WO2012119822A2 - Gleitlagerverbundwerkstoff - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a sliding bearing composite material having a carrier layer, in particular made of steel, with a layer applied thereon of a bearing material, in particular copper-based or aluminum-based, with an electrically, ie galvanically, or chemically, so electrolessly (autocatalytically) deposited intermediate layer and with a running layer provided on the intermediate layer.
- Plain bearing composite materials of the type described above with an intermediate layer of nickel or tin-nickel are known.
- a nickel dispersion layer with particles dispersed therein, in particular PTFE is deposited electrolessly.
- a specific bath composition is to be achieved by electroless deposition even on geometrically complex components, a uniform layer structure, especially in carburetor housings and fuel manifolds for injection systems.
- the electrolessly deposited nickel dispersion layer forms the layer forming the surface of the component.
- the present invention seeks to improve the sliding bearing composite in terms of its abrasion resistance, without thereby Problems with adaptability and particle compatibility occur.
- the intermediate layer is a dispersion layer based on nickel, copper, silver or cobalt with tribologically active constituents dispersed therein and the tribologically active constituents are carbides, cubic nitrides, oxides and / or or silicides.
- the dispersion layer is designed to be very thin as an electrically or chemically deposited intermediate layer, although it has a sufficient hardness, but nevertheless - supported by the underlying layer of bearing material - in the composite also a sufficient adaptability to the inclusion of particles.
- a nickel-based dispersion layer is significantly harder than the underlying layer of bearing material.
- particle compatibility can nevertheless be achieved in the composite. This particle compatibility can be further promoted when forming the dispersion layer based on copper, silver, or cobalt over a nickel base.
- nickel, copper, silver or cobalt base does not exclude that the base comprises nickel, copper, silver or cobalt alloys.
- the tribologically active constituents in the form of the carbides, cubic nitrides, oxides and / or silicides are particularly suitable for improving the emergency running properties by reducing the tendency toward galling wear and abrasion and thereby reducing the overall wear. They increase the strength and thus have a hardening effect.
- tribologically active constituents in the form of carbides, cubic nitrides, oxides and / or silicides are individually or if they are present in their entirety to 1 to 15% by volume, in particular 1 to 10% by volume, in particular 1 to 15% by volume. 8 vol .-%, contained in the dispersion layer.
- tribologically active constituents in the form of graphite, molybdenum disulfide (MoS 2 ), hexagonal boron nitride and / or PTFE are individually or, if they are present in several, in their total amount to 5 to 30% by volume, in particular 10 to 30% by volume. , in particular 10 - 25 vol .-%, contained in the dispersion layer.
- An advantageous plain bearing composite material is characterized by a nickel-based dispersion layer with 2-6% by volume carbide, in particular silicon carbide, or with 2-6% by volume carbide, in particular silicon carbide, and 15-25% by volume PTFE or with 8-25% by volume. 12 vol.% Hexagonal and 1-4 vol.% Cubic boron nitride as tribologically active ingredients.
- Another sliding bearing composite is characterized by a nickel-phosphorus-based dispersion layer containing 15-25% by volume of PTFE as a tribologically active ingredient.
- the bearing material is preferably formed by a CuSn, CuZn, CuAl or CuNi alloy or by an AlSn, AlZn or AlSi alloy.
- the running layer can be deposited electrically or chemically as a galvanic layer. It includes, for example, tin, tin-copper, tin-zinc, zinc, bismuth, silver, indium, antimony or their alloys.
- the running layer can be applied by physical vapor deposition (PVD), in particular as a sputtering layer. It includes, for example, aluminum, tin and / or zinc and their alloys, in particular AlSn or AlZn.
- PVD physical vapor deposition
- the overlay may be formed as a further alternative of a polymeric overlay material, in particular based on PAI, PI, PBI, or based on an epoxy resin, with fillers received therein.
- These fillers may comprise, for example, PTFE, graphite, MoS 2 and / or hexagonal boron nitride, in particular to a proportion of 20-70% by weight, in particular to 20-60% by weight, of the overlay.
- the thickness of the layer of bearing material is advantageously 100-600 ⁇ m, in particular 100-500 ⁇ m.
- the thickness of the dispersion layer is advantageously 3 to 12 ⁇ m, in particular 3 to 10 ⁇ m, in particular 5 to 7 ⁇ m.
- the thickness of the running layer forming the surface is advantageously 3 to 30 ⁇ m, in particular 3 to 18 ⁇ m, in particular 3 to 12 ⁇ m, in particular 3 to 8 ⁇ m.
- the invention also provides sliding bearing elements produced from the slide bearing composite material described above, in particular sliding bearing shells, plain bearing bushes and thrust washers, for motor or engine-related applications.
- the figure is a schematic sectional view through a
- the figure shows a schematic sectional view (not to scale) of a sliding bearing composite 2 according to the present invention.
- the sliding bearing composite material 2 comprises a carrier layer 4, preferably made of steel, and a layer 6 applied thereon of a bearing material, in particular bronze. On this, a dispersion layer 8 with dispersed tribologically active constituents is provided.
- the dispersion layer 8 is electrically or chemically, i. H. electrolytic / galvanic or electroless / autocatalytic, deposited on the bearing material layer 6.
- SiC Silicon carbide
- Nickel 9: 1 mass phosphorus phosphorous with embedded PTFE, which is about 20% by volume of the dispersion layer, which can be determined by EDX analysis. (electrolessly deposited)
- the above dispersion layers can in principle be used in combination with all of the bearing metal layers and layers mentioned above.
- the sliding bearing composite material or a sliding bearing element produced therefrom is characterized by a high abrasion resistance and a good adaptability and therefore by a low tendency to seizure, in particular during the start-up phase.
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Gleitlagerverbundwerkstoff (2) mit einer Trägerschicht (4), insbesondere aus Stahl, mit einer darauf aufgebrachten Schicht (6) aus einem Lagermaterial, insbesondere auf Kupfer-Basis oder Aluminium-Basis, mit einer elektrisch oder chemisch abgeschiedenen Zwischenschicht und mit einer auf der Zwischenschicht vorgesehenen Laufschicht (10); um die Abriebfestigkeit zu erhöhen wird vorgeschlagen, dass die Zwischenschicht eine Dispersionsschicht (8) auf Nickel-, Kupfer-, Silber- oder Cobaltbasis mit darin dispergierten tribologisch wirksamen Bestandteilen (9) ist.
Description
Die Erfindung betrifft einen Gleitlagerverbundwerkstoff mit einer Trägerschicht, insbesondere aus Stahl, mit einer darauf aufgebrachten Schicht aus einem Lagermaterial, insbesondere auf Kupfer-Basis oder Aluminium-Basis, mit einer elektrisch, also galvanisch, oder chemisch, also stromlos (autokatalytisch) abgeschiedenen Zwischenschicht und mit einer auf der Zwischenschicht vorgesehenen Laufschicht.
Gleitlagerverbundwerkstoffe der vorstehend beschriebenen Art mit einer Zwischenschicht aus Nickel oder Zinn-Nickel sind bekannt.
Zur Bereitstellung verschleißbeständiger Oberflächen wurde verschiedentlich der Vorschlag unterbreitet, auf der Oberseite eine Nickel oder nickelhaltige Beschichtung vorzusehen. Gemäß DE 10 2004 047 423 B3 wird eine Nickeldispersionsschicht mit darin dispergierten Teilchen, insbesondere PTFE, stromlos abgeschieden. Durch Angabe einer spezifischen Badzusammensetzung soll durch eine stromlose Abscheidung auch auf geometrisch komplexen Bauteilen ein gleichmäßiger Schichtaufbau erreicht werden, insbesondere bei Vergasergehäusen und Kraftstoffverteilern für Einspritzsysteme. Die stromlos abgeschiedene Nickeldispersionsschicht bildet dabei die die Oberfläche des Bauteils bildende Schicht.
Mit der nicht vorveröffentlichten Anmeldung DE 10 2010 011 083 B3 der Anmelderin ist ein gattungsgemäßer Gleitlagerverbundwerkstoff mit einer Nickeldispersionsschicht als Zwischenschicht beschrieben.
Ausgehend von einem Gleitlagerverbundwerkstoff der eingangs erwähnten Art, insbesondere zur Herstellung von Lagerschalen oder Lagerbuchsen, insbesondere für motorische Anwendungen, wie Pleuellagerschalen, Pleuellagerbuchsen, Hauptlagerschalen, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Gleitlagerverbundwerkstoff im Hinblick auf seine Abriebfestigkeit zu verbessern, ohne dass dabei Probleme hinsichtlich Anpassungsfähigkeit und Partikelverträglichkeit auftreten.
Diese Aufgabe wird bei einem Gleitlagerverbundwerkstoff der genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Zwischenschicht eine Dispersionsschicht auf Nickel-, Kupfer-, Silber- oder Cobaltbasis mit darin dispergierten tribologisch wirksamen Bestandteilen ist und dass die tribologisch wirksamen Bestandteile Carbide, kubische Nitride, Oxide und/oder Silizide umfassen.
Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass durch Ausbildung der - bei bekannten Gleitlagerverbundwerkstoffen lediglich als Nickelbasierte Sperrschicht zwischen einer galvanischen Laufschicht und dem eigentlichen Lagerwerkstoff dienenden - Zwischenschicht als Dispersionsschicht auf Nickel-, Kupfer-, Silber- oder Cobaltbasis mit darin dispergierten tribologisch wirksamen Partikeln im Zusammenwirken mit der Laufschicht eine wesentliche Verbesserung des Laufverhaltens der aus dem Gleitlagerverbundwerkstoff hergestellten Gleitlagerelemente erreicht werden kann. Dies wird darauf zurückgeführt, dass die Dispersionsschicht im Betrieb des Gleitlagerverbundwerkstoffs bzw. des hieraus hergestellten Gleitlagers bei lokalem Abtrag der Laufschicht den dispergierten Bestandteil teilweise freisetzt, so dass er tribologisch aktiv wird. Insgesamt wird hierdurch die Fressneigung und die Abriebfestigkeit wesentlich verbessert. Dadurch, dass die Dispersionsschicht als elektrisch oder chemisch abgeschiedene Zwischenschicht sehr dünn ausgebildet ist, weist sie zwar eine hinreichende Härte, jedoch gleichwohl - unterstützt durch die darunter befindliche Schicht aus Lagermaterial - im Verbund auch eine hinreichende Anpassbarkeit zur Aufnahme von Partikeln auf. Eine Dispersionsschicht auf Nickelbasis ist beispielsweise deutlich härter als die darunter befindliche Schicht aus Lagermaterial. Da sie jedoch verhältnismäßig dünn ausgebildet ist, lässt sich im Verbund dennoch eine hinreichende Duktilität und damit verbunden eine Partikelverträglichkeit erreichen. Diese Partikelverträglichkeit kann bei Ausbildung der Dispersionsschicht auf Kupfer-, Silber-, oder Cobaltbasis gegenüber einer Nickelbasis noch weiter begünstigt werden. In diesem Zusammenhang sei auch darauf hingewiesen, dass der Begriff Nickel-, Kupfer-, Silber- bzw. Cobaltbasis nicht ausschließt, dass die Basis Nickel-, Kupfer-, Silber- bzw. Cobalt-Legierungen umfasst.
Die tribologisch wirksamen Bestandteile in Form der Carbide, kubische Nitride, Oxide und/oder Silizide sind in besonderem Maße geeignet, die Notlaufeigenschaften zu verbessern, indem sie die Neigung zu fressendem Verschleiß und Abrieb reduzieren und dadurch insgesamt verschleißmindernd wirken. Sie steigern die Festigkeit und wirken somit härtend.
Diese tribologisch wirksamen Bestandteile in Form von Carbiden, kubischen Nitriden, Oxiden und/oder Siliziden sind einzeln oder wenn sie zu mehreren vorhanden sind in ihrer Gesamtmenge zu 1 – 15 Vol.-%, insbesondere 1 – 10 Vol.-%, insbesondere 1 – 8 Vol.-%, in der Dispersionsschicht enthalten.
Es erweist sich weiter als vorteilhaft, wenn vorzugsweise zusätzlich, als tribologisch wirksame Bestandteile Graphit, Molybdändisulfid (MoS2), hexagonales Bornitrid und/oder PTFE enthalten ist. Diese Bestandteile wirken nämlich schmierend, d.h. sie setzen den Reibwert herab.
Diese tribologisch wirksamen Bestandteile in Form von Graphit, Molybdändisulfid (MoS2), hexagonales Bornitrid und/oder PTFE sind einzeln oder wenn sie zu mehreren vorhanden sind in ihrer Gesamtmenge zu 5 – 30 Vol.-%, insbesondere 10 – 30 Vol.-%, insbesondere 10 – 25 Vol.-%, in der Dispersionsschicht enthalten.
Ein vorteilhafter Gleitlagerverbundwerkstoff ist gekennzeichnet durch eine Dispersionsschicht auf Nickelbasis mit 2-6 Vol.-% Carbid, insbesondere Siliziumcarbid, oder mit 2-6 Vol.-%Carbid, insbesondere Siliziumcarbid, und 15-25 Vol.-% PTFE oder mit 8-12 Vol.-% hexagonalem und 1-4 Vol.-% kubischem Bornitrid als tribologisch wirksame Bestandteile.
Ein anderer Gleitlagerverbundwerkstoff ist gekennzeichnet durch eine Dispersionsschicht auf Nickelphosphorbasis mit 15-25 Vol.-% PTFE als ein tribologisch wirksamer Bestandteil.
Das Lagermaterial ist vorzugsweise von einer CuSn-, CuZn-, CuAl- oder CuNi-Legierung oder von einer AlSn-, AlZn- oder AlSi-Legierung gebildet.
Die Laufschicht kann als galvanische Schicht elektrisch oder chemisch abgeschieden sein. Sie umfasst solchenfalls beispielsweise Zinn, Zinn-Kupfer, Zinn-Zink, Zink, Bismut, Silber, Indium, Antimon oder deren Legierungen.
Die Laufschicht kann durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), insbesondere als Sputterschicht, aufgebracht sein. Sie umfasst solchenfalls beispielsweise Aluminium, Zinn und/oder Zink und deren Legierungen, insbesondere AlSn oder AlZn.
Die Laufschicht kann als weitere Alternative von einem polymeren Gleitschichtmaterial, insbesondere auf Basis von PAI, PI, PBI, oder auf Basis eines Epoxyharzes, mit darin aufgenommenen Füllstoffen gebildet sein. Diese Füllstoffe können beispielsweise PTFE, Graphit, MoS2 und/oder hexagonales Bornitrid, insbesondere zu einem Anteil von 20 – 70 Gew.-%, insbesondere zu 20 – 60 Gew.-%, der Laufschicht umfassen.
Die Dicke der Schicht aus Lagermaterial beträgt vorteilhafterweise 100 – 600 µm, insbesondere 100– 500 µm.
Die Dicke der Dispersionsschicht beträgt vorteilhafterweise 3 – 12 µm, insbesondere 3 – 10 µm, insbesondere 5 – 7 µm.
Die Dicke der die Oberfläche bildenden Laufschicht beträgt vorteilhafterweise 3 – 30 µm, insbesondere 3 – 18 µm, insbesondere 3 – 12 µm, insbesondere 3 – 8 µm.
Gegenstand der Erfindung sind auch aus dem vorstehend beschriebenen Gleitlagerverbundwerkstoff hergestellte Gleitlagerelemente, insbesondere Gleitlagerschalen, Gleitlagerbuchsen und Anlaufscheiben, für motorische oder motorennahe Anwendungen.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleitlagerverbundwerkstoffs.
In der Zeichnung zeigt:
Die Figur eine schematische Schnittansicht durch einen
erfindungsgemäßen Gleitlagerverbundwerkstoff.
Die Figur zeigt in schematischer Schnittansicht (nicht maßstabsgetreu) einen Gleitlagerverbundwerkstoff 2 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Gleitlagerverbundwerkstoff 2 umfasst eine Trägerschicht 4, vorzugsweise aus Stahl, und eine darauf aufgebrachte Schicht 6 aus einem Lagermaterial, insbesondere Bronze. Darauf ist eine Dispersionsschicht 8 mit dispergierten tribologisch wirksamen Bestandteilen vorgesehen.
Die Dispersionsschicht 8 ist elektrisch oder chemisch, d. h. elektrolytisch/galvanisch oder stromlos/autokatalytisch, auf der Lagermaterialschicht 6 abgeschieden.
Auf der Dispersionsschicht 8 ist wiederum elektrisch oder chemisch oder durch PVD-Verfahren, insbesondere Sputtern, oder in Form einer Lackschicht auf Polymerbasis eine Laufschicht 10 ausgebildet.
Folgende Ausführungsbeispiele für eine Dispersionsschicht auf Nickelbasis werden vorgeschlagen:
- Nickel mit 3 Vol.-% Siliziumcarbid (SiC) (elektrisch abgeschieden)
- Nickel mit 20 Vol.-% PTFE und 3 Vol.-% Siliziumcarbid (SiC) (elektrisch abgeschieden)
- Nickel mit 10 Vol.-% hexagonales Bornitrid (BN) und 2 Vol.-% kubisches Bornitrid (BN) (elektrisch abgeschieden)
- Nickel mit Phosphor im Massenanteilsverhältnis von 9:1 mit darin eingelagertem PTFE, welches etwa 20 Vol.-% der Dispersionsschicht ausmacht, was durch EDX-Analyse bestimmt werden kann. (stromlos abgeschieden)
Die vorstehenden Dispersionsschichten können grundsätzlich mit allen der eingangs genannten Lagermetallschichten und Laufschichten kombiniert eingesetzt werden.
Der Gleitlagerverbundwerkstoff bzw. ein hieraus hergestelltes Gleitlagerelement, insbesondere Gleitlagerschale oder Gleitlagerbuchse oder Anlaufscheibe, zeichnet sich durch eine hohe Abriebfestigkeit und eine gute Anpassungsfähigkeit und daher durch eine geringe Fressneigung, insbesondere während der Anlaufphase aus.
Claims (17)
- Gleitlagerverbundwerkstoff (2) mit einer Trägerschicht (4), insbesondere aus Stahl, mit einer darauf aufgebrachten Schicht (6) aus einem Lagermaterial, insbesondere auf Kupfer-Basis oder Aluminium-Basis, mit einer elektrisch oder chemisch abgeschiedenen Zwischenschicht und mit einer auf der Zwischenschicht vorgesehenen Laufschicht (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht eine Dispersionsschicht (8) auf Nickel-, Kupfer-, Silber- oder Cobaltbasis mit darin dispergierten tribologisch wirksamen Bestandteilen (9) ist und dass die tribologisch wirksamen Bestandteile (9) Carbide, kubische Nitride, Oxide und/oder Silizide umfassen.
- Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die tribologisch wirksamen Bestandteile (9) Carbide, kubische Nitride, Oxide und/oder Silizide in ihrer Gesamtmenge zu 1 – 15 Vol.-%, insbesondere 1 – 10 Vol.-%, insbesondere 1 – 8 Vol.-%, in der Dispersionsschicht (8) enthalten sind.
- Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die tribologisch wirksamen Bestandteile (9) zusätzlich Graphit, Molybdändisulfid (MoS2), hexagonales Bornitrid oder PTFE umfassen.
- Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die tribologisch wirksamen Bestandteile (9) Graphit, Molybdändisulfid (MoS2), hexagonales Bornitrid oder PTFE in ihrer Gesamtmenge zu 5 – 30 Vol.-%, insbesondere 10 – 30 Vol.-%, insbesondere 10 – 25 Vol.-%, in der Dispersionsschicht (8) enthalten sind.
- Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Dispersionsschicht auf Nickelbasis mit 2-6 Vol.-% Carbid, insbesondere Siliziumcarbid, oder mit 2-6 Vol.-% Carbid, insbesondere Siliziumcarbid, und 15-25 Vol.-% PTFE oder mit 8-12 Vol.-% hexagonalem und 1-4 Vol.-% kubischem Bornitrid als tribologisch wirksame Bestandteile.
- Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Dispersionsschicht auf Nickelphosphorbasis mit 15-25 Vol.-% PTFE als ein tribologisch wirksamer Bestandteil.
- Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagermaterial von einer CuSn-, CuZn-, CuAl- oder CuNi-Legierung oder von einer AlSn-, AlZn- oder AlSi-Legierung gebildet ist.
- Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht als galvanische Schicht elektrisch oder chemisch abgeschieden ist.
- Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht (10) Zinn, Zinn-Kupfer, Zinn-Zink, Zink, Bismut, Silber, Indium, Antimon oder deren Legierungen umfasst.
- Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), insbesondere als Sputterschicht, ausgebildet ist.
- Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht (10) Aluminium, Zinn und/oder Zink und deren Legierungen, insbesondere AlSn oder AlZn, umfasst.
- Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht (10) von einem polymeren Gleitschichtmaterial, insbesondere auf Basis von PAI, PI, PBI, oder auf Basis eines Epoxyharzes, mit darin aufgenommenen Füllstoffen gebildet ist.
- Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht (10) als Füllstoffe PTFE, Graphit, MoS2 und/oder hexagonales Bornitrid, insbesondere zu einem Anteil von 20 – 70 Gew.-%, insbesondere zu 20 – 60 Gew.-%, umfasst.
- Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Schicht (6) aus Lagermaterial 100 – 600 µm, insbesondere 100– 500 µm beträgt.
- Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Dispersionsschicht (8) 3 – 12 µm, insbesondere 3 – 10 µm, insbesondere 5 – 7 µm beträgt.
- Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Laufschicht 3 – 30 µm, insbesondere 3 – 18 µm, insbesondere 3 – 12 µm, insbesondere 3 – 8 µm beträgt.
- Gleitlagerelement für motorische oder motorennahe Anwendungen, insbesondere Gleitlagerschale oder –buchse oder Anlaufscheibe, hergestellt aus einem Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche.
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