen Schmelze geschmolzen werden.

10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen für die Funktionsschicht nicht oder nur teilweise aufgeschmolzen werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Trägerschichten und für Funktionsschichten aus metallischen Werkstoffen das thermokinetische Beschichten als Plasmaspritzen ausgeführt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das thermokinetische Beschichten mit Schutzgasmantel oder in Schutzgasatmosphäre oder unter Vakuum ausgeführt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur und/oder die kinetische Energie der zugeführten Teilchen während der thermokinetischen Beschichtung verändert, beispielsweise herabgesetzt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das thermokinetische Beschichten kontinuierlich an einem vorbeigeführten Trägerwerkstoff-Band ausgeführt wird und bevorzugt zwei oder mehr Stufen für thermokinetisches Beschichten mit unterschiedlichen Temperatur- und Energiebedingungen vorgesehen sind.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht vor dem thermokinetischen Beschichten vorgeheizt wird, vorzugsweise an ihrer zu beschichtenden Seite.