DE69019710T2

DE69019710T2 - Lager.

Info

Publication number: DE69019710T2
Application number: DE69019710T
Authority: DE
Inventors: David Eastham; Alan Pope
Original assignee: T&N Technology Ltd
Current assignee: Dana Inc
Priority date: 1989-07-03
Filing date: 1990-06-18
Publication date: 1996-01-04
Anticipated expiration: 2010-06-19
Also published as: ZA904953B; GB2233718A; KR100190904B1; GB9013355D0; ES2074166T5; GB8915254D0; BR9006838A; GB2233718B; EP0435980A1; DE69019710T3; EP0435980B1; WO1991000375A1; ATE123078T1; ES2074166T3; KR920701509A; JP3262327B2; US5209578A; EP0435980B2; JPH04500700A; DE69019710D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Achslager und Beschichtungen, die als Overlays bekannt sind, welche auf solchen Lagern abgeschieden bzw. aufgebracht werden, insbesondere durch das Verfahren des Kathodensputtern.
Es ist bekannt, weiche Overlay-Legierungszusammensetzungen auf der Lauffläche eines Achslagers durch Kathodensputtern abzuscheiden. Ein Beispiel dafür ist beschrieben in der Europäischen Patentanmeldung 0 300 993 von Koroschetz et al. Ein Overlay auf der Grundlage von Kupfer, Aluminium oder Silber ist beschrieben mit säulenförmigen Kristallkörnern mit einer Hauptachse senkrecht auf der Gleitrichtung und einer eingebetteten Phase von Teilchen, die weicher als die Matrix und ferner unlöslich in dem Matrixmetall sind. Beispiele sind gegeben von Overlay-Zusammensetzungen von Aluminium-20 vol.% Zinn und Kupfer-30 vol.% Blei. Solche Legierungszusammensetzungen wurden bis in die jüngste Zeit verwendet als Schmiede- oder Gußmaterialien für das Hauptlagermaterial mit einer Overlay-Laufbeschichtung auf der Grundlage von Legierungen von Blei oder Zinn. Die Verwendung solcher Zwei-Phasen-Legierungen als Overlay ist der Suche nach Materialien zuzuschreiben, die sowohl einen verbesserten Verschleißwiderstand als auch eine verbesserte Ermüdungsfestigkeit haben gegenüber herkömmlichen elektrobeschichteten Legierungen auf der Basis von Blei und Zinn, während sie eine gute Formbarkeit und Antibelag-Eigenschaft behalten.
In der ersten Phase des Laufes einer neuen Welle in einem Motor ist es jedoch wünschenswert, einen höheren Grad an Anpassung bzw. Formbarkeit zu haben, als von bekannten Zwei-Phasen-Legierungen schnell bereitgestellt wird, zum Beispiel wie in der EP 0 300 993 beschrieben. Da das Overlay verschleißt bzw. sich abnutzt und das Laufspiel zwischen Wellenzapfen und Lager erhöht, ist es darüber hinaus wünschenswert, einen steigenden Grad an Verschleißbeständigkeit des Overlay-Materials bereitzustellen. Bei steigendem Overlay-Verschleiß wird die Anpaßbarkeit weniger wichtig und die Verschleißfestigkeit bekommt mehr Bedeutung.
Es ist auch vorgeschlagen worden, Lagerlegierungsmaterial durch ein Plasma- Sprühverfahren aufzudampfen bzw. abzuscheiden, beispielsweise wie in der GB-A-2 1 30 250 offenbart, um ein Futter für ein Lager zu bilden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Achslager vorgesehen mit einem starken Verstärkungsmaterial bzw. Versteifungsmaterial, welches eine Overlay-Beschichtung darauf besitzt, wobei die Overlay-Beschichtung abgeschieden wird durch Kathodensputtern und aufweist ein erstes Material, welches die Schichtmatrix darstellt und darin eine dispergierte Phase eines zweiten Materials aufweist, wobei die dispergierte Phase des zweiten Materials einen relativ geringen Gehalt an der Schnittfläche zwischen dem Verstärkungsmaterial und der Beschichtung aufweist und einen relativ hohen Gehalt an der Schichtoberfläche aufweist.
Bevorzugt ist ebenfalls eine Schicht eines dritten Materials vorhanden, welches ein Lagermaterial aufweist, zwischengelagert zwischen dem starken Verstärkungsmaterial, welches beispielsweise Stahl sein kann, und der Beschichtung. Das dritte Material kann eine Legierung auf der Basis von Kupfer sein, zum Beispiel Bleibronze, eine Aluminium-Legierung, zum Beispiel eine Aluminium-Kupfer-Silicium-Zinn-Legierung oder eine Silber-Legierung.
Wenn eine dritte Materialschicht zwischen dem starken Verstärkungsmaterial und der Beschichtung zwischengelagert ist und wenn eine Diffusion zwischen der dispergierten Phase in der Beschichtung in das dritte Material bei der Lager-Betriebstemperatur auftreten kann, ist es wünschenswert, daß die Beschichtung an der Schnittstelle im wesentlich aus dem Matrix-Metall ohne einem dispergierten zweiten Material darin besteht. Die Dicke des Beschichtungsmatrix-Materials an der Schnittstelle kann weniger als 3 Mikrometer und bevorzugt zwischen 0, 1 und 2 Mikrometer betragen, um als Diffusionsbarriere zu dienen.
In einigen Fällen, wenn eine dritte Materialschicht eines Lagermateriales vorliegt, kann es wünschenswert sein, eine Beschichtung eines vierten Materials aus beispielsweise Nickel oder Kobalt vor der Abscheidung des Overlays selbst vorzusehen. Dieses vierte Material kann durch Elektroplattierung oder Sputtern abgeschieden werden.
Die Verwendung einer relativ reinen Zwischenschicht ist ebenfalls günstig, da dies die Adhäsion an das Substrat verstärkt, auf dem die Beschichtung abgeschieden wird.
Die Gesamtdicke der Overlay-Beschichtung liegt im Bereich von 10 bis 50 Mikrometer und bevorzugt zwischen 15 und 40 Mikrometer abhängig von der Anwendung.
An der Lauffläche der Beschichtung kann eine Schicht vorliegen, die virtuell das reine zweite Material enthält, um einen sogenannten Opfer-Overlay zu bilden. Die Dicke dieser Oberflächenschicht kann zwischen 0,1 und 5 Mikrometer und bevorzugt zwischen 1 und 3 Mikrometer betragen.
Das Ziel der Oberflächenschicht liegt daran, einen hohen Grad an Anpassung und Verträglichkeit in der ersten Anlaufphase eines Motors zu liefern. Das zweite Material, welches die dispergierte Phase und die Oberflächenschicht bildet, kann ausgewählt werden aus Materialien, von denen bekannt ist, daß sie wünschenswerte Lagereigenschaften haben und die beispielsweise enthalten Blei, Zinn, Kadmium, Antimon, Wismuth, Indium und Legierungen dieser Metalle.
Die Oberflächenschicht kann aufweisen eine Zusammensetzung, die unterschiedlich ist von der der dispergierten Phase über den verbleibenden Teil der Beschichtungsmatrix. Wenn beispielsweise die dispergierte Phase in der Beschichtung Blei aufweist, kann die Opferoberflächenschicht Blei sein, legiert mit Indium oder Zinn, um eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit zu liefern.
Die Beschichtungsmatrix kann aufweisen Aluminium, Kupfer oder Silber und in einigen Fällen Legierungen auf der Basis dieser Metalle, zum Beispiel Aluminium-Silicium-Kupfer.
Wenn beispielsweise die Beschichtung ein Aluminium-Matrix-Material aufweist, das eine darin dispergierte Zinnphase hat, wobei die Beschichtung auf einer Bleibronze-Legierung abgeschieden wird, kann sie eine virtuell reine Aluminium-Zwischenschicht von etwa 2 Mikrometer an der Schnittstelle bzw. Zwischenfläche aufweisen, dann eine Zusammensetzung benachbart dieser Schnittstelle bzw. Zwischenschicht von etwa Aluminium-10 Gew% Zinn ansteigend auf etwa Aluminium-50 Gew% Zinn und eine Gesamtdicke von etwa 22 Mikrometer haben sowie eine Opferoberflächenschicht von etwa 3 Mikrometer im wesentlichen reines Zinn.
Bevorzugt weist die Mikrostruktur der Beschichtung allgemein gleichachsige Körner auf.
Die Overlay-Beschichtung wird abgeschieden durch Kathodensputtern, da dies ein herkömmliches Verfahren der Steuerung der Beschichtungszusammensetzung zu jedem Zeitpunkt darstellt und ferner geeignet ist für automatisch programmierte Steuerung durch bekannte Verfahren, so daß eine reine Matrix- Metall-Zwischenschicht, eine kontinuierlich sich verändernde Overlay-Zusammensetzung und eine reine zweite Materialoberflächenschicht in einer einzelnen Operation abgeschieden werden können.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend erläuternde Beispiele nur unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen,
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Schnittes zeigt durch ein Overlaybeschichtetes Lager gemäß der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 eine verallgemeinerte grafische Darstellung der Veränderung der Overlay-Zusammensetzung in der in Figur 1 gezeigten Ausführungsführungsform zeigt und
Figur 3 eine grafische Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines Overlays gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Unter Bezugnahme auf Figur 1 ist ein Schnitt durch einen Teil eines Lagers gezeigt, das eine Stahlverstärkung 10, eine Schicht 12 aus Bleibronze und eine Overlay-Beschichtung 14 gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist. Die Beschichtung 14 weist ein Aluminium-Zinn-Kompositmaterial auf mit einer ersten Schicht 16, benachbart der Schnittstelle 18 mit der Bleibronze-Schicht 12 aus im wesentlichen reinem Aluminium und einer Dicke von 2 Mikrometer. Benachbart der Schicht 16 ist eine Mittelschicht 20 mit einer Aluminium- Matrix 22 mit dispergierten bzw. verteilten Teilchen 24 aus Zinn darin. Die Mittelschicht hat eine Zusammensetzung von etwa Aluminium-10 Gew.% Zinn benachbart der Schicht 16 und steigt an gleichmäßig zu einem Zinngehalt von etwa 50 Gew.% bei einer Dicke von etwa 22 Mikrometer. Die Beschichtung 14 hat als Oberflächenschicht 26 eine Schicht aus im wesentlichen reinem Zinn von 2 Mikrometer Dicke.
Die Beschichtungszusammensetzung von Figur 1 kann idealistisch dargestellt gesehen werden in Figur 2. Die gestufte zunehmende Natur der Zinngehalt- Veränderung ergibt sich aus der manuellen Steuerung, die bei der Sputtervorrichtung verwendet wird. In der Praxis wird eine gleichmäßigere Veränderung des Zinngehaltes erreicht, wenn Veränderungen der Steuerparameter nicht zu gleichzeitigen bzw. sofortigen Zusammensetzungsveränderungen führen.
Figur 3 zeigt eine unterschiedliche Verteilung von Zinn über die Dicke der Beschichtung, wenn ein Niveau von etwa 40 Gew.% Zinn aufrechterhalten wird über etwa die Hälfte der Dicke der Mittelschicht 20. Durch das Verfahren des Kathodensputterns können Overlays an besondere Motorenanforderungen hinsichtlich der Zusammensetzung und des Aufbaues angepaßt bzw. zugeschnitten werden.
Die Beschichtung der Figuren 1 und 2 wurde durch das folgende Verfahren hergestellt.
Drei Targets, zwei aus Aluminium und einer aus Zinn wurden in die Kammer einer Kathodensputter-Vorrichtung gestellt. Die Kammer wurde heruntergepumpt auf 9 x 10 &supmin;&sup4; Pa (6,75 x 10 &supmin;&sup6; torr) Druck, gefolgt durch einen Anstieg auf 1,06 Pa (8 Millitorr) durch die Einführung reinen Argons. Die stahlverstärkten Bleibronze-Lager wurden in eine drehbare Spannvorrichtung gestellt, die bei 70º C für die Sputterreinigung gehalten wurde, während der die Lagerflächen-Temperatur etwa 150º C beträgt. Eine DC-Vorspannung von 3.000 Volt wurde an die Lager-Trägerspannvorrichtung angelegt und ein Strom von 500 mA erzeugt wobei die Sputterreinigung ausgeführt wurde für eine Zeitdauer von 15 Minuten und bei einer Drehzahl der Haltespannvorrichtung von 1 Upm. Während der Sputterreinigung der Lager waren alle Target-Verschlüsse geschlossen. Nach einer Sputterreinigung von 10 Minuten wurden zwei Aluminium-Targets in Betrieb genommen durch Lauf bei 440 Volt und 17,5 A jeweils, um eine gesamte Eingangsleistung von 15,4 kW einzustellen. Nach 5 Minuten wurde die Vorspannung an der Trägerspannvorrichtung auf 500 Volt reduziert, die Aluminium-Target-Verschlüsse wurden geöffnet und eine reine Aluminium-Schicht wurde abgeschieden auf der Lagerfläche auf einer Dicke von 2 Mikrometer über eine Zeitdauer von 5 Minuten. Zu Beginn der Abscheidung reinen Aluminiums wurde das einzelne Zinn-Target in Betrieb genommen auf 490 Volt bei 4,5 A, um eine Eingangsleistung von 2,2 kW einzustellen. Das Zinn-Target wurde sodann gereinigt bei geschlossenem Verschluß. Die Leistung auf dem Zinn-Target wurde sodann auf 0,2 kW bei 425 Volt und 0,47 A reduziert, worauf der Zinn-Target-Verschluß dann geöffnet wurde. Die Trägerspannvorrichtungs-Vorspannung wurde vermindert auf 100 Volt für die verbleibende Abscheidungszeit. Bei fortgesetzter Drehung des Trägers wurde die Leistung zu jedem Target in 5 Minuten Abständen eingestellt, um die gestufte Zinn-Gehalt-Kennlinie zu erzeugen, die in Figur 2 gezeigt ist. Schließlich, als die Mittelschicht vollendet war, wurden die Verschlüsse für das Aluminium-Target geschlossen und die daran liegende Leistung abgeschaltet für die verbleibende Abscheidungszeit der Oberflächenschicht aus Zinn.
Die Overlay-Zusammensetzung gezeigt in Figur 2, hat eine relativ gleichmäßige Veränderungsrate des Zinn-Gehaltes über die Dicke zwischen 2 und 22 Mikrometer, wogegen der in Figur 3 gezeigt Overlay eine konstante Zusammensetzung behält zwischen etwa 15 und 24 Mikrometer. Somit kann durch die Verwendung des Kathodensputterns eine Overlay-Zusammensetzung und ein Aufbau erhalten werden, der zugeschnitten ist auf die speziellen Eigenschaften, die von dem bestimmten Motortyp gezeigt werden.
Die Ermüdungsfestigkeit des Overlays, wie gezeigt in den Figuren, wurde gemessen an einer bekannten "Saphir"-Ermüdungs und -Verschleißtestmaschine. Overlays, abgeschieden durch Sputtern, haben eine durchschnittliche Festigkeit von 107 MPa gezeigt, die einen Bereich von Festigkeiten anzeigt, einige bei 130 MPa bei 3 Grenze. Es sollte auch beachtet werden, daß die maximale Lagerkapazität der "Saphir"-Maschine 117 Mpa ist und daß eine Anzahl von Testproben bei dieser Last nicht ermüdeten. Daher kann die aktuelle Durchschnittsfestigkeit signifikant über 107 MPa liegen. Zum Zwecke des Vergleiches haben herkömmliche elektroplattierte Overlay-Zusammensetzungen auf Blei-Basis eine typische durchschnittliche Festigkeit von etwa 61 MPa bei etwa 25 Mikrometer Dicke und zeigen eine maximale Ermüdungsfestigkeit von 87 MPa. Die Overlays der vorliegenden Erfindung zeigen daher beträchtliche Gütevorteile gegenüber herkömmlichen elektroplattierten Legierungen auf der Basis von Blei.
Eine Messung der Verschleißfestigkeit an einer "Saphir"-Testmaschine zeigt, daß die gesputterte Schicht eine Verschleißfestigkeit bis zu fast der doppelten Verschleißfestigkeit eines elektroplattierten Overlays auf der Basis von Blei hat. Nach einem ersten Lauf in der Zeitdauer eines beschleunigten Verschleißtestes war die Geschwindigkeit des Volumenverlustes in mm³/Stunde:
Blei Indium 7 - 0,012
Blei Zinn 10 - 0,009
Blei Zinn 10 Kupfer 2 - 0,007
Aluminium - Zinn 40 - 0,005
Der Test in einem großen turbogeladenen Dieselmotor hat gezeigt, daß die Overlays der vorliegenden Erfindung sehr viel weniger anfällig sind für Kavitationserosion als elektroplattierte Overlays auf Bleibasis.

Claims

1. Achslager mit einem starken Verstärkungsmaterial (10), das auf sich eine Schicht aus einem Lagermaterial (12) und eine Overlay-Beschichtung (14) trägt, und zwar auf der Schicht aus Lagermaterial, wobei die Overlay-Beschichtung ein erstes Material (22) aufweist, welches die Beschichtungsmatrix darstellt und darin eine dispergierte Phase eines zweiten Materials (24) aufweist, die Overlay-Beschichtung abgeschieden ist durch Kathodensputtern, und die dispergierte Phase des zweiten Materials einen relativ geringen Gehalt hat an der Schnittfläche (18) zwischen der Schicht des Lagermaterials und der Beschichtung, und einen relativ hohen Gehalt an der Beschichtungsoberfläche hat, wobei die Gesamtdicke der Overlay-Beschichtung im Bereich von 10 bis 50 Mikrometer liegt.

2. Lager gemäß Anspruch 1, wobei das Material, welches die Lagermaterialschicht (12) darstellt, ausgewählt ist aus der Gruppe, welche Kupfer-Legierungen, Aluminium-Legierungen und Silber-Legierungen aufweist.

3. Lager gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Overlay- Beschichtung benachbart der Schnittfläche mit der darunterliegenden Lagermaterialschicht ein im wesentlich reines Matrix-Material aufweist, in einer Dicke von bis zu 3 Mikrometer.

4. Lager gemäß Anspruch 3, wobei die Dicke der im wesentlichen reinen Matrix-Materialschicht im Bereich von 0,1 bis 2 Mikrometer liegt.

5. Lager gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Gesamtdicke der Overlay-Beschichtung im Bereich von 15 bis 40 Mikrometer liegt.

6. Lager gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Overlay- Beschichtungsfläche ein im wesentlichen reines zweites Material aufweist in einer Dicke von zwischen 0,1 und 5 Mikrometer.

7. Lager gemäß Anspruch 6, wobei die Overlay-Beschichtungsfläche ein im wesentlich reines zweites Material in einer Dicke aufweist, die im Bereich zwischen 1 und 3 Mikrometer liegt.

8. Lager gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei das zweite Material der Overlay-Beschichtung ausgewählt ist aus der Gruppe, welche Blei, Zinn, Kadmium, Antimon, Wismuth, Indium und Legierungen davon aufweist.

9. Lager gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Overlay- Beschichtungsmatrix ausgewählt ist aus der Gruppe, welche Aluminium, Kupfer, Silber, Aluminium-Legierungen, Kupfer-Legierungen und Silber-Legierungen aufweist.

10. Lager gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Overlay- Beschichtung eine Aluminium-Matrix mit einer dispergierten zweiten Phase aus Zinn aufweist.

11. Lager gemäß Anspruch 13, wobei die Zusammensetzung der Overlay- Beschichtung benachbart der Schnittfläche mit der darunterliegenden Schicht Aluminium-10 Gew.% Zinn ist, während die Zusammensetzung benachbart der Oberfläche oder Oberflächenschicht Aluminium-50 Gew.% Zinn ist.