DE102007049042A1 - Gleitlager mit Gleitschicht und Einlaufschicht - Google Patents
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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
- 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 A1 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 A1 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 A1 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 A1 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 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, 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:
-
1 ein Gleitlager mit einem Lagerrücken (5 ), einer Schicht aus Lagermetall (4 ), einer dünnen Haftvermittlerschicht oder Diffusionssperrschicht (3 ), einer Gleitschicht (2 ) und einer Einlaufschicht (1 ). - 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 Al-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 Al/Bi-Legierungen 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 Al/Bi-Legierungen 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 Bi-Schichten 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 Al-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 Al-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 Bi-Legierung 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.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102004055228 A1 [0005, 0006]
- - DE 102005050374 A1 [0007]
- - WO 2006120025 A1 [0008]
Claims (12)
- 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. - Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Al/Bi-Legierung einen Bi-Gehalt von 2–10 Gew.-% Si aufweist und die Bi-Legierung einen Bi-Gehalt oberhalb 98 Gew.-% aufweist.
- Gleitlager nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Einlaufschicht eine durch PVD abgeschiedene oder gesputterte Beschichtung ist.
- Gleitlager nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht (
4 ) aus Cu/Ni-, Cu/Sn/Bi-Legierungen oder Bronze oder Al-Bronze gebildet wird. - Gleitlager nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht (
4 ) eine thermisch abgeschiedene Beschichtung des Lagerrückens (5 ) ist. - 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. - Gleitlager nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass auf der Einlaufschicht eine Lack- oder Kunststoffschutzschicht angeordnet ist.
- 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. - 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. - 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. - 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. - 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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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20140501 |