WO1991011545A1 - Hochverschleissfeste gleitschicht mit verbesserten gleiteigenschaften und herstellungsverfahren hierzu - Google Patents

Hochverschleissfeste gleitschicht mit verbesserten gleiteigenschaften und herstellungsverfahren hierzu Download PDF

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WO1991011545A1
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Michael KÜBERT
Klaus Müller
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Definitions

  • the invention relates to a sliding layer from a
  • Alloy with at least one soft component in particular in a multi-layer sliding bearing, and a method for producing such a sliding layer.
  • Multilayer bearings that have a soft sliding layer and a high-strength bearing metal layer made of bronze or
  • the sliding layer which has particularly good sliding properties, usually consists of lead
  • Sliding layers are known, e.g. SnSb7- or
  • Electrolyte solutions are very unstable, and that with an increase in long-term resilience
  • Abrasion can occur on the shaft. It is therefore desirable to increase the tin content in a sliding layer.
  • the invention has for its object a
  • the improved sliding properties should, if possible, be available over the entire service life of the sliding layer and should have a particularly favorable effect, particularly during the running-in period of the sliding bearing.
  • the new sliding layer should be simple and with
  • Electro-chemical deposition can be produced.
  • the object of the invention is also a method for producing such a sliding layer.
  • this object is achieved in that one of the soft components in the sliding layer is in a concentration gradient perpendicular to the effective surface of the sliding layer, namely at a distance from the surface
  • the object is achieved by applying a further layer of the soft component on one side of a base sliding layer and this further layer of the soft component Component at least partially, preferably predominantly or completely diffused into the base sliding layer by a thermal treatment, so that a sliding layer with a concentration gradient of the soft component is obtained, with the
  • Alloyable materials that have good sliding properties are used as the soft component, e.g. Tin, antimony, also lead, indium, thallium etc.
  • the sliding layer which has particularly good sliding properties, should preferably only be up to 20 ⁇ m thick, since the relative dynamic load capacity (fatigue strength) of the sliding layer decreases with increasing layer thickness.
  • a typical sliding layer of this known type is a lead alloy with approximately 8-12% tin and 2-6% copper. The microhardness of such a layer of HV 12-20 (at 20 ° C) is extremely soft, but due to the small layer thickness, the sliding layer can withstand very high specific alternating loads
  • a sliding layer now receives a concentration gradient of a soft component, which has the good sliding property, increasing towards the effective surface of the sliding layer, in the above case tin.
  • the concentration gradient can be chosen so that the tin content over the entire layer thickness of normally 10 to 25 ⁇ m towards the effective surface (sliding surface)
  • Concentration gradients are possible. Depending on the thickness of the sliding layer, the concentration gradient does not have to go through the entire layer. It is only essential in plain bearing applications that the soft sliding layer is relatively thin.
  • Concentration gradient of the soft component determining the sliding properties has a favorable effect during the running-in phase of the bearing, so that there is a higher concentration of the well sliding component on the sliding surface of the sliding layer.
  • the diffusion process proceeds below the operating temperature in the running-in phase, and the region of increased concentration of the soft component determining the sliding properties diffuses into the entire sliding layer.
  • the soft component thus migrates into the front of the wear
  • Inlet layer is, however, the sliding layer under the tin flash, usually a ternary layer (alloy of 3 metals), which enables the geometrical adaptation of the friction partners.
  • a ternary layer alloy of 3 metals
  • Plain bearing a significantly increased concentration of soft components in the sliding layer cannot be achieved with a tin flash, since it is rubbed off when the plain bearing is started up.
  • the sliding layer according to the invention can thus provide a sliding layer according to the invention.
  • the soft component applied to the base alloy preferably tin
  • the soft component applied to the base alloy preferably tin
  • the base alloy preferably tin
  • the soft component applied to the base alloy should preferably diffuse in completely, but here a tin flash can also be applied subsequently (after the thermal diffusion).
  • Lead-tin-copper alloys are used to create an effective surface for the sliding layer have increasing tin concentration. Also,
  • Lead-indium alloys are possible in which the indium concentration increases towards the sliding surface. These alloys already have that
  • Concentration gradients of the soft component have good storage properties and can be produced in a known manner by electroplating, in particular the lead-tin-copper alloy.
  • Two-layer bearings e.g. with a Pbln sliding layer, conceivable, but particularly favorable is the use in multilayer sliding bearings, in which case the sliding layer is separated by an intermediate layer over a
  • Bearing metal layer is applied, which lies on a support shell.
  • Multi-layer plain bearings on a steel support shell which can have a thickness of 1 to over 10 mm.
  • the multilayer plain bearing preferably has a bearing metal layer made of copper-based lead bronze, which lies on the support shell and contains 22% by weight of lead and 1.5% by weight of tin.
  • There is an intermediate layer over the bearing metal layer which is preferably made of nickel, on which in turn the
  • Sliding layer is applied, which is a lead alloy with a tin gradient at a medium
  • the intermediate layer has a thickness of 1-3 ⁇ m and serves as a dense substrate (dam) for the sliding layer so that the tin cannot migrate from the sliding layer into the bearing metal layer. Usually it has
  • Bearing metal layer a thickness of 0.2-0.5 mm and the sliding layer a thickness of 10-25 ⁇ m.
  • Other dams such as CuSn layers (eg CuSn40), can also be used as the intermediate layer. Others also come as a bearing metal layer
  • Bearing alloys in question e.g. AlSn alloys such as AlSn20.
  • the sliding layer according to the invention is most easily obtainable by electro-chemical deposition of two different metal layers, a base sliding layer and then a further layer being deposited from the soft component first. Then the further layer of the soft component is left through a
  • Diffuse temperature treatment at least partially, but preferably predominantly or entirely, into the base sliding layer, so that the sliding layer is obtained with the concentration gradient of the soft component according to the invention, which extends from the active side to the
  • the base sliding layer and the further layer made of the soft component are applied with a thickness that is as uniform as possible, and that the resulting soft sliding layer is as thin as possible so that its relative dynamic load is relatively large (cf.
  • Lead-copper-tin alloys for slide bearing purposes with 8-40 wt.% Tin and 2-12 wt.% Copper
  • a base sliding layer which contains the desired amount of lead and copper, is electro-chemically optionally with a low one Deposits tin content, then deposits a tin layer and diffuses it into the base sliding layer by thermal diffusion, so that the
  • Tin content in the base sliding layer is increased accordingly and the lead and copper content is reduced relatively.
  • the base sliding layer has
  • the tin layer is deposited in a thickness of 1-5 ⁇ m.
  • Multi-layer plain bearings are used, in which case a further layer of bearing metal is provided, which usually consists of lead bronze.
  • Three-layer bearings have a high level of operational safety and good emergency running properties, because on the one hand the sliding layer can embed foreign bodies and, if the sliding layer is removed, the one underneath
  • Lead bronze can also be used with an aluminum bearing layer, which is used as a sliding component e.g.
  • Figure 1 is a perspective view of a
  • Figure 2 is a representation of a micrograph in
  • Figure 3 is a graphical representation of the influence of the layer thickness on the
  • Multilayer sliding bearing 1 is shown with a sliding layer 2 according to the invention.
  • the sliding layer 2 is applied via an intermediate layer 3, which is a nickel dam, to a bearing metal layer 4 made of lead bronze, which is placed on a steel support shell 5
  • Nickel dam also a copper-tin dam can be used.
  • the individual layers have the following thickness, with the thickness ranges for further favorable embodiments being given in brackets:
  • the bearing metal layer 4 is preferably one
  • the intermediate layer 3 and the base sliding layer as well as the pure tin layer can be applied directly to the bearing metal layer 4, or preferably to a bearing shell blank which is made from the steel strip or steel tube and thus one for the application of the following
  • the sliding layer 2 is produced as follows:
  • Base sliding layer made of PbSn12Cu6 in a thickness of approx. 16 ⁇ m (advantageously in a thickness between 10-20 ⁇ m).
  • a 1 ⁇ m (0.5-5 ⁇ m) thick pure tin layer is also applied to this ternary sliding layer by electroplating and then into the lower-tin ternary by a subsequent thermal diffusion
  • the thermal diffusion takes place at temperatures between 100 and 150 ° C and with a diffusion time of 10 min to 4 h.
  • the resulting sliding layer 2 has one
  • Tin enrichment on the outside of the sliding layer 2 which later with a wave or a
  • the tin-rich ternary running layers (sliding layers 2) produced in this way preferably have a composition of 4-6% copper, 12-17% tin and the rest lead.
  • the tin which has diffused in has preferably been distributed such that a higher tin content is present on the later running surface
  • Figure 2 shows the representation of a SEM image (X-ray electron microscope) of a - as described above - sliding layer 2 of the
  • Multi-layer plain bearing 1 the in the picture. Tin concentration 6 is shown, from which the averaged tin concentration gradient 7 in the sliding layer 2 can be seen.
  • the area with a high tin content which is accordingly also particularly soft, should be very thin.
  • the thinner the sliding layer the greater the relative dynamic load that it can absorb.
  • the relative thickness of the sliding layer is only one hundredth of the thickness of a corresponding one
  • Sliding layers according to the invention which can be produced by a new process and are advantageously made of a lead-tin-copper alloy, can advantageously be used as sliding bearing materials in internal combustion engines, and they have proven to be very wear-resistant.
  • the metal sliding layer according to the invention can advantageously also be used with nodular cast iron shafts.
  • the peculiarity of this material is that a particularly high tin content is incorporated in the ternary sliding layer on the sliding surface, which is responsible for the good sliding properties of this material.
  • other variants of the exemplary embodiment can also be used successfully.

Abstract

Hochverschleißfeste Gleitlager mit guten Gleiteigenschaften lassen sich mittels elektrochemischer Abscheidung der Gleitlegierung nur schwer herstellen, da die entsprechenden Elektrolytlösungen instabil sind. Die bisher verwendeten Gleitlegierungen sind außerdem für die Einlaufphase zu hart ausgelegt, um beim bestimmungsgemäßen Gebrauch nicht zu schnell zu verschleißen. Die neue Gleitschicht soll einfach herstellbar sein und sich besonders in der Einlaufzeit günstig auswirken. In der erfindungsgemäßen Gleitschicht liegt die weiche Komponente in einem konzentrationsgradierten senkrecht zur wirksamen Oberfläche der Gleitschicht in mit dem Abstand von der wirksamen Oberfläche abnehmender Konzentration vor. Die Gleitschicht ist besonders als Blei-Zinn-Kupfer-Legierung zur Verwendung in einem Mehrschichtlager geeignet.

Description

Hochverschleißfeste Gleitschicht mit verbesserten Gleiteigenschaften und Herstellungsverfahren hierzu
Die Erfindung betrifft eine Gleitschicht aus einer
Legierung mit mindestens einer weichen Komponente, insbesondere in einem Mehrschichtgleitlager, und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Gleitschicht.
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
Pbln6-Legierungen.
Ein solches Gleitlager wird in der DE-PS 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, eine
Gleitschicht, insbesondere für
Mehrschichtgleitlager, zur Verfügung zu stellen, die einerseits hoch verschleißfest ist und andererseits verbesserte Gleiteigenschaften aufweisen soll. Die verbesserten Gleiteigenschaften sollen möglichst über die gesamte Lebensdauer der Gleitschicht vorliegen und sich vor allem in der Einlaufzeit des Gleitlagers besonders günstig auswirken. Außerdem soll die neue Gleitschicht einfach und mit
herkömmlichen Methoden, wie z.B. durch
elektro-chemische Abscheidung herstellbar sein.
Aufgabe der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Gleitschicht.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Gleitschicht dadurch gelöst, daß eine der weichen Komponenten in der Gleitschicht in einem Konzentrationsgradienten senkrecht zur wirksamen Oberfläche der Gleitschicht, und zwar mit dem Abstand, von der Oberfläche
abnehmenden Konzentration, vorliegt.
In Bezug auf das Verfahren wird die Aufgabe gelöst, in dem man auf eine Seite einer Basis-Gleitschicht eine weitere Schicht aus der weichen Komponente aufbringt und diese weitere Schicht aus der weichen Komponente durch eine Temperaturbehandlung zumindest teilweise, vorzugsweise überwiegend oder vollständig in die Basis-Gleitschicht eindiffundiert, so daß man eine Gleitschicht mit einem Konzentrationsgradienten der weichen Komponente erhält, mit von der
Gleitflächenseite zur gegenüberliegenden Seite der Gleitschicht hin abfallender Konzentration.
Als weiche Komponente kommen legierbare Stoffe zum Einsatz, die gute Gleiteigenschaften haben, wie z.B. Zinn, Antimon, ferner auch Blei, Indium, Thallium etc..
Es ist bekannt, daß in modernen Gleitlagern,
insbesondere Mehrschichtlagern, die Gleitschicht, die besonders gute Gleiteigenschaften besitzt, vorzugsweise nur bis zu 20 μm dick sein soll, da mit zunehmender Schichtdicke die relative dynamische Belastbarkeit (Ermüdungsfestigkeit) der Gleitschicht abnimmt. Eine typische Gleitschicht dieser bekannten Art ist eine Bleilegierung mit etwa 8-12% Zinn und 2-6% Kupfer. Die Mikrohärte einer solchen Schicht von HV 12-20 (bei 20°C) ist extrem weich, infolge der geringen Schichtdicke vermag die Gleitschicht jedoch sehr hohe spezifische Wechsellasten
aufzunehmen.
Erfindungsgemäß erhält nun eine Gleitschicht einen zur wirksamen Oberfläche der Gleitschicht hin zunehmenden Konzentrationsgradienten einer weichen Komponente, die die gute Gleiteigenschaft hat, in obigem Fall Zinn. Der Konzentrationsgradient kann so gewählt sein, daß der Zinngehalt über die gesamte Schichtdicke von normalerweise 10 bis 25 μm zur wirksamen Oberfläche (Gleitfläche) hin
kontinuierlich zunimmt und dabei im Mittel der gesamten Schicht ca. 12-16 Gew.-% beträgt. Durch diesen Konzentrationsgradienten wird erreicht, daß die Gleitschicht an der Gleitfläche eine geringere Mikrohärte, dafür aber noch bessere
Gleiteigenschaften aufweist, so daß die
Lagereigenschaften gegenüber einer Gleitschicht ohne Konzentrationsgradient nochmals verbessert sind, ohne dabei eine zu niedrige Ermüdungsfestigkeit zu erhalten. Dies wird dadurch erreicht, daß der extrem weiche Schichtdickenbereich der Gleitschicht
besonders dünn ist.
Auch insgesamt dickere Gleitschichten mit
Konzentrationsgradienten sind möglich. Je nach Dicke der Gleitschicht braucht der Konzentrationsgradient nicht durch die ganze Schicht zu gehen. Wesentlich bei Gleitlageranwendungen ist nur, daß die weiche Gleitschicht verhältnismäßig dünn ist.
Es hat sich gezeigt, daß das Einlaufverhalten von Motoren durch den Konzentrationsgradienten der weichen Komponente in der Gleitschicht verbessert wird. Außerdem hat es sich als besonders günstig erwiesen, daß der erfindungsgemäße
Konzentrationsgradient der die Gleiteigenschaften bestimmenden weichen Komponente noch wärend der Einlaufphase des Lagers sich günstig auswirkt, so daß hier an der Gleitfläche der Gleitschicht eine höhere Konzentration der gut gleitenden Komponente vorliegt. Von Vorteil ist hierbei, daß der
Diffussionsvorgang unter der Betriebstemperatur in der Einlaufphase fortschreitet und dabei die Region erhöhter Konzentration der die Gleiteigenschaften bestimmenden weichen Komponente in die gesamte Gleitschicht eindiffundiert. Die weiche Komponente wandert somit vor der Verschleißfront in die
Gleitschicht und bildet hierdurch eine besonders gute Gleitfläche. Diesen Vorteil weisen bekannte Gleitschichten, die mit einem dünnen Zinnflash ausgerüstet sind, nicht auf. Dieser bekannte Zinnflash, der eine nur wenige μm dicke Schutzschicht auf Gleitlagern ist, dient bei den bekannten Gleitlagern als Oberflächenschutz gegen Oxidation und verbessert das optische Aussehen der Gleitfläche. Der Zinnflash wird bei der ersten Inbetriebnahme der Gleitlager von der Welle
abgetragen, da er zu weich ist. Eine gewisse
Verbesserung des Einläufsverhalten kann durch den Zinnflash erreicht werden, die eigentliche
EinlaufSchicht ist jedoch die unter dem Zinnflash liegende Gleitschicht, meist eine Ternärschicht (Legierung aus 3 Metallen), die die geometrische Anpassung der Reibpartner ermöglicht. Der Vorteil, daß praktisch über die gesamte Laufzeit des
Gleitlagers eine deutlich erhöhte Konzentration der weichen Komkonönte in der Gleitschicht vorliegt, kann mit einem Zinnflash nicht erreicht werden, da er bei der Inbetriebnahme des Gleitlagers abgerieben wird.
Die erfindungsgemäße Gleitschicht kann so
ausgebildet sein, daß die auf die Basis-Legierung aufgebrachte weiche Komponente, bevorzugt Zinn, nicht vollständig eindiffundiert ist, so daß auch hier ein Zinnflash (mit den gleichen Eigenschaften wie oben beschrieben) auf der Oberfäche der
Gleitschicht zurückbleibt. Vorzugsweise soll die auf die Basis-Legierung aufgebrachte weiche Komponente vollständig eindiffundieren, hier kann jedoch auch nachträglich (nach der Thermodiffussion) noch ein Zinnflash aufgetragen werden.
Als Gleitschicht werden bevorzugt
Blei-Zinn-Kupfer-Legierungen eingesetzt, die zur wirksamen Oberfläche der Gleitschicht hin eine ansteigende Zinn-Konzentration aufweisen. Auch
Blei-Indium-Legierungen sind möglich, in denen die Indium-Konzentration zur Gleitfläche hin ansteigt. Diese Legierungen haben schon ohne den
Konzentrationsgradienten der weichen Komponente gute Lagereigenschaften und lassen sich, insbesondere die Blei-Zinn-Kupfer-Legierung, auf bekannte Weise auf galvanischem Wege herstellen.
Die Anwendung der Erfindung ist bei
Zweischichtlagern, z.B. mit einer Pbln-Gleitschicht, denkbar, besonders günstig ist aber der Einsatz in Mehrschichtgleitlagern, wobei dann die Gleitschicht getrennt durch eine Zwischenschicht über einer
Lagermetallschicht aufgebracht ist, die auf einer Stützschale liegt.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist ein
Mehxschichtgleitlager auf einer Stahlstützschale, die eine Dicke von 1 bis über 10 mm aufweisen kann. Das Mehrschichtgleitlager weist in diesem Fall bevorzugt eine Lagermetallschicht aus Bleibronze auf Kupferbasis auf, die auf der Stützschale liegt und 22 Gew.-% Blei und 1,5 Gew.-% Zinn enthält. Über der Lagermetallschicht liegt eine Zwischenschicht, die bevorzugt aus Nickel ist, auf der wiederum die
Gleitschicht aufgebracht ist, die eine Bleilegierung mit einem Zinngradienten bei einer mittleren
Zinnkonzentration von 8-20 Gew.-%, vorzugsweise 12-16 Gew.-% und einem mittleren Kupfergehalt von ca. 2-6 Gew.-% hat. Die Zwischenschicht hat eine Dicke von 1-3 μm und dient als dichter Untergrund (Damm) für die Gleitschicht, damit das Zinn nicht aus der Gleitschicht in die Lagermetallschicht wandern kann. Üblicherweise hat die
Lagermetallschicht eine Dicke von 0,2-0,5 mm und die Gleitschicht eine Dicke von 10-25 μm. Als Zwischenschicht können auch andere Dämme, wie z.B. CuSn-Schichten (z.B. CuSn40), verwendet werden. Als Lagermetallschicht kommen auch andere
Lagerlegierungen in Frage, z.B. AlSn-Legierungen wie AlSn20.
Die erfindungsgemäße Gleitschicht ist am einfachsten erhältlich durch elektro-chemisches Abscheiden zweier verschiedener Metallschichten, wobei zuerst eine Basis-Gleitschicht und darüber eine weitere Schicht aus der weichen Komponente abgeschieden wird. Anschließend läßt man die weitere Schicht aus der weichen Komponente durch eine
Temperaturbehandlung (Thermodiffussion) zumindest teilweise, vorzugsweise jedoch überwiegend oder ganz, in die Basis-Gleitschicht eindiffundieren, so daß man die Gleitschicht mit dem erfindungsgemäßen Konzentrationsgradienten der weichen Komponente erhält, der von der wirksamen Seite zur
gegenüberliegenden Seite hin abfällt.
Wichtig ist, daß die Basis-Gleitschicht und die weitere Schicht aus der weichen Komponente in möglichst gleichmäßiger Dicke aufgebracht werden, und daß die resultierende weiche Gleitschicht möglichst dünn ist, damit deren relative dynamische Belastung verhältnismäßig groß ist (vergleiche
Figur 3).
Es hat sich herausgestellt, daß mit dem Verfahren besonders einfach hoch-bleihaltige
Blei-Kupfer-Zinn-Legierungen für Gleitlagerzwecke mit 8-40 Gew.-% Zinn und 2-12 Gew.-% Kupfer
herstellbar sind, wobei man eine Basis-Gleitschicht, die die gewünschte Menge an Blei und Kupfer enthält, elektro-chemisch mit gegebenenfalls einem niedrigen Zinngehalt abscheidet, darauf eine Zinnschicht abscheidet und diese durch Thermodiffussion in die Basis-Gleitschicht eindiffundiert, so daß der
Zinngehalt in der Basis-Gleitschicht entsprechend erhöht und der Blei- und Kupfergehalt relativ erniedrigt wird. Die Basis-Gleitschicht hat
vorzugsweise einen Zinngehalt von 8-12 Gew.-% bei einem Cu-Gehalt von 2-6 Gew.-%. Bei dem angegebenen Kupfergehalt lassen sich entsprechende
Gleitschichten mit mehr als 12 Gew.-% Zinn auf rein galvanischem Wege nur schwer herstellen, da die entsprechenden galvanischen Lösungen nicht stabil sind.
Das Verfahren wird günstigerweise so durchgeführt, daß die Basis-Gleitschicht in einer Dicke von
10-25 μm und die Zinnschicht in einer Dicke von 1-5 μm abgeschieden wird.
Prinzipiell können die erfindungsgemäßen
Gleitschichten am günstigsten in
Mehrschichtgleitlagern eingesetzt werden, wobei dann eine weitere Lagermetallschicht vorgesehen ist, die meist aus Bleibronze besteht. Solche
Dreischichtlager haben eine hohe Betriebssicherheit und gute Notlaufeigenschaften, da einerseits die Gleitschicht Fremdkörper einbetten kann und bei einem Abtrag der Gleitschicht die darunter
befindliche Bleibronze noch eine ausreichende
Gleitwirkung gewährleisten kann. Statt der
Bleibronze kann auch eine Aluminium-Lagerschicht verwendet werden, die als Gleitkomponente z.B.
eingebettetes Zinn enthält. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
Figur 1 eine perspektivische Darstellung einer
Lagerhälfte mit einem teilweisen Aufriß der einzelnen Schichten;
Figur 2 eine Darstellung eines Schliffbildes im
Schnitt Il-Il gemäß
Fig. 1 durch eine Gleitschicht mit einem Konzentrationsgradienten einer weichen Komponente;
Figur 3 eine graphische Darstellung des Einflusses der Schichtdicke auf die
Ermüdungsfestigkeit von Gleitschichten.
In Figur 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.
Figur 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 Figur 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 Änderung 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

PATENTANSPRÜCHE
1. Gleitschicht aus einer Legierung mit mindestens einer weichen Komponente, dadurch
gekennzeichnet, daß eine der weichen Komponenten in der Gleitschicht in einem
Konzentrationsgradienten senkrecht zur wirksamen Oberfläche der Gleitschicht in mit dem Abstand von der wirksamen Oberfläche abnehmender
Konzentration vorliegt.
2. Gleitschicht nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß sie Teil eines
Mehrschichtgleitlager ist.
3. Gleitschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Konzentrationsgradient kontinuierlich durch die Gleitschicht verläuft.
4. Gleitschicht nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Gleitschicht eine Blei-Zinn-Kupfer-Legierung ist und die Zinnkonzentration in der Gleitschicht zur wirksamen Oberfläche der Gleitschicht hin ansteigt.
5. Gleitschicht nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß sie auf einer Stützschale aufgebracht ist.
6. Gleitschicht nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie getrennt durch eine Zwischenschicht über einer
Lagermetallschicht aufgebracht ist, die auf einer Stützschale liegt.
7. Gleitschicht nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Stützschale eine
Stahlstützschale ist, die Lagermetallschicht auf Kupferbasis mit 22 Gew.-% Blei und 1,5 Gew.-% Zinn, die Zwischenschicht aus Nickel oder aus Kupfer/Zinn ist und die Gleitschicht eine
Bleilegierung ist, die einen Zinngradienten bei einer mittleren Zinnkonzentration von 12-16 Gew.-% einen Kupfergehalt von 2-6 Gew.-% hat.
8. Gleitschicht nach Anspruch 6 oder 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Stahlstützschale eine Dicke von 1 bis über 10 mm, die
Lagermetallschicht eine Dicke von 0,2-0,5 mm, die Zwischenschicht eine Dicke von 1-3 μm und die Gleitschicht eine Dicke von 10-25 μm hat.
9. Verfahren zur Herstellung einer Gleitschicht mit einer weichen Komponente, dadurch
gekennzeichnet, daß man auf eine Seite einer Basis-Gleitschicht eine weitere Schicht aus der weichen Komponente aufbringt und diese weitere Schicht aus der weichen Komponente durch eine Temperaturbehandlung zumindest teilweise in die Basis-Gleitschicht eindiffundiert, so daß man eine Gleitschicht mit einem
Konzentrationsgradienten der weichen Komponente erhält, der von der Gleitflächenseite zur gegenüberliegenden Seite der Gleitschicht hin abfällt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß man die Basis-Gleitschicht auf einer Zwischenschicht, die gegenüber der weichen Komponente als Damm wirkt, über einer Lagermetallschicht aufbringt, die man zuvor auf einer Stahlstützschale aufgegossen hat.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, daß. man als Basis-Gleitschicht eine PbSn8-12Cu2-6-Legierung einsetzt, in die man eine Zinnschicht eindiffundieren läßt, bis der durchschnittliche Zinngehalt in der
Gleitschicht 12-16 Gew.-% beträgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, . dadurch gekennzeichnet, daß man die
Basis-Gleitschicht in einer Dicke von 10-20
.um, darauf die weitere Schicht aus der " weichen Komponente in einer Dicke von 1-5 .um aufbringt und durch Thermodiffussion in die Basis-GleitSchicht eindiffundiert .
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9-12, dadurch gekennzeichnet, daß man die Basis-Gleitschicht und die weitere Schicht elektro-chemisch
aufbringt.
14. Verfahren zur Herstellung einer hochbleihaltiger Blei-Kupfer-Zinn-Gleitschicht mit 8 bis
40 Gew.-% Zinn und 2-12 Gew.-% Kupfer, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Blei und Kupfer enthaltende Basis-Gleitschicht elektro-chemisch abscheidet, darauf eine Zinnschicht abscheidet und diese durch Thermodiffussion in die
Basis-GleitSchicht eindiffundiert.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, daß man eine Blei, Kupfer und Zinn enthaltende Basis-Gleitschicht mit einem Zinngehalt, der niedriger ist als der gewünschte Zinngehalt der resultierenden Gleitschicht, abscheidet, darauf die Zinnschicht abscheidet und diese durch Thermodiffussion in die
Basis-Gleitschicht eindiffundiert, so daß der Zinngehalt in der Basis-Gleitschicht
entsprechend erhöht und der Blei- und
Kupfergehalt relativ erniedrigt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch
gekennzeichnet, daß die Basis-Gleitschicht in einer Dicke von 10 bis 20 μm und die
Zinnschicht in einer Dicke von 1 bis 5 μm abgeschieden wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch
gekennzeichnet, daß man eine Basis-Gleitschicht mit 8 bis 12 Gew.-% Zinn und 2 bis 6 Gew.-% Kupfer abscheidet.
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