DE4328921A1 - Gleitlagermaterial mit einer obersten Schicht, die eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß hat - Google Patents
Gleitlagermaterial mit einer obersten Schicht, die eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß hatInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Verbesserung einer obersten
Schicht eines Gleitlagers und insbesondere ein Gleitlager
material mit einer obersten Schicht, die eine ausgezeich
nete Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß hat.
Dieses Gleitlagermaterial ist für Hochleistungs-Verbren
nungsmotoren geeignet, die in Automobilen, Schiffen und
technischen Anlagen verwendet werden.
In neuerer Zeit werden Verbrennungsmotoren zunehmend als
Hochleistungsmotoren sowie als Hochgeschwindigkeitsmotoren
ausgelegt. Um den entsprechenden Anforderungen zu genügen
wird auf einer Lagerlegierung eine oberste Schicht durch
Elektroplattieren gebildet, um die Oberflächeneigenschaf
ten, wie die Konkordanz, die Einbettbarkeit und die Be
ständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß, zu verbes
sern. In neuerer Zeit ist auch schon vorgeschlagen worden,
eine oberste Schicht durch Aufspritzen bzw. Aufsprühen zu
bilden, um die Beständigkeit gegenüber fressendem Ver
schleiß, die Verschleißfestigkeit und die Korrosionsbe
ständigkeit zu steigern, um hierdurch das Verhalten des
Lagers zu verbessern.
Beispiele für durch Elektroplattieren gebildete oberste
Schichten sind Schichten aus Pb-Sn-Legierungen, Pb-In-Sn-
Legierungen und Pb-Sn-Cu-Legierungen. Bei diesen Legierun
gen handelt es sich um Pb-Legierungen, die daher weich
sind und eine ausgezeichnete Konkordanz bzw. Verträglich
keit, Einbettbarkeit und Beständigkeit gegenüber fressen
dem Verschleiß haben. Sie sind aber hinsichtlich der Ermü
dungsbeständigkeit und der Verschleißbeständigkeit
schlechter. In neuerer Zeit sind Verbrennungsmotoren mit
erhöhter Leistung entwickelt worden, um hohe Leistungen zu
erhalten und Energie zu sparen. Diese Motoren haben eine
kompakte Bauart, so daß die Breite des Lagers verringert
wird. Dadurch wird der Lagerdruck, der auf das Lager aus
geübt wird, größer und größer. Dies führt zu dem Ergebnis,
daß herkömmliche Lager für die neueren Hochleistungs-Ver
brennungsmotoren ungeeignet sind. Dazu kommt noch, daß im
Falle der Elektroplattierung enorme Kosten zur Entsorgung
der Abwässer entstehen.
Zur Lösung der obigen Probleme ist es bereits vorgeschla
gen worden, eine oberste Schicht aus einer Al-20Sn-Legie
rung durch Aufspritzen bzw. Aufsprühen zu bilden, um die
Ermüdungsbeständigkeit, die Verschleißfestigkeit und die
Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Diese oberste
Schicht hat aber eine hohe Härte und weist daher eine
schlechtere Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß
auf.
Aufspritz- bzw. Aufsprühtechniken haben zur Erhöhung der
Festigkeit von obersten Schichten, wie der Ermüdungsbe
ständigkeit und der Verschleißfestigkeit, Aufmerksamkeit
gefunden. Durch Anwendung eines solchen Aufspritz- bzw.
Aufsprühverfahrens können im Vakuum leicht dünne Schichten
auf Substraten dampfabgeschieden werden, indem ein auf neh
mendes Teil mit der erforderlichen Zusammensetzung gebil
det wird. Daher können leicht oberste Schichten aus Alumi
niumlegierung durch Aufspritzen bzw. Aufsprühen gebildet
werden, die bislang durch Elektroplattieren nur schwer
herzustellen waren. Argonionen treffen auf das aufnehmende
Teil auf, und die durch die Auftreffenergie ausgetriebenen
Komponenten des aufnehmenden Teils treffen auf das Sub
strat auf, um dort abgeschieden zu werden. Daher können
oberste Schichten mit einer Zusammensetzung, die derjeni
gen des aufnehmenden Teils analog ist, erhalten werden.
Die oberste Schicht hat aber eine sehr feine (hinsichtlich
der Größe der Kristallkörner) und gleichförmige Struktur,
und sie ist im Vergleich zu dem aufnehmenden Teil sehr
hart. Diese feine und gleichförmige Struktur und die hohe
Härte erhöhen die Festigkeit der obersten Schicht, wie die
Ermüdungsbeständigkeit und die Verschleißbeständigkeit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Zusammenset
zung des aufnehmenden Teils zu verbessern, um die Bestän
digkeit gegenüber fressendem Verschleiß der obersten
Schicht weiter zu verbessern.
Gegenstand der Erfindung ist ein Gleitlagermaterial, das
durch eine Stahlstützschicht, eine Lagerlegierungsschicht
und eine durch Aufspritzen bzw. Aufsprühen gebildete ober
ste Schicht mit ausgezeichneter Beständigkeit gegenüber
fressendem Verschleiß, wobei die oberste Schicht, auf das
Gewicht bezogen, aus 10-80% Sn, 0,1-5% Cu, 0,05-3% Sb und
zum Rest Al und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen
besteht, gekennzeichnet ist.
Die oberste Schicht kann weiterhin nicht mehr als 10% Pb
und/oder Bi enthalten.
Die oberste Schicht kann weiterhin nicht mehr als 5% Si
enthalten.
Nachstehend werden die Gründe für die Zusammensetzung der
erfindungsgemäß verwendeten obersten Schicht sowie ihre
Effekte näher erläutert.
Dieses Element hat eine ausgezeichnete Korrosionsbestän
digkeit und Festigkeit. Wenn dieses Element in Kombination
mit den unten unter (2) bis (7) aufgeführten Elementen
verwendet wird, dann bildet es zusammen mit diesen Ele
menten eine Legierung für eine oberste Schicht mit ausge
zeichneter Ermüdungsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit,
Last-Tragkapazität und Beständigkeit gegenüber fressendem
Verschleiß.
Die Zugabe dieses Elements verbessert die Oberflächenei
genschaften der obersten Schicht, wie die Konkordanz bzw.
die Konformabilität, die Einbettbarkeit und die Beständig
keit gegenüber fressendem Verschleiß. Wenn der Gehalt an
diesem Element weniger als 10% beträgt, dann kann kein zu
friedenstellender Effekt erhalten werden. Wenn anderer
seits der Gehalt größer als 80% ist, dann werden die me
chanischen Eigenschaften der obersten Schicht stark ver
schlechtert.
Dieses Element dient dazu, die mechanische Festigkeit der
Al-Matrix zu verbessern, um die mechanischen Eigenschaften
der obersten Schicht, wie die Ermüdungsbeständigkeit, die
Verschleißfestigkeit und die Last-Tragkapazität, zu ver
bessern. Wenn der Gehalt an diesem Element weniger als
0,1% ist, dann kann kein zufriedenstellender Effekt er
halten werden. Wenn andererseits der Gehalt mehr als 5%
beträgt, dann wird die oberste Schicht extrem brüchig,
wodurch die Ermüdungsbeständigkeit der obersten Schicht
erniedrigt wird.
Dieses Element dient dazu, die mechanische Festigkeit der
Al-Matrix zu verbessern, um die mechanischen Eigenschaften
der obersten Schicht, wie die Ermüdungsbeständigkeit, die
Verschleißfestigkeit und die Last-Tragkapazität, zu ver
bessern. Dieses Element dient auch dazu, das (später er
läuterte) Pb fein und gleichförmig in der Al-Legierung zu
dispergieren, so daß leicht ein aufnehmendes Teil mit fein
und gleichförmig darin dispergiertem Pb hergestellt werden
kann, so daß eine oberste Schicht mit gleichförmiger
Struktur erhalten werden kann. Wenn der Gehalt an diesem
Element weniger als 0,05% beträgt, dann kann kein zufrie
denstellender Effekt erhalten werden. Wenn andererseits
dieser Gehalt mehr als 3% beträgt, dann wird die oberste
Schicht brüchig, wodurch das Lagerverhalten verschlechtert
wird, obgleich die Härte der obersten Schicht erhöht wird.
Dieses Element verbessert die lipophilen Eigenschaften und
die Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß. Wenn
der Gehalt an diesem Element mehr als 10% beträgt, dann
wird es sehr schwierig, dieses Element fein und gleichför
mig in der Al-Matrix zu dispergieren, so daß es schwierig
wird, ein aufnehmendes Teil zu erhalten, in dem das Pb
fein und gleichförmig verteilt ist.
Dieses Element wird mit Sn legiert, um die Schmiereigen
schaften und die Konformabilität des Zinns zu verbessern,
wodurch die Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß
weiter verbessert wird. Wenn der Gehalt an diesem Element
mehr als 10% beträgt, dann wird der Schmelzpunkt der ober
sten Schicht erniedrigt, so daß die Ermüdungsbeständigkeit
verringert wird.
Dieses Element wird deswegen verwendet, um die Anti-
Kriechbeständigkeit der Al-Matrix und die Beständigkeit
gegenüber fressendem Verschleiß zu verbessern. Wenn der
Gehalt an diesem Element weniger als 0,1% ist, dann kann
kein zufriedenstellender Effekt erhalten werden. Wenn an
dererseits der Gehalt mehr als 5% beträgt, dann wird die
oberste Schicht brüchig, wodurch das Lagerverhalten ver
schlechtert wird.
Vorteilhafterweise beträgt die Dicke der obersten Schicht
5-30 µm.
Nachstehend wird die Zusammensetzung der zwischen der
obersten Schicht und der Lagerlegierungsschicht vorgese
henen Zwischenschicht sowie ihre Effekte erläutert.
Wenn die oberste Schicht durch Aufspritzen bzw. Aufsprühen
an eine Lagerlegierungsschicht aus einer Al-Legierung ge
bunden werden soll, dann muß zuerst ein starker Oxidfilm
von der Oberfläche der Al-Legierung entfernt werden. Zu
diesem Zweck wird die Oberfläche der Lagerschicht aus der
Al-Legierung einer Verzinkungsbehandlung in einem nassen
Bad, beispielsweise durch Elektroplattieren, unterworfen,
so daß der starke Oxidfilm auf der Oberfläche durch Zn
oder eine Zn-Legierung ersetzt wird. Sodann wird darauf
die oberste Schicht durch Dampfabscheidung abgeschieden.
Auf diese Weise wird eine stärkere Bindung erhalten.
Vorteilhafterweise beträgt die Dicke der Zwischenschicht
0,5 bis 3 µm.
Wenn eine Cu-Legierung als Lagerlegierung verwendet wird,
und wenn eine Sn-enthaltende Legierung für die oberste
Schicht verwendet wird, dann diffundiert das Sn im Verlauf
der Zeit in die Cu-Legierung hinein, wodurch der Sn-Gehalt
der obersten Schicht verringert wird. Zur gleichen Zeit
wird eine brüchige CuSn-Verbindung an der Verbindungsober
fläche erzeugt, wodurch die Bindungsfestigkeit erniedrigt
wird. Im Hinblick darauf wird die Zwischenschicht aus Ni
oder einer Ni-Legierung auf der Lagerlegierung durch Auf
spritzen bzw. Aufsprühen oder durch Elektroplattieren ge
bildet. Darauf wird dann durch Dampfabscheidung die ober
ste Schicht gebildet, wodurch eine stabilere Bindung er
halten werden kann. Vorteilhafterweise beträgt die Dicke
der Zwischenschicht 1-3 µm. Die Dicke der Lagerlegierungs
schicht ist 0,2-1,5 mm. Vorzugsweise besteht die Lagerle
gierungsschicht aus einer Cu-20-35%Pb-0-2%Sn-Legierung,
einer Cu-5-25%Pb-2-12%Sn-Legierung, einer Al-5-60%Sn-
2-8%Si-0,2-2%Cu-0-2%Pb-Legierung oder einer Al-5-20%Pb-
2-10%Sn-0,2-2%Cu-0-4%Si-0-1%Mn-Legierung.
Die Erfindung wird in dem Beispiel näher erläutert.
Die Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzungen von verschie
denen obersten Schichten, von verschiedenen Zwischen
schichten und von verschiedenen Lagerlegierungsschichten,
die für die erfindungsgemäßen Lagermetalle verwendet wor
den sind. Die Tabelle 1 zeigt auch die Härte der verschie
denen obersten Schichten und die Ergebnisse der Tests auf
fressenden Verschleiß.
Aufnehmende Teile (targets), die aus Aluminiumlegierungen
mit der gleichen Zusammensetzung wie die obersten Schich
ten bestanden, gemäß Tabelle 1, wurden durch Gießen herge
stellt. Sodann wurde ein Pulver mit der Zusammensetzung
jeder Lagerlegierungsschicht aus einer Kupferlegierung ge
mäß Tabelle 1 auf einen Stützstahl aufgesintert und mit
dem Stützstahl durch Walzen verbunden, wodurch ein Bime
tall gebildet wurde. Hierauf wurde das Bimetall spanabhe
bend zu einem Lagermetall bearbeitet, und auf dem Lagerme
tall wurde durch Elektroplattieren ein Ni-Film mit einer
Dicke von 2 m aufgebracht, der als Zwischenschicht
diente. Diese Zwischenschicht kann auch durch Aufspritzen
bzw. Aufsprühen von Ni oder einer Ni-Legierung gebildet
werden. Sodann wurde jedes Lagermetall mit der Ni-Plattie
rungsschicht und das Lagermetall ohne die Ni-Plattierungs
schicht an eine Aufspritz- bzw. Aufsprüh-Einspannvorrich
tung angefügt, und diese wurde in eine Kammer eingebracht.
Sodann wurde die Kammer evakuiert, und Argon wurde in die
Kammer eingeleitet. Es erfolgte eine Ionenbombardierung,
um die Oberfläche des Lagermetalls zu reinigen. Sodann
wurde das Aufspritzen bzw. Aufsprühen durchgeführt, wobei
die jeweiligen auf nehmenden Teile (targets) aus den obigen
Aluminiumlegierungen verwendet wurden. Auf diese Weise
wurden die verschiedenen obersten Schichten mit den Zusam
mensetzungen gemäß Tabelle 1 auf dem Lagermetall abge
schieden. Die Dicke der obersten Schicht betrug 15 µm.
Sodann wurde eine Aluminiumlegierung mit der Zusammenset
zung der in Tabelle 1 angegebenen Lagerlegierungsschichten
auf einen Stützstahl aufgegossen. Sie wurde durch Aufwal
zen auf den Stützstahl mit diesem verbunden, wodurch ein
Bimetall gebildet wurde. Hierauf wurde das Bimetall span
abhebend zu einem Lagermetall verarbeitet, und das La
germetall wurde einer Verzinkungsbehandlung unterworfen,
so daß der Oxidfilm auf der Aluminiumoberfläche durch
einen Zn-Film mit einer Dicke von 0,5 µm ersetzt wurde.
Dieser Zn-Film diente als Zwischenschicht. Danach wurden
nach der gleichen Verfahrensweise, wie oben beschrieben,
die einzelnen obersten Schichten mit den Zusammensetzungen
gemäß Tabelle 1 auf dem Lagermetall, bei dem der Oxidfilm
durch Zn ausgetauscht worden war, und dem Lagermetall, bei
dem der Oxidfilm nicht durch Zn ausgetauscht worden war,
aufgebracht. Die Dicke der obersten Schicht betrug 10 µm.
Die Härte der Oberfläche der obersten Schicht der einzel
nen so hergestellten Lagermetalle wurde mit einem Mikro
meßgerät für die Vickers-Härte gemessen, wobei eine Last
von 10 g aufgebracht wurde. Sodann wurden bei den in Ta
belle 2 gezeigten Bedingungen Tests auffressenden Ver
schleiß durchgeführt.
Aus Tabelle 1 wird ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen
Produkte im Vergleich zu den Vergleichsprodukten eine aus
gezeichnete Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß
haben.
- 1) Durch Zugabe von Sb zu Al-Sn-Cu oder Al-Sn-Cu-Pb, das als oberste Schicht verwendet wird, wird die Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß sowohl gegenüber der Kup ferlegierung als auch der Aluminiumlegierung, die als Un terlageschicht (Lagerschicht) verwendet werden, verbes sert, ungeachtet, ob eine Zwischenschicht vorgesehen ist oder nicht.
- 2) Durch Zugabe von Pb und/oder Bi zu der Legierung der obersten Schicht wird die Beständigkeit gegenüber fressen dem Verschleiß weiter erhöht.
- 3) Durch Zugabe von Si zu der Legierung der obersten Schicht wird die Beständigkeit gegenüber fressendem Ver schleiß weiter erhöht.
- 4) Wie oben beschrieben, haben die erfindungsgemäßen Produkte eine ausgezeichnete Ermüdungsbeständigkeit, Ver schleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Diese Eigenschaften stellen Merkmale der durch Aufspritzen bzw. Aufsprühen gebildeten obersten Schicht dar. Des weiteren wird die Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß verbessert. Die erfindungsgemäßen Produkte können daher als Gleitlagermaterialien verwendet werden, die für Hoch leistungs-Verbrennungsmotoren eingesetzt werden.
Claims (5)
1. Gleitlagermaterial, gekennzeichnet
durch eine Stahlstützschicht, eine Lagerlegierungsschicht
und eine durch Aufspritzen bzw. Aufsprühen gebildete ober
ste Schicht mit ausgezeichneter Beständigkeit gegenüber
fressendem Verschleiß, wobei die oberste Schicht, auf das
Gewicht bezogen, aus 10-80% Sn, 0,1-5% Cu, 0,05-3% Sb und
zum Rest Al und erschmelzungsbedingten Verunreinigungen
besteht.
2. Gleitlagermaterial nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die oberste Schicht weiter
hin nicht mehr als 10% Pb und/oder Bi enthält.
3. Gleitlagermaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die oberste Schicht wei
terhin nicht mehr als 5% Si enthält.
4. Gleitlagermaterial, gekennzeichnet
durch eine Lagerlegierungsschicht aus einer Kupferlegie
rung, eine oberste Schicht mit ausgezeichneter Beständig
keit gegenüber fressendem Verschleiß und eine zwischen der
Lagerlegierungsschicht und der obersten Schicht gebildete
Zwischenschicht aus Ni oder einer Ni-Legierung.
5. Gleitlagermaterial, gekennzeichnet
durch eine Lagerlegierungsschicht aus einer Aluminium
legierung, eine oberste Schicht mit ausgezeichneter
Beständigkeit gegenüber fressendem Verschleiß und eine
zwischen der Lagerlegierungsschicht und der obersten
Schicht gebildete Zwischenschicht aus Zn oder einer Zn-
Legierung.
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