WO2015113093A1

WO2015113093A1 - Verfahren zur herstellung eines zweistoff-gleitlagers

Info

Publication number: WO2015113093A1
Application number: PCT/AT2015/050027
Authority: WO
Inventors: Walter GÄRTNER
Original assignee: Miba Gleitlager Gmbh
Priority date: 2014-01-31
Filing date: 2015-01-28
Publication date: 2015-08-06
Also published as: AT514955A4; AT514955B1; GB2544366A; CN105980721B; SE539779C2; US9982714B2; US20170009811A1; SE1650972A1; DE112015000590A5; GB2544366B; CN105980721A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zweistoff-Gleitlagers (1) nach dem auf einem ebenen, metallischen Substrat (8) aus der Gasphase eine metallische Gleitschicht (3) aus zumindest zwei unterschiedlichen Partikelarten unter vermindertem Druck niedergeschlagen wird, wobei eine erste Partikelart eine Matrix mit ersten Körnern und die zweite Partikelart in der Matrix eingelagerte Körner der metallischen Gleitschicht (3) bilden, wobei die metallische Gleitschicht (3) mit einer Schichtdicke (4) von mehr als 250 µm sowie mit einer Härte nach Vickers von unter 100 HV(0,025) hergestellt wird, und die metallische Gleitschicht (3) aus einer einzigen Schicht in nur einem Durchgang und mit einer maximalen Korngröße von zumindest 90 % der die Matrix bildenden ersten Körner sowie mit einer maximalen Korngröße von zumindest 90 % der eingelagerten Körner von maximal 1 µm und einer maximalen Korngröße der restlichen Körner auf 100 % Gesamtkörner von maximal 1, µm hergestellt wird.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Zweistoff-Gleitlagers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zweistoff-Gleitlagers nach dem auf einem ebenen, metallischen Substrat, das die Stützschicht des Gleitlagers bildet, aus der Gasphase eine metallische Gleitschicht aus zumindest zwei unterschiedlichen Partikelarten unter vermindertem Druck niedergeschlagen wird, wobei die Partikelarten mit zumindest einem Elektronenstrahl aus zumindest einem, eine Verdampfungsquelle bildenden Behälter durch Verdampfen erzeugt werden, und eine erste Partikelart eine Matrix mit ersten Körnern und die zweite Partikelart in der Matrix eingelagerte Körner der metallischen Gleitschicht bilden, und wobei nach dem Abscheiden der metallischen Gleitschicht das beschichtete Substrat zum Gleitlager umgeformt wird, wobei die metallische Gleitschicht mit einer Schichtdicke von mehr als 250 μιη sowie mit einer Härte nach Vickers von unter 100 HV(0,025) hergestellt wird.

Weiter betrifft die Erfindung ein Zweistoff-Gleitlager umfassend eine metallische Stützschicht und eine darauf angeordnete metallische Gleitschicht, wobei die metallische Gleitschicht nach einem Elektronenstrahlbedampfungsverfahren hergestellt ist und eine Matrix mit ersten Körner sowie in die Matrix eingelagerte zweite Körner aufweist, und wobei weiter die metallische Gleitschicht eine Schichtdicke von mehr als 250 μιη sowie eine Härte nach Vickers von kleiner 100 HV(0,025) aufweist.

Der Einsatz des Elektronenstahlbedampfungsverfahrens zur Herstellung von metallischen Gleitlagern ist aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Üblicherweise weisen die mit der- artigen Verfahren hergestellten Schichten nur eine geringe Schichtdicke auf.

Es ist aber aus dem Stand der Technik auch bekannt, mittels Elektronenstrahlbedampfungs- verfahren dicke Schichten abzuscheiden. So beschreibt die AT 501 722 A4 ein Beschich- tungsverfahren zur Herstellung von dicken Gleitschichten bei dem auf einem ebenen, metalli- sehen Substrat, das von einem Substrathalter gehaltert ist, aus der Gasphase eine metallische Schicht aus Partikel unter vermindertem Druck niedergeschlagen wird, wobei die Partikel mit zumindest einer Elektronenstrahlquelle aus zumindest einem, eine Verdampfungsquelle bildenden Behälter verdampft werden. Die Gleitschicht selbst wird bei diesem Verfahren aus mehreren Einzelschichten sequenziell aufgebaut wird. Zwar hat dieses Verfahren Vorteile wenn Konzentrationsgradienten von Legierungselementen ausgebildet werden sollen, allerdings ist dies aber auch von Nachteil, da homogene Schichten nur schwer darstellbar sind. Die nach diesem Verfahren hergestellten Gleitschichten weisen naturgemäß eine ausgeprägte La- genstruktur auf. Es wird zwar in dieser Druckschrift erwähnt, dass durch Diffusionseffekte die Homogenität der abgeschiedenen Gleitschicht verbessert werden kann, wobei dies so weit gehen kann, dass die einzelnen Schichten makroskopisch nicht mehr unterscheidbar sind. Die Lagenstruktur bleibt aber trotzdem aufrecht und ist mikroskopisch nachweisbar. Dicke metallische Schichten, d.h. Schichten mit Schichtdicken von mehr als 200 μπι, können in der Gleitlagertechnik für die Motorenindustrie durch direktes Aufgießen oder aufwalzen einer gegossenen Schicht erzeugt werden. Diese weisen aber herstellungsbedingt ein relativ grobkörniges Gefüge auf. Letzteres trifft auch auf galvanisch erzeugte Schichten zu, wenngleich das Gefüge von galvanisch erzeugten Schichten feinkörniger ist, als von gegossenen Schichten. Das Gefüge kann zwar durch die Zugabe von Kornfeinern verfeinert werden, bleibt aber hinsichtlich der Korngröße hinter den Gefügen, die mittels der Sputtertechnik herstellbar sind. Mittels der Sputtertechnik, bei der die Partikel durch Ionenbeschuss eines Targets erzeugt werden, sind sehr hochwertige Schichten mit geringen Korngrößen möglich. Nachteilig sind dabei allerdings die teure Verfahrenstechnik und die geringen erzielbaren Ab- scheideraten, sodass Sputterschichten mit geringen Schichtdicken hergestellt werden, wie dies z.B. auch in der EP 0 692 674 A2 festgehalten wird.

Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung, eine dicke metallische Gleitschicht wirtschaftlich herzustellen, wobei diese Schicht zumindest im Oberflächenbereich zumindest teilweise annähernd vergleichbare Eigenschaften mit Sputterschichten aufweisen soll.

Diese Aufgabe der Erfindung wird mit dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, dass die metallische Gleitschicht aus einer einzigen Schicht in nur einem Durchgang und mit einer maximalen Korngröße von zumindest 90 % der die Matrix bildenden ersten Körner so- wie mit einer maximalen Korngröße von zumindest 90 % der eingelagerten Körner von maximal 1 μπι und einer maximalen Korngröße der restlichen Körner von maximal 1,5 μπι hergestellt wird, und bei dem eingangs genannte Zweistoff-Gleitlager dadurch, dass die metallische Gleitschicht aus einer einzigen Schicht besteht und zumindest 90 % der ersten und zwei- ten Körner der metallischen Gleitschicht eine maximale Korngröße von maximal 1 μιη und die restlichen Körner eine maximale Korngröße von maximal 1,5 μιη aufweisen.

Von Vorteil ist dabei, dass damit ein Zweistoff-Gleitlager zur Verfügung gestellt werden kann, dessen Gleitschicht hoch belastbar, anpassungsfähig und duktil ist, und die eine homogene Struktur über die Schichtdicke aufweisen kann. Die Gleitschicht weist zumindest im Oberflächenbereich aufgrund der Feinkörnigkeit zumindest annähernd vergleichbare Eigenschaften auf, wie sie von Sputterlagern bekannt sind. Damit kann also ein Gleitlager zur Verfügung gestellt werden, das im Vergleich zu herkömmlichen Gleitlagern mit (ausgegossenen Gleitschichten höher belastbar ist, bessere tribologische Eigenschaften aufweist als Sputtergleitschichten und dessen Verschleißwerte im Betrieb annährend die Verschleißwerte von Sputtergleitschichten erreichen. Darüber hinaus ist das Gleitlager mit der relativ dicken Gleitschicht wirtschaftlicher herstellbar, als ein Sputterlager. Mit der Erfindung kann also ein Zweitsoff-Gleitlager zur Verfügung gestellt werden, das annähernd die Eigenschaften von Sputtergleitlagern aufweist, im Vergleich dazu aber kostengünstiger herstellbar ist.

Gemäß einer Ausführungsvariante des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Partikel mittels eines Plasmas aktiviert werden. Zwar ist damit der Nachteil verbunden, dass die Be- schichtungsrate reduziert wird, allerdings übersteigt diesen Nachteil der Vorteil des feinkörni- geren und dichteren Gefüges, wodurch die Verschleißeigenschaften und die tribologischen Eigenschaften weiter verbessert werden können.

Vorzugsweise wird die metallische Gleitschicht mit einer statischen Abscheiderate von zumindest 50 μηι/πήη abgeschieden. Es kann damit die Duktilität und die Feinkörnigkeit der Gleitschicht verbessert werden.

Unter der statischen Abscheiderate wird dabei die Beschichtungsrate bei einer Vorschubgeschwindigkeit von Null verstanden. Es ist weiter bevorzugt das metallische Substrat mit einer linearen Bewegung mit einer Geschwindigkeit ausgewählt aus einem Bereich von 0,1 mm/s bis 1 mm/s über die zumindest eine Verdampfungsquelle zu bewegen, da damit die Schichtdickenvarianz verringert werden kann. Der Aufwand einer mechanischen Nachbearbeitung der Gleitschichtoberfläche, beispielsweise durch Feinbohren, kann damit reduziert werden.

Nach einer weiteren Ausführungsvariante des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das metallische Substrat in einem Abstand über die zumindest eine Verdampferquelle bewegt wird, der ausgewählt wird aus einem Bereich von 200 mm und 500 mm. Einerseits ist es damit möglich, die tribologischen Eigenschaften der metallischen Gleitschicht zu beeinflussen. Andererseits kann damit auch die Korngröße der Körner beeinflusst werden, indem der Zusammenstoß von Partikeln auf dem Weg zum Substrat besser vermieden werden kann. Zudem kann damit eine gleichmäßigere Schichtdicke der metallischen Gleitschicht auch über die Breite des Substrates, also quer zur Bewegungsrichtung, erreicht werden.

Weiter kann vorgesehen sein, dass die Oberfläche des metallischen Substrats vor der Be- schichtung einem Plasma ausgesetzt wird. Es kann damit die Metalloberfläche gereinigt und/oder aktiviert werden, wodurch die Bindefestigkeit der auf dem Substrat niedergeschlagenen metallischen Gleitschicht verbessert werden kann. Es ist damit möglich auf Bindeschichten zu verzichten, wodurch die Herstellung des Gleitlagers vereinfacht werden kann.

Vorzugsweise besteht die Matrix aus einem Basiselement ausgewählt aus einer ersten Gruppe umfassend Aluminium, Zinn, Kupfer. Insbesondere diese Metalle haben sich sowohl in Hinblick auf die Verwendung in Gleitlagern, wie dies an sich bekannt ist, als auch in Hinblick auf die Abscheidung mittels Elektronenstrahlbedampfungsverfahren als vorteilhaft erwiesen.

Weiter kann vorgesehen sein, dass die zweiten Körner zumindest ein Element ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Zinn, Wismut, Silizium, Magnesium, Mangan, Eisen, Scandium, Zirkonium, Chrom, Kupfer, Aluminium, Antimon, Nickel, Kohlenstoff (Graphit) aufweisen, mit der Maßgabe, dass das weitere Element ungleich dem Basiselement ist, wodurch eine entsprechende Anpassung des Zweitstoff-Gleitlagers an die bevorzugte Verwendung in LKW- Motoren bzw. Großmotoren erfolgen kann und die Abscheidung der metallischen Gleitschicht trotzdem noch wirtschaftliche durchgeführt werden kann. Insbesondere wird eine Kombination der Elemente Aluminium, Zinn und Kupfer eingesetzt, da die Dampfdrücke dieser Elemente sehr nahe beieinander liegen. Dabei kann vorgesehen sein, dass die metallische Gleitschicht aus einer Legierung besteht, die ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend AlSnxCuy, AlSnxSiy, AlBix, CuSnx, CuBix, CuSnxBiy, SnAlx, SnSbx, SnCuxSby, wobei x und y jeweils ein Wert ist ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1 und einer oberen Grenze von 30.

Es kann auch vorgesehen sein, dass die Korngröße der zweiten Körner maximal halb so groß ist wie die Korngröße der ersten Körner. Bevorzugt werden als zweite Körner Körner der Weichphase(n) abgeschieden. Dadurch, dass diese Weichphasen-Körner eine geringere Korngröße als die Matrix-Körner aufweisen, kann besser verhindert werden, dass sich ein durch- gehendes Netz aus Weichphasen-Körnern bildet, wodurch die Gleitschicht duktiler ausgebildet werden kann.

Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass unter einer Weichphase ein Element verstanden wird, das eine geringere Härte als die Matrix aufweist. Insbesondere sind dies die Elemente Zinn und Wismut.

Weiter sei erwähnt, dass es auch möglich ist, dass die Weichphase, also z.B. Zinn oder Wismut, die Matrix bildet (beispielsweise in Zinnbasislegierungen). Dabei kann es von Vorteil sein, wenn die Korngröße der ersten Körner, also der Matrix, kleiner oder gleich ist der Korn- große der zweiten Körner, also der in die Matrix eingelagerten Körner. Es ist aber auch der umgekehrte Fall möglich, dass also die Korngröße der ersten Körner größer ist, als die Korngröße der zweiten Körner.

Es ist weiter bevorzugt, wenn die die Matrix bildenden ersten Körner und/oder die in die Mat- rix eingelagerten zweiten Körner einen globularen Habitus aufweisen bzw. das Gefüge insgesamt ein globulares Erscheinungsbild aufweist. Es kann damit eine möglicherweise auftretenden Kerbwirkung der Körner besser vermieden werden.

Wie bereits voranstehend ausgeführt, ist die metallische Gleitschicht vorzugsweise direkt auf der metallischen Stützschicht angeordnet, wodurch die Herstellung des Gleitlagers vereinfacht und der Materialverbrauch reduziert werden kann. Darüber hinaus kann damit die Gleitschicht weicher und duktiler ausgeführt werden, da die Belastung unmittelbar auf die Stützschicht übertragen wird. Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils in vereinfachter, schematischer Darstellung:

Fig. 1 ein Zweistoff-Gleitlager in Form einer Halbschale in Schrägansicht; Fig. 2 eine Anlage zur Herstellung eines Bimetallstreifens.

Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen wer- den können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.

Fig. 1 zeigt ein Zweistoff-Gleitlager 1 in Form einer Halbschale. Das Zweistoff-Gleitlager 1 besteht aus einer Stützschicht 2 und einer auf dieser angeordneten Gleitschicht 3.

Unter einem Zweistoff-Gleitlager 1 wird entsprechend dem technischen Sprachgebrauch ein Gleitlager verstanden, das aus einer Stützschicht 2 und einer Gleitschicht 3 besteht, wobei die Gleitschicht 3 jene radial innere Schicht des Gleitlagers ist, an dem das zu lagernde Bauteil, beispielsweise eine Welle, abgleitet. Der Begriff„Zweistoff-Gleitlager" umfasst - wie dies in der Fachsprache üblich ist - auch Gleitlager mit einer Stützschicht 2 und einer Gleitschicht 3, wobei zwischen diesen beiden Schichten zumindest eine weitere Schicht in Form einer Bindeschicht oder einer Diffusionssperrschicht angeordnet ist. Derartige Schichten werden für den Begriff Zweistoff-Gleitlager nicht mitgezählt. Mit anderen Worten ausgedrückt ist also zwi- sehen der Stützschicht 2 und der Gleitschicht 3 keine Lagermetallschicht aus einer Lagermetalllegierung angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass vor der Abscheidung der Gleitschicht 3 keine Gieß- oder Plattierschritte für die Abscheidung einer Lagermetallschicht erforderlich sind. Es sei bereits an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass in der bevorzugten Ausführungsform des Zweistoff-Gleitlagers 1 die Gleitschicht 3 unmittelbar, d.h. direkt, ohne Zwischenschichten auf der Stützschicht 2 angeordnet ist.

Sowohl die Stützschicht 2 als auch die Gleitschicht 3 sind aus einem metallischen Werkstoff hergestellt.

Die Stützschicht 2 besteht insbesondere aus einem Stahl, kann jedoch auch aus einem anderen metallischen Werkstoff gebildet sein, der dem Zweistoff-Gleitlager 1 die erforderliche Strukturfestigkeit verleiht, wie beispielsweise Bronze, Messing, einer hochfesten Aluminiumlegierung, etc.

Die metallische Gleitschicht 3 weist eine Matrix aus einem Basiselement auf, das bevorzugt ausgewählt aus einer ersten Gruppe umfassend oder bestehend aus Aluminium, Zinn, Kupfer. Dieses Basiselement bildet den Hauptbestandteil der metallischen Legierung der Gleitschicht 3, weist also im Vergleich zu den weiteren Elementen in der Gleitschicht 3 mengenmäßig den größten Anteil an der Gleitschicht 3 auf (bezogen auf eine Zusammensetzung ausgedrückt in Gew.-%).

In diese Matrix ist zumindest ein weiteres Element eingelagert. Dieses weitere Element ist bevorzugt ausgewählt aus einer zweiten Gruppe umfassend oder bestehend aus Zinn, Wismut, Silizium, Magnesium, Mangan, Eisen, Scandium, Zirkonium, Chrom, Kupfer, Aluminium, Antimon, Nickel, Kohlenstoff (Graphit), mit der Maßgabe, dass das weitere Element ungleich dem Basiselement ist. Mit diesen Elementen ist eine Anpassung der Eigenschaften der Gleitschicht 3 an die jeweiligen Erfordernisse möglich. Da die Wirkungen der einzelnen Elemente aus dem einschlägigen Stand der Technik bekannt sind, sei zur Vermeidung von Wiederholungen darauf verwiesen. Der Anteil jedes dieser Elemente der zweiten Gruppe an der Gleitschicht 3 kann ausgewählt sein aus einem Bereich von 0,3 Gew.-% bis 35 Gew.-%, wobei der Summenanteil sämtlicher Elemente der zweiten Gruppe an der Gleitschicht 3 ausgewählt ist aus einem Bereich von 5 Gew.-% bis 40 Gew.-%. Den Rest auf 100 Gew.-% bildet das Basiselement der ersten Gruppe.

Insbesondere kann die Gleitschicht 3 aus einer Legierung bestehen, die ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend AlSnxCuy, AlSnxSiy, AlBix, CuSnx, CuBix, CuSnxBiy, SnAlx, SnSbx, SnCuxSby, wobei x und y jeweils ein Wert ist ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1 und einer oberen Grenze von 30, vorzugsweise aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 2 und einer oberen Grenze von 15.

Sollte zwischen der Stützschicht 2 und der Gleitschicht 3 eine Zwischenschicht angeordnet sein - wie bereits erwähnt ist dies nicht die bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung - kann diese z.B. aus der Matrixkomponente der Legierung der Gleitschicht 3 (dem Basiselement), Eisen, einer Eisenlegierung, Nickel, einer Nickellegierung, Kobalt, einer Kobaltlegierung, Reinaluminium, etc., bestehen. Derartige Zwischenschichten (Bindeschichten bzw. Diffusionssperrschichten) sind ebenfalls aus dem einschlägigen Stand der Technik bekannt, aus dem auch weitere Werkstoffbeispiele für diese Schichten bekannt sind, sodass auch dazu auf die einschlägige Literatur verwiesen sei.

Die metallische Gleitschicht 3 wird nach einem Elektronenstrahlbedampfungsverfahren hergestellt bzw. auf der Stützschicht 2 niedergeschlagen, wie dies im Nachfolgenden noch näher erläutert wird. Im Vergleich zu nach einem Sputterverfahren hergestellten Gleitschichten ist damit eine wirtschaftlichere Ab Scheidung möglich.

Die Gleitschicht 3 wird in einem einzigen Durchgang durch die Bedampfungseinrichtung niedergeschlagen, es erfolgt also kein schichtweiser Aufbau, wie dies bei dem Verfahren nach der eingangs genannten AT 501 722 A4 der Fall ist. Trotzdem kann die Gleitschicht 3 mit einer Schichtdicke 4 von mehr als 250 μπι, insbesondere mehr als 400 μπι, hergestellt werden. Die Schichtdicke 4 kann dabei ausgewählt sein aus einem Bereich von 250 μπι bis 2000 μπι.

Nach der Abscheidung der Gleitschicht 3 weist diese eine Matrix auf, die durch erste Körner aus dem Basiselement gebildet wird. In dieser Matrix sind zweite Körner eingelagert, die durch zumindest ein Element aus der zweiten Elementgruppe und gegebenenfalls zumindest eine intermetallische Verbindung aus den Elementen der zweiten Elementgruppe und/oder gegebenenfalls zumindest eine intermetallische Verbindung aus einem Element der zweiten Elementgruppe mit dem Basiselement gebildet werden. Beispielsweise weist also die Gleitschicht 3 erste Körner aus Aluminium als Matrix auf, in die Zinn als zweite Körner eingelagert ist.

Aufgrund des nachfolgend noch näher beschriebenen Herstellungsverfahrens kann die Gleitschicht 3 so hergestellt werden, dass ein Großteil der Körner, vorzugsweise sämtliche Körner, der Gleitschicht 3, also die ersten und die zweiten Körner, ein maximale Korngröße von maximal 1 μιη aufweisen, insbesondere zwischen 0,1 μιη und 1 μιτι, und dass die Gleitschicht 3 eine Härte nach Vickers von kleiner 100 HV(0,025) aufweist, insbesondere zwischen 40 HV(0,025) und 80 HV(0,025).

Unter maximaler Korngröße wird dabei der größte Durchmesser eines Einzelkorns verstanden, den dieses aufgrund eines unregelmäßigen Habitus aufweist. Herstellungsbedingt können aber einzelne Körner geringfügig größer als 1 μιη sein, wobei jedoch zumindest 90 %, insbesondere zumindest 95 %, sämtlicher Körner eine Korngröße von maximal 1 μιη und der Rest der Körner eine maximale Korngröße von 1,5 μιη aufweisen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Korngröße der zwei- ten Körner maximal halb so groß ist wie die Korngröße der ersten Körner, also der Körner der Matrix.

Weiter ist aus den voranstehenden Gründen bevorzugt, wenn die die Matrix bildenden ersten Körner und/oder die in die Matrix eingelagerten zweiten Körner einen globularen Habitus aufweisen. Besonders bevorzugt ist dabei wiederum, wenn sämtliche ersten und/oder zweiten Körner einen globularen Habitus aufweisen. Es ist aber auch möglich, dass lediglich zumindest 90 %, insbesondere zumindest 95%, sämtlicher ersten und/oder zweiten Körner einen zumindest annähernd globularen Habitus aufweisen und der Rest der Körner einen davon abweichenden Habitus.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist das Zweistoff-Gleitlager 1 vorzugsweise die Form einer Halbschale auf. Es ist aber auch möglich, wie dies in Fig. 1 strichliert angedeutet ist, dass das Zweistoff-Gleitlager 1 als Buchse ausgebildet ist. Ebenso sind andere Formen von Zweistoff- Gleitlagern 1, wie z.B. Anlauf Scheiben, etc., möglich.

In Fig. 2 ist ein Schema für eine Bedampfungsanlage 5 zur Herstellung eines bedampften Vorproduktes 6 für das Zweistoff-Gleitlager 1 dargestellt. Diese weist eine evakuierbare Bedampfungskammer 7 auf, in die ein ebenes bzw. flaches Substrat 8 zur Herstellung des Vorproduktes 6 über nicht weiter dargestellte Schleusen ein- und ausgeschleust wird, da in der Bedampfungskammer 7 die Gleitschicht 3 unter Unterdruck (bezogen auf den Normaldruck außerhalb der Bedampfungskammer 7) aufgedampft wird.

Das Substrat 8 kann beispielsweise ein Stahlstreifen oder ein Stahlblech sein.

Das Substrat 8 kann auf einer Transporteinrichtung 9 durch die Bedampfungskammer 7 transportiert werden. Es ist aber auch möglich, dass das Substrat 8 ohne diese Transporteinrichtung 9 durch die Bedampfungskammer 7 gefördert wird, beispielsweise wenn das Substrat 8 als Band oder Blech ausgebildet ist und aus dem daraus hergestellten Vorprodukt 6 die entsprechende Größe für das Zweistoff-Gleitlager 1 nach dem Bedampfen geschnitten oder gestanzt wird. Die Transporteinrichtung 9 oder das Substrat 8 sind über eine entsprechende Antriebsvorrichtung, die in Fig. 2 nicht dargestellt ist, angetrieben.

Das Substrat 8 wird mit einer linearen, kontinuierlichen Bewegung ohne Unterbrechung durch die Bedampfungskammer 7 bewegt.

In der Bedampfungskammer 7 ist zumindest eine Elektronenstahl quelle 10, vorzugsweise eine Axial elektronenkanonen, zumindest teilweise angeordnet. Diese kann eine Leistung von einigen 10 kW, z.B. 120 kW aufweisen. Selbstverständlich ist es möglich mehr als eine Elektronenstahl quelle 10 vorzusehen.

Weiter sei darauf hingewiesen, dass die Situierung der Elektronenstahl quelle 10 in Fig. 2 beispielhaften Charakter hat, da es möglich ist, mit Hilfe von elektromagnetischen Feldern den von der Elektronenstahl quelle 10 ausgesandten Elektronenstrahl abzulenken. So kann bei- spielsweise die Elektronenstrahlquelle auch in ein Gehäuse 11 der Bedampfungskammer 7 integriert werden bzw. in einer eigens hierfür am Gehäuse 11 vorgesehenen Aufnahme angeordnet werden, um damit z.B. für Wartungsarbeiten eine bessere Zugänglichkeit zu erreichen. Innerhalb des Gehäuses 11 der Bedampfungskammer 7, insbesondere unterhalb des Substrats 8, ist zumindest ein Behälter 12 angeordnet, in dem sich ein zu verdampfende metallischer Werkstoff 13 befindet und der somit die Verdampfungsquelle bildet. Je nach der Zusammensetzung der herzustellenden Gleitschicht 3 können auch mehrere derartige Behälter 12 angeordnet werden, in denen sich die metallischen Reinelemente oder unterschiedliche Vorlegie- rungen befinden, aus denen die Legierung der Gleitschicht 3 gebildet wird. Es ist aber auch möglich, in einem Behälter 12 bereits die Legierung in der qualitativ und quantitativ richtigen Zusammensetzung vorzulegen, sodass also die Gleitschicht 3 auch nur unter Verwendung einer Verdampfungsquelle hergestellt werden kann. Selbstverständlich sind hinsichtlich der richtigen quantitativen Zusammensetzung die unterschiedlichen Dampfdrücke der Elemente zu berücksichtigen, sodass also die quantitative Zusammensetzung in dem zumindest einen Behälter 12 in der Regel unterschiedlich ist zur quantitativen Zusammensetzung der Legierung der Gleitschicht 3. Gegebenenfalls ist es weiter möglich, dass mehrere Verdampfungsquellen das gleiche Metall, d.h. das gleiche Beschichtungsmaterial, zur Ausbildung der metallischen Gleitschicht 3 enthalten, wobei diese in Förderrichtung des Substrats 8 hintereinander angeordnet werden können.

Es ist möglich, dass der Elektronenstrahl auf die mehreren Behälter 12 gelenkt wird, also insbesondere zwischen diesen Behältern 12 hin und her springt. Ebenso kann der Elektronenstrahl innerhalb eines Behälters 12 zwischen zwei oder mehreren Punkten hin und her sprin- gen, beispielsweise wenn ein Behälter 12 mit größeren Abmessungen verwendet wird.

Es werden also zur Erzeugung der Gleitschicht 3, die bevorzugt aus den voranstehend genannten Legierungen gebildet ist, zumindest zwei unterschiedliche Partikelarten erzeugt, beispielsweise eine erste Partikelart aus Aluminium und eine zweite Partikelart aus Zinn.

Die Verdampfungsquelle(n), d.h. der oder die Behälter 12, kann oder können kühlbar sein, z.B. mit einem Fluid, wie z.B. Wasser, Öl, etc.. Des Weiteren ist es möglich, neben der dis- kontinuierlichen Vorlage des Werkstoffes 13, diesen kontinuierlich, z.B. als Strang oder Draht, beispielsweise über den Boden des oder der Behälter 12 zuzuführen.

Durch die Beaufschlagung des metallischen Werkstoffes 13 bzw. der metallischen Werkstoffe 13 mit Elektronen aus der zumindest einen Elektronenstahl quelle 10 verdampft dieser Werkstoff 13, wodurch sich ein Partikelstrom 14 in Form einer Dampfkeule bildet. Die Partikel aus dem Partikelstrom 14 schlagen sich auf der Oberfläche des Substrats 8 nieder, wodurch letztendlich die Gleitschicht 3 ausgebildet wird. Zur Steuerung kann der Bedampfungsanlage 5 eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (nicht gezeigt) zugeordnet sein, wobei mit dieser auch weitere Komponenten der Bedampfungsanlage 5 wirkungsverbunden sein können.

Zwischen dem Substrat 8 und der oder den Verdampfungsquelle(n) kann zumindest eine Blende (nicht dargestellt) angeordnet sein, um damit den Partikelstrom 14 zur Gänze bzw. teilweise auszublenden, um beispielsweise einen bestimmten Beschichtungsverlauf zu ermöglichen. Dies kann z.B. dann sinnvoll sein, wenn die Gleitschicht 3 aus Metallen aus mehreren Behältern 12 hergestellt wird, sodass zumindest einzelne dieser Metalle während der Bedampfung ausgeblendet werden können und damit eine bestimmte Legierungszusammensetzung bzw. Beschichtungszusammensetzung ermöglicht wird bzw. um die Ausbildung eines Konzentrationsgradienten innerhalb der Gleitschicht 3 zu ermöglichen. Beispielsweise ist es auf diese Weise möglich, eine zunehmende Konzentration an Weichphase aus z.B. Zinn oder Bismut in Richtung auf die Gleitfläche der Gleitschicht 3 herzustellen. Die Blenden können wassergekühlt sein. Jegliche andere Art der Kühlung, die hierfür geeignet ist, ist selbstverständlich möglich. Weiter können die Blenden jede beliebige Ausgestaltung aufweisen, z.B. flächig und linear verschiebbar, zweigeteilt und ver schwenkbar, etc..

Zur Erreichung einer feinkörnigeren Gleitschicht 3 ist zwischen dem Behälter 12 bzw. den Behältern 12 und dem Substrat 8 eine Vorrichtung 15 zur Erzeugung eines Plasmas angeordnet sein, beispielsweise eine Plasmaelektrode oder eine Hohlkathode. Es wird damit eine Entladung erzeugt, die die verdampften Partikel ionisiert. Es kann dazu z.B. ein Gleichstrom aus- gewählt aus einem Bereich von 10 A bis 100 A und eine Gleichspannung ausgewählt aus einem Bereich von -20 V bis - 100 V angewandt werden.

Es ist weiter möglich, dass an das Substrat 8 eine Biasspannung angelegt wird, z.B. ausge- wählt aus einem Bereich von -30 V bis - 500 V, die über eine Stromversorgungsvorrichtung

16 zur Verfügung gestellt werden kann.

Es ist weiter von Vorteil die Oberfläche des Substrates 8 vorzubehandeln, wie dies strichpunktiert im linken oberen Quadranten des Gehäuses 11 der Bedampfungskammer 7 in Form einer Vorbehandlungseinrichtung 17 dargestellt ist. Diese Vorbehandlungseinrichtung 17 kann z.B. als Ätzvorrichtung ausgebildet sein, beispielsweise mit Glühkathoden versehen sein. Die Vorbehandlung kann durch Koronaentladung etc., erfolgen. Vorzugsweise erfolgt eine Plasmabehandlung der Oberfläche des Substrats 8, wozu die Vorbehandlungseinrichtung

17 z.B. eine Plasmaelektrode umfassen kann, um damit eine Bogenentladung zu erzeugen.

Andere Vorbehandlungsverfahren, wie z.B. das Sputtercleaning oder das AEGD Verfahren (Are Enhanced Glow Discharge Verfahren) oder die Vorbehandlung mittels Hohlkathoden- entladung, sind ebenfalls anwendbar. Gegebenenfalls kann vor dieser Oberflächenbehandlung bzw. Aktivierung der Oberfläche des Substrates 8 eine weitere Vorbehandlung z.B. in Form einer Entfettung bzw. generell Reinigung des Substrates 8 durchgeführt werden.

Weiter kann vorgesehen sein, dass die Transporteinrichtung 9 und/oder das Substrat 8 tempe- rierbar sind. Dazu kann z.B. im Inneren der Transporteinrichtung 9 ein Kühlsystem 18 ausgebildet bzw. angeordnet sein, um die Oberfläche der Transporteinrichtung 9 und in weiterer Folge das Substrat 8 auf einem bestimmten Temperaturniveau zu halten bzw. mit einem definierten Temperaturverlauf zu beschichten. Dieses Kühlsystem 18 kann z.B. als Kühlmittelleitung ausgebildet sein und entsprechende Anschlüsse für einen Zulauf und einen Ablauf auf- weisen, die mit einem entsprechenden Versorgungssystem (in Fig. 2 nicht dargestellt) strö- mungsverbunden sind. Zur Kühlung kann beispielsweise Öl, Wasser, Luft, etc. verwendet werden, wobei gegebenenfalls zur Abfuhr von überschüssiger Wärme diesem Kühlsystem 18 zur Energierückgewinnung ein Wärmetauscher zugeordnet sein kann. Es ist aber auch mög- lich, andere Kühlsysteme 18 vorzusehen. Sollte keine gesonderte Transporteinrichtung 9 vorhanden sein, wie dies voranstehend beschrieben wurde, besteht die Möglichkeit das Substrat 8 selbst direkt mit dem Kühlsystem 18 zu verbinden. Es ist mit dem Kühlsystem 18 möglich, das Beschichtungsverfahren mit einer exakten Temperatursteuerung durchzuführen, sodass aufgrund dieser Beschichtungstemperatur bzw. des Beschichtungstemperaturverlaufes ebenfalls eine homogene dichte Struktur der Gleitschicht 3 ausgebildet werden kann. Weiter besteht die Möglichkeit, dass das Substrat 8 vor der Abscheidung der Gleitschicht 3 mit einer Haftvermittlerschicht versehen wird.

Zur Herstellung der Gleitschicht 3 wird also ein ebenes Substrat 8 in einem einzigen Durchgang durch die Bedampfungskammer 7 beschichtet, wozu das Substrat 8 kontinuierlich und insbesondere mit gleichmäßiger Geschwindigkeit linear durch die Bedampfungskammer 7 bewegt wird. Es können dabei folgende allgemeine Parameter angewandt werden:

El ektronenkanone : Beschleunigungsspannung: 20 kV - 35 kV

Strahlleistung der Elektronenkanone: 60 kW bis 240 kW

Substrat-Temperatur: 150 °C bis 250 °C

Prozessdruck: 2xl0^"4 Pa - 10^"1 Pa

Abscheiderate: zumindest 50 μιη/ιηίη, insbesondere von 50 μιη/ιηίη bis 100 μιη/ιηίη Fördergeschwindigkeit des Substrats 8: 0,1 mm/s bis 1 mm/s, vorzugsweise 0,2 mm/s bis 0,5 mm/s Abstand Substrat 8 von der Oberfläche der Verdampferquelle: 200 mm und 500 mm, insbesondere 250 mm bis 350 mm.

Nachdem das Substrat 8 mit der Gleitschicht 3 beschichtet ist, also das Vorprodukt 6 fertig ist, erfolgt noch die Ausformung des Zweistoff-Gleitlagers 1 durch mechanische Bearbeitung. Dazu können gegebenenfalls aus dem Vorprodukt 6, sofern dieses noch nicht die richtige Größe hat, die für das Zweistoff-Gleitlager 1 richtigen Vorformlinge geschnitten oder ge- stanzt werden. Danach erfolgt eine Umformung des ebenen Vorproduktes 6 bzw. Vorform - lings in die jeweilige Form des Gleitlagers, also beispielsweise eine Halbschale oder eine Buchse. Diese Umformung kann z.B. in einem Gesenk bzw. einer Presse oder durch Rollen erfolgen. Für den Fall, dass eine Gleitlagerbuchse hergestellt wird, kann diese - wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist - verschweißt oder verklammert, etc., werden. Gegebe- nenfalls kann danach noch ein Feinbohren der Gleitschicht 3 durchgeführt werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsvariante weisen die ersten Körner des die Matrix bildenden Metalls mindestens die doppelte maximale Korngröße auf, als die weiteren Körner des weiteren Metalls, das in die Matrix eingebettet ist, wie dies bereits voranstehend ausgeführt wurde. Erreicht wird dies durch insbesondere durch höhere Abscheideraten.

Weiter weisen die ersten und/oder die zweiten Körner vorzugsweise einen globularen Habitus bzw. weist das gesamte Gefüge ein globulares, d.h. nicht stängeliges, Erscheinungsbild auf, wie dies ebenfalls bereits voranstehend ausgeführt wurde. Erreicht wird dies durch einen hö- heren Energieeintrag, der insbesondere durch eine hohe Beschichtungsrate und/oder eine hohe Substrattemperatur und/oder durch eine hohe Badtemperatur ermöglicht werden kann.

Beispiel: Im Rahmen der Erfindung wurde ein Zweistoff-Gleitlager 1 mit einer Gleitschicht 3 aus AlSn20Cu auf einer Stützschicht 2 aus Stahl wie folgt hergestellt. Ein Stahl Substrat wurde einer Vorreinigung in einem Plasma unterzogen (pAr ~ 0,3 Pa, PA_EG_D ~ 3 kW, U_B ~ -1000V, t ~ 15 Minuten).

Die Beschichtung dieses gereinigten Substrates 8 erfolgte mit einem Anfangsdruck in der Bedampfungskammer 7 von weniger als 2.10^"4 Pa unter Verwendung einer AlSnl4Cu5 Legierung in einem Behälter 12. Diesem Behälter 12 wurde während der Abscheidung der Gleitschicht 3 eine AlSn20Cu Legierung zugeführt. Der Abstand zwischen dem Substrat 8 und dem Behälter 12 betrug 300 mm. Das Substrat 8 wurde auf einer ölgekühlten Transportvorrichtung 9 (Toi, Vorlauf = 145 °C) durch die Bedampfungskammer 7 befördert. Für die Abschei- dung wurden folgende weitere Parameter verwendet:

Elektronenstrahlleistung: 100 kW (sodass sich die Oberflächen-Temperatur im Behälter 12 auf ca. 1450 °C einstellt) Fördergeschwindigkeit des Substrats 8: 0,3 mm/s

Abscheiderate R_stat.: 50 μιη/min

Die Schichtdicke der Gleitschicht 3 betrug mit 615 ± 40 μιη und die Härte 63 HV(0,025). Für die Prüfung wurde die Gleitschicht 3 feingebohrt, wonach sie eine Schichtdicke von ca. 400 μπι aufwies. Die maximale Korngröße von Aluminium betrug ca. 0,9 μπι, jene von Zinn ca. 0,4 μπι. Die restlichen Körner hatten eine Korngröße von maximal ca. 1,3 μπι. Die Korngrößen wurden optisch mittels Lichtmikroskop bzw. Elektronenmikroskop bestimmt. Die Fressgrenzlast wurde mit 74 MPa und der Verschleiß wurde mit 5,2 μπι (75 MPa, 15

Stunden) bestimmt. Im Vergleich dazu weist ein Zweitstoff-Gleitlager mit einer gesputterten Gleitschicht eine Fressgrenzlast von 62 MPa und einen Verschleiß von 3,7 μπι auf (jeweils gleiche Prüfbedingungen).

Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten des Zweistoff-Gleitlagers 1, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind. Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus Zweistoff-Gleitlagers 1 und der Bedampfungsanlage 5 diese bzw. deren Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.

Bezugszeichenaufstellung Zweistoff-Gleitlager

Stützschicht

Gleitschicht

Schichtdicke

Bedampfungsanlage

Vorprodukt

Bedampfungskammer

Substrat

Transporteinrichtung

Elektronenstrahl quelle

Gehäuse

Behälter

Werkstoff

Partikelstrom

Vorrichtung

Stromversorgungsvorrichtung

Vorbehandlungseinrichtung

Kühl System

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Verfahren zur Herstellung eines Zweistoff-Gleitlagers (1) nach dem auf einem ebenen, metallischen Substrat (8), das die Stützschicht (2) des Gleitlagers bildet, aus der Gas- phase eine metallische Gleitschicht (3) aus zumindest zwei unterschiedlichen Partikelarten unter vermindertem Druck niedergeschlagen wird, wobei die Partikelarten mit zumindest einem Elektronenstrahl aus zumindest einem, eine Verdampfungsquelle bildenden Behälter (12) durch Verdampfen erzeugt werden, und eine erste Partikelart eine Matrix mit ersten Körnern und die zweite Partikelart in der Matrix eingelagerte Körner der metallischen Gleitschicht (3) bilden, und wobei nach dem Abscheiden der metallischen Gleitschicht (3) das beschichtete Substrat (8) zum Gleitlager umgeformt wird, wobei die metallische Gleitschicht (3) mit einer Schichtdicke (4) von mehr als 250 μιη sowie mit einer Härte nach Vickers von unter 100 HV(0,025) hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Gleitschicht (3) aus einer einzigen Schicht in nur einem Durchgang und mit einer maximalen Korngröße von zu- mindest 90 % der die Matrix bildenden ersten Körner sowie mit einer maximalen Korngröße von zumindest 90 % der eingelagerten Körner von maximal 1 μιη und einer maximalen Korngröße der restlichen Körner auf 100 % Gesamtkörner von maximal 1,5 μιη hergestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel mittels eines Plasmas aktiviert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Gleitschicht (3) mit einer Abscheiderate von zumindest 50 μιη/min abgeschieden wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Substrat (8) mit einer linearen Bewegung mit einer Geschwindigkeit ausgewählt aus einem Bereich von 0,1 mm/s bis 1 mm/s über die zumindest eine Verdampfungsquelle bewegt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Substrat (8) in einem Abstand über die zumindest eine Verdampferquelle bewegt wird, der ausgewählt wird aus einem Bereich von 200 mm und 500 mm.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die

Oberfläche des metallischen Substrats (6) vor der Beschichtung einem Plasma ausgesetzt wird.

7. Zweistoff-Gleitlager (1) umfassend eine metallische Stützschicht (2) und eine darauf angeordnete metallische Gleitschicht (3), wobei die metallische Gleitschicht (3) nach einem Elektronenstrahlbedampfungsverfahren hergestellt ist, insbesondere nach einem Verfahren entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 7, und eine Matrix mit ersten Körner sowie in die Matrix eingelagerte zweite Körner aufweist, und wobei weiter die metallische Gleitschicht (3) eine Schichtdicke (4) von mehr als 250 μιη sowie eine Härte nach Vickers von kleiner 100 HV(0,025) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Gleitschicht (3) aus einer einzigen Schicht besteht und zumindest 90 % der ersten und zweiten Körner der metallischen Gleitschicht (3) eine maximale Korngröße von maximal 1 μιη und die restlichen Körner eine maximale Korngröße von maximal 1,5 μιη aufweisen.

8. Zweistoff-Gleitlager (1) nach einem der Ansprüche 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix aus einem Basiselement ausgewählt aus einer ersten Gruppe umfassend Aluminium, Zinn, Kupfer besteht

9. Zweistoff-Gleitlager (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Körner zumindest ein Element ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Zinn, Wismut, Silizium, Magnesium, Mangan, Eisen, Scandium, Zirkonium, Chrom, Kupfer, Aluminium, Antimon, Nickel, Kohlenstoff (Graphit) aufweisen, mit der Maßgabe, dass das weitere Element ungleich dem Basiselement ist.

10. Zweistoff-Gleitlager (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Gleitschicht (3) aus einer Legierung besteht, die ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend AlSnxCuy, AlSnxSiy, AlBix, CuSnx, CuBix, CuSnxBiy, SnAlx, SnSbx, SnCuxSby, wobei x und y jeweils ein Wert ist ausgewählt aus einem Bereich mit ei- ner unteren Grenze von 1 und einer oberen Grenze von 30.

11. Zweistoff-Gleitlager (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße der zweiten Körner maximal halb so groß ist wie die Korngröße der ersten Körner.

12. Zweistoff-Gleitlager (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die die Matrix bildenden ersten Körner und/oder die in die Matrix eingelagerten zweiten Körner einen zumindest annähernd globularen Habitus aufweisen.

13. Zweistoff-Gleitlager (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Gleitschicht (3) direkt auf der metallischen Stützschicht (2) angeordnet ist.