DE19654953A1 - Schichtwerkstoff für Gleitelemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schichtwerkstoff für Gleitelemente, der mindestens einen Stützkörper und eine Laufschicht mit galvanisch abgeschiedenem Matrixmaterial aus SnCuNi, PbSnCu, PbSn, Sn, SnCu oder CuSn aufweist, wobei in das Matrixmaterial Hartteilchen eingelagert sind.

Unter Gleitelementen werden alle Arten von Lagerschalen sowie u. a. Kolben und Kolbenringe verstanden. Laufschichten von Schichtwerkstoffen für Gleitelemente werden meist durch Galvanisierung in entsprechenden Elektrolytbädern hergestellt.

Die mit den bekannten Bädern hergestellten Laufschichten, insbesondere Ternärschichten, zeigen z. T. erhebliche Dickenschwankungen, die u. U. eine mechanische Nachbearbeitung der Gleitelemente erforderlich machen. Außerdem ist das Zinn in der Laufschicht nicht gleichmäßig verteilt, so daß es zu Anhäufungen und grobkristallinen Abscheidungen, sogenannten Zinnagglomerationen, kommt. Diese inhomogene Struktur der Laufschicht begünstigt die Diffusion, die bei stärkerer Erwärmung des Gleitelementes im Betrieb auftritt, so daß derartige Laufschichten nur auf einer Zwischenschicht, wie z. B. eines Nickeldamms aufgebracht werden können, der die Zinndiffusion in die darunterliegende Bleibronzeschicht verhindert, wie beispielsweise in E. Römer, "Werkstoff und Schichtaufbau bei Gleitlagern", Sonderdruck aus ZFW, Zeitschrift für Werkstoff Technik, Jahrgang 4, Heft 7, Verlag Chemie Weinheim/Bergstraße 1973 beschrieben wird. Nur durch diese zusätzliche Maßnahme konnte bisher die Korrosionsfestigkeit verbessert und Ablösungserscheinungen der Laufschicht vermieden werden, die zu Lagerschäden führen können. Darüber hinaus ist die Härte dieser bekannten Laufschichten und somit die Verschleißfestigkeit nicht zufriedenstellend.

Die DE 40 36 835 A1 beschreibt einen zusammengesetzten Plattierungsfilm für Gleit- bzw. Schiebelemente, dessen Matrixmaterial aus Blei besteht.

In dieser Blei- bzw. Bleilegierungsmatrix sollen anorganische Teilchen eingelagert sein, wobei u. a. BN, Si₃N₄, SiC, TiC usw. genannt werden. Die Größe der Teilchen soll 15 µm oder weniger betragen, wobei als bevorzugt 10 µm genannt werden. Obwohl auch der Hinweis "und darunter" zu finden ist, werden Hartteilchen <2 µm nicht in Betracht gezogen, wie die erfindungsgemäßen Beispiele in der Tabelle 1 zeigen. Dort werden nur Größen von 5 bzw. 10 µm genannt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung einen Schichtwerkstoff bereitzustellen, der hinsichtlich der Verschleißfestigkeit, Härte und Verschleißwiderstand verbessert ist.

Diese Aufgabe wird mit einem Schichtwerkstoff gelöst, der Hartteilchen mit einem Durchmesser < 2 µm aufweist und bei dem sowohl die Hartteilchen als Einzelpartikel als auch das Zinn als feinkristalline Abscheidung in vollständig homogener Verteilung im übrigen Matrixmaterial vorliegen, wobei der Hartteilchen-Anteil 2 bis 20 Vol.-% beträgt.

Die Angabe <2 µm bedeutet, daß diese Durchmesserangabe auf mindestens 95% der verwendeten Hartteilchen zutrifft.

Die feinkristalline Abscheidung des Zinns in vollständig homogener Verteilung bedeutet, daß keine lokalisierbaren Zinnverballungen mehr vorliegen. Das feinverteilte Zinn ist in elektronenmikroskopischen Aufnahmen mit bis zu 1000facher Vergrößerung nicht als Partikel mit definiertem Durchmesser identifizierbar. Dadurch gibt es in der Laufschicht weniger Gitterfehler und keinen Einbau von störenden Fremdatomen, so daß die Packungsdichte weitaus höher ist als bei bekannten Laufschichten. Daraus resultiert auch eine größere Härte der Laufschicht.

Bei den Hartteilchen handelt es sich vorzugsweise um Karbide, Oxide, Boride, Nitride, Silicide oder Silizium. Eine Übersicht über die bevorzugten Hartteilchen wird in der nachfolgenden Tabelle gegeben:

Einzulagernde Feststoffe (Hartstoffpartikel)

Karbide: SiC, B₄C, Cr₂₃C₆, TaC, TiC, WC, ZrC
Oxide: Al₂O₃, Cr₂O₃, Fe₂O₃, SiO₂, TiO₂, ZrO₂
Nitride: BN(hexagonal), BN (kubisch), Si₃N₄, AlN
Boride: Cr₃B₂, TiB₂, TaB₂
Silicide: TaSi₂, Fe₄Si₃

Durch den Einbau von Hartteilchen mit einem Durchmesser von < 2 µm werden in der Laufschicht Härten von 10 bis 50 HV erreicht.

Weiterhin wurde festgestellt, daß die Diffusion des Zinns, die während des Betriebs der aus solchen Schichtwerkstoffen hergestellten Gleitlagern üblicherweise aufgrund der Temperaturerhöhung auftritt, weit weniger oder gar nicht zu beobachten ist. Auch dieser vorteilhafte Effekt ist auf die feinkristalline Abscheidung des Zinns sowie auf die als Einzelpartikel in vollständig homogener Verteilung vorliegenden Hartteilchen zurückzuführen, die offensichtlich die Beweglichkeit des Zinns so weit einschränken, daß nur geringe oder gar keine Diffusionseffekte auftreten können. Es kann somit auf eine Zwischenschicht, wie z. B. einem sogenannten Nickeldamm verzichtet werden. Wenn die Laufschicht die Ternärschicht eines Mehrschichtwerkstoffes bildet, kann sie vorzugsweise direkt auf der Sinterschicht, insbesondere einer Blei-Bronze-Schicht aufgebracht werden.

Beispielhafte Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a, b elektronenmikroskopische Aufnahmen eines Schichtwerkstoffes nach dem Stand der Technik und gemäß der Erfindung.

Fig. 2a, b zwei Diagramme, die die Oberflächenrauhigkeit einer Laufschicht nach dem Stand der Technik und gemäß der Erfindung darstellen.

In den Fig. 1a und 1b sind zwei Schliffbilder dargestellt, wobei die Fig. 1a einen Schichtwerkstoff nach dem Stand der Technik und die Fig. 1b einen solchen gemäß der Erfindung zeigt.

In der Fig. 1a ist ein Schichtwerkstoff 1a dargestellt, der aus einem Stahlrücken 2a, einer Blei-Bronze-Schicht 3a, einem Nickeldamm 4a und einer Ternärschicht 5a besteht. Die Ternärschicht besitzt die Zusammensetzung PbSn14Cu8 mit Einlagerungen von α-Al₂O₃-Dispersoiden 8a, die in der Ternärschicht 5a im wesentlichen in Form von Agglomeraten 7a vorliegen. Diese Ternärschicht wurde mit einem fluoroborathaltigen Galvanisierbad hergestellt. Ferner sind in der Ternärschicht deutlich Zinnanhäufungen 6a zu sehen. Insgesamt besitzt die Ternärschicht 5a eine inhomogene Struktur und eine rauhe Oberfläche.

In der Fig. 1b ist ein Schichtwerkstoff 1b gemäß der Erfindung dargestellt. Auf dem Stahlrücken 2b befindet sich ebenfalls eine Blei-Bronze-Schicht 3b, auf der unmittelbar, also ohne Nickeldamm, die Ternärschicht 5b aufgebracht ist, deren Matrixmaterial aus PbSnCu entsprechend dem Matrixmaterial der Ternärschicht 5a in Fig. 1a besteht. In der hier dargestellten tausendfachen Vergrößerung ist das Zinn deutlich als feinkristalline Abscheidung in homogener Verteilung zu sehen und auch die Hartteilchen 8b, die einen Durchmesser < 2 µm aufweisen, liegen nicht mehr in Form von Agglomeraten sondern als Einzelpartikel in homogener Verteilung in der Ternärschicht 5b vor.

Insgesamt zeigt die Ternärschicht 5b einen guten Verbund und auch nach einer Wärmebehandlung bei 170°C über 1000 Stunden war keine Zinndiffusion festzustellen. Die Härte dieser Ternärschicht 5b liegt bei 38 HV.

In den Fig. 2a und 2b ist die Oberflächenrauhigkeit der in den Fig. 1a und 1b dargestellten Schichtwerkstoffe aufgetragen. Es ist deutlich zu sehen, daß die in Fig. 2a dargestellte Oberflächenrauhigkeit, die sich auf den Schichtwerkstoff gemäß Fig. 1a bezieht, weitaus größer ist als die in der Fig. 2b. Die mittlere Rauhigkeit lag bei der in Fig. 2a gezeigten Kurve bei RZ 4,375 µm und bei der in Fig. 2b gezeigten Kurve bei RZ 3,225 µm.

Eine beispielhafte Badzusammensetzung für das System PbSnCu-α-Al₂O₃ sieht wie folgt aus:

Gesamtmenge 250 l
Pb	50-100 g/l	Sn|6-20 g/l
Cu	2-16 g/l
freie Methansulfonsäure	100-160 g/l
Netzmittel N	40-100 ml/l
Netzmittel L	5-25 ml/l
Netzmittel auf der Basis Polyglykolether	0,01-0,5 g/l

Netzmittel N bezeichnet ein Netzmittel auf der Basis Alkylarylpolyglykolether und Netzmittel L einen Zusatz, der außer der 30% Karbonsäure bis zu einem Drittel Arylpolyglykolester und/oder Alkylarylpolyglykolether aufweist, wobei der Rest aus Wasser besteht. Diese Netzmittel werden beispielsweise unter dem Handelsnamen BN 160308 Stannosar HMB bzw. BN 160309 Stannosar HMB der Fa. Blasberg/Solingen vertrieben.

Der Feststoffanteil an α-Al₂O₃ wurde im Elektrolyten in mehreren Schritten von 20-100 g/l gesteigert, wobei die jeweilige Konzentration im Galvanisierbad während des Galvanisiervorgangs konstant gehalten worden ist. Das Ergebnis ist in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt.

Bei einem konstanten Angebot von 100 g/l an Hartteilchen konnte in die Ternärschicht ein Anteil von 9,7 Vol.-% eingebaut werden, was nach dem Verfahren gemäß dem Stand der Technik nicht möglich ist. Der Durchmesser der verwendeten Hartteilchen lag unter 2 µm.

Am System PbSn14Cu8 wurden Härtemessungen und Verschleißuntersuchungen durchgeführt. Ohne Hartteilchen lag die Härte der Ternärschicht bei 22 HV. Bei einem Anteil von 4,8 Vol.-% Al₂O₃ konnte die Härte auf 37 HV gesteigert werden.

Bei einer Laufzeit von 130 h mit einer spezifischen Belastung von 65 MPa wurde bei dem System PbSnCu ohne Hartteilchen ein Verschleiß von 0,001 mm festgestellt. Wenn die spezifische Belastung auf 80 MPa gesteigert wurde, trat bereits nach einer Laufzeit von 60 h ein Verschleiß von 0,004 mm auf.

Im Gegensatz dazu zeigte das System PbSnCu mit Al₂O₃-Hartteilchen keinerlei Verschleiß.

Bezugszeichenliste

1a, b Schichtwerkstoff
2a, b Stahlrücken
3a, b Blei-Bronze-Schicht
4a Nickeldamm
5a, b Ternärschicht
6a Zinnanhäufungen
7a Agglomerate von Hartteilchen
8a, b Hartteilchen

Claims (3)

1. Schichtwerkstoff für Gleitelemente, der mindestens einen Stützkörper und eine Laufschicht mit galvanisch abgeschiedenem Matrixmaterial, aus SnCuNi, PbSn, SnCu PbSnCu oder CuSn aufweist, wobei in das Matrixmaterial Hartteilchen eingelagert sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die Hartteilchen einen Durchmesser <2 µm aufweisen und
daß sowohl die Hartteilchen als Einzelpartikel als auch das Zinn als feinkristalline Abscheidung in vollständig homogener Verteilung im übrigen Matrixmaterial vorliegen, wobei der Hartteilchenanteil 2-20 Vol.-% beträgt.

2. Schichtwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Hartteilchen um Karbide, Oxide, Boride, Nitride, Silicide oder Silizium handelt.

3. Schichtwerkstoff nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Laufschicht die Ternärschicht bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschicht ohne Zwischenschicht auf einer Sinter-Schicht aufgebracht ist.