DE2935417C2 - Process for the production of a composite material - Google Patents

Process for the production of a composite material

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffen für Reib- oder Gleitelemente mit Dispersionslegierungsschicht, insbesondere Gleitlager für Verbrennungskraftmaschinen, auf dessen Metallträger eine metallische Legierung als Gleitschicht und/oder Zwischenschicht im Vakuum aus getrennten Schmelztiegeln mittels Elektronenbeschuß-Heizung aufgedampft wird.The invention relates to a method for producing a composite material for friction or sliding elements with a dispersion alloy layer, in particular plain bearings for internal combustion engines, on its metal carrier a metallic alloy as a sliding layer and / or intermediate layer in a vacuum from separate Melting crucibles is evaporated by means of electron bombardment heating.

Es sind metallische Dispersionslegierungen für Verbundwerkstoffe, insbesondere für Reib- oder Gleitelemente bekannt, insbesondere auf der Basis von Aluminium-Zinn, Aluminium-Blei oder auch in Art von Bleibronzen. Solche Dispersionslegierungen bieten Vorteile gegenüber den auf der Grundlage von echten Legierungen gebildeten Gleitwerkstoffen und Reibwerkstoffen, jedoch ist es schwierig und aufwendig, mit den herkömmlichen Verfahrensweisen, Dispersionslegierungsschichten auf einem Metallträger zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes aufzubringen und dabei aie gewünschten Eigenschaften, insbesondere Gleiteigenschaften und Reibeigenschafren sicherzustellen. DieThere are metallic dispersion alloys for composite materials, especially for friction or sliding elements known, in particular on the basis of aluminum-tin, aluminum-lead or also in the form of lead bronzes. Such dispersion alloys offer advantages compared to sliding materials and friction materials formed on the basis of real alloys, however, it is difficult and expensive to use conventional techniques to disperse alloy layers to apply on a metal support for the production of a composite material and thereby aie desired To ensure properties, in particular sliding properties and friction properties. the

ίο hierzu herangezogenen verschiedensten Verfahrensmöglichkeiten wie Aufdüsen der Dispersionslegierung aus der Schmelze auf den Stahlträger (DE-OS 22 41 628), Zusammensintern der Bestandteile der Dispersionslegierung zu einem Band und Aufplattieren dieses Bandes auf den Metallträger (DE-OS 17 75 322), Herstellen eines blättchenförrnigen Granulats durch Abschleudern der Dispersionslegierung aus der Schmelze und Aufwalzen dieses Granulats auf den metallischen Träger (DE-OS 22 63 368), thermokinetisches Plattieren, d. h. Aufspritzen der Dispersionslegierung auf den Träger unter hoher Temperatur, wie beispielsweise Flammspritzen oder Plasmaspritzen (DE-OS 26 56 203), haben bisher noch nicht zu befriedigenden Ergebnissen führen können.ίο various process options used for this purpose, such as spraying the dispersion alloy from the melt onto the steel support (DE-OS 22 41 628), sintering the components of the dispersion alloy together to a band and plating this band on the metal carrier (DE-OS 17 75 322), Production of flaky granules by centrifuging the dispersion alloy from the melt and rolling these granules onto the metallic carrier (DE-OS 22 63 368), thermokinetic plating, d. H. Spraying the dispersion alloy on the support under high temperature such as Flame spraying or plasma spraying (DE-OS 26 56 203) have not yet had satisfactory results being able to lead.

Es ist aus DE-OS 27 47 545 bekannt, Schichten aus Dispersionslegierung auf Kupfer-Blei-Zinn-3asis galvanisch oder aus der Gasphase auf metallischen Trägern aufzubauen. Die Gruppe von Dispersionslegierungen, aus denen sich Schichten galvanisch aufbauen lassen, ist sehr klein. Desgleichen konnten mit den bisher angewandten Methoden zur Abscheidung aus der Gasphase auch nur Schichten aus einzelnen speziellen Dispersionslegierungen auf Kupfer-Blei-Zinn-Basis auf metallischen Trägern aufgebaut werden.It is known from DE-OS 27 47 545 electroplating layers of dispersion alloy based on copper-lead-tin or build up from the gas phase on metallic supports. The group of dispersion alloys, from which layers can be built up galvanically is very small. The same could be done with the previously used Methods for deposition from the gas phase also include only layers of individual special dispersion alloys be built on a copper-lead-tin basis on metallic substrates.

Andererseits ist es bekannt, dünne, metallische Schichten durch Vakuumbedampfung auf metallischen Trägern aufzubringen, wobei die zu verdampfenden Metalle gemäß DE-PS 8 82 174 und DD-PS 54 154 durch Elektronenbeschuß beheizt werden können. SoI-len Metallegierungen aufgedampft werden, so kann dies dadurch geschehen, daß die vorbereitete Legierung aus einem Tiegel verdampft wird. Es ist aber auch gemäß AT-PS 2 36 185 und L. Holland »Vaccum Deposition ofOn the other hand, it is known to apply thin, metallic layers to metallic layers by vacuum vapor deposition To apply carriers, the metals to be evaporated according to DE-PS 8 82 174 and DD-PS 54 154 can be heated by electron bombardment. SoI-len Metal alloys are vapor-deposited, this can be done by making the prepared alloy is evaporated in a crucible. But it is also according to AT-PS 2 36 185 and L. Holland “Vaccum Deposition of

, Thin Films«. Chapman & Hall 1961, Seite 197, bekannt, sämtliche oder einige Legierungsbestandteile getrennt aus eigenen Tiegeln gleichzeitig oder nacheinander aufzudampfen. Werden die Legierungsbestandteile nacheinander aufgedampft, so können sie zum Diffundieren und zur Bildung der Legierung gebracht werden."Thin Films". Chapman & Hall 1961, page 197, known to vaporize all or some alloy components separately from their own crucibles simultaneously or one after the other. If the alloy components are vapor-deposited one after the other, they can diffuse and caused to form the alloy.

Allerdings war die Möglichkeit, Schichten aus Dispersionslegierungen durch Aufdampfen zu erzeugen, bisherunbekannt. However, it was possible to use layers of dispersion alloys to be generated by vapor deposition, previously unknown.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, für die Zwecke von Reib- und Gleitelemente die Möglichkeit zu schaffen, unter Anwendung von Vakuumbedampfung in kontinuierlichem Verfahren Reib- oder Gleitschichten und/oder Zwischenschichten aus schwierig oder anderweilig überhaupt nicht herstellbaren Dispersionslegierungen oder Kombinationen solcher Legierungen zu schaffen und dabei durch Vermeidung von Seigerung derartige Schichten wesentlich verbesserter Struktur ausbilden zu können.In contrast, it is the object of the invention to provide the possibility for the purposes of friction and sliding elements to create friction or sliding layers using vacuum vapor deposition in a continuous process and / or intermediate layers of dispersion alloys that are difficult or otherwise impossible to manufacture or to create combinations of such alloys while avoiding Failure to be able to form such layers with a significantly improved structure.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum kontinuierlichen Aufdampfen einer metallisehen Dispersionslegierung auf ein Metallband in ihrer Zusammensetzung unterschiedliche Arten von Bedampfungsgut im Bereich des zu beschichtenden Trägers aufgestellt und in einem vorprogrammiertenAccording to the invention, this object is achieved in that for continuous vapor deposition a metallisehen Dispersion alloy on a metal strip in their composition different types of vaporized material placed in the area of the carrier to be coated and in a preprogrammed

Rhythmus entsprechend der gewünschten Zusammensetzung der aufgedampften Schicht abwechselnd zeitweilig auf Verdampfungstemperatur gebracht werden.Alternating rhythm according to the desired composition of the vapor-deposited layer be brought to evaporation temperature.

Im Verfahren gemäß der Erfindung iäßt sich Verbundwerkstoff für Reib- und Gleitelemente mit Dispersionslegierungsschicht in rationeller Weise herstellen. Die Dispersionslegierungsschicht zeichnet sich durch gleichmäßige feinste Verteilung der in der Matrix dispergierten Metallteilchen aus. Die im Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Reib- oder Gleitschichten ίο bleibt die feindisperse Verteilung von Metallteilchen in der Matrix auch unter Beanspruchung auf Dauerfestigkeit erhalten. Durch Versuche wurde festgestellt, daß die Dauerschlagfestigkeit der im Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Werkstoffe erheblich höher als bei allen bekannten Herstellungsverfahren ist. Auch im Verfahren gemäß der Erfindung aufgebaute Zwischenschichten, beispielsweise aus Blei-Bronze oder Blei-Zinn-Bronze, zeichnen sich durch erheblich feinere Struktur aus als die bei im Bandgießverfahren hergestellten Zwischenschichten erreichbar ist.Composite material can be used in the method according to the invention for friction and sliding elements with a dispersion alloy layer in a rational way. The dispersion alloy layer is characterized by the finest uniform distribution of those dispersed in the matrix Metal particles. The friction or sliding layers produced in the method according to the invention ίο the finely dispersed distribution of metal particles in the matrix remains even under stress on fatigue strength obtain. Experiments have shown that the long-term impact strength in the method according to Invention manufactured materials significantly higher than in all known manufacturing processes. Interlayers built up in the method according to the invention, For example, lead-bronze or lead-tin-bronze, are significantly finer Structure from than the intermediate layers produced in the tape casting process can be achieved.

Das Verfahren gemäß der Erfindung kann besonders vorteilhaft zur Herstellung von Schichten aus Dispersionslegierung auf Aluminium-Blei-Basis oder Aluminium-Zinn-Basis benutzt werden. Beispielsweise eignet sich das Verfahren gemäß der Erfindung besonders vorteilhaft für die Erzeugung von Gleitschichten aus Dispersionslegierung auf Aluminium-Blei-Basis. Hierzu kann im Verfahren gemäß der Erfindung in einem Schmelztiegel ein Vedampfungsgut auf Al-Basis und in einem anderen ein Verdampfungsgut auf Pb-Basis eingebracht werden. Beispielsweise kommt dabei Verdampfungsgut auf Al-Basis mit Zusammensetzung Al-CuiNio.5 in Betracht. Das Verdampfungsgut auf Pb-Basis kann dabei beispielsweise eine Zusammensetzung PbSn2 bis PbS„4 aufweisen.The method according to the invention can be used particularly advantageously for the production of layers of dispersion alloy based on aluminum-lead or aluminum-tin. For example, the method according to the invention is particularly advantageously suitable for producing sliding layers made of dispersion alloy based on aluminum-lead. For this purpose, in the method according to the invention, an Al-based evaporation material can be introduced into one crucible and a Pb-based evaporation material can be introduced into another. For example, Al-based evaporation material with the composition Al-CuiNio.5 comes into consideration. The Pb-based material to be evaporated can have a composition of PbSn 2 to PbS "4, for example.

In einem anderen Anwendungsfall der sich insbesondere zur Erzeugung von Zwischenschichten an Verbundwerkstoff rür Reib- oder Gleitelemente eignet, kann in einem Schmelztiegel ein Verdampfungsgui auf Zinn-Bronze-Basis und in den anderen Schmelztiegel ein Material auf Blei-Basis eingebracht werden. Man erhält auf diese Weise im Verfahren gemäß der Erfindung eine Schicht aus Blei-Zinn-Bronze-Dispersionslegierung, die sich durch besonders feine Bleiverteilung der Bleibronzeschicht auszeichnet. In ähnlicher Weise kann im Verfahren gemäß der Erfindung auch eine Schicht aus BIei-Zinn-Bronze-Dispersionsle;jierung erzeugt werden, wenn in einem Schmelztiegel ein Verdampfungsgut auf Zinn-Bronze-Basis und im anderen Schmelztiegel ein Verdampfungsgut auf Blei-Bronze-Basis angebracht wird.In another application, which is particularly useful for producing intermediate layers of composite material Suitable for friction or sliding elements, an evaporation guide can be used in a crucible Tin-bronze-based and a lead-based material can be introduced into the other crucible. Man receives in this way in the method according to the invention a layer of lead-tin-bronze dispersion alloy, which is characterized by the particularly fine lead distribution of the lead bronze layer. In a similar way In the process according to the invention, a layer of white-tin-bronze dispersion alloy can also be produced when in one crucible a material to be evaporated on a tin-bronze basis and in the other Melting crucible an evaporation material on a lead-bronze basis is attached.

In allen Anwendungsfällen bietet sich als weiterer Vorteil der Erfindung, daß das Bedampfen un'er Vakuumbedingungen erheblich weniger problematisch ist als Begießen unter Schutzgas, z. B. Wasserstoff. Metallische Träger, insbesondere Stähle, neigen je nach Zusammensetzung bei dem den eigentlichen Gießvorgang vorgeschalteten Blankglühen unter Wasserstoff zu einer mehr oder minder starken Aufnahme dieses Gases, welches bei Abkühlen zur Aufgußoberfläche austretend, die dispergierte Komponente nach unten zur Trägeroberfläche drückt und damit zusätzlich Veranlassung zu Seigerungen gibtIn all applications, there is another advantage of the invention that the vapor deposition under vacuum conditions is considerably less problematic than pouring under protective gas, e.g. B. hydrogen. Metallic Beams, in particular steels, tend, depending on their composition, in the upstream casting process Bright glow under hydrogen leads to a more or less strong absorption of this gas, which exiting to the infusion surface on cooling, the dispersed component downwards to the carrier surface presses and thus also gives rise to segregation

Im Rahmen der Erfindung kann das Metallband beispielsweise ein als Träger benutztes Stahlband im evakuierten Raum einer Vorbehandlung unterzogen werden. Dadurch wird die Aufnahme von Wasserstoff oder sonstigem Gas in das zu beschichtende Metallband vermieden. Das zu beschichtende Metallband, beispielsweise Stahlband, kann dann mit einer Vortemperatur" für Jas Bedampfen in den Bedampfungsraum geführt werden. In the context of the invention, the metal strip can, for example a steel strip used as a carrier is subjected to a pretreatment in the evacuated room. This avoids the absorption of hydrogen or other gas into the metal strip to be coated. The metal strip to be coated, for example steel strip, can then have a pre-temperature "for Jas steaming can be led into the steaming room.

Die Erfindung bietet ferner in einer besonders vorteilhaften Weise die Möglichkeit, Schichten unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung aufzudampfen. Das Aufdampfen solcher Schichten unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung kann dann in Folgestationen innerhalb des evakuierten Raumes vorgenommen werden.The invention also offers a particularly advantageous Way the possibility of evaporating layers of different chemical compositions. The vapor deposition of such layers with different chemical compositions can then take place in subsequent stations be carried out within the evacuated room.

Vor dem Verlassen der Bandanlage kann das bedampfte Metallband, beispielsweise Stahlband auf eine Temperatur unter 1000C abgekühlt werden, so daß keine schädigende Einwirkung der Atmosphäre auf die aufgedampfte Schicht eintritt.Before leaving the belt system, the vapor-deposited metal strip, for example steel strip, can be cooled to a temperature below 100 ° C., so that no harmful effect of the atmosphere occurs on the vapor-deposited layer.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der Zeichnung und der folgenden Tabelle näher erläutert. Es zeigtThe method according to the invention is explained in more detail with reference to the drawing and the following table. It shows

Fig. 1 das Schliffbild eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs mit aufgedampfter AlPb-Dispersionslegierungsschicht, 1 shows the micrograph of a composite material according to the invention with vapor-deposited AlPb dispersion alloy layer,

Fig.2 das Schliffbild eines durch Pulverwalzen, Sintern oder Plattieren hergestellten Verbundwerkstoffs mit gleicher Stoffzusammensetzung der aufgebrachten Schicht undFig. 2 the micrograph of a by powder rolling, sintering or plating produced composite material with the same composition of matter as the applied Layer and

F i g. 3 den Belastungsvergleich zwischen dem erfindungsgemäßen und einem bekannten Verbundwerkstoffin Form eines Balken-Diagramms.F i g. 3 shows the load comparison between the composite material according to the invention and a known composite material Form of a bar chart.

F i g. 1 zeigt das Schliffbild eines Verbundwerkstoffes mit aufgedampfter AIPb-Dispersionslegierungsschicht. In der Al-Marix 10 liegt das Blei 11 in fein-disperser Form vor. Dagegen zeigt Fig.2 das Schliffbild eines herkömmlichen Verbundwerkstoffes mit AlPb-Dispersionslegierungsschicht, bei der das Blei 11 in zeiliger Anordnung in die Al-Matrix 10 eingebettet ist. Durch diese zeilige Anordnung des Bleis 11 wird die Dauerfestigkeit des Werkstoffes erheblich reduziert. F i g. 3 zeigt ein Balkendiagramm, in welchem die Belastbarkeit des Verbundwerkstoffes mit aufgedampfter AlPb-Dispersionslegierungsschicht gemäß F i g. 1 und eines herkömmlichen Verbundwerkstoffes mit AIPb-Dispersionslegierungsschicht gemäß F i g. 2 dargestell ist. Hieraus geht hervor, daß die Dauerschlagfestigkeit des Verbundwerkstoffes mit aufgedampfter AlPb-Dispersionslegierungsschicht um ca. 40% höher liegt als die eines bekannten Verbundwerkstoffes nach DE-OS 17 75 322.F i g. 1 shows the micrograph of a composite material with a vapor-deposited AIPb dispersion alloy layer. In the Al-Marix 10, the lead 11 is in a finely dispersed form. In contrast, Fig.2 shows the micrograph of a conventional composite material with AlPb dispersion alloy layer, in which the lead 11 is embedded in the Al matrix 10 in a row arrangement. By this linear arrangement of the lead 11 significantly reduces the fatigue strength of the material. F i g. 3 shows a bar diagram in which the load-bearing capacity of the composite material with a vapor-deposited AlPb dispersion alloy layer according to FIG. 1 and a conventional composite material with AIPb dispersion alloy layer according to FIG. 2 is shown. This shows that the long-term impact resistance of the Composite material with vapor-deposited AlPb dispersion alloy layer is around 40% higher than that of a known composite material according to DE-OS 17 75 322.

Die nachfolgende Tabelle, die bei Korrosionsversuchen ermittelt wurde, zeigt den Unterschied der Korrosionsbeständigkeit zwischen einer durch Aufdampfen erzeugten AIPb-Dispersionslegierungsschicht und einer aufgegossenen AlSn-Dispersions-Lagerlegierung. Es wurden die Gewichtsverluste zweier Lagerwerkstoffe nach dreistündigem Kochen in einer Mischung Laurinsäure/Nitrobenzol/Xylo! ermittelt.The following table, which was determined during corrosion tests, shows the difference in corrosion resistance between an AIPb dispersion alloy layer formed by vapor deposition and a poured AlSn dispersion bearing alloy. It was the weight loss of two bearing materials after boiling for three hours in a mixture of lauric acid / nitrobenzene / xylo! determined.

Werkstoffmaterial

Gewichtsverlust
in mg/cmWeight loss
in mg / cm

AlPbiOSniCu,
AISn2OCUiAlPbiOSniCu,
AISn 2 OCUi

0
1000
100

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (9)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes für Reib- und Gleitelemente mit Dispersionslegierungsschicht insbesondere Gleitlager für Verbrennungskraftmaschinen, auf dessen Metallträger eine metallische Legierung als Gleitschicht und/oder Zwischenschicht im Vakuum aus getrennten Schmelztiegel mittels Elektronenbeschuß-Heizung aufgedampft wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum kontinuierlichen Aufdampfen einer metallischen Dispersionslegierung auf ein Metallband in ihrer Zusammensetzung unterschiedliche Arten von Bedampfungsgut im Bereich des zu beschichtenden Trägers aufgestellt und in einem vorprogrammierten Rhythmus entsprechend der gewünschten Zusammensetzung der aufgedampften Schicht abwechselnd zeitweilig auf Verdampfungstemperatur gebracht werden. 1. Process for the production of a composite material for friction and sliding elements with a dispersion alloy layer in particular plain bearings for internal combustion engines, on their metal supports a metallic alloy as a sliding layer and / or intermediate layer in a vacuum from separate Melting crucible is vapor-deposited by means of electron bombardment heating, characterized in that that for the continuous vapor deposition of a metallic dispersion alloy on a metal strip different types of material to be vaporized in their composition in the area of the material to be coated Carrier set up and in a preprogrammed rhythm according to the desired Composition of the vapor-deposited layer are alternately temporarily brought to vaporization temperature. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Schmelztiegel ein Verdampfungsgut auf Al-Basis und in einem anderen ein Verdampfungsgut auf Pb-Basis eingebracht wird.2. The method according to claim 1, characterized in that a material to be evaporated in a crucible Al-based and in another an evaporation material based on Pb is introduced. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Verdampfungsgut auf Al-Basis mit Zusammensetzung AICuiNio.5 eingesetzt wird.3. The method according to claim 2, characterized in that evaporation material based on Al with composition AICuiNio.5 is used. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Verdampfungsgut auf Pb-Basis mit Zusammensetzung PbSn2 bis PbSn4 eingesetzt wird.4. The method according to claim 2, characterized in that evaporation material based on Pb with composition PbSn2 to PbSn 4 is used. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einen Schmelztiegel ein Verdampfungsgut auf Zinnbronze-Basis und den anderen Schmelztiegel ein Material auf Blei-Basis eingebracht wird.5. The method according to claim 1, characterized in that a material to be evaporated in a crucible A lead-based material was introduced into the other crucible based on tin bronze will. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufdampfen von Schichten unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung im Folgestationen innerhalb des evakuierten Raumes vorgenommen wird.6. The method according to claim 1, characterized in that that the vapor deposition of layers of different chemical composition in the following stations is carried out within the evacuated room. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Stahlband im evakuierten Raum einer Vorbehandlung unterzogen wird.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the steel belt in the evacuated Room is subjected to a pretreatment. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zu beschichtende Stahlband mit einer Vortemperatur in den Bedampfungsraum geführt wird.8. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the to be coated Steel strip is guided into the steaming room with a pre-temperature. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das bedampfte Stahlband vor dem Verlassen der Bandanlage auf eine Temperatur unter 1000C abgekühlt wird.9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the steamed steel strip is cooled to a temperature below 100 0 C before leaving the belt system.
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