DE69704421T2

DE69704421T2 - Dünnwandige lager

Info

Publication number: DE69704421T2
Application number: DE69704421T
Authority: DE
Inventors: John Lyon; Fatima Rutherford
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 1996-05-15
Filing date: 1997-04-25
Publication date: 2001-09-13
Anticipated expiration: 2017-04-26
Also published as: JP2000514528A; GB9610096D0; EP0898659A1; EP0898659B1; GB2313163B; US6357917B1; GB2313163A; BR9709233A; DE69704421D1; JP3723934B2; ES2155994T3; WO1997043555A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf dünnwandige Lager, insbesondere, aber nicht grundsätzlich, zur Verwendung in Kraftfahrzeugen.
Ein solches dünnwandiges Lager umfaßt üblicherweise eine Schicht aus einem Lagermaterial, das auf die Innenfläche eines gekrümmten Stahlgehäuses aufgebracht ist. Die vorliegende Erfindung bezieht sich zudem auf ein dünnwandiges Lager, bei dem das Lagermaterial entweder auf Aluminium oder auf Kupfer basiert und gegossen, gesintert oder durch Walzen auf das Stahlgehäuse aufgebracht sein kann. Eine typische Dicke für die Lagerschicht beträgt 250 Mikrometer.
Es ist auch üblich, daß bei einem Lagermaterial auf Kupferbasis und gelegentlich auch bei einem Lagermaterial auf Aluminiumbasis ein Überzug, z. B. mit einer Dicke von 20 Mikrometern, auf die Lagerschicht aufgebracht wird, z. B. durch Elektroplattieren auf die Lagerschicht. Der Zweck des Überzugs besteht darin, zu verhindern, daß sich das Lagermaterial, insbesondere wenn es Kupfer enthält, an einer Stahlwelle fesffrißt, die in dem Lager sitzt, und/oder sich der Exzentrizität der Welle anzupassen. Üblicherweise wird die Lagerschicht beim Betrieb des Lagers aufgrund des Verschleißes des Überzugs durch den Überzug hindurch teilweise freigelegt, doch das Vorliegen auch nur eines teilweisen Überzugs verleiht dem Lager die erforderlichen Eigenschaften. Beispiele für eingesetztes Überzugsmaterial sind Blei - 10% Zinn, Blei - 7% Indium und Blei - Zinn - 2-4% Kupfer.
Zu den Eigenschaften, die sowohl vom Lagermaterial wie auch vom Überzugsmaterial verlangt werden, gehören Korrosionsbeständigkeit und eine hohe Ermüdungsfestigkeit.
Auch das Elektroplattieren einer Zwischenschicht aus Nickel mit einer Dicke von bis zu 2 Mikrometern auf eine Gußschicht aus Lagermaterial ist bekannt. Eine solche Zwischenschicht ist dazu vorgesehen, ein Versagen der Bindung zwischen dem Lagermaterial und einem später elektroplattierten Überzug zu verhindern. Ein Nachteil solcher Lager besteht darin, daß ein Festfressen an der Stahlwelle erfolgen kann, wenn eine Stahlwelle den Überzug abträgt, so daß die Zwischenschicht aus Nickel zumindest teilweise freigelegt ist.
Die US-A-4470184, auf welcher der Oberbegriff von Anspruch 1 beruht, beschreibt ein Lager mit einem Überzug mit zwei oder mehreren einzeln abgelagerten Metallschichten, die über längere Zeiträume wärmebehandelt werden, um eine Diffusion zum Ausbilden einer einzigen Überzugsschicht zu bewirken, die über die Überzugsdicke eine homogene Struktur und Zusammensetzung aufweist.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf dünnwandige Lager mit einem Überzug und möglicherweise auch einer Nickel-Zwischenschicht der zuvor beschriebenen Art.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein dünnwandiges Lager, z. B. zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, zur Verfügung zu stellen, das eine besonders lange Lebensdauer aufweist und zur Leistungsoptimierung besonders eng an einer mit ihm zusammenwirkenden Welle sitzt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein dünnwandiges Lager mit einer Schicht aus einem Lagermaterial auf Aluminium- oder Kupferbasis, das mit der Innenfläche eines gekrümmten Stahlgehäuses verbunden ist, einen Überzug, der aus wenigstens einem der Elemente Blei, Zinn, Indium, Kupfer, Nickel, Zink und Antimon besteht, und eine Beschichtung mit einer Dicke von weniger als 2 Mikrometer, die auf der Oberfläche des Überzugs abgelagert ist, wobei die Beschichtung aus wenigstens einem der Elemente Eisen, Chrom, Nickel, Kobalt, Gold, Silber und Kupfer besteht und das Lager dadurch gekennzeichnet ist, daß das Material der Beschichtung mit dem oder wenigstens einem konstituierenden Element des Überzugs umgesetzt ist, um einen modifizierten, harten, verschleißfesten und freiliegenden Oberflächenabschnitt des Überzugs zu bilden.
Die Beschichtung wird mit dem oder wenigstens einem konstituierenden Element des Überzugs umgesetzt oder kombiniert, um mindestens eine intermetallische Verbindung und/oder mindestens eine feste Lösung zu bilden, die der oder den intermetallischen Verbindung(en) entspricht und möglicherweise weicher als diese ist.
Der modifizierte, harte, verschleißfeste und freiliegende Oberflächenabschnitt des Überzugs muß auch fraßbeständig sein und eine Dauerfestigkeit aufweisen, die nicht merklich niedriger als die des nichtmodifizierten Hauptteils des Überzugs ist. Die Härte des Oberflächenabschnitts trägt nicht dazu bei, daß er sich den Exzentrizitäten einer zusammenwirkenden Welle anpaßt, aber da dieser Abschnitt so dünn ist, schadet seine Anwesenheit der wirksamen Anpassung des gesamten Überzugs mit dem modifizierten, harten Oberflächenabschnitt auch nicht merklich.
Die Beschichtung kann in der erforderlichen Weise mit dem oder wenigstens einem konstituierenden Element des Überzugs kombiniert oder umgesetzt sein, indem sie auf eine Temperatur erwärmt wird, welche die Diffusion und Legierungsbildung zwischen dem Überzug und der Beschichtung mit der gewünschten Geschwindigkeit zuläßt.
Es ist unerheblich, ob solche guten, fraßbeständigen und harten, verschleißfesten Teile des freiliegenden Oberflächenabschnitts des Überzugs möglicherweise als Folge eines teilweisen Abtragens des Abschnitts während des Betriebs des Lagers nicht durchgängig sind.
Gemäß einem anderen Aspekt umfaßt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines dünnwandigen Lagers, das eine Schicht aus einem Lagermaterial auf Aluminium- oder Kupferbasis aufweist, das mit der Innenfläche eines gekrümmten Stahlgehäuses verbunden ist, wobei mit der Lagerschicht ein Überzug aus wenigstens einem der Elemente Blei, Zinn, Indium, Kupfer, Nickel, Zink und Antimon verbunden ist, und wobei in zweckmäßiger Weise eine Beschichtung mit einer Dicke von weniger als zwei Mikrometern aus wenigstens einem der Elemente Eisen, Chrom, Nickel, Kobalt, Gold, Silber und Kupfer auf dem anfangs unmodifizierten, freiliegenden Oberflächenabschnitt des Überzugs gebildet wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß das Material der Beschichtung mit dem oder wenigstens einem konstituierenden Element des Überzugs umgesetzt wird, um einen modifizierten, harten, verschleißfesten und freiliegenden Oberflächenabschnitt des Überzugs zu bilden.
Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, die ein dünnwandiges Lager gemäß der vorliegenden Erfindung in Seitenansicht zeigt.
Das dargestellte dünnwandige Lager 10 weist ein gekrümmtes Stahlgehäuse 12 auf, wobei eine Schicht 16 aus Lagermaterial mit der Radialinnenfläche 14 des Gehäuses 12 verbunden ist. Ein Überzug 20 ist direkt auf die Radialinnenfläche 18 der Lagerschicht 16 elektroplattiert. Alternativ dazu ist eine (nicht gezeigte) Zwischenschicht aus Nickel zwischen der Schicht 16 des Lagermaterials und dem Überzug 20 vorgesehen, um ein Versagen der Verbindung zwischen diesen beiden Schichten zu verhindern.
Das bisher beschriebene dünnwandige Lager 10 ist von herkömmlicher Bauweise und besteht aus herkömmlichen konstituierenden Materialien.
Das Lagermaterial 16 ist eines auf Aluminiumbasis oder auf Kupferbasis, z. B. Kupfer-Blei, Aluminium- Zinn oder Aluminium-Zinn-Silicium. Typischerweise hat die Lagerschicht 16 eine Dicke von 250 Mikrometer.
Die Dicke des Überzugs 20 liegt typischerweise im Bereich von 12 bis 33 Mikrometer und kann 20 Mikrometer betragen. Der Überzug 20 ist vorgesehen, wenn das Lagermaterial 16 eines auf Kupferbasis ist, und gelegentlich auch, wenn das Lagermaterial auf Aluminium basiert. Der Überzug 20 muß fraßbeständig gegenüber einer (nicht dargestellten) Welle sein, die in dem Lager sitzt, und muß sich der Exzentrizität der Welle anpassen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist auf der anfangs unmodifizierten, freiliegenden Oberfläche 22 des Überzugs 20 eine (nicht gezeigte) Beschichtung vorgesehen, die zunächst nicht als Teil des Überzugs angesehen wird. Die Beschichtung wird mit dem zuvor bereitgestellten Material eines Oberflächenabschnitts 24 des Überzugs 20 umgesetzt oder kombiniert, um den Oberflächenabschnitt 24 so zu modifizieren, daß er nicht nur fraßbeständig, sondern auch hart und verschleißfest wird.
Das zuvor abgelagerte Material des Überzugs 20 besteht aus wenigstens einem der Elemente Blei, Zinn, Indium, Kupfer, Nickel, Zink und Antimon. Das Material der Beschichtung besteht aus wenigstens einem der Elemente Eisen, Chrom, Nickel, Kobalt, Gold, Silber und Kupfer. Die Beschichtung kann in jeder zweckmäßigen Weise abgelagert werden, z. B. durch Elektroplattieren oder chemische Dampfabscheidung oder durch physikalische Dampfabscheidung. Die erforderliche Umsetzung der Beschichtung mit dem zuvor abgelagerten Überzugsmaterial kann gleichzeitig mit der Ablagerung der Beschichtung oder in einem nachfolgenden Wärmebehandlungs-Verfahrensschritt erfolgen.
Der harte, modifizierte Oberflächenabschnitt 24 ist fraßbeständig, da das Material der Beschichtung mit dem oder wenigstens einem Element des zuvor elektrisch abgelagerten Materials des Überzugs 20 reagiert, um wenigstens eine intermetallische Verbindung und/oder feste Lösung zu bilden. Die erforderliche Modifikation kann durch Erwärmen des Lagers auf eine Temperatur erreicht werden, bei der die Beschichtung sich mit dem oder wenigstens einem der konstituierenden Elemente des zuvor elektroplattierten Überzugsmaterials mit einer gewünschten Geschwindigkeit vereinigt.

BEISPIEL

Bei einem bestimmten Beispiel für die Herstellung eines dünnwandigen Lagers gemäß der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem anfangs abgelagerten Überzugsmaterial um Blei- Indium, wobei die beiden Elemente in getrennten Elektroplattierungs-Verfahrensschritten, das Blei zuerst, abgeschieden werden. Der erforderliche modifizierte Oberflächenabschnitt 24 des Überzugs wird durch Ablagern einer Nickelbeschichtung unmittelbar nach dem Aufbringen von Indium erhalten. Die Nickelbeschichtung, die etwa einen Drittelmikrometer dick ist, wird in einem weiteren Elektroplattierungs-Verfahrensschritt bereitgestellt. Dann wird das Nickel durch Wärmebehandlung, z. B. bei einer Temperatur von 160ºC, für etwa 20 Minuten zum Diffundieren in das Indium des Überzugs gebracht, um mindestens eine erforderliche intermetallische Verbindung und/oder feste Lösung zu bilden. Auf diese Weise wird ein harter, verschleißfester und modifizierter Oberflächenabschnitt 24 für den Überzug bereitgestellt, wobei der Oberflächenabschnitt auch fraßbeständig ist und eine hohe Dauerfestigkeit aufweist. Der modifizierte Oberflächenabschnitt 24 des Überzugs kann dicker als die Beschichtung sein und eine Dicke von bis zu zwei Mikrometer aufweisen, obwohl diese Dicke üblicherweise weniger als 1 Mikrometer beträgt.
Wenn der Überzug aus Zinn oder aus Blei, Zinn und Kupfer besteht, wie dies üblicherweise bei einer Zinnbeschichtung vorgesehen ist, die als Teil des Überzugs betrachtet wird, muß die spätere Nickelbeschichtung, die auf dem Überzug vorgesehen ist, die erforderliche intermetallische Verbindung und/oder feste Lösung bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes von Zinn, z. B. bei einer Temperatur von 160ºC, bilden.
Die Härte des dünnen Oberflächenabschnitts des Überzugs wirkt sich auf die erforderliche Anpassungsfähigkeit des Überzugs insgesamt nicht nachteilig aus.
Die Nickelbeschichtung kann eine Dicke von bis zu zwei Mikrometer aufweisen, was dem dünnen, modifizierten Oberflächenabschnitt des Überzugs mit der erforderlichen Anpassungsfähigkeit angemessen ist.
Aufgrund der Abnutzung des Lagers bei Betrieb oder auf andere Weise ist es unwesentlich, ob die erforderliche Härte des modifizierten Oberflächenabschnitts innerhalb des Oberflächenabschnitts diskontinuierlich ist.

Claims

1. Dünnwandiges Lager (10) mit einer Schicht aus einem Lagermaterial (16) auf Aluminium- oder Kupferbasis, das mit der Innenfläche (14) einem gekrümmten Stahlgehäuse (12) verbunden ist, einen Überzug (20), der aus wenigstens einem der Elemente Blei, Zinn, Indium, Kupfer, Nickel, Zink und Antimon besteht, und eine Beschichtung mit einer Dicke von weniger als 2 Mikrometer aufweist, die auf der Oberfläche (22) des Überzugs abgelagert ist, wobei die Beschichtung aus wenigstens einem der Elemente Eisen, Chrom, Nickel, Kobalt, Gold, Silber und Kupfer besteht und das Lager dadurch gekennzeichnet ist, daß das Material der Beschichtung mit dem oder wenigstens einem konstituierenden Element des Überzugs umgesetzt ist, um einen modifizierten, harten, verschleißfesten und freiliegenden Oberflächenabschnitt (24) des Überzugs zu bilden.

2. Lager nach Anspruch 1, bei dem der modifizierte Oberflächenabschnitt (24) des Überzugs (20) mindestens eine intermetallische Verbindung und/oder mindestens eine feste Lösung umfaßt.

3. Lager nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem der Überzug (20) Blei und Indium und die Beschichtung Nickel aufweist.

4. Lager nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem der modifizierte, harte, verschleißfeste und freiliegende Oberflächenabschnitt (24) des Überzugs eine Dicke von bis zu 2 um aufweist.

5. Lager nach Anspruch 4, bei dem der modifizierte Oberflächenabschnitt (24) weniger als 1 um dick ist.

6. Lager nach einem vorhergehenden Anspruch, bei dem das Lagermaterial (16) aus der Gruppe ausgewählt ist, die Legierungen auf Aluminiumbasis und auf Kupferbasis umfaßt.

7. Verfahren zur Herstellung eines dünnwandigen Lagers (10), das eine Schicht aus einem Lagermaterial (16) auf Aluminium- oder Kupferbasis aufweist, das mit der Innenfläche (14) eines gekrümmten Stahlgehäuses (12) verbunden ist, wobei mit der Lagerschicht ein Überzug (20) aus wenigstens einem der Elemente Blei, Zinn, Indium, Kupfer, Nickel, Zink und Antimon verbunden ist, und wobei eine Beschichtung mit einer Dicke von weniger als zwei Mikrometern aus wenigstens einem der Elemente Eisen, Chrom, Nickel, Kobalt, Gold, Silber und Kupfer auf dem anfangs unmodifizierten, freiliegenden Oberflächenabschnitt (22) des Überzugs (20) gebildet wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß das Material der Beschichtung mit dem oder wenigstens einem konstituierenden Element des Überzugs (20) umgesetzt wird, um einen modifizierten, harten, verschleißfesten und freiliegenden Oberflächenabschnitt (24) des Überzugs zu bilden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Beschichtung (24) zur Reaktion mit dem oder wenigstens einem konstituierenden Element des Überzugs (20) gebracht wird, indem sie auf eine Temperatur erwärmt wird, welche die Diffusion und Legierungsbildung zwischen dem Überzug und der Beschichtung mit einer gewünschten Geschwindigkeit erlaubt.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, bei dem die Beschichtung (24) auf dem ursprünglich unmodifizierten, freiliegenden Oberflächenabschnitt des Überzugs durch Einsatz eines Verfahrensschrittes mit Elektroabscheidung, chemischer Dampfabscheidung oder physikalischer Dampfabscheidung abgelagert wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, bei dem die Reaktion zum Erzeugen des modifizierten Oberflächenabschnitts (24) des Überzugs (20) so erfolgt, daß der modifizierte Oberflächenabschnitt (24) weniger als 2 um dick ist.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, bei dem die Temperatur 160ºC beträgt.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 11, bei dem der Überzug Blei und Indium und die Beschichtung Nickel umfaßt.