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Title:
LAMINATED COMPOSITE MATERIAL AND METHOD OF IMPROVING THE SURFACE HARDNESS OF LAMINATED COMPOSITE MATERIALS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1997/036112
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a laminated composite material, and a method of improving the surface hardness of laminated composite materials, selected regions of the carrier material of the laminated composite system being treated with high-energy beams, and the temperature control being designed in such a manner that the rays penetrate into a maximum of 0.1-fold the entire thickness of the carrier material, and the temperature increase in the region of the sliding material is a maximum of 80 % of the melting temperature of the lowest melting constituent of said material. A laminated composite material with a rear steel substrate surface which can be post-hardened is provided, said steel substrate having at least in one part of the surface facing away from the function layer a level of hardness increased by a factor of 1.5 or more than at a depth which corresponds substantially to 0.1-fold of the thickness of the steel substrate.

Inventors:
ANDLER GERD (DE)
ARNOLD GERHARD (DE)
Application Number:
PCT/DE1997/000453
Publication Date:
October 02, 1997
Filing Date:
March 08, 1997
Export Citation:
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Assignee:
GLYCO METALL WERKE (DE)
ANDLER GERD (DE)
ARNOLD GERHARD (DE)
International Classes:
F16C33/12; C21D1/09; C21D9/00; C21D9/40; C22C38/00; C22C38/40; F16C9/00; F16C33/14; C21D1/613; (IPC1-7): F16C33/14; C21D1/09
Domestic Patent References:
WO1989010434A11989-11-02
WO1991014799A11991-10-03
Foreign References:
DE3635751A11987-04-23
DE3636641A11987-05-21
Other References:
See also references of EP 0894206A1
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Claims:
Patentansprüche:
1. Schichtverbundwerkstoff mit Substratschicht aus Stahl und wenigstens einer darauf aufgebrachten Funktionsschicht aus Lagermetall, wobei das Substrat ein unlegierter oder niedriglegierter Stahl mit einem CGehalt von < 0,35 % (wt/wt) ist und eine der oder den Funktionsschichtenabgewandte Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Stahlsubstrat zumindest an Teilen der abgewandten Oberfläche eine um den Faktor 1.5 oder größer erhöhte Härte als in einer Tiefe aufweist, die etwa dem 0, 1 fachen der Dicke des Stahlsubstrats entspricht, wobei die Härte als Vickers Härte HV 0.01 gemessen und die Tiefe oder Dicke von der abgewandten Oberfläche mit erhöhter Härte ausgehend orthogonal in Richtung der Funktionsschicht(en) bestimmt wird.
2. Schichtverbundwerkstoff nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Substratschicht aus Stahl eine Dicke im Bereich von etwa 0,2 20 mm aufweist.
3. Schichtverbundwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratschicht aus Stahl eine Dicke im Bereich von etwa 0,5 15 mm aufweist.
4. Schichtverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Substratschiclu aus unlegiertem Stahl ist, der einen CGehalt im Bereich von 0,03 bis 0.06 % (wt/wt) aufweist.
5. Schichtverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Substratschicht aus niedrig legiertem Stahl ist. der einen Kohlenstoffgehalt bis zu 0.35 % . einen Mangangehalt bis zu 0.8%. einen Phosphorgehalt bis zu 0,035%, einen Schwefelgehalt bis zu 0,03 %, einen Aluminiumgehalt bis zu 0, 1 % , einen Siliciumgehalt bis zu 0, 12%, einen Chromgehalt bis zu 1,5% und einen Nickelgehalt bis zu 3% aufweist, wobei die Summe der Legierungselemente (außer Kohlenstoff) < 5 % ist und sich alle Prozentangaben auf Gewichtsprozent (wt/wt) beziehen.
6. Verfahren zur Verbesserung der Oberflächenhärte von Schichtverbundwerkstoffen, insbesondere von Gleitelementen, die eine Substratschicht aus unlegiertem oder niedrig legiertem Stahl und wenigstens eine darauf aufgebrachte Funktionsschicht aus Lagermetall aufweisen, wobei die Substratschicht eine der oder den Funktionsschichten abgewandte Oberfläche aufweist, durch Bestrahlung mit hochenergetischen Strahlen, wie Laser oder ElektronenStrahlen, die relativ zu einer zu bestrahlenden Oberfläche bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die abgewandte Oberfläche zumindest in ausgewählten Bereichen bestrahlt wird, wobei die Strahlung so bemessen wird, daß ihre Tiefenwirkung höchstens 1/10 der Dicke der Substratschicht im jeweiligen Bereich erreicht und daß der durch die Strahlung verursachte Temperaturanstieg der Funktionsschicht nur maximal etwa 80% der Schmelztemperaturen der am niedrigsten schmelzenden Komponente dieser Funkktionsschicht ausmacht.
7. Verfahren nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenergie und Verweilzeit der hochenergetischen Strahlung so gewählt werden, daß die abgewandte Oberfläche im bestrahlten Bereich der Stahlsubstratschicht eine Aufhärtung auf mindestens das 1.5 fache der Ausgangshärte erfährt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der hochenergetische Strahl längs vorgegebener Bahnen über die zu behandelnde Oberfläche geführt wird, wobei der Abstand der Bahnen kleiner als der Focus des Strahls eingestellt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der hochenergetische Strahl mit einer FlächenGeschwindigkeit von 3 5 cm2/sec über die zu behandelnde Oberläche geführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der hochenergetische Strahl rasterförmig über die zu behandelnde Oberfläche geführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mit hochenergetischer Strahlung bestrahlte Oberfläche über den Effekt der Selbstabschreckung abgekühlt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10. dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff nach der Bestrahlung mittels flüssigem Stickstoff abgeschreckt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mittels unterschiedlichem Energieeintrag und/oder Vorschub der hochenergetischen Strahlung auf der abgewandten Oberfläche die Modifikation derart gesteuert wird, daß während eines Bestrahlungsprozesses Bereiche, die einer höheren tribologischen Beanspruchung unterliegen, intensiver ausgehärtet werden als Bereiche, die einer geringeren tribologischen Beanspruchung unterliegen. 97/36112 PC17DE97/00453 *& 16.
14. Verfahren nach Anspruch 6 13, dadurch gekennzeichnet, daß unlegierter Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,03 bis 0.06% wärmebehandelt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 6 13, dadurch gekennzeichnet, daß niedriglegierter Stahl folgender Zusammensetzung wärmebehandelt wird: Kohlenstoffgehalt bis zu 0,35%. Mangangehalt bis zu 0,8%. Phosphorgehalt bis zu 0,035%. Schwefelgehalt bis zu 0,03%, Aluminiumgehalt bis zu 0, 1 % und Siliciumgehalt bis zu 0, 12% . Chromgehalt bis zu 1,5% und Nickelgehalt bis maximal 3%. Legierungselemente (außer Kohlenstoff) < 5 % .
Description:
Schichtverbundwerkstoff und Verfahren zur Verbesserung der Oberflächenhärte von Schichtverbundwerkstoffen

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Schichtverbundwerkstoff gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1. sowie ein Verfahren zur Modifikation von Schichtverbundwerkstoffsystemen, insbesondere zur Verbesserung der Oberflächenhärte von solchen Systemen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6. Die Verwendung von Schichtverbundwerkstoffen bestehend aus Stahl mit einer Gleitschicht aus Gleitlagerwerkstoffen (z.B. AI- oder Cu-Basiswerkstoffe mit Weichphasen wie z. B. Zinn, Blei und/oder Wismut) für tribologische Anwendungen ist seit vielen Jahren bekannt. Zur Herstellung solcher Verbundsysteme haben sich klassische Verfahren wie Walzplattieren, Gießplattieren, Sintern oder Galvanisieren bestens bewährt, aber auch neue Verfahren wie Sputtern, Bedampfen oder Plasmabeschichten zählen zum Stand der Technik.

Alle diese Verfahren zur Herstellung solcher Schichtverbundwerkstoffe zeichnen sich dadurch aus, daß nach dem Beschichten des Trägerwerkstoffs Stahl mit einem Gleitwerkstoff entweder Umform- oder Oberflächenbearbeitungsprozesse nachgeschaltet werden. Dies ist beim Walzplattieren, Gießplattieren, Sintern und Plasmabeschichten üblich. Oft werden auch Formgebungsprozesse vor dem Aufbringen der endgültigen Laufschicht durchgeführt, wie dies beim Galvanisieren, Sputtern und Bedampfen der Fall ist. In keinem dieser Fertigungsprozesse zur Herstellung solcher Schichtverbundsysteme werden am endgültigen, sprich fertigen, Bauteil Veränderungen am Trägerwerkstoff Stahl mit dem Ziel durchgeführt, auch

ERSATZBUTT (REGEL 26)

diesen hinsichtlich seiner tribologischen Eigenschaften zu optimieren, so daß bei bestimmten Anwendungsfallen entsprechende Nachteile hinsichtlich der Funktionsfähigkeit oder der Standzeit des Bauteils auftreten. Im folgenden seien für diesen Sachverhalt zwei Beispiele angeführt:

Die im modernen Motorenbau eingesetzten Pleuellager bestehen aus Schichtverbundsystemen ähnlich dem Aufbau Stahl, Lagermetall und eventuell einer Drittschicht, die durch galvanische oder andere

Oberflächenbeschichtungsverfahren appliziert wird. In nahezu allen Fällen geht man von beschichtetem Bandmaterial aus, auf das die spätere Funktionsschicht durch Walzplattieren. Gießplattieren oder Sintern aufgebracht wird. Nach dem Beschichten durchläuft das Halbzeug mehrere Walz- und/oder Glühprozesse bis durch Umformprozesse wie Pressen oder Rollen die Lagerschale ihre endgültige Geometrie erhält.

Bei diesem Herstellungsverfahren werden meist unlegierte, kohlenstoffarme Stähle geringer Festigkeit eingesetzt. Die Gründe hierfür sind zum einen, daß die Lagerpreßvorgänge bei Substraten aus hochfesten Stählen technisch schwer zu beherrschen sind, und zum anderen, daß bei solchen Niedrigpreisprodukten Kostengesichtspunkte, d.h. Verzicht auf teurere Stähle, eine immer entscheidendere Rolle spielen. Bei der Herstellung solcher Teile kann auch nicht auf kaltverfestigtes oder oberflächengehärtetes Trägermaterial zurückgegriffen werden, da sich dessen höhere Ausgangshärte nicht über die einzelnen Fertigungsschritte (z.B. Glühungen des Halbzeuges) bis hin zum fertigen Lager erhalten läßt.

Im Zuge der immer weiter steigenden spezifischen Belastung solcher Bauteile durch Minimierung von Bauteilgröße (Gewichtsreduzierung und damit Kraftstoffeinsparung) und/oder den Bau immer leistungsfähigerer Motoren werden aber nicht nur höchste Anforderungen an die Lagermetallschicht selbst gestellt, sondern auch der Stahlrücken ist immer größeren Beanspruchungen

ausgesetzt. Treten z.B. infolge hoher Belastungen oder Drehzahlen geringfügige Relativbewegungen zwischen Lagerrücken und Pleuelstange auf, kann dies bei wenig verschleißbeständigen Stählen, wie sie heute verwendet werden, zu Verschleißerscheinungen in Form von Riefenbildung oder Aufbauten auf dem Lagerrücken führen. Die Folgen sind eine Verringerung des Traganteils und damit der Wärmeabfuhr und die Begünstigung von Ölkohlebildung. Diese Effekte einzeln oder in Kombination können zu Fehlfunktionen bis hin zum kompletten Ausfall des Lagers führen.

Als weiteres Beispiel seien hier sogenannte Steuerplatten oder -Scheiben angeführt wie sie in Radial- oder Axialkolbenmaschinen für hydraulische Pumpen und Motoren zum Einsatz kommen. Klassische Steueφlatten bestehen aus Verbundwerkstoffen, d.h. einem Stahlträger mit einer meist über Gießplattieren aufgebrachten Funktionsschicht aus typischen Lagermetallen wie z.B. CuPbSn-Legierungen.

Kommt es bei solchen Bauteilen unter hohen Lasten zu Relativbewegungen zwischen dem Stahlrücken der als Schichtverbundwerkstoff ausgelegten Steuerscheibe und dem gegenüberliegenden Maschinenteil kann dies zu Kaltverschweißungen zwischen der Steueφlatte und dem Gegenpart führen, d.h. zu Funktionsminderung des Tribosystems bis hin zum Komplettausfall.

Die DE-PS 688246 beschreibt ein Verfahren zum Härten von Lagerschalen aus Eisenlegierungen, wobei die Lauffläche der Lagerschale mittels eines Schweißbrenners behandelt wird und die die Lagerschale haltende Form gleichzeitig gekühlt wird. Bei diesem Verfahren wird lediglich die Gleitfläche beeinflußt.

Die DE-OS 2209148 betrifft ein Verfahren zur Energiestrahl- Umschmelzbehandlung, mit dem Veredeldungen von Werkstoffoberflächen durchgeführt werden. An eng begrenzten . untereinander nicht zusammenhängenden Oberflächenelementen wird die Oberfläche zur

Gefügeveränderung aufgeschmolzen und anschließend abgekühlt. Die im Einzelfall zweckmäßigen Formen und Anordnungen der umzuschmelzenden Oberflächenelemente eines Werkstücks oder Bauteils richten sich nach den jeweiligen Anwendungen und den dort auftretenden Beanspruchungen, Verschleißproblemen und dergleichen. Es wird aber nicht auf die Behandlung von Schichtverbundwerkstoffen oder noch spezieller von Schichtverbundwerkstoffen, deren Bestandteile niedrigschmelzende Metalle sind, wie sie Anwendung bei Gleitelementen finden, eingegangen.

Die EP 01 30 175 A2 beschreibt ein Gleitlager mit einer Stützschale und einer auf der Stahlschale aufgebrachten Lagermetallschicht, die über die Laufflächenbreite verteilte, sich zumindest im wesentlichen in Laufrichtung erstreckende Laufflächenzonen bildet, zwischen denen Zonen mit einer gegenüber der Lagermetallschicht unterschiedlichen Härte vorgesehen sind. Um die zwischen den Lagerwerkstoffen unterschiedlicher Härte bedingten Schwierigkeiten mit Sicherheit zu vermeiden, wird eine Wärmebehandlung durchgeführt. Hierbei wird mit Laser- und Elektronenstrahlen ein Einschmelzen von Legierungswerkstoffen im Bereich von sich in Laufrichtung erstreckenden Zonen durchgeführt.

Auch die EP 01 30 176 behandelt den Einsatz von Laser- und Elektronenstrahlen zur Verbesserung von Gleitlagern, aber auch hier erfolgt nur eine Behandlung der Lagermetallschicht.

Angesichts des hierin angegebenen und diskutierten Standes der Technik ist es mithin Aufgabe der Erfindung, einen Schichtverbundwerkstoff der eingangs genannten Art bereitzustellen, der über verbesserte mechanisch-technologische Eigenschaften verfügt, insbesondere eine verbesserte Oberflächenhärte des Stahlrückens aufweist. Verfahrenstechnisch liegt der Erfindung das Problem zugrunde, einen Schichtverbundwerkstoff für die Anwendung als Gleitelement bestehend aus Stahlstützköφer und Lagermetallfunktionsschicht, so zu

modifizieren, daß den an zwei Beispielen zuvor beschriebenen Nachteilen hinsichtlich der mechanisch-technologischen Eigenschaften des Gesamtsystems kostengünstig und wirkungsvoll begegnet werden kann, ohne, daß andere Eigenschaften des Bauteils negativ beeinflußt werden.

Diese sowie weitere nicht ausdrücklich wiedergegebene Aufgaben werden gelöst durch einem gattungsgemäßen Schichtverbundwerkstoff mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Weitere zweckmäßige Fortbildungen des erfindungsgemäßen Schichtverbundwerkstoffes sind Gegenstand der abhängigen Produktansprüche. Im Hinblick auf das Verfahren bietet der Gegenstand des Anspruchs 6 eine Lösung der genannten Probleme. Bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens der Erfindung werden in den auf Anspruch 6 rückbezogenen Unteransprüchen unter Schutz gestellt.

Dadurch, daß bei einem Schichtverbundwerkstoff mit Substratschicht aus Stahl und wenigstens einer darauf aufgebrachten Funktionsschicht aus Lagermetall, wobei das Substrat ein unlegierter oder niedriglegierter Stahl mit einem C- Gehalt von < 0,35% (wt/wt) ist und eine der oder den Funktionsschichten abgewandte Oberfläche aufweist, das Stahlsubstrat zumindest an Teilen der abgewandten Oberfläche eine um den Faktor 1 ,5 oder größer erhöhte Härte als in einer Tiefe aufweist, die etwa dem 0, 1 fachen der Dicke des Stahlsubstrats entspricht, wobei die Härte als Vickers Härte HV 0.01 gemessen und die Tiefe oder Dicke von der abgewandten Oberfläche mit erhöhter Härte ausgehend orthagonal in Richtung der Funktionsschicht(en) bestimmt wird, gelingt es auf nicht ohne weiteres vorhersehbare Weise, die Verschleißbeständigkeit des Trägermaterials zu verbessern, ohne die Eigenschaften der Funktionsschichten nachteilig zu beinflussen. Insbesondere dadurch, daß ausgewählte Bereiche des Trägermaterials (z.B. der Stahlrücken von Lagerschalen, die Rückseite von Steuerscheiben, bei Anlaufscheiben im Bereich von Bohrungen, etc. ) des Schichtverbundsystems mit hochenergetischen Strahlen behandelt werden, wobei die Temperaturführung derart gestaltet wird, daß eine Tiefenwirkung der

Strahlen bis maximal dem 0, 1 fachen der Gesamtdicke des Trägermaterials erzielt wird und der Temperaturanstieg im Bereich des Gleitmaterials maximal 80 % der Schmelztemperatur der niedrigstschmelzenden Konponente dieses Materials beträgt, wird die Rückseite des Stahlsubstrats nachträglich aufgehärtet.

In zweckmäßiger Ausführungsform weist die Substratschicht aus Stahl eine Dicke im Bereich von etwa 0,2-20 mm auf. Besonders bevorzugt liegt die Dicke des Substrats im Bereich von etwa 0,5-15 mm.

Die Stahlsubstratschicht eines erfindungsgemäßen Schichtverbundköφers ist aus unlegiertem oder niedriglegiertem Stahl.

Wenn sie aus unlegiertem Stahl ist, ist es bevorzugt, daß dieser einen C-Gehalt im Bereich von 0,03 bis 0,06 % (wt/wt) aufweist.

Ist sie aus niedrig legiertem Stahl, so weist dieser zweckmäßig einen

Kohlenstoffgehalt bis zu 0,35 %, einen

Mangangehalt bis zu 0,8 %, einen

Phosphorgehalt bis zu 0,035 % . einen

Schwefelgehalt bis zu 0,03 % , einen

Aluminiumgehalt bis zu 0, 1 %, einen

Siliciumgehalt bis zu 0,12 %, einen

Chromgehalt bis zu 1 ,5% und einen

Nickelgehalt bis zu 3 % auf, wobei die Summe der Legierungselemente (außer Kohlenstoff) < 5 % ist und sich alle Prozentangaben auf Gewichtsprozent (wt/wt) beziehen.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Verbesserung der Oberflächenhärte von Schichtverbundwerkstoffen, insbesondere von Gleitelementen, die eine Substratschicht aus unlegiertem oder niedriglegiertem

Stahl und wenigstens eine darauf aufgebrachte Funktionssschicht aus Lagermetall aufweisen, wobei die Substratsschicht eine der oder den Funktionsschichten abgewandte Oberfläche aufweist, durch Bestrahlung mit hochenergetischen Strrahlen, wie Laser- oder Elektronen-Strahlen, die relativ zu einer zu bestrahlenden Oberfläche bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die abgewandte Oberfläche zumindest in ausgewählten Bereichen bestrahlt wird, wobei die Strahlung so bemessen wird, daß ihre Tiefenwirkung höchstens 1/10 der Dicke der Substratschicht im jeweiligen Bereich erreicht und daß der durch die Strahlung verursachte Temperaturanstieg der Funktionsschicht nur maximal etwa 80 % der Schmelztemperaturen der am niedrigsten schmelzenden Komponente dieser Funktionsschicht ausmacht.

Die erfindungsgemäß angewendeten Verfahrensweisen bieten den Vorteil, daß die Wärmebehandlung am Fertigteil durchgeführt werden kann, wodurch der normale Fertigungsablauf der Gleitelemente in allen Teilschritten bestehen bleiben kann. Da es sich hierbei nicht um einen Umschmelzprozeß handelt, ist auch keine mechanische Nacharbeit (z. B. Schleifen, Drehen) der modifizierten Bereiche notwendig. Außerdem ist das Verfahren umweltverträglich. Andere die Verschleißbeständigkeit des Trägermaterials verbessernde Verfahren, wie z. B. Beschichtungsverfahren, scheiden entweder aus Kostengründen (Nacharbeit erforderlich) oder aus Temperaturgründen (Diffusionsverfahren wie Carburieren, Nitrieren) aus.

Dadurch, daß eine Gefügeveränderung des Trägerwerkstoffes nur bis zu einer maximalen Tiefe des 0, 1 fachen der Trägerwerkstoffdicke erfolgt, können auch dünne, verzugempfindliche Werkstücke behandelt werden. Auch bleibt das Gleitschichtmaterial bei dieser Wärmebehandlung unbeeinflußt.

Insbesondere, wenn das Gleitschichtmaterial niedgrigschmelzende Komponenten wie Zinn. Blei und/oder Wismut aufweist, darf keine zu große Temperaturbeiastung auftreten. Dies gilt insbesondere dann, wenn die der

modifizierten Trägerschicht benachbarte Funktionsschicht aus einer Aluminium-Zinn-Legierung (beispielsweise AlSn20Cu) oder Bleibronze (beispielsweise CuPb22SN) besteht. Aber auch Lagerlegierungen wie Aluminiumbronze (beispielsweise CuA18) oder Kupfer-Zink-Legierung (beispielsweise CuZn31Si) oder Zinnbronze (beispielsweise CuSnδ) dürfen keiner zu hohen Temperaturenbelastung ausgesetzt werden, wenn der hinsichtlich Gleiteigenschaften optimierte Gefügeaufbau nicht geschädigt werden soll.

Die eingetragene Flächenenergie liegt vorzugsweise bei 200-300 Wattsekunden pro cm 2 , insbesondere bei 250 Wattsekunden pro cm 2 , wobei die Verweilzeit des hochenergetischen Strahls auf der zu behandelnden Oberfläche des Trägermaterials bei 0,8 - 1,2 sec. vorzugsweise bei 1 sec liegt. Der Energieeintrag wird so gewählt, daß die Temperatur der zu behandelnden Oberfläche unterhalb der Schmelztemperatur des Trägermaterials liegt.

Der Energieeintrag wird über die Leistung der Elektronen- oder Laserkanone und/oder über die Vorschubgeschwindigkeit des Strahles gesteuert, wobei auch hier wieder die Bedingungen im Hinblick auf Tiefenwirkung und Temperaturanstieg erfüllt sein müssen.

Um eine flächendeckende Wärmebehandlung zu erzielen wird der hochenergetische Strahl längs vorgegebener Bahnen über die zu behandelnde Oberfläche geführt, wobei der Abstand der Bahnen kleiner als der Durchmesser des Focus des Strahles gewählt wird. Hierbei kann entweder das Gleitelement unter dem Strahl bewegt werden oder aber der Strahl wird über das Gleitelement geführt. Der hochenergetische Strahl kann auch vorzugsweise rasierförmig über die zu behandelnde Oberfläche geführt werden.

Die Abkühlung erfolgt vorzugsweise über den Effekt der Selbstabschreckung, d.h. durch Wärmeableitung in das Bauteil innere, kann aber auch mit flüssigem

Stickstoff durchgeführt werden, derart, daß direkt nach Behandlung mittels hochenergetischer Strahlen das Bauteil komplett in flüssigen Stickstoff eingetaucht wird, so daß ein Abschreckeffekt herbeigeführt wird.

Die Wärmebehandlung kann mittels unterschiedlichen Energieeintrags und/oder Vorschubs der hochenergetischen Strahlung auf der zu behandlenden Oberfläche derart gesteuert werden, daß während eines Behandlungsprogramms Bereiche, die einer höheren tribologischen Beanspruchung unterliegen, intensiver aufgehärtet werden als Bereiche, die einer geringen tribologischen Beanspruchung unterliegen. Es ist auch möglich, lediglich ausgewählte Bereiche des Gleitelementes mit der hochenergetischen Strahlung zu behandeln und lediglich dort eine Härtesteigerung herbeizuführen.

Vorzugsweise wird ein Trägermaterial aus un- und/oder niedriglegiertem Stahl wärmebehandelt. Im Fall des unlegierten Stahls wird vorzugweise ein solcher mit einem Kohlenstoffgehalt von maximal 0, 1 %, vorzugsweise von 0,03 bis 0,06% wärmebehandelt. Überraschenderweise haben Versuche an Stahl- Lagermetallverbunden gezeigt, daß bei Stählen mit solchen Kohlenstoffgehalten (ohne weitere nennenswerte Legierungselemente) mittels eines Elektronenstrahls eine deutliche Aufhärtung der Stahloberfläche herbeigeführt werden kann. Die Härte konnte um 150 - 180% gesteigert werden.

Wenn niedrig legierte Stähle zum Einsatz kommen, so weisen diese vorzugsweise folgende Zusammensetzung auf: Kohlenstoffgehalt bis zu 0.35%, Mangangehalt bis zu 0,8%. Phosphorgehalt bis zu 0,035 % , Schwefelgehalt bis zu 0,03% . Aluminiumgehalt bis zu 0,1 %, Siliciumgehalt bis zu 0, 12%, Chromgehalt bis zu 1.5% und Nickelgehalt bis zu 3% . Durch die Vielseitigkeit des Behandlungsverfahrens, besonders durch die exakte Steuerbarkeit der verwendeten Energiestrahlung hinsichtlich ihrer lokalen Wirksamkeit und/oder der gewünschten Härtetiefe, ist das Anwendungsfeld nicht nur auf Verbundwerkstoffe, wie z.B. Gleitlager

beschränkt. Es können vielmehr auch andere tribologisch beanspruchte Motorenbauteile (Anlaufscheibe, Buchsen) oder Gleitelemente allgemein einer Optimierung des Trägerwerkstoffes unterzogen werden.

Beispielshafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 die perspektivische Darstellung einer Gleitlagerschale, die auf ihrer Rückseite mittels eines hochenergetischen Strahls wärmebehandelt wird,

Figur 2 einen Schnitt längs der Linie II-II durch die in Figur 1 gezeigte Gleitlagerschale,

Figur 3 ein Diagramm, das den Härteverlauf eines kohlenstoffarmen Stahls als Funktion der Tiefe zeigt und

Figur 4 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen

Schichtwerkstoff in Vergrößerung.

In der Figur 1 ist eine Gleitlagerschale 1 dargestellt, die ein Trägermaterial 3 aus unlegiertem Stahl aufweist, die an ihrer Innenseite mit einem Lagermaterial 2 beschichtet ist. Die Rückseite des Trägermaterials 3 wird mittels eines Elektronenstrahls 5. der in einer Elektronenkanone 6 erzeugt wird, wärmebehandelt. In der hier gezeigten Ausführungsform befindet sich die Lagerschale 1 in Ruhe und der hochenergetische Strahl 5 wird längs der Bahnen 4 über die Rückseite des Trägermaterials 3 geführt. In der Figur 1 ist der Abstand der Bahnen 4 aus Gründen der Übersichtlichkeit beabstandet dargestellt. Tatsächlich liegen die Bahnen jedoch so dicht, daß sie sich - wie in der Figur 2 dargestellt ist - überschneiden. Da die Bahnbreite durch die Focusfläche 7 definiert wird, ist der Abstand der Bahnen 4 kleiner gewählt als

der Focusdurchmesser. Es ist deutlich zu sehen, daß die Wärmebehandlung sich nur in einem Teilbereich des Trägermaterials 3 erstreckt, so daß das Lagermaterial 2 von dieser Wärmebehandlung unbeeinflußt bleibt.

In der Figur 3 ist der Härteverlauf eines elektronenstrahlenbehandelten kohlenstoffarmen Stahles als Funktion der Tiefe dargestellt. Der Stahl wies 0.05 % Kohlenstoff und 0,25 % Mangan auf. Die eingetragene Flächenenergie lag bei 250 Wattsekunden pro cm 2 bei einer Behandlungszeit von etwa 1 Sekunde. Deutlich ist in diesem Diagramm erkennbar, daß hierbei ein Härteunterschied von 150 bis 200 HV 0,01 zwischen der Oberfläche und dem Bulkmaterial erzielt wurde. Es wurden mehrere Proben untersucht, wobei sich bei allen Proben derselbe Kurvenverlauf zeigte.

In Figur 4 erkennt man, daß es an derjenigen Oberfläche 3a des Trägermaterials 3, die nicht mit der Funktionsschicht 2 verbunden ist, in folge der erfindungsgemäßen Behandlung zu einer Aufhärtung 4a durch Anreicherung von Kohlenstoff im behandelten Bereich 4a kommt. In den unbehandelten Bereichen 4b des Trägers 3 ist die Härte (Kohlenstoffgehalt) im wesentlichen unverändert, verglichen mit dem Zustand vor Einwirkung von hochenergestischen Strahlen 5 auf die Oberflächenbereiche 4a.

Mit D ist in Figur 4 die Dicke oder gesehen aus Richtung der nicht mit der Funktionsschicht und daher dieser abgewandten Oberfläche 0 auch die Tiefe der Stahlsubstratschicht bezeichnet. Zur Bestimmung der Aufhärtung wird die Vickers Härte an der Oberfläche 0 im bestrahlten Bereich 4a gemessen, sowohl am Messpunkt M 1 als auch in der Tiefe 0,1 D am Meßpunkt M2. Ausgehend von Ml wird M2 erreicht, indem man lotrecht von Ml 0,1 D in Richtung Funktionsschicht geht. Die Differenz M1-M2 entspricht der Aufhärtung.

Bezugszeichenliste :

1 Lagerschale. Verbundwerkstoff

2 Lagermaterial, Funktionsschicht

3 Trägermaterial, Substratschicht aus Stahl

3 a Oberfläche des Trägermaterials

4 Behandlungsbahn

4a behandelte Bereiche mit Anreicherung des Kohlenstoffs

4b unbehandelte Bereiche

5 hochenergetischer Strahl

6 Strahlenkanone

7 Focus