EP2108055A2 - Gleitlager - Google Patents

Gleitlager

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EP2108055A2
EP2108055A2 EP07817782A EP07817782A EP2108055A2 EP 2108055 A2 EP2108055 A2 EP 2108055A2 EP 07817782 A EP07817782 A EP 07817782A EP 07817782 A EP07817782 A EP 07817782A EP 2108055 A2 EP2108055 A2 EP 2108055A2
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EP
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layer
tin
sliding
diffusion barrier
nickel
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07817782A
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English (en)
French (fr)
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Christiane Knoblauch
Ulrich Bischofberger
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Mahle International GmbH
Original Assignee
Mahle International GmbH
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Publication date
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    • F16C33/12—Structural composition; Use of special materials or surface treatments, e.g. for rust-proofing
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    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2204/00—Metallic materials; Alloys
    • F16C2204/60—Ferrous alloys, e.g. steel alloys

Definitions

  • the present invention relates to a sliding bearing comprising a carrier layer made of a metallic material, a copper-based bearing metal layer applied to the carrier layer, a diffusion barrier layer applied to the bearing metal layer and a tin-based sliding layer applied to the diffusion barrier layer.
  • Plain bearings in the form of lead-free layer composites are needed worldwide for new engines, especially for transport and heavy duty vehicles, as more and more vehicles of different types are manufactured on the basis of common vehicle platforms.
  • a sliding bearing made of a layered composite material which comprises a steel support layer, a lead-free bearing metal layer, an intermediate layer or diffusion barrier layer and a tin-based lead-free sliding layer.
  • a sliding bearing comes quite close to the known lead-containing plain bearings and represents an attempt to obtain the essential functional properties of these plain bearings, for example.
  • Such a plain bearing is described, for example, in the German patent application DE 103 37 030 A1.
  • German patent application DE 103 37 030 A1 proposes that a diffusion barrier layer between the sliding layer and the bearing metal layer should be provided, which consist of pure nickel and should be about 4 to 6 microns thick.
  • the object of the present invention is therefore to develop a sliding bearing of the above-mentioned type such that a better control of the diffusion of tin from the tin-based sliding layer into the bearing metal layer is possible.
  • the solution consists in a plain bearing with the features of claim 1. According to the invention it is provided that the diffusion barrier layer consists of pure iron.
  • a diffusion barrier layer made of pure iron effectively prevents the migration or diffusion of tin from the sliding layer into the bearing metal layer. Diffusion-related reactions do not occur even after long engine operating times.
  • the inventive diffusion barrier layer of pure iron can also be applied to the bearing metal layer without any problems, for example by means of known galvanic methods.
  • the diffusion barrier layer is at most 4 ⁇ m is thick.
  • Preferred embodiments provide a thickness of the diffusion barrier layer of at most 3 ⁇ m, more preferably of at most 2 ⁇ m. This saves material costs and shortens coating times,
  • the diffusion barrier layer of the sliding bearing according to the invention shows its good barrier effect, regardless of whether the sliding layer on a combination of tin and one or more elements selected from the group: silver, copper, nickel, cobalt, zinc, gold, indium, bismuth, lead or whether the overlay contains pure tin.
  • tin alloys with nickel and / or zinc and / or cobalt and / or gold and / or bismuth and / or lead can advantageously be used as a sliding layer, the tin content being at least 60% by weight.
  • the sliding layer can also be applied by fusion metallurgy to the diffusion barrier layer. Not only can costs be saved and particularly fine structures can be achieved, but new material compositions for the sliding layer are also opened up. For example, it is possible to use alloy compositions which can not be prepared by galvanic methods, such as tin alloys with a particularly high proportion of silver or copper or tin-nickel alloys.
  • the bearing metal layer is a copper-based bearing metal layer, which in a preferred embodiment has a copper content of at least 85% by weight.
  • tin and / or nickel and / or bismuth can be contained as further alloy materials.
  • an intermediate layer 16b for example, a galvanically applied tin or silver or nickel layer or an alloy thereof. This serves as a corrosion protection layer and additionally increases the emergency running properties, in the event that after extended operation, the sliding layer is worn in the region of high load.
  • the intermediate layer 16b serves for bonding and is then preferably made of tin.
  • FIG. 1 shows a schematic, not to scale representation of a cross section through an embodiment of a sliding bearing 10 according to the invention.
  • This slide bearing 10 has a support layer 12, preferably made of steel, to which a bearing metal layer 14 is applied, which is based on copper, for example a copper-tin alloy or a copper-tin-nickel alloy or a copper-tin-bismuth alloy or a copper-tin-bismuth-nickel alloy, wherein the copper content is in each case at least 85 wt .-%.
  • a diffusion barrier layer 16 and on this a sliding layer 18 is applied based on tin.
  • the slip layer 18 contains tin and one or more elements selected from the group: silver, copper, nickel, indium, cobalt, zinc, gold, bismuth, lead.
  • the sliding layer 18 may also consist of pure tin.
  • a eutectic tin-silver alloy with a tin content of 96% and a melting point of 221 0 C was used.
  • An electric tin-silver-copper alloy with a melting point of 217 ° C. would also be conceivable.
  • the molten tin or alloy is deposited on the diffusion barrier layer 16 or on an additional layer 16b as shown in FIG.
  • the removal of the excess tin or the excess alloy from the surface is carried out by a known brushing process or by centrifuging the excess still molten tin or the alloy.
  • the sliding bearing is subjected to a corresponding centrifugal movement.
  • the pure iron diffusion barrier layer 16 is applied galvanically to the bearing metal layer 14 and effectively prevents the migration or diffusion of tin into the bearing metal layer 14.
  • the diffusion barrier layer 16 can have a layer thickness of at most 4 microns, preferably at most 3 microns, more preferably at most 2 microns.
  • Exemplary embodiment 1 (compare FIG. 1):
  • Galvanically applied sliding layer made of a tin-silver alloy with 8% by weight silver, 12 ⁇ m layer thickness (18).
  • Exemplary embodiment 2 (compare FIG. 2):

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitlager (10) mit einer Trägerschicht (12) aus einem metallischen Werkstoff, einer auf der Trägerschicht (12) aufgebrachten kupferbasierten Lagermetallschicht (14), einer auf der Lagermetallschicht (14) aufgebrachten Diffusionssperrschicht (16) und einer auf der Diffusionssperrschicht (16) aufgebrachten Gleitschicht (18) auf der Basis von Zinn. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Diffusionssperrschicht (16) aus reinem Eisen besteht.

Description

ZRI P/Po C56062WO
Gleitlager
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitlager mit einer Trägerschicht aus einem metallischen Werkstoff, einer auf der Trägerschicht aufgebrachten kupferbasierten Lagermetallschicht, einer auf der Lagermetallschicht aufgebrachten Diffusionssperrschicht und einer auf der Diffusionssperrschicht aufgebrachten Gleitschicht auf der Basis von Zinn.
Gleitlager in Form bleifreier Schichtverbundwerkstoffe werden weltweit für neue Motoren, insbesondere für Transport- und Schwerlastfahrzeuge benötigt, da immer mehr Fahrzeuge verschiedener Typen auf der Grundlage gemeinsamer Fahrzeugplattformen hergestellt werden.
Im Stand der Technik bekannt ist ein Gleitlager aus einem Schichtverbundwerkstoff, welches eine Trägerschicht aus Stahl, eine bleifreie Lagermetallschicht, eine Zwischenschicht oder Diffusionssperrschicht und eine bleifreie Gleitschicht auf Zinnbasis aufweist. Ein derartiges Gleitlager kommt den bekannten bleihaltigen Gleitlagern recht nahe und stellt einen Versuch dar, die wesentlichen Funktionseigenschaften dieser Gleitlager zu erhalten, bspw. Ihre gute Formanpassungsfähigkeit und Einbettfähigkeit, die auf der weichen, auf Zinn basierenden Gleitschicht beruhen, kombiniert mit einer vergleichsweise guten Belastbarkeit und den guten Notlaufeigenschaften im Falle eines völligen Verschleißes der Gleitschicht, die auf der Lagermetallschicht beruhen. Ein derartiges Gleitlager ist bspw. in der deutschen Patentanmeldung DE 103 37 030 A1 beschrieben.
Im Zusammenhang mit derartigen Gleitlagern stellt es jedoch ein Problem dar, die Diffusion von Zinn aus der Gleitschicht in die Lagerschicht zu begrenzen, da ansonsten die Gleitschicht versprödet und die Belastbarkeit des Gleitlagers erheblich reduziert wird. Die deutsche Patentanmeldung DE 103 37 030 A1 schlägt hierzu vor, dass eine Diffusionssperrschicht zwischen der Gleitschicht und der Lagermetallschicht vorgesehen sein soll, die aus reinem Nickel bestehen und etwa 4 bis 6 μm dick sein soll.
Diese Maßnahme hat sich als verbesserungswürdig erwiesen, da die Nickel- Diffusionssperrschicht vergleichsweise dick sein muss. Wenn Zinn aus der Gleitschicht in die Diffusionssperrschicht wandert, bildet sich dort eine aus Zinn und Nickel bestehende Diffusionsschicht. Wenn nun die Diffusionssperrschicht aus reinem Nickel zu dünn ist, wird sie komplett zu einer Zinn-/Nickel-Schicht umgesetzt. Das in dieser neuen Diffusionsschicht befindliche Zinn wandert weiter in die Lagermetallschicht. Wenn, wie üblich, eine Lagermetallschicht auf der Basis von Kupfer verwendet wird, bildet das Zinn mit dem Kupfer eine neue, aus Zinn und Kupfer bestehende Diffusionsschicht. Diese Diffusionsschicht ist jedoch spröde, so dass sie zum Abplatzen neigt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Gleitlager der oben genannten Art derart weiterzubilden, dass eine bessere Kontrolle der Diffusion von Zinn aus der auf Zinn basierenden Gleitschicht in die Lagermetallschicht möglich ist.
Die Lösung besteht in einem Gleitlager mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Diffusionssperrschicht aus reinem Eisen besteht.
Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass eine aus reinem Eisen bestehende Diffusionssperrschicht die Wanderung oder Diffusion von Zinn aus der Gleitschicht in die Lagermetallschicht wirkungsvoll verhindert. Diffusionsbedingte Reaktionen treten auch nach langen Motorbetriebszeiten nicht auf. Die erfindungsgemäße Diffusionssperrschicht aus reinem Eisen kann auch problemlos auf die Lagermetallschicht aufgebracht werden, bspw. mittels bekannter galvanischer Verfahren.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Aufgrund der von der erfindungsgemäßen Diffusionssperrschicht ausgeübten besonders wirkungsvollen Diffusionssperre genügt es, wenn die Diffusionssperrschicht höchstens 4μm dick ist. Bevorzugte Ausführungsformen sehen eine Dicke der Diffusionssperrschicht von höchstens 3μm, besonders bevorzugt von höchstens 2μm vor. Damit werden Materialkosten eingespart und die Beschichtungszeiten verkürzt,
Die Diffusionssperrschicht des erfindungsgemäßen Gleitlagers zeigt ihre gute Sperrwirkung unabhängig davon, ob die Gleitschicht auf einer Kombination von Zinn und einem oder mehreren Elementen, ausgewählt aus der Gruppe: Silber, Kupfer, Nickel, Kobalt, Zink, Gold, Indium, Bismuth, Blei, besteht oder ob die Gleitschicht reines Zinn enthält. Ebenso sind vorteilhaft Zinnlegierungen mit Nickel und/oder Zink und oder Kobalt und/oder Gold und/oder Bismuth und/oder Blei als Gleitschicht einsetzbar, wobei der Zinnanteil mindestens 60 Gew.% beträgt.
Die Gleitschicht kann im Unterschied zu den im Stand der Technik bekannten Gleitlagern mit galvanisch aufgebrachten Gleitschichten auch schmelzmetallurgisch auf die Diffusionssperrschicht aufgebracht sein. Damit können nicht nur Kosten gespart und besonders feine Gefüge erzielt werden, sondern es eröffnen sich auch neue Materialzusammensetzungen für die Gleitschicht. Es können bspw. Legierungszusammensetzungen verwendet werden, die mit galvanischen Verfahren nicht darstellbar sind, wie Zinnlegierungen mit besonders hohem Silber- oder Kupferanteil oder Zinn- Nickel-Legierungen.
Die Lagermetallschicht ist eine auf Kupfer basierende Lagermetallschicht, die in einer bevorzugten Ausführungsform einen Kupfergehalt von mindestens 85 Gew.-% aufweist. Als weitere Legierungswerkstoffe können bspw. Zinn und/oder Nickel und/oder Wismut enthalten sein.
Zwischen der Diffusionssperrschicht 16 und der Gleitschicht 18 kann eine Zwischenschicht 16b vorgesehen sein, bspw. eine galvanisch aufgebrachte Zinn- oder Silberoder Nickelschicht oder eine Legierung daraus. Diese dient als Korrosionsschutzschicht und erhöht zusätzlich die Notlaufeigenschaften, für den Fall, dass nach längerem Betrieb die Gleitschicht im Bereich der hohen Belastung verschlissen ist. Im Fall, dass die Gleitschicht schmelzmetallurgisch aufgebracht wird, dient die Zwischenschicht 16b der Haftvermittlung und ist dann bevorzugt aus Zinn ausgeführt.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben. Die Figur 1 zeigt in schematischer, nicht maßstabsgetreuer Darstellung einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gleitlagers 10. Dieses Gleitlager 10 weist eine Trägerschicht 12, vorzugsweise aus Stahl, auf, auf die eine Lagermetallschicht 14 aufgebracht ist, die auf Kupfer basiert, bspw. aus einer Kupfer-Zinn-Legierung oder einer Kupfer-Zinn- Nickel-Legierung oder einer Kupfer-Zinn-Wismut-Legierung oder einer Kupfer-Zinn- Wismut-Nickel-Legierung besteht, wobei der Kupferanteil jeweils mindestens 85 Gew.-% beträgt. Auf der Lagermetallschicht 14 ist eine Diffusionssperrschicht 16 und auf dieser eine Gleitschicht 18 auf der Basis von Zinn aufgebracht. Die Gleitschicht 18 enthält Zinn und ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe: Silber, Kupfer, Nickel, Indium, Kobalt, Zink, Gold, Bismuth, Blei. Die Gleitschicht 18 kann außerdem aus reinem Zinn bestehen. Im Ausführungsbeispiel wurde eine eutekti- sche Zinn-Silber-Legierung mit einem Zinngehalt von 96% und einem Schmelzpunkt von 2210C verwendet. Denkbar wäre auch eine elektische Zinn-Silber-Kupfer- Legierung mit einem Schmelzpunkt von 217°C. Um das Verfahren des schmelzflüssigen Aufbringens der Zinnschicht zu erleichtern kann vorteilhaft der Legierung zusätzlich Bismuth zugeben werden. Dadurch wird der Schmelzpunkt weiter verringert.
Das schmelzflüssige Zinn bzw. die schmelzflüssige auf Zinn basierende Legierung wird auf die Diffusionssperrschicht 16 oder auf eine zusätzliche Schicht 16b, wie in Fig. 2 dargestellt, aufgebracht. Die Entfernung des überschüssigen Zinns bzw. der überschüssigen Legierung von der Oberfläche erfolgt durch einen an sich bekannten Bürstprozess oder durch Abschleudern des überschüssigen noch schmelzflüssigen Zinns bzw. der Legierung. Dazu wird das Gleitlager einer entsprechenden Schleuderbewegung unterzogen.
Die aus reinem Eisen bestehende Diffusionssperrschicht 16 ist galvanisch auf die Lagermetallschicht 14 aufgebracht und verhindert wirksam die Wanderung oder Diffusion von Zinn in die Lagermetallschicht 14. Die Diffusionssperrschicht 16 kann da- her eine Schichtdicke von höchstens 4μm, bevorzugt höchstens 3μm, besonders bevorzugt höchstens 2μm aufweisen.
Ausführungsbeispiel 1 (vergleiche Figur 1 ):
Trägerschicht aus Stahl (12);
Lagermetallschicht aus einer Kupferlegierung 200 μm Schichtdicke (14);
Diffusionssperrschicht aus reinem Eisen, 2 μm Schichtdicke (16);
Galvanisch aufgebrachte Gleitschicht aus einer Zinn-Silber-Legierung mit 8 Ge- wichts-% Silber, 12 μm Schichtdicke (18).
Ausführungsbeispiel 2 (vergleiche Figur 2):
Trägerschicht aus Stahl (12);
Lagermetallschicht aus einer Kupferlegierung 190 μm Schichtdicke (14);
Diffusionssperrschicht aus reinem Eisen, 2 μm Schichtdicke (16);
Zusätzliche Schicht aus galvanisch aufgebrachtem Zinn, 2 μm Schichtdicke(16b);
Schmelzmetallurgisch aufgebrachte Gleitschicht aus einer Zinn-Nickel-Legierung mit
3 Gewichts-% Nickel, 20 μm Schichtdicke (18).

Claims

Patentansprüche
1. Gleitlager (10) mit einer Trägerschicht (12) aus einem metallischen Werkstoff, einer auf der Trägerschicht (12) aufgebrachten kupferbasierten Lagermetallschicht (14), einer auf der Lagermetallschicht (14) aufgebrachten Diffusionssperrschicht (16) und einer auf der Diffusionssperrschicht (16) aufgebrachten Gleitschicht (18) auf der Basis von Zinn, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht (16) aus reinem Eisen besteht.
2. Gleitlager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht eine Dicke von höchstens 4μm, bevorzugt höchstens 3μm, besonders bevorzugt höchstens 2μm aufweist.
3. Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Diffusionssperrschicht (16) und der Gleitschicht (18) eine Zwischenschicht (16b) zur Verbesserung der Notlaufeigenschaften und des Korrosionsschutz vorgesehen ist.
4. Gleitlager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (16b) eine vorzugsweise galvanisch aufgebrachte Zinn- oder Silber- oder Nickelschicht ist.
5. Gleitlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht (18) auf der Basis von Zinn entweder aus reinem Zinn oder aus Zinn und einem oder mehreren Elemente ausgewählt aus der Gruppe: Silber, Kupfer, Nickel, Indium, Kobalt, Zink, Gold, Bismuth, Blei besteht.
6. Gleitlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht (18) aus einer Zinnlegierung mit Nickel und/oder Zink und/oder Kobalt und/oder Gold und/oder Bismuth und/oder Blei als Gleitschicht einsetzbar, wobei der Zinnanteil mindestens 60 Gew.% beträgt.
7. Gleitlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht (18) auf der Basis von Zinn schmelzmetallurgisch auf die Diffusionssperrschicht (16) oder auf die Zwischenschicht (16b) aufgebracht ist.
8. Gleitlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagermetallschicht (14) einen Kupfergehalt von mindestens 85 Gew.-% aufweist.
9. Gleitlager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagermetallschicht (14) ferner Zinn und/oder Nickel und/oder Wismut enthält.
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