Die Erfindung betrifft eine Gleitschicht aus einer Legierung mit mindestens einer weichen Komponente, insbesondere in einem Mehrschichtgleitlager, und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Gleitschicht.

Wesentliche Anforderungen an ein modernes Gleitlager sind hohe ther o-mechanische Belastbarkeit und gute Gleiteigenschaften. Das erstgenannte Merkmal verlangt einen Werkstoff hoher Wärmebeständigkeit ^' und Festigkeit, während für gute Gleiteigenschaften ^' im Bereich von Gleitgeschwindigkeiten ab ca. _. 15. m/s und darüber weiche Werkstoffe einzusetzen sind. Diese Forderungen werden insbesondere von Mehrschichtlagern, die eine weiche Gleitschicht und eine hochfeste Lagermetallschicht aus Bronze- oder Aluminiumwerkstoffen haben, erfüllt. Die Gleitschicht, die besonders gute Gleiteigenschaften besitzt, besteht je nach Ausführung meist aus Blei mit 8-20 Gew.-% Zinn und 2-6 Gew.-% Kupfer, wobei vereinzelt auch bis zu 10 Gew.-% Kupfer und weitere Metalle eingesetzt werden können. Auch andere Gleitschichten sind bekannt, wie z.B. SnSb7- oder Pbln6-Legierungen.

Ein solches Gleitlager wird in der DE-PS 27 22 144 beschrieben. Die Gleitschicht der hier beschriebenen Lager ist auf Bleibasis mit 10-20 Gew.-% Zinn-und bis zu 10 Gew.-% Kupfer. Es wurde festgestellt, daß sich mit höherem Kupfer- und Zinngehalt die Dauerbelastbarkeit des Gleitlagers erhöhen läßt.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Gleitschicht nur schwer durch elektro-chemische Abscheidung herstellbar ist, da hoch Sn-haltige Elektrolytlösungen sehr instabil sind, und daß mit einer Erhöhung der Dauerbelastbarkeit auch ein Anstieg der Härte erfolgt, so daß ein erhöhter Abrieb an der Welle eintreten kann. Es ist daher wünschenswert, den Zinngehalt in einer Gleitschicht zu erhöhen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleitschicht, insbesondere für

Mehrschichtgleitlager, zur Verfügung zu stellen, die einerseits hoch verschleißfest ist und andererseits verbesserte Gleiteigenschaften aufweisen soll. Die verbesserten Gleiteigenschaften sollen möglichst über die gesamte Lebensdauer der Gleitschicht vorliegen und sich vor allem in der Einlaufzeit des Gleitlagers besonders günstig auswirken. Außerdem soll die neue Gleitschicht einfach und mit herkömmlichen Methoden, wie z.B. durch elektro-chemische Abscheidung herstellbar sein. Aufgabe der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Gleitschicht.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Gleitschicht dadurch gelöst, daß eine der weichen Komponenten in der Gleitschicht in einem Konzentrationsgradienten senkrecht zur wirksamen Oberfläche der Gleitschicht, und zwar mit dem Abstand, von der Oberfläche abnehmenden Konzentration, vorliegt.

In Bezug auf das Verfahren wird die Aufgabe gelöst, in dem man auf eine Seite einer Basis-Gleitschicht eine weitere Schicht aus der weichen Komponente aufbringt und diese weitere Schicht aus der weichen

Komponente durch eine Temperaturbehandlung zumindest teilweise, vorzugsweise überwiegend oder vollständig in die Basis-Gleitschicht eindiffundiert, so daß man eine Gleitschicht mit einem Konzentrationsgradienten der weichen Komponente erhält, mit von der Gleitflächenseite zur gegenüberliegenden Seite der- Gleitschicht hin abfallender Konzentration.

Als weiche Komponente kommen legierbare Stoffe zum Einsatz, die gute Gleiteigenschaften haben, wie z.B. Zinn, Antimon, ferner auch Blei, Indium, Thallium etc..

Es ist bekannt, daß in modernen Gleitlagern, insbesondere Mehrschichtlagern, die Gleitschicht,, die besonders gute Gleiteigenschaften besitzt, vorzugsweise nur bis zu 20 .um dick sein soll, da mit zunehmender Schichtdicke die relative dynamische Belastbarkeit (Ermüdungsfestigkeit) der Gleitschicht abnimmt. Eine typische Gleitschicht dieser bekannten Art ist eine Bleilegierung mit etwa 8-12% Zinn und 2-6% Kupfer. Die Mikrohärte einer solchen Schicht von HV 12-20 (bei 20°C) ist extrem weich, infolge der geringen Schichtdicke vermag die Gleitschicht jedoch sehr hohe spezifische Wechsellasten aufzunehmen.

Erfindungsgemäß erhält nun eine Gleitschicht einen zur wirksamen Oberfläche der Gleitschicht hin zunehmenden Konzentrationsgradienten einer weichen Komponente, die die gute Gleiteigenschaft hat, in obigem Fall Zinn. Der Konzentrationsgradient kann so gewählt sein, daß der Zinngehalt über die gesamte Schichtdicke von normalerweise 10 bis 25 _^ um zur wirksamen Oberfläche (Gleitfläche) hin kontinuierlich zunimmt und dabei im Mittel der

gesamten Schicht ca. 12-16 Gew.-% beträgt. Durch diesen Konzentrationsgradienten wird erreicht, daß die Gleitschicht an der Gleitfläche eine geringere Mikrohärte, dafür aber noch bessere Gleiteigenschaften aufweist, so daß die Lagereigenschaften gegenüber einer Gleitschicht ohne Konzentrationsgradient nochmals verbessert sind, ohne dabei eine zu niedrige Ermüdungsfestigkeit zu erhalten. Dies wird dadurch erreicht, daß der extrem weiche Schichtdickenbereich der Gleitschicht besonders dünn ist.

Auch insgesamt dickere Gleitschichten mit Konzentrationsgradienten sind möglich. Je nach Dicke der Gleitschicht braucht der Konzentrationsgradient nicht durch die ganze Schicht zu gehen. Wesentlich bei Gleitlageranwendungen ist nur, daß die weiche Gleitschicht verhältnismäßig dünn ist.

Es hat sich gezeigt, daß das Einlaufverhalten von Motoren durch den Konzentrationsgradienten der weichen Komponente in der Gleitschicht verbessert wird. Außerdem hat es sich als besonders günstig erwiesen, daß der erfindungsgemäße Konzentrationsgradient der die Gleiteigenschaften bestimmenden weichen Komponente noch wärend der Einlauf hase des Lagers sich günstig auswirkt, so daß hier an der Gleitfläche der Gleitschicht eine höhere Konzentration der gut gleitenden Komponente vorliegt. Von Vorteil ist hierbei, daß der Diffussionsvorgang unter der Betriebstemperatur in der Einlaufphase fortschreitet und dabei die Region erhöhter Konzentration der die Gleiteigenschaften bestimmenden weichen Komponente in die gesamte Gleitschicht eindiffundiert. Die weiche Komponente wandert somit vor der Verschleißfront in die Gleitschicht und bildet hierdurch eine besonders gute Gleitfläche.

Diesen Vorteil weisen bekannte Gleitschichten, die mit einem dünnen Zinnflash ausgerüstet sind, nicht auf. Dieser bekannte Zinnflash, der eine nur wenige .um dicke Schutzschicht auf Gleitlagern ist, dient bei den bekannten Gleitlagern als Oberflächenschutz gegen Oxidation und verbessert das optische Aussehen der Gleitfläche. Der Zinnflash wird bei der ersten Inbetriebnahme der Gleitlager von der Welle abgetragen, da er zu weich ist. Eine gewisse Verbesserung des Einläufsverhalten kann durch den Zinnflash erreicht werden, die eigentliche EinlaufSchicht ist jedoch die unter dem Zinnflash liegende Gleitschicht, meist eine Ternärschicht (Legierung aus 3 Metallen), die die geometrische Anpassung der Reibpartner ermöglicht. Der Vorteil, daß praktisch über die gesamte Laufzeit des Gleitlagers 'eine deutlich erhöhte Konzentration der weichen Komkonönte in der Gleitschicht vorliegt, kann mit einem Zinnflash nicht erreicht werden, da er bei der Inbetriebnahme des Gleitlagers abgerieben wird.

Die erfindungsgemäße Gleitschicht kann so ausgebildet sein, daß die auf die Basis-Legierung aufgebrachte weiche Komponente, bevorzugt Zinn, nicht vollständig eindiffundiert ist, so daß auch hier ein Zinnflash (mit den gleichen Eigenschaften wie oben beschrieben) auf der Oberfäche der Gleitschicht zurückbleibt. Vorzugsweise soll die auf die Basis-Legierung aufgebrachte weiche Komponente vollständig eindiffundieren, hier kann jedoch auch nachträglich (nach der Thermodiffussion) noch ein Zinnflash aufgetragen werden.

Als Gleitschicht werden bevorzugt Blei-Zinn-Kupfer-Legierungen eingesetzt, die zur wirksamen Oberfläche der Gleitschicht hin eine

ansteigende Zinn-Konzentration aufweisen. Auch Blei-Indium-Legierungen sind möglich, in denen die Indium-Konzentration zur Gleitfläche hin ansteigt. Diese Legierungen haben schon ohne den Konzentrationsgradienten der weichen Komponente gute Lagereigenschaften und lassen sich, insbesondere die Blei-Zinn-Kupfer-Legierung, auf bekannte Weise auf galvanischem Wege herstellen.

Die Anwendung der Erfindung ist bei

Zweischichtlagern, z.B. mit einer Pbln-Gleitschicht, denkbar, besonders günstig ist aber der Einsatz in Mehrschichtgleitlagern, wobei dann die Gleitschicht getrennt durch eine Zwischenschicht über einer Lagermetallschicht aufgebracht ist, die auf einer Stützschale liegt.

Eine bevorzugte Ausführungsform ist ein Mehxschichtgleitlager auf einer Stahlstützschale, die eine Dicke von 1 bis über 10 mm aufweisen kann. Das Mehrschichtgleitlager weist in diesem Fall bevorzugt eine Lagermetallschicht aus Bleibronze auf Kupferbasis auf, die auf der Stützschale liegt und 22 Gew.-% Blei und 1,5 Gew.-% Zinn enthält. Über der Lagermetallschicht liegt eine Zwischenschicht, die bevorzugt aus Nickel ist, auf der wiederum die Gleitschicht aufgebracht ist, die eine Bleilegierung mit einem Zinngradienten bei einer mittleren Zinnkonzentration von 8-20 Gew.-%, vorzugsweise 12-16 Gew.-% und einem mittleren Kupfergehalt von ca. 2-6 Gew.-% hat. Die Zwischenschicht hat eine Dicke von 1-3 .um und dient als dichter Untergrund (Damm) für die Gleitschicht, damit das Zinn nicht aus der Gleitschicht in die Lagermetallschicht wandern kann. Üblicherweise hat die

Lagermetallschicht eine Dicke von 0,2-0,5 mm und die Gleitschicht eine Dicke von 10-25 ^m.

Als Zwischenschicht können auch andere Dämme, wie z.B. CuSn-Schichten (z.B. CuSn40), verwendet werden. Als Lagermetallschicht kommen auch andere Lagerlegierungen in Frage, z.B. AlSn-Legierungen wie AlSn20.

Die erfindungsgemäße Gleitschicht ist am einfachsten erhältlich durch elektro-chemisches Abscheiden zweier verschiedener Metallschichten, wobei zuerst eine Basis-Gleitschicht und darüber eine weitere Schicht aus der weichen Komponente abgeschieden wird. Anschließend läßt man die weitere Schicht aus der weichen Komponente durch eine Temperaturbehandlung (Thermodiffussion) zumindest teilweise, vorzugsweise jedoch überwiegend oder ganz, in die Basis-Gleitschicht eindiffundieren, so daß man die Gleitschicht mit dem erfindungsgemäßen Konzentrationsgradienten der weichen Komponente erhält, der von der wirksamen Seite zur gegenüberliegenden Seite hin abfällt.

Wichtig ist, daß die Basis-Gleitschicht und die weitere Schicht aus der weichen Komponente in möglichst gleichmäßiger Dicke aufgebracht werden, und daß die resultierende weiche Gleitschicht möglichst dünn ist, damit deren relative dynamische Belastung verhältnismäßig groß ist (vergleiche Figur 3) .

Es hat sich herausgestellt, daß mit dem Verfahren besonders einfach hoch-bleihaltige Blei-Kupfer-Zinn-Legierungen für Gleitlagerzwecke mit 8-40 Gew.-% Zinn und 2-12 Gew.-% Kupfer herstellbar sind, wobei man eine Basis-Gleitschicht, die die gewünschte Menge an Blei und Kupfer enthält, elektro-che isch mit gegebenenfalls einem niedrigen

Zinngehalt abscheidet, darauf eine Zinnschicht abscheidet und diese durch Ther odiffussion in die Basis-Gleitschicht eindiffundiert, so daß der Zinngehalt in der Basis-Gleitschicht entsprechend erhöht und der Blei- und Kupfergehalt relativ erniedrigt wird. Die Basis-Gleitschicht hat vorzugsweise einen Zinngehalt von 8-12 Gew.-% bei einem Cu-Gehalt von 2-6 Gew.-%. Bei dem angegebenen Kupfergehalt lassen sich entsprechende Gleitschichten mit mehr als 12 Gew.-% Zinn auf rein galvanischem Wege nur schwer herstellen, da die entsprechenden galvanischen Lösungen nicht stabil sind.

Das Verfahren wird günstigerweise so durchgeführt, daß die Basis-Gleitschicht in einer Dicke von 10-25 .um und die Zinnschicht in einer Dicke von • 1-5 ,um abgeschieden wird.

Prinzipiell können die erfindungsgemäßen Gleitschichten am günstigsten in

Mehrschichtgleitlagern eingesetzt werden, wobei dann eine weitere Lagermetallschicht vorgesehen ist, die meist aus Bleibronze besteht. Solche Dreischichtlager haben eine hohe Betriebssicherheit und gute Notlaufeigenschaften, da einerseits die Gleitschicht Fremdkörper einbetten kann und bei einem Abtrag der Gleitschicht die darunter befindliche Bleibronze noch eine ausreichende Gleitwirkung gewährleisten kann. Statt der Bleibronze kann auch eine Aluminium-Lagerschicht verwendet werden, die als Gleitkomponente z.B. eingebettetes Zinn enthält.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Figur 1 eine perspektivische Darstellung einer

Lagerhälfte mit einem teilweisen Aufriß der einzelnen Schichten;

Figur 2 eine Darstellung eines Schliffbildes im Schnitt Il-Il gemäß

Fig. 1 durch eine Gleitschicht mit einem Konzentrationsgradienten einer weichen Komponente;

Figur 3 eine graphische Darstellung des Einflusses der Schichtdicke auf die Ermüdungsfestigkeit von Gleitschichten.

In Figur 1 ist der Aufbau eines

Mehrschichtgleitlagers 1 mit einer erfindungsgemäßen Gleitschicht 2 dargestellt. Die Gleitschicht 2 ist über eine Zwischenschicht 3, die ein Nickeldamm ist, auf einer Lagermetallschicht 4 aus Bleibronze aufgebracht, die auf eine Stahlstützschale 5 gegossen wurde. Statt der Bleibronzeschicht kann auch eine Aluminiumlagerschicht und statt des Nickeldamms auch ein Kupfer-Zinn-Damm eingesetzt werden.

Die einzelnen Schichten haben folgende Dicke, wobei in Klammern die Dickenbereiche für weitere günstige Ausgestaltungsformen angegeben sind:

Stahlstützschale 4 mm (1 bis über 10 mm) Lagermetallschicht 0,3 mm (0,2-0,5 mm) Zwischenschicht 2 /am (1-3 ,um) Gleitschicht 17 ,um (10-25 ,um)

Die Lagermetallschicht 4 ist vorzugsweise eine CuPb22Snl,5 Legierung, die nach herkömmlichen Methoden auf ein Stahlband oder Stahlrohr aufgegossen wurde.

Die Zwischenschicht 3 und die Basis-Gleitschicht sowie auch die reine Zinnschicht können direkt auf die Lagermetallschicht 4 aufgebracht werden, oder vorzugsweise auf einen Lagerschalenrohling, der aus dem Stahlband oder Stahlrohr gefertigt wird und damit eine für das Aufbringen der folgenden Schichten geeignetere und glattere Oberfläche hat.

Die Gleitschicht 2 wird wie folgt hergestellt:

Auf den Zwischenschicht 3 wird auf galvanischem-Wege eine zinnarme ternäre Gleitschicht (Basis-Gleitschicht) aus PbSnl2Cu6 in einer Dicke von ca. 16 ,um. (vorteilhafterweise in einer Dicke zwischen 10-20 .um) aufgebracht. Auf diese ternäre Gleitschicht wird ebenfalls auf galvanischem Wege eine 1 .um (0,5-5 .um) dicke Rein-Zinnschicht aufgebracht und durch eine sich daran anschließende Thermodiffussion in die zinnärmere ternäre Basis-Gleitschicht eingebracht. Die Thermodiffussion findet bei Temperaturen zwischen 100 und 150°C und bei einer Diffussionszeit von 10 min bis 4 h statt. Die resultierende Gleitschicht 2 hat eine durchschnittliche Zusammensetzung PbSnl7Cu5,5. Hierdurch wird eine Zinnanreicherung der Basis-Gleitschicht erreicht, wobei die Zinnanreicherung an der Außenseite der Gleitschicht 2, die später mit einer Welle oder einem entsprechenden anderen Gegenstand in Gleitbeziehung

kommt, bei niedriger Diffussionstemperatur und kurzen Diffussionszeiten am größten ist und in einem Konzentrationsgradienten in Richtung auf die Zwischenschichtseite der Gleitschicht 2 abfällt.

Vorzugsweise haben die auf diese Weise erzeugten zinnreichen ternären Laufschichten (Gleitschichten 2) eine Zusammensetzung von 4-6% Kupfer, 12-17% Zinn und Rest Blei.

In der Gleitschicht 2 (ternären Laufschicht) des Mehrschichtslagers 1 hat sich das eindiffundierte Zinn vorzugsweise derart verteilt, daß an der späteren Lauffläche ein höherer Zinngehalt vorzufinden ist, der zur Zwischenschicht 3 hin abnimmt. Diese Verteilung des Zinns mit einer Anreicherung an'der Oberfläche des Gleitlagers führt insbesondere beim Einlaufen zu besonders günstigen Verhältnisssen.

Figur 2 zeigt die Darstellung einer REM-Aufnah e (Röntgen-Elektronen-Mikroskop) einer - wie oben beschrieben dargestellten - Gleitschicht 2 des Mehrschichtgleitlagers 1, wobei in das Bild die . Zinnkonzentration 6 eingeblendet ist, aus der der gemittelte Zinn-Konzentrationsgradient 7 in der Gleitschicht 2 ersichtlich ist.

Das Diagramm in Figur 3 zeigt, warum in der erfindungsgemäßen Gleitschicht 2 der Bereich mit einem hohen Zinnanteil, der entsprechend auch besonders weich ist, sehr dünn sein soll. Je dünner die Gleitschicht ist, desto größer ist die relative dynamische Belastbarkeit, die sie aufnehmen kann. Beträgt ^' z.B. die relative Dicke der Gleitschicht nur ein Hundertstel der Dicke einer entsprechenden Gleitschicht, bei der bei einer

Schichtdickenvergrößerung keine Änderung der relativen dynamischen Belastbarkeit mehr feststellbar ist, so ist die relative dynamische Belastbarkeit (Ermüdungsfestigkeit) der dünnen Schicht dreifach höher als die der entsprechenden dickeren Schicht. Da diese Steigerung der relativen dynamischen Belastbarkeit von verschiedenen Faktoren, wie z.B. Legierungszusammensetzung, abhängig ist, empfielt es sich, die optimale Dicke der erfindungsgemäßen Gleitschicht und den optimalen Konzentrationsgradientenverlauf zum Einsatz als Gleitschicht in Versuchsreihen zu ermitteln. Obige Werte zeigten deutliche Verbesserungen im Verschleiß gegenüber dem Stand der Technik und können als Richtwerte oder Ausgangspunkt dienen.

Wie oben schon beschrieben, wurde in Prüfstandversuchen festgestellt, daß die erfindungsgemäßen Gleitschichten, die nach einem neuen Verfahren herstellbar und vorteilhaft aus einer Blei-Zinn-Kupfer-Legierung sind, vorteilhaft als Gleitlagerwerkstoffe in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden können, wobei sie sich als sehr verschleißfest erwiesen. Diese neuen Gleitlagerwerkstoffe sind geeignet für Verbrennungsmotoren wie Saugmotoren, Einspritzer, Dieselmotoren und Turbo-Varianten. Die erfindungsgemäße Metallgleitschicht kann mit Vorteil auch mit Sphärogußwellen eingesetzt werden. Die Besonderheit dieses Werkstoffes besteht darin, daß in der ternären Gleitschicht an der Gleitfläche ein besonders hoher Zinngehalt eingebracht ist, der für die guten Gleiteigenschaften dieses Werkstoffes verantwortlich ist. Wie oben beschrieben, können auch andere Varianten des Ausführungsbeispiels erfolgreich verwendet werden.