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WO2009049726A2 - Gleitlager mit gleitschicht und einlaufschicht - Google Patents

Gleitlager mit gleitschicht und einlaufschicht Download PDF

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Publication number
WO2009049726A2
WO2009049726A2 PCT/EP2008/007359 EP2008007359W WO2009049726A2 WO 2009049726 A2 WO2009049726 A2 WO 2009049726A2 EP 2008007359 W EP2008007359 W EP 2008007359W WO 2009049726 A2 WO2009049726 A2 WO 2009049726A2
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WO
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layer
bearing
sliding
alloy
running
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/007359
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English (en)
French (fr)
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WO2009049726A3 (de
Inventor
Erwin Schmidt
Ping Wang
Walter GÄRTNER
Johann KRÄMER
Original Assignee
Daimler Ag
Miba Gleitlager Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Daimler Ag, Miba Gleitlager Gmbh filed Critical Daimler Ag
Publication of WO2009049726A2 publication Critical patent/WO2009049726A2/de
Publication of WO2009049726A3 publication Critical patent/WO2009049726A3/de

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    • F16C2360/00Engines or pumps
    • F16C2360/23Gas turbine engines
    • F16C2360/24Turbochargers

Definitions

  • the invention relates to plain bearings, in particular for connecting rods, main bearings, camshaft bearings, exhaust gas turbocharger bearings or bearing blocks of internal combustion engines, comprising a bearing back, a running layer, a diffusion barrier layer, a sliding layer and an inlet layer, wherein the sliding layer by an Al / Bi alloy and the inlet layer are formed by a Bi alloy and its manufacturing method, wherein at least the diffusion barrier layer, the Bi- and the Al / Bi layers are sputtered.
  • Rotary shafts such as the crankshaft, camshaft, rocker arm shaft or balance shaft, operate at different points in the engine housing and connecting rods of internal combustion engines.
  • Plain bearings support this.
  • the demands on plain bearings are rising steadily, in particular due to the increase in ignition pressures of up to 200 bar.
  • the specific engine power is increased, the sizes are reduced and the installation space for the bearing points is constantly reduced.
  • a bearing shell of a connecting rod wherein the bearing shell consists of several thermally sprayed layers.
  • the uppermost material layer or sliding layer or the entire bearing shell is essentially formed from an aluminum / bismuth alloy.
  • the manufacturing method comprises the steps of mechanically roughening the surface of the connecting rod in the region of the bearing, coating the surface by means of thermal spraying with a bearing metal or a bearing material to form a bearing layer and coating the bearing layer by means of thermal spraying with an Al / Bi alloy to form a Slip layer.
  • a bearing shell of a connecting rod wherein the bearing shell of several thermally sprayed layers and the uppermost layer of material of the bearing shell is formed essentially of an aluminum / bismuth alloy or the entire bearing shell substantially of a thermally sprayed Layer of aluminum / bismuth alloy is formed.
  • Sliding bearing composite material with a carrier layer made of a copper alloy and with a sliding layer applied to the carrier layer.
  • the support layer made of copper alloy may have 4-11% by weight of nickel, 3-8% by weight of tin and not more than 0.1% by weight of lead.
  • the sliding layer may be a galvanic layer, a sputtering layer or a plastic layer. On this, inlet layers can be arranged.
  • a sliding bearing comprising a bearing back, a running layer, a diffusion barrier layer, a sliding layer and an inlet layer, wherein the sliding layer is formed by an Al / Bi alloy, which has a Bi content of 1.5-21.5 wt .% Bi and the inlet layer of Bi or a Bi alloy is formed with a Bi content above 90 wt.%, With the features of claim 1.
  • Another solution according to the invention is a method in which both the diffusion barrier layer (3) and the sliding layer (2) and the inlet layer (1) are deposited by sputtering on the bearing back (5) or the running layer (4), which method has the features of claim 8.
  • FIG. 1 shows a slide bearing with a bearing back (5), a layer of bearing metal (4), a thin adhesion promoter layer or diffusion barrier layer (3), a sliding layer (2) and an inlet layer (D •
  • the run-in layer is essentially a Bi layer whose Bi content is above 90 wt%. lies.
  • the good tribological properties of the sliding layer result from a combination of metal matrix of an Al alloy with a disperse phase of Bi or a high-melting Bi alloy. Due to its low solubility, the Bi forms precipitates in the metal main component Al.
  • These monotectic Bi / Al alloys belong to the class of immiscible alloys, that is, in the molten state, there is a range of compositions in which the components involved are immiscible. Is the inventive Storage layer formed at elevated temperatures or deposited and cooled very quickly, so it forms a very fine microstructure with a defined disperse phase of Bi or Bi alloy.
  • the softer Bi phase contributes significantly to the lubricating effect of the alloy, while the Al protects the sliding layer against tribological destruction, or counteracts the removal of the sliding layer.
  • the overlay With increasing or too high Bi content, however, the overlay increasingly loses stability and is no longer able to cope with the requirements of high loads.
  • the Al / Bi alloy of the sliding layer has a Bi content of 2-10 wt.% Bi and the Bi alloy of the inlet layer has a Bi content above 98 wt.%.
  • the Al / Bi alloy of the sliding layer is at a Bi content of 3-7 wt.%.
  • the run-in layer is particularly preferably formed from pure Bi.
  • Al / Bi alloy can be as more
  • Alloy components in particular Cu or Sn may be included. Preference is given to an Al / Bi alloy having from 0.1 to 5% by weight of Cu. In a further preferred further development of the Al / Bi alloys, these contain an Si content of from 0.5 to 5% by weight.
  • the dispersoids In the formation of the disperse phase, it is important in which particle size the dispersoids from Bi are present.
  • the dispersoids must be of a certain size in order to be able to exert their mechanical effect in the sliding systems, on the other hand they must not be too large, so that a homogeneous material can be produced.
  • the favorable particle size of the dispersoids is in the range of about 50 nm to 1 .mu.m.
  • the essential portion of the Bi or the Bi alloy is so finely distributed that light microscopy no primary phases are recognizable and they behave X-ray amorphous, that is no longer detectable by X-ray diffraction examination.
  • the sliding layer is preferably a gas phase coating, in particular a sputtering layer.
  • the layer thickness of the sliding layer is typically in the range of a few microns to several 100 microns. Particularly preferred is a layer thickness in the range of 5 to 20 microns is set.
  • the running layer preferably has a thickness in the range of 0.5 to 10 ⁇ m, in particular 1-6 ⁇ m.
  • a particularly suitable matched layering is formed by a sliding layer with a thickness of 6-15 microns and an inlet layer of 2-4 microns.
  • the inlet layer is a PVD (physical vapor deposition) deposited or sputtered coating.
  • PVD physical vapor deposition
  • a comparatively hard and well-adhering bi-layer is particularly suitable for the inlet layer.
  • Sputtered Bi layers are distinguished from the alternatively available by electrodeposition layers by significantly higher material strengths and better adhesion to the underlying layers. This also applies to the usual PVD methods.
  • the sliding bearing is usually formed from a bearing back (5) made of steel or a bearing shell made of steel on which a running layer (4) made of bearing metal, an adhesive layer or diffusion barrier layer (3), a sliding layer ( 2) and an inlet layer (1) are arranged. It may also be appropriate, in particular for small motors or bearings, to dispense with the steel part or the bearing shell and to apply the running layer (4) directly to the base workpiece.
  • bearing back (5) is thus formed either by an insertable into the bearing component steel shell or by the surface of the bearing component itself.
  • bearing metals include in particular Cu / Ni, Cu / Sn / Bi alloys or bronzes.
  • the bearing shellless bearings are preferably thermal spray coatings, for example LDS coatings.
  • a diffusion barrier layer (3) or adhesive layer is provided above the sliding layer.
  • This is preferably formed by Ni or a Ni alloy. Their thickness is typically about the thickness of the inlet layer.
  • a coating which protects against corrosion and damage may be arranged on the inlet layer. It has been shown that the very thin sputter layers are easily damaged during handling. By storage or improper handling, the metallic layers also corrode. A further embodiment therefore provides that the inlet layer is provided with a lacquer or a plastic coating.
  • the sliding bearings are preferably used in connecting rods, main bearings, camshaft bearings, turbocharger bearings or bearing blocks of internal combustion engines.
  • the respective bearings can be constructed locally differently depending on the load.
  • Bearing pairs can be formed from the plain bearing according to the invention and a conventional three-part bearing. Only at the more heavily loaded point, the sliding bearing according to the invention is then used, while compared to the softer bearing, especially a three-ball bearing is used.
  • the journal bearing according to the invention is mounted in the direction of rod at the connecting rod bearing, the three-component bearing towards the bearing cap.
  • the plain bearing according to the invention is used in the bearing cap, the three-part bearing in the direction of the engine block.
  • the methods of making the layers which are particularly suitable according to the invention include sputtering processes, often also referred to as sputtering processes, as well as PVD processes.
  • An inventive method for producing the sliding bearing provides that both the diffusion barrier layer
  • Ni alloys or the Bi can be used as a sputtering target corresponding Al / Bi alloys.
  • several sputtering targets of different composition are preferred used, for example, for the sliding layer (2) of the bismuth-free Al alloy and of the Bi alloy, in particular of pure Bi.
  • the mixing ratios can be adjusted among other things in a known manner by the size or area ratios of the different targets to each other.
  • the different targets can be used alternately, so that alternate in the deposition atomic layers of Al alloy and Bi alloy.
  • the thickness of the deposited atomic layers and thus the homogeneity of the layer can be set and controlled via the sputtering times of the different targets.
  • the sputter layers are fine-grained, finely dispersed and adhere well to the substrate. Due to the small grain size, the layer thus produced has excellent hardness, high strength and best wear properties.
  • the sputtering methods have the advantage that the formation of a melt phase of the deposited components is substantially eliminated and the deposited particles are virtually mixed at the atomic level. Recrystallization then occurs during the tribological use of the plain bearings.
  • both the diffusion barrier layer (3) and the sliding layer (2) and the inlet layer (1) are deposited directly one after the other in a single sputtering system.
  • the sputtered layers are distinguished from the alternatively available by electrodeposition layers also by significantly higher material strengths. This is especially important for the inlet layer of bi-alloy.
  • the strengths are typically 5 to 10 times higher than galvanic layers.
  • the running layer (4) can be applied either to a steel shell or bearing shell which can be used in the bearing component or to the surface of the bearing component itself.
  • the overlay On the steel shell, the overlay is preferably melted or sintered. On the bearing component, the overlay is preferably applied by thermal spraying.
  • the overlay is preferably applied by thermal spraying.
  • the wire arc spraying (LDS) is suitable.

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Abstract

Gleitlager, umfassend einen Lagerrücken (5), eine Laufschicht (4), eine Diffusionssperrschicht (3), eine Gleitschicht (2) und eine Einlaufschicht (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht (4) durch eine Al/Bi-Legierung gebildet ist, welche einen Bi-Gehalt von 1,5-21,5 Gew.% Bi aufweist und die Einlaufschicht aus Bi oder einer Bi-Legierung mit einem Bi-Gehalt oberhalb 90 Gew.% gebildet ist.

Description

Gleitlager mit Gleitschicht und EinlaufSchicht
Die Erfindung betrifft Gleitlager, insbesondere für Pleuel, Hauptlager, Nockenwellenlager, Abgasturbolader-Lager oder Lagerstühle von Verbrennungsmotoren, umfassend einen Lagerrücken, eine Laufschicht, eine Diffusionssperrschicht, eine Gleitschicht und eine EinlaufSchicht, wobei die Gleitschicht durch eine Al/Bi-Legierung und die EinlaufSchicht durch eine Bi-Legierung gebildet sind sowie deren Herstellungsverfahren, wobei zumindest die Diffusionssperrschicht, die Bi- und die Al/Bi-Schichten gesputtert werden.
Im Motorgehäuse und Pleuel von Verbrennungsmotoren arbeiten an unterschiedlichen Stellen rotierende Wellen, wie Kurbelwelle, Nockenwelle, Kipphebelwelle oder Ausgleichswelle. Gleitlager stützen diese ab. Die Anforderungen an die Gleitlager steigen stetig, insbesondere durch die Zunahme der Zünddrücke von bis zu 200 bar. Darüber hinaus werden die spezifischen Motorleistungen gesteigert, die Baugrößen verringert und der Bauraum für die Lagerstellen laufend reduziert. Gleichzeitig werden die
Ölwechselintervalle bei neuen Motorkonstruktionen sukzessive verlängert .
Herkömmliche Zwei- und Dreistofflager, deren Laufschichten galvanisch aufgebracht werden, stoßen bereits jetzt an ihre Grenzen, da diese Lager unzureichende Ermüdungsfestigkeit und Verschleißfestigkeit, besonders im Mischreibungsbereich aufweisen. Ebenso muss auch bei höheren Temperaturen eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit gewährleistet sein. Jüngste Entwicklungen gehen zu Dreikomponenten-Lagern, bei denen die Laufbeschichtung nicht galvanisch aufgebracht wird, sondern stattdessen durch Sputtern. Sie bestehen aus der Stahlstützschale, einer Laufschicht, einer Sperrschicht und der Gleitschicht.
Aus der DE 10 2004 055 228 Al ist eine Lagerschale eines Pleuels bekannt, wobei die Lagerschale aus mehreren thermisch gespritzten Schichten besteht. Die oberste Materialschicht bzw. Gleitschicht oder die ganze Lagerschale ist im Wesentlichen aus einer Aluminium/Wismut-Legierung gebildet. Das Herstellungsverfahren umfasst die Schritte mechanisches Aufrauen der Oberfläche des Pleuels im Bereich des Lagers, Beschichten der Oberfläche mittels thermischer Spritzverfahren mit einem Lagermetall- oder einem Lagerwerkstoff unter Bildung einer Lagerschicht und Beschichten der Lagerschicht mittels thermischer Spritzverfahren mit einer Al/Bi-Legierung unter Bildung einer Gleitschicht .
Aus der DE 10 2004 055 228 Al ist eine Lagerschale eines Pleuels bekannt, wobei die Lagerschale aus mehreren thermisch gespritzten Schichten und die oberste Materialschicht der Lagerschale im Wesentlichen aus einer Aluminium/Wismut- Legierung gebildet ist oder die gesamte Lagerschale im Wesentlichen aus einer thermisch gespritzten Schicht aus Aluminium/Wismut-Legierung gebildet ist.
Aus der DE 10 2005 050 374 Al sind Gleitschichten, insbesondere für Lagerschalen in Kurbelwellen- oder Pleuellagern bekannt, die aus einer Gasphasenbeschichtung aus Aluminiumlegierung mit den wesentlichen
Legierungsbestandteilen Bi und/oder Sn, Cu und Si besteht, wobei das Si zum überwiegenden Teil als globulare grobkristalline Ausscheidungen in einer homogenen und feinstkristallinen Matrix aus Aluminiumlegierung vorliegt. Die WO 2006120025 Al beschreibt einen
Gleitlagerverbundwerkstoff mit einer Trägerschicht aus einer Kupferlegierung und mit einer auf der Trägerschicht aufgebrachten Gleitschicht. Die Trägerschicht aus Kupferlegierung kann 4 - 11 Gew.% Nickel, 3 bis 8 Gew.% Zinn und maximal 0,1 Gew.% Blei aufweisen. Die Gleitschicht kann eine galvanische Schicht, eine Sputterschicht oder eine KunststoffSchicht sein. Hierauf können Einlaufschichten angeordnet sein.
Es hat sich gezeigt, dass die bekannten hochbelastbaren Gleitschichten im Bereich der Mischreibung noch verbessert werden müssen. Dies ist insbesondere auf ein ungünstiges Einlaufverhalten der bewegten Teile zurückzuführen. Während der ersten Inbetriebnahme in den neu gefertigten Kraftfahrzeugmotoren können aufgrund ungleichmäßiger Schmierung tribologische Beanspruchungen auftreten, welche teilweise zu nachhaltigen Schädigungen der Gleitschichten führen können.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, hochbelastbare Gleitschichten auf Lagern in Motoren bereitzustellen, die bei Mischreibung, insbesondere bei erster Inbetriebnahme oder beim Einlaufen, ein verbessertes Verhalten aufweisen sowie geeignete Verfahren aufzuzeigen derartige Lager herzustellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Gleitlager, umfassend einen Lagerrücken, eine Laufschicht, eine Diffusionssperrschicht, eine Gleitschicht und eine Einlaufschicht, wobei die Gleitschicht durch eine AI/BiLegierung gebildet ist, welche einen Bi-Gehalt von 1,5-21,5 Gew.% Bi aufweist und die Einlaufschicht aus Bi oder einer Bi-Legierung mit einem Bi-Gehalt oberhalb 90 Gew.% gebildet ist, mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Eine weitere erfindungsgemäße Lösung stellt eine Verfahren dar, bei dem sowohl die Diffusionssperrschicht (3) als auch die Gleitschicht (2) als auch die EinlaufSchicht (1) durch Sputterverfahren auf dem Lagerrücken (5) oder der Laufschicht (4) abgeschieden werden, welches Verfahren die Merkmale des Anspruchs 8 aufweist.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche .
Die Erfindung wird unter zu Hilfenahme einer schematischen Abbildung näher erläutert.
Dabei zeigt:
Fig. 1 ein Gleitlager mit einem Lagerrücken (5), einer Schicht aus Lagermetall (4), einer dünnen Haftvermittlerschicht oder Diffusionssperrschicht (3) , einer Gleitschicht (2) und einer EinlaufSchicht (D •
Von besonderer Bedeutung für die Erfindung ist somit, die kombinierte Verwendung von Bi in Gleitschicht und Einlaufschicht . Während das Bi in der Gleitschicht als Legierungsbestandteil einer Al/Bi-Legierung mit einem Bi- Gehalt von 1,5-21,5 Gew.% auftritt ist die Einlaufschicht im Wesentlichen eine Bi-Schicht, deren Bi -Gehalt oberhalb 90 Gew.% liegt.
Die guten tribologischen Eigenschaften der Gleitschicht ergeben sich aus einer Kombination aus Metallmatrix aus einer AI-Legierung mit einer dispersen Phase aus Bi oder einer hochschmelzenden Bi-Legierung. Das Bi bildet dabei aufgrund seiner geringen Löslichkeit Ausscheidungen in der Metallhauptkomponente Al. Diese monotektischen Bi/Al- Legierungen gehören zur Klasse der nichtmischbaren Legierungen, das heißt im schmelzflüssigen Zustand gibt es einen Bereich von Zusammensetzungen indem die beteiligten Komponenten nicht mischbar sind. Wird die erfindungsgemäße Lagerschicht bei erhöhten Temperaturen gebildet beziehungsweise abgeschieden und sehr schnell abgekühlt, so bildet sich daher ein sehr feines Gefüge mit definierter disperser Phase aus Bi beziehungsweise Bi-Legierung aus.
Die weichere Bi-Phase trägt maßgeblich zur schmierenden Wirkung der Legierung bei, während das Al die Gleitschicht vor der tribologischen Zerstörung schützt, bzw. dem Abtrag der Gleitschicht entgegen wirkt. Bei steigendem beziehungsweise zu hohem Bi-Anteil verliert die Gleitschicht jedoch zunehmend an Stabilität und ist den Anforderungen an die hohen Belastungen nicht mehr gewachsen.
Überraschend hat sich gezeigt, dass sich der erforderliche Bi-Gehalt in der Gleitschicht bei der Verwendung einer Einlaufschicht aus Bi gegenüber den bekannten AI/BiLegierungen merklich senken lässt. Die hohe tribologische Belastung in der Einlaufphase wird quasi durch die reine Bi- Einlaufschicht abgefangen. Nach dem Einlaufen wird die Gleitoberfläche im Wesentlichen nur noch durch die Gleitschicht gebildet, welche nunmehr einen vergleichsweise niedrigeren Bi-Gehalt, bzw. höheren Al-Gehalt aufweist.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weist die Al/Bi-Legierung der Gleitschicht einen Bi-Gehalt von 2-10 Gew.% Bi auf und die Bi-Legierung der Einlaufschicht einen Bi-Gehalt oberhalb 98 Gew.% aufweist.
Besonders bevorzugt liegt der Al/Bi-Legierung der Gleitschicht bei einem Bi-Gehalt von 3-7 Gew.%. Die Einlaufschicht wird besonders bevorzugt aus reinem Bi gebildet .
In der Al/Bi-Legierung können als weitere
Legierungskomponenten insbesondere Cu oder Sn enthalten sein. Bevorzugt ist eine Al/Bi-Legierung mit 0,1 bis 5 Gew.% Cu. In weiterer bevorzugter Weiterentwicklung der AI/BiLegierungen enthalten diese einen Si-Anteil von 0,5 bis 5 Gew.% .
Bei der Ausbildung der dispersen Phase ist es von Bedeutung in welcher Partikelgröße die Dispersoide aus Bi vorliegen. Einerseits müssen die Dispersoide eine gewisse Größe aufweisen, um ihre mechanische Wirkung im Gleitsystemen ausüben zu können, andererseits dürfen sie nicht zu groß sein, so dass ein in homogener Werkstoff entstehen kann. Die günstige Partikelgröße der Dispersoide liegt im Bereich von etwa 50 nm bis 1 μm. Bevorzugt ist der wesentliche Anteil des Bi oder der Bi-Legierung so fein verteilt, dass lichtmikroskopisch keine Primärphasen erkennbar sind und sie sich röntgenamorph verhalten, das heißt durch Röntgenbeugungsuntersuchung nicht mehr nachweisbar sind. Bevorzugt handelt es sich bei der Gleitschicht um eine Gasphasenbeschichtung, insbesondere eine Sputterschicht .
Die Schichtdicken der Gleitschicht liegt typischerweise im Bereich von wenigen μm bis zu einigen 100 μm. Besonders bevorzugt wird eine Schichtdicke im Bereich von 5 bis 20 μm eingestellt .
Im Vergleich hierzu weist die Laufschicht bevorzugt eine Dicke im Bereich von 0,5 bis 10 μm, insbesondere 1-6 μm auf.
Eine besonders geeignet aufeinander abgestimmte Schichtung wird durch eine Gleitschicht mit einer Dicke von 6-15 μm und einer EinlaufSchicht von 2-4 μm gebildet.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist die EinlaufSchicht eine durch PVD (physical vapour deposition) abgeschiedene oder gesputterte Beschichtung. Es hat sich überraschend gezeigt, dass für die EinlaufSchicht eine vergleichsweise harte und gut haftende Bi-Schicht besonders geeignet ist. Gerade für die hohen Belastungen beim Einlaufen sind dagegen weiche Einlaufschichten eher ungeeignet. Gesputterte BiSchichten zeichnen sich gegenüber den alternativ mittels galvanischer Abscheidung erhältlichen Schichten durch deutlich höhere Materialfestigkeiten und bessere Haftung an den darunter liegenden Schichten aus. Dies gilt ebenso für die üblichen PVD-Verfahren.
Für höchstbelastete Lager, beispielsweise im Nutzfahrzeugbereich wird das Gleitlager in der Regel aus einem Lagerrücken (5) aus Stahl, bzw. einer Lagerschale aus Stahl gebildet auf dem eine LaufSchicht (4) aus Lagermetall, eine Haftvermittlerschicht oder Diffusionssperrschicht (3), einer Gleitschicht (2) und einer EinlaufSchicht (1) angeordnet sind. Es kann insbesondere für kleine Motoren bzw. Lager auch zweckmäßig sein, auf das Stahlteil bzw. die Lagerschale zu verzichten und die LaufSchicht (4) direkt auf das Basiswerkstück aufzutragen. Hier wird auch von lagerschalenlosem Lager gesprochen. Der Lagerrücken (5) wird somit entweder durch eine in das Lagerbauteil einsetzbare Stahlschale oder durch die Oberfläche des Lagerbauteils selbst gebildet.
Zu den besonders geeigneten Lagermetallen gehören insbesondere Cu/Ni-, Cu/Sn/Bi-Legierungen oder Bronzen. Bei den lagerschalenlosen Lagern handelt es sich bevorzugt um thermische Spritzschichten, beispielsweise LDS-Schichten.
Oberhalb der Gleitschicht ist eine Diffusionssperrschicht (3) oder Haftvermittlerschicht vorgesehen. Diese wird bevorzugt durch Ni- oder eine Ni-Legierung gebildet. Deren Dicke liegt typischerweise in etwa bei der Dicke der EinlaufSchicht .
Gegebenenfalls kann auf der EinlaufSchicht eine vor Korrosion und Beschädigung schützende Beschichtung angeordnet sein. Es hat sich gezeigt, dass die sehr dünnen Sputterschichten bei der Handhabung leicht beschädigt werden. Durch Lagerung oder unsachgemäße Handhabung können die metallischen Schichten ebenfalls korrodieren. Eine weitere Ausgestaltung sieht daher vor, dass die EinlaufSchicht mit einem Lack oder einer Kunststoffbeschichtung versehen ist.
Die Gleitlager werden bevorzugt bei Pleueln, Hauptlagern, Nockenwellenlagern, Turbolader-Lagern oder Lagerstühlen von Verbrennungsmotoren eingesetzt.
In weiterer Ausgestaltung können die jeweiligen Lager je nach Beanspruchung lokal unterschiedlich aufgebaut sein. Es können Lagerpaare gebildet werden aus dem erfindungsgemäßen Gleitlager und einem herkömmlichen Dreistofflager . Nur an der stärker belasteten Stelle wird dann das erfindungsgemäße Gleitlager eingesetzt, während gegenüber das weichere Lager, insbesondere ein Dreistofflager Einsatz findet. Beispielsweise wird beim Pleuellager das erfindungsgemäße Gleitlager in Richtung Stange montiert, das Dreistofflager in Richtung Lagerdeckel. Beim Hauptlager wird das erfindungsgemäße Gleitlager im Lagerdeckel, das Dreistofflager in Richtung Motorblock eingesetzt.
Zu den erfindungsgemäß besonders geeigneten Verfahren zur Herstellung der Schichten gehören die Sputterverfahren, häufig auch als Kathodenzerstäubungsverfahren bezeichnet sowie auch PVD-Verfahren .
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des Gleitlagers sieht vor, dass sowohl die Diffusionssperrschicht
(3) als auch die Gleitschicht (2) als auch die
Einlaufschicht (1) durch Sputterverfahren auf dem Lagerrücken
(5) oder der Laufschicht (4) abgeschieden werden.
Als Sputtertarget können entsprechende Al/Bi-Legierungen, Ni- Legierungen oder das Bi eingesetzt werden. Bevorzugt werden aber mehrere Sputtertargets unterschiedlicher Zusammensetzung eingesetzt, beispielsweise für die Gleitschicht (2) aus der wismutfreien AI-Legierung und aus der Bi-Legierung, insbesondere aus reinem Bi. Die Mischungsverhältnisse können unter anderem in bekannter Weise durch die Größen- oder Flächenverhältnisse der unterschiedlichen Targets zueinander eingestellt werden. Die unterschiedlichen Targets können alternierend eingesetzt werden, so dass sich bei der Abscheidung atomare Lagen aus AI-Legierung und Bi-Legierung abwechseln. Die Dicke der abgeschiedenen Atomlagen und damit die Homogenität der Schicht kann über die Sputterzeiten der unterschiedlichen Targets eingestellt und gesteuert werden. Die Sputterschichten sind feinkörnig, feindispers und haften hervorragend auf dem Substrat. Durch die geringe Korngröße weist die so erzeugte Schicht eine hervorragende Härte, hohe Festigkeit und beste Verschleißeigenschaften auf.
Die Sputterverfahren haben den Vorteil, dass die Bildung einer Schmelzphase der abgeschiedenen Komponenten im Wesentlichen unterbleibt und die abgeschiedenen Partikel quasi auf atomarer Ebene gemischt werden. Während der tribologischen Benutzung der Gleitlager tritt daraufhin Rekristallisation ein.
Hinsichtlich der nacheinender abgeschiedenen unterschiedlichen Materialschichten ist das Sputtern sehr gut geeignet vergleichsweise flache Materialübergänge auszugestalten. Es ist von Vorteil, dass die Materialschichten nicht abrupt sondern fließend ineinander übergehen. Hierdurch werden zumindest im Übergangsbereich zwischen den einzelnen Materialschichten Materialgradienten gebildet. Diese Vorgehensweise führt zu sehr guter interlaminarer Schichthaftung, die beispielsweise im Vergleich zur galvanischen Abscheidung, insbesondere der EinlaufSchicht aus Bi, erheblich höher liegt. Bevorzugt werden sowohl die Diffusionssperrschicht (3) als auch die Gleitschicht (2) als auch die EinlaufSchicht (1) in einer einzigen Sputteranlage unmittelbar nacheinander abgeschieden werden.
Die gesputterten Schichten zeichnen sich gegenüber den alternativ mittels galvanischer Abscheidung erhältlichen Schichten auch durch deutlich höhere Materialfestigkeiten aus. Dies ist insbesondere für die EinlaufSchicht aus BiLegierung von Bedeutung. Hier liegen die Festigkeiten typischerweise beim 5 bis 10-fachen gegenüber galvanischen Schichten.
Die Laufschicht (4) kann entweder auf eine in das Lagerbauteil einsetzbare Stahlschale, beziehungsweise Lagerschale oder auf die Oberfläche des Lagerbauteils selbst aufgebracht werden.
Auf die Stahlschale wird die Laufschicht bevorzugt aufgeschmolzen oder aufgesintert . Auf das Lagerbauteil wird die Laufschicht bevorzugt mittels thermischer Spritzverfahren aufgebracht. Hierbei ist insbesondere das Lichtbogendrahtspritzen (LDS) geeignet.

Claims

Patentansprüche
1. Gleitlager, umfassend einen Lagerrücken (5), eine Laufschicht (4), eine Diffusionssperrschicht (3), eine Gleitschicht (2) und eine EinlaufSchicht (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht (4) durch eine Al/Bi-Legierung gebildet ist, welche einen Bi-Gehalt von 1,5-21,5 Gew.% Bi aufweist und die EinlaufSchicht aus Bi oder einer BiLegierung mit einem Bi-Gehalt oberhalb 90 Gew.% gebildet ist.
2. Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Al/Bi-Legierung einen Bi-Gehalt von 2-10 Gew.% Bi aufweist und die Bi-Legierung einen Bi-Gehalt oberhalb 98 Gew.% aufweist.
3. Gleitlager nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die EinlaufSchicht eine durch PVD abgeschiedene oder gesputterte Beschichtung ist.
4. Gleitlager nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht (4) aus Cu/Ni-, Cu/Sn/Bi-Legierungen oder Bronze oder AI-Bronze gebildet wird.
5. Gleitlager nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die LaufSchicht (4) eine thermisch abgeschiedene Beschichtung des Lagerrückens (5) ist.
6. Gleitlager nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerrücken (5) durch eine in das Lagerbauteil einsetzbare Stahlschale oder durch die Oberfläche des Lagerbauteils selbst gebildet ist.
7. Gleitlager nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass auf der EinlaufSchicht eine Lack- oder KunststoffSchutzschicht angeordnet ist.
8. Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers an einem Bauteil mit einer Zusammensetzung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, sowohl die Diffusionssperrschicht (3) als auch die Gleitschicht (2) als auch die EinlaufSchicht (1) durch Sputterverfahren auf dem Lagerrücken (5) oder der Laufschicht (4) abgeschieden werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass, sowohl die Diffusionssperrschicht (3) als auch die Gleitschicht (2) als auch die EinlaufSchicht (1) in einer einzigen Sputteranlage unmittelbar nacheinander abgeschieden werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass, die Laufschicht (4) entweder auf eine in das Lagerbauteil einsetzbare Stahlschale oder auf die Oberfläche des Lagerbauteils selbst aufgebracht wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass, die Laufschicht (4) durch ein
Lichtbogendrahtspritzverfahren (LDS) direkt auf das Bauteil aufgebracht wird und den Lagerrücken (5) bildet.
12. Verwendung von Gleitlagern nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder erhältlich nach einem der Ansprüche 8 bis 11 in Pleueln, Hauptlagern, Nockenwellenlagern, Turbolader- Lagern oder Lagerstühlen von Verbrennungsmotoren.
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