DE102007049042A1 - Slide bearing with sliding layer and inlet layer - 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.Sliding bearing comprising a bearing back (5), a running layer (4), a diffusion barrier layer (3), a sliding layer (2) and a running-in layer (1), characterized in that the sliding layer (4) is formed by an Al / Bi alloy which has a Bi content of 1.5-21.5 wt% Bi, and the run-in layer is formed of Bi or a Bi alloy having a Bi content above 90 wt%.
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.The Invention relates to plain bearings, in particular for connecting rods, Main bearings, camshaft bearings, exhaust gas turbocharger bearings or bearing blocks of internal combustion engines, comprising a bearing back, a running layer, a diffusion barrier layer, a sliding layer and an inlet layer, wherein the sliding layer by an Al / Bi alloy and the inlet layer are formed by a Bi alloy and their production process, wherein at least the diffusion barrier layer, the Bi and the Al / Bi layers be sputtered.
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.in the Engine housing and connecting rods of internal combustion engines work at different points rotating shafts, such as crankshaft, Camshaft, rocker arm shaft or balance shaft. Support sliding bearing these off. The demands on the plain bearings are rising steadily, in particular by increasing the ignition pressures of up to 200 bar. In addition, the specific engine power increased, the sizes reduced and the space continuously reduced for the bearings. At the same time the oil change intervals for new engine designs successively extended.
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.conventional Two- and three-layer bearings, their running layers applied galvanically are already reaching their limits, as these are Bearing insufficient fatigue strength and wear resistance, especially in mixed friction range. Likewise at higher temperatures improved corrosion resistance to be guaranteed.
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.recent Developments go to three-component bearings where run coating is not is applied by electroplating, but instead by sputtering. They consist of the steel support shell, a running layer, a barrier layer and the sliding layer.
Aus
der
Aus
der
Aus
der
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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.It has been shown that the known heavy-duty sliding layers In the field of mixed friction still need to be improved. This is especially due to an unfavorable run-in behavior attributed to the moving parts. While the first commissioning in the newly manufactured motor vehicle engines may be due to uneven lubrication Tribological stresses occur, some of them too sustainable Damage to the sliding layers can lead.
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.It is therefore an object of the invention, heavy-duty sliding layers on To provide bearings in engines that in mixed friction, in particular at first startup or when running in, an improved Have behavior and to identify suitable methods such To produce bearings.
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.The The object is achieved by a sliding bearing comprising a bearing back, a running layer, a diffusion barrier layer, a sliding layer and an inlet layer, wherein the sliding layer is formed by an Al / Bi alloy, which has a Bi content of 1.5-21.5 wt .-% Bi and the run-in layer of Bi or a Bi alloy with a Bi content above 90 wt .-% is formed, with the features of the claim 1.
Eine
weitere erfindungsgemäße Lösung stellt
eine Verfahren dar, bei dem sowohl die Diffusionssperrschicht (
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.Especially advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Die Erfindung wird unter zu Hilfenahme einer schematischen Abbildung näher erläutert.The The invention will be described with the aid of a schematic illustration explained in more detail.
Dabei zeigt:there shows:
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.From special importance for the invention is thus, the combined Use of Bi in overlay and run-in layer. While the Bi in the sliding layer as an alloying component of an Al / Bi alloy with a Bi content of 1.5-21.5 wt .-% occurs is the Enema layer essentially a bi-layer whose bi-content above 90% by weight.
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.The Good tribological properties of the sliding layer arise from a combination of metal matrix of an Al alloy with a disperse phase of Bi or a refractory Bi alloy. The Bi forms because of its low solubility Precipitates in the main metal component Al. These monotectic Bi / Al alloys belong to the class of immiscible alloys, the means in the molten state there is one Range of compositions by the involved components are immiscible. Will the bearing layer of the invention formed or deposited at elevated temperatures and cooled down very quickly, so it forms a very fine structure with a defined disperse phase of Bi or Bi alloy out.
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.The softer bi-phase contributes significantly to lubricating Effect of the alloy, while the Al, the sliding layer protects against tribological destruction, resp. counteracts the removal of the sliding layer. In rising or however, too high an amount of Bi, the slip layer is increasingly losing Stability and is the requirements of the high loads no longer up to it.
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.Surprised has been shown that the required Bi content in the overlay when using a run-in layer of Bi opposite noticeably lower the known Al / Bi alloys. The High tribological load in the run-in phase is virtually through the pure bi-inlet layer intercepted. After running in will the sliding surface essentially only through the Sliding layer formed, which now has a comparatively lower Bi content, or higher Al content has.
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.In Another preferred embodiment of the invention comprises the Al / Bi alloy the sliding layer has a Bi content of 2-10 wt .-% Bi and the Bi alloy of the inlet layer has a Bi content above 98% by weight.
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.Especially Preferably, the Al / Bi alloy of the sliding layer is at a Bi content from 3-7% by weight. The running-in layer is particularly preferred made of pure Bi.
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 Al / Bi alloy can be used as further alloy components in particular Cu or Sn contained. Preferred is an Al / Bi alloy with 0.1 to 5 wt .-% Cu.
In weiterer bevorzugter Weiterentwicklung der Al/Bi-Legierungen enthalten diese einen Si-Anteil von 0,5 bis 5 Gew.-%.In further preferred development of Al / Bi alloys included this is an Si content of 0.5 to 5 wt .-%.
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.at the formation of the disperse phase, it is important in which Particle size are the dispersoids of Bi. On the one hand, the dispersoids have a certain size have to exert their mechanical effect in the sliding systems on the other hand, they must not be too big so that one can arise in homogeneous material. The cheap Particle size of the dispersoids is in the range from about 50 nm to 1 μm. Preferred is the essential Proportion of Bi or Bi alloy so finely distributed, that light microscopic no primary phases are recognizable and they behave X-ray amorphous, that is not by X-ray diffraction examination are more detectable. It is preferable that the sliding layer a gas phase coating, in particular a sputtering layer.
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.The Layer thicknesses of the sliding layer is typically in the range of few μm up to several 100 μm. Especially preferred a layer thickness in the range of 5 to 20 microns is set.
Im Vergleich hierzu weist die Laufschicht bevorzugt eine Dicke im Bereich von 0,5 bis 10 μm, insbesondere 1–6 μm auf.in the In comparison, the running layer preferably has a thickness in the range from 0.5 to 10 .mu.m, in particular 1-6 microns on.
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.A particularly suitable coordinated stratification is through a sliding layer with a thickness of 6-15 microns and an inlet layer of 2-4 μm.
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.In a further preferred embodiment, the inlet layer is a PVD (physical vapor deposition) deposited or sputtered coating. It has surprisingly been found that for the Inlet layer a comparatively hard and well-adherent Bi-layer is particularly suitable. In contrast, soft inlet layers are rather unsuitable, especially for the high loads when entering. Sputtered Bi layers are distinguished from the alternatively available by electrodeposition layers by significantly higher material strengths and better adhesion to the underlying layers. This also applies to the usual PVD methods.
Für
höchstbelastete Lager, beispielsweise im Nutzfahrzeugbereich
wird das Gleitlager in der Regel aus einem Lagerrücken
(
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.To the most suitable bearing metals are in particular Cu / Ni, Cu / Sn / Bi alloys or bronzes. With the bearing shellless Storage is preferably thermal sprayed coatings, for example, LDS layers.
Oberhalb
der Gleitschicht ist eine Diffusionssperrschicht (
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.Possibly can on the inlet layer a from corrosion and damage protective coating may be arranged. It has been shown that the very thin sputter layers are easy to handle to be damaged. By storage or improper Handling, the metallic layers can also corrode. A further embodiment therefore provides that the Running-in layer with a paint or a plastic coating is provided.
Die Gleitlager werden bevorzugt bei Pleueln, Hauptlagern, Nockenwellenlagern, Turbolader-Lagern oder Lagerstühlen von Verbrennungsmotoren eingesetzt.The Plain bearings are preferred for connecting rods, main bearings, camshaft bearings, Turbocharger bearings or storage chairs used by internal combustion engines.
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.In further embodiment, the respective bearings depending on Stress locally be differently structured. It can Bearing pairs are formed from the invention Slide bearing and a conventional three-ball bearing. Just at the more heavily loaded site then the inventive Sliding bearing used, while compared to the softer Bearings, especially a three-ball bearing is used. For example is at the connecting rod bearing the sliding bearing according to the invention mounted in the direction of the rod, the three-point bearing towards the bearing cap. At the Main bearing is the sliding bearing according to the invention in the bearing cap, the three-part bearing is inserted in the direction of the engine block.
Zu den erfindungsgemäß besonders geeigneten Verfahren zur Herstellung der Schichten gehören die Sputterverfahren, häufig auch als Kathodenzerstäubungsverfahren bezeichnet sowie auch PVD-Verfahren.To the method particularly suitable according to the invention for the production of the layers belong the sputtering method, often also as a sputtering process referred to as well as PVD method.
Ein
erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des
Gleitlagers sieht vor, dass sowohl die Diffusionssperrschicht (
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 (
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.The Sputtering processes have the advantage that the formation of a melt phase the deposited components is essentially omitted and the deposited particles are quasi mixed at the atomic level. During the tribological use of plain bearings occurs then recrystallization.
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.With regard to the different material layers deposited after each other, sputtering is very well suited for designing comparatively flat material transitions. It is advantageous that the layers of material do not merge abruptly, but flow into one another. This will become Materialgradienten formed at least in the transition region between the individual material layers. This procedure leads to very good interlaminar layer adhesion, which is considerably higher, for example, compared to galvanic deposition, in particular the inlet layer of Bi.
Bevorzugt
werden sowohl die Diffusionssperrschicht (
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.The sputtered layers stand out against the alternative layers obtainable by means of electrodeposition also by significantly higher material strengths. This is especially for the inlet layer of Bi alloy significant. Here are the strengths typically at 5 to 10 times higher than galvanic layers.
Die
Laufschicht (
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.On the steel shell, the running layer is preferably melted or sintered. On the bearing component, the overlay is preferred applied by thermal spraying. This is in particular the arc wire spraying (LDS) suitable.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - DE 102004055228 A1 [0005, 0006] - DE 102004055228 A1 [0005, 0006]
- - DE 102005050374 A1 [0007] DE 102005050374 A1 [0007]
- - WO 2006120025 A1 [0008] WO 2006120025 A1 [0008]
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