ZRI P/Po C56062WO ZRI P / Po C56062WO
Gleitlagerbearings
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitlager mit einer Trägerschicht aus einem metallischen Werkstoff, einer auf der Trägerschicht aufgebrachten kupferbasierten Lagermetallschicht, einer auf der Lagermetallschicht aufgebrachten Diffusionssperrschicht und einer auf der Diffusionssperrschicht aufgebrachten Gleitschicht auf der Basis von Zinn.The present invention relates to a sliding bearing comprising a carrier layer made of a metallic material, a copper-based bearing metal layer applied to the carrier layer, a diffusion barrier layer applied to the bearing metal layer and a tin-based sliding layer applied to the diffusion barrier layer.
Gleitlager in Form bleifreier Schichtverbundwerkstoffe werden weltweit für neue Motoren, insbesondere für Transport- und Schwerlastfahrzeuge benötigt, da immer mehr Fahrzeuge verschiedener Typen auf der Grundlage gemeinsamer Fahrzeugplattformen hergestellt werden.Plain bearings in the form of lead-free layer composites are needed worldwide for new engines, especially for transport and heavy duty vehicles, as more and more vehicles of different types are manufactured on the basis of common vehicle platforms.
Im Stand der Technik bekannt ist ein Gleitlager aus einem Schichtverbundwerkstoff, welches eine Trägerschicht aus Stahl, eine bleifreie Lagermetallschicht, eine Zwischenschicht oder Diffusionssperrschicht und eine bleifreie Gleitschicht auf Zinnbasis aufweist. Ein derartiges Gleitlager kommt den bekannten bleihaltigen Gleitlagern recht nahe und stellt einen Versuch dar, die wesentlichen Funktionseigenschaften dieser Gleitlager zu erhalten, bspw. Ihre gute Formanpassungsfähigkeit und Einbettfähigkeit, die auf der weichen, auf Zinn basierenden Gleitschicht beruhen, kombiniert mit einer vergleichsweise guten Belastbarkeit und den guten Notlaufeigenschaften im Falle eines völligen Verschleißes der Gleitschicht, die auf der Lagermetallschicht beruhen. Ein derartiges Gleitlager ist bspw. in der deutschen Patentanmeldung DE 103 37 030 A1 beschrieben.Known in the prior art is a sliding bearing made of a layered composite material which comprises a steel support layer, a lead-free bearing metal layer, an intermediate layer or diffusion barrier layer and a tin-based lead-free sliding layer. Such a sliding bearing comes quite close to the known lead-containing plain bearings and represents an attempt to obtain the essential functional properties of these plain bearings, for example. Their good conformability and embedding ability, based on the soft, tin-based sliding layer, combined with a comparatively good load capacity and the good runflat in the event of complete wear of the sliding layer, which are based on the bearing metal layer. Such a plain bearing is described, for example, in the German patent application DE 103 37 030 A1.
Im Zusammenhang mit derartigen Gleitlagern stellt es jedoch ein Problem dar, die Diffusion von Zinn aus der Gleitschicht in die Lagerschicht zu begrenzen, da ansonsten die Gleitschicht versprödet und die Belastbarkeit des Gleitlagers erheblich reduziert wird. Die deutsche Patentanmeldung DE 103 37 030 A1 schlägt hierzu vor, dass
eine Diffusionssperrschicht zwischen der Gleitschicht und der Lagermetallschicht vorgesehen sein soll, die aus reinem Nickel bestehen und etwa 4 bis 6 μm dick sein soll.In connection with such sliding bearings, however, it is a problem to limit the diffusion of tin from the sliding layer in the bearing layer, otherwise the brittle layer becomes brittle and the load capacity of the sliding bearing is significantly reduced. The German patent application DE 103 37 030 A1 proposes that a diffusion barrier layer between the sliding layer and the bearing metal layer should be provided, which consist of pure nickel and should be about 4 to 6 microns thick.
Diese Maßnahme hat sich als verbesserungswürdig erwiesen, da die Nickel- Diffusionssperrschicht vergleichsweise dick sein muss. Wenn Zinn aus der Gleitschicht in die Diffusionssperrschicht wandert, bildet sich dort eine aus Zinn und Nickel bestehende Diffusionsschicht. Wenn nun die Diffusionssperrschicht aus reinem Nickel zu dünn ist, wird sie komplett zu einer Zinn-/Nickel-Schicht umgesetzt. Das in dieser neuen Diffusionsschicht befindliche Zinn wandert weiter in die Lagermetallschicht. Wenn, wie üblich, eine Lagermetallschicht auf der Basis von Kupfer verwendet wird, bildet das Zinn mit dem Kupfer eine neue, aus Zinn und Kupfer bestehende Diffusionsschicht. Diese Diffusionsschicht ist jedoch spröde, so dass sie zum Abplatzen neigt.This measure has been found to be in need of improvement, since the nickel diffusion barrier layer must be comparatively thick. When tin migrates from the sliding layer into the diffusion barrier layer, a diffusion layer of tin and nickel forms there. Now, if the pure nickel diffusion barrier layer is too thin, it is completely converted to a tin / nickel layer. The tin present in this new diffusion layer migrates further into the bearing metal layer. When, as is usual, a copper-based bearing metal layer is used, the tin with the copper forms a new diffusion layer made of tin and copper. However, this diffusion layer is brittle, so it tends to flake off.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Gleitlager der oben genannten Art derart weiterzubilden, dass eine bessere Kontrolle der Diffusion von Zinn aus der auf Zinn basierenden Gleitschicht in die Lagermetallschicht möglich ist.The object of the present invention is therefore to develop a sliding bearing of the above-mentioned type such that a better control of the diffusion of tin from the tin-based sliding layer into the bearing metal layer is possible.
Die Lösung besteht in einem Gleitlager mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Diffusionssperrschicht aus reinem Eisen besteht.The solution consists in a plain bearing with the features of claim 1. According to the invention it is provided that the diffusion barrier layer consists of pure iron.
Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass eine aus reinem Eisen bestehende Diffusionssperrschicht die Wanderung oder Diffusion von Zinn aus der Gleitschicht in die Lagermetallschicht wirkungsvoll verhindert. Diffusionsbedingte Reaktionen treten auch nach langen Motorbetriebszeiten nicht auf. Die erfindungsgemäße Diffusionssperrschicht aus reinem Eisen kann auch problemlos auf die Lagermetallschicht aufgebracht werden, bspw. mittels bekannter galvanischer Verfahren.It has surprisingly been found that a diffusion barrier layer made of pure iron effectively prevents the migration or diffusion of tin from the sliding layer into the bearing metal layer. Diffusion-related reactions do not occur even after long engine operating times. The inventive diffusion barrier layer of pure iron can also be applied to the bearing metal layer without any problems, for example by means of known galvanic methods.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Aufgrund der von der erfindungsgemäßen Diffusionssperrschicht ausgeübten besonders wirkungsvollen Diffusionssperre genügt es, wenn die Diffusionssperrschicht höchstens 4μm
dick ist. Bevorzugte Ausführungsformen sehen eine Dicke der Diffusionssperrschicht von höchstens 3μm, besonders bevorzugt von höchstens 2μm vor. Damit werden Materialkosten eingespart und die Beschichtungszeiten verkürzt,Advantageous developments emerge from the subclaims. Due to the particularly effective diffusion barrier exerted by the diffusion barrier according to the invention, it is sufficient if the diffusion barrier layer is at most 4 μm is thick. Preferred embodiments provide a thickness of the diffusion barrier layer of at most 3 μm, more preferably of at most 2 μm. This saves material costs and shortens coating times,
Die Diffusionssperrschicht des erfindungsgemäßen Gleitlagers zeigt ihre gute Sperrwirkung unabhängig davon, ob die Gleitschicht auf einer Kombination von Zinn und einem oder mehreren Elementen, ausgewählt aus der Gruppe: Silber, Kupfer, Nickel, Kobalt, Zink, Gold, Indium, Bismuth, Blei, besteht oder ob die Gleitschicht reines Zinn enthält. Ebenso sind vorteilhaft Zinnlegierungen mit Nickel und/oder Zink und oder Kobalt und/oder Gold und/oder Bismuth und/oder Blei als Gleitschicht einsetzbar, wobei der Zinnanteil mindestens 60 Gew.% beträgt.The diffusion barrier layer of the sliding bearing according to the invention shows its good barrier effect, regardless of whether the sliding layer on a combination of tin and one or more elements selected from the group: silver, copper, nickel, cobalt, zinc, gold, indium, bismuth, lead or whether the overlay contains pure tin. Likewise, tin alloys with nickel and / or zinc and / or cobalt and / or gold and / or bismuth and / or lead can advantageously be used as a sliding layer, the tin content being at least 60% by weight.
Die Gleitschicht kann im Unterschied zu den im Stand der Technik bekannten Gleitlagern mit galvanisch aufgebrachten Gleitschichten auch schmelzmetallurgisch auf die Diffusionssperrschicht aufgebracht sein. Damit können nicht nur Kosten gespart und besonders feine Gefüge erzielt werden, sondern es eröffnen sich auch neue Materialzusammensetzungen für die Gleitschicht. Es können bspw. Legierungszusammensetzungen verwendet werden, die mit galvanischen Verfahren nicht darstellbar sind, wie Zinnlegierungen mit besonders hohem Silber- oder Kupferanteil oder Zinn- Nickel-Legierungen.In contrast to the sliding bearings with galvanically applied sliding layers known in the prior art, the sliding layer can also be applied by fusion metallurgy to the diffusion barrier layer. Not only can costs be saved and particularly fine structures can be achieved, but new material compositions for the sliding layer are also opened up. For example, it is possible to use alloy compositions which can not be prepared by galvanic methods, such as tin alloys with a particularly high proportion of silver or copper or tin-nickel alloys.
Die Lagermetallschicht ist eine auf Kupfer basierende Lagermetallschicht, die in einer bevorzugten Ausführungsform einen Kupfergehalt von mindestens 85 Gew.-% aufweist. Als weitere Legierungswerkstoffe können bspw. Zinn und/oder Nickel und/oder Wismut enthalten sein.The bearing metal layer is a copper-based bearing metal layer, which in a preferred embodiment has a copper content of at least 85% by weight. For example, tin and / or nickel and / or bismuth can be contained as further alloy materials.
Zwischen der Diffusionssperrschicht 16 und der Gleitschicht 18 kann eine Zwischenschicht 16b vorgesehen sein, bspw. eine galvanisch aufgebrachte Zinn- oder Silberoder Nickelschicht oder eine Legierung daraus. Diese dient als Korrosionsschutzschicht und erhöht zusätzlich die Notlaufeigenschaften, für den Fall, dass nach längerem Betrieb die Gleitschicht im Bereich der hohen Belastung verschlissen ist.
Im Fall, dass die Gleitschicht schmelzmetallurgisch aufgebracht wird, dient die Zwischenschicht 16b der Haftvermittlung und ist dann bevorzugt aus Zinn ausgeführt.Between the diffusion barrier layer 16 and the sliding layer 18 may be provided an intermediate layer 16b, for example, a galvanically applied tin or silver or nickel layer or an alloy thereof. This serves as a corrosion protection layer and additionally increases the emergency running properties, in the event that after extended operation, the sliding layer is worn in the region of high load. In the case where the sliding layer is applied by fusion metallurgy, the intermediate layer 16b serves for bonding and is then preferably made of tin.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben. Die Figur 1 zeigt in schematischer, nicht maßstabsgetreuer Darstellung einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gleitlagers 10. Dieses Gleitlager 10 weist eine Trägerschicht 12, vorzugsweise aus Stahl, auf, auf die eine Lagermetallschicht 14 aufgebracht ist, die auf Kupfer basiert, bspw. aus einer Kupfer-Zinn-Legierung oder einer Kupfer-Zinn- Nickel-Legierung oder einer Kupfer-Zinn-Wismut-Legierung oder einer Kupfer-Zinn- Wismut-Nickel-Legierung besteht, wobei der Kupferanteil jeweils mindestens 85 Gew.-% beträgt. Auf der Lagermetallschicht 14 ist eine Diffusionssperrschicht 16 und auf dieser eine Gleitschicht 18 auf der Basis von Zinn aufgebracht. Die Gleitschicht 18 enthält Zinn und ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe: Silber, Kupfer, Nickel, Indium, Kobalt, Zink, Gold, Bismuth, Blei. Die Gleitschicht 18 kann außerdem aus reinem Zinn bestehen. Im Ausführungsbeispiel wurde eine eutekti- sche Zinn-Silber-Legierung mit einem Zinngehalt von 96% und einem Schmelzpunkt von 2210C verwendet. Denkbar wäre auch eine elektische Zinn-Silber-Kupfer- Legierung mit einem Schmelzpunkt von 217°C. Um das Verfahren des schmelzflüssigen Aufbringens der Zinnschicht zu erleichtern kann vorteilhaft der Legierung zusätzlich Bismuth zugeben werden. Dadurch wird der Schmelzpunkt weiter verringert.An embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. 1 shows a schematic, not to scale representation of a cross section through an embodiment of a sliding bearing 10 according to the invention. This slide bearing 10 has a support layer 12, preferably made of steel, to which a bearing metal layer 14 is applied, which is based on copper, for example a copper-tin alloy or a copper-tin-nickel alloy or a copper-tin-bismuth alloy or a copper-tin-bismuth-nickel alloy, wherein the copper content is in each case at least 85 wt .-%. On the bearing metal layer 14, a diffusion barrier layer 16 and on this a sliding layer 18 is applied based on tin. The slip layer 18 contains tin and one or more elements selected from the group: silver, copper, nickel, indium, cobalt, zinc, gold, bismuth, lead. The sliding layer 18 may also consist of pure tin. In the exemplary embodiment, a eutectic tin-silver alloy with a tin content of 96% and a melting point of 221 0 C was used. An electric tin-silver-copper alloy with a melting point of 217 ° C. would also be conceivable. In order to facilitate the molten deposition of the tin layer, it may be advantageous to add bismuth to the alloy. This further reduces the melting point.
Das schmelzflüssige Zinn bzw. die schmelzflüssige auf Zinn basierende Legierung wird auf die Diffusionssperrschicht 16 oder auf eine zusätzliche Schicht 16b, wie in Fig. 2 dargestellt, aufgebracht. Die Entfernung des überschüssigen Zinns bzw. der überschüssigen Legierung von der Oberfläche erfolgt durch einen an sich bekannten Bürstprozess oder durch Abschleudern des überschüssigen noch schmelzflüssigen Zinns bzw. der Legierung. Dazu wird das Gleitlager einer entsprechenden Schleuderbewegung unterzogen.The molten tin or alloy is deposited on the diffusion barrier layer 16 or on an additional layer 16b as shown in FIG. The removal of the excess tin or the excess alloy from the surface is carried out by a known brushing process or by centrifuging the excess still molten tin or the alloy. For this purpose, the sliding bearing is subjected to a corresponding centrifugal movement.
Die aus reinem Eisen bestehende Diffusionssperrschicht 16 ist galvanisch auf die Lagermetallschicht 14 aufgebracht und verhindert wirksam die Wanderung oder Diffusion von Zinn in die Lagermetallschicht 14. Die Diffusionssperrschicht 16 kann da-
her eine Schichtdicke von höchstens 4μm, bevorzugt höchstens 3μm, besonders bevorzugt höchstens 2μm aufweisen.The pure iron diffusion barrier layer 16 is applied galvanically to the bearing metal layer 14 and effectively prevents the migration or diffusion of tin into the bearing metal layer 14. The diffusion barrier layer 16 can have a layer thickness of at most 4 microns, preferably at most 3 microns, more preferably at most 2 microns.
Ausführungsbeispiel 1 (vergleiche Figur 1 ):Exemplary embodiment 1 (compare FIG. 1):
Trägerschicht aus Stahl (12);Support layer of steel (12);
Lagermetallschicht aus einer Kupferlegierung 200 μm Schichtdicke (14);Bearing metal layer of a copper alloy 200 μm layer thickness (14);
Diffusionssperrschicht aus reinem Eisen, 2 μm Schichtdicke (16);Pure iron diffusion barrier, 2 μm layer thickness (16);
Galvanisch aufgebrachte Gleitschicht aus einer Zinn-Silber-Legierung mit 8 Ge- wichts-% Silber, 12 μm Schichtdicke (18).Galvanically applied sliding layer made of a tin-silver alloy with 8% by weight silver, 12 μm layer thickness (18).
Ausführungsbeispiel 2 (vergleiche Figur 2):Exemplary embodiment 2 (compare FIG. 2):
Trägerschicht aus Stahl (12);Support layer of steel (12);
Lagermetallschicht aus einer Kupferlegierung 190 μm Schichtdicke (14);Bearing metal layer of a copper alloy 190 μm layer thickness (14);
Diffusionssperrschicht aus reinem Eisen, 2 μm Schichtdicke (16);Pure iron diffusion barrier, 2 μm layer thickness (16);
Zusätzliche Schicht aus galvanisch aufgebrachtem Zinn, 2 μm Schichtdicke(16b);Additional layer of galvanized tin, 2 μm layer thickness (16b);
Schmelzmetallurgisch aufgebrachte Gleitschicht aus einer Zinn-Nickel-Legierung mitMelt metallurgically applied sliding layer of a tin-nickel alloy with
3 Gewichts-% Nickel, 20 μm Schichtdicke (18).
3% by weight nickel, 20 μm layer thickness (18).