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WO2017127859A1 - Verfahren zur abscheidung einer schicht auf einem gleitlagerelementrohling - Google Patents

Verfahren zur abscheidung einer schicht auf einem gleitlagerelementrohling Download PDF

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WO2017127859A1
WO2017127859A1 PCT/AT2017/060012 AT2017060012W WO2017127859A1 WO 2017127859 A1 WO2017127859 A1 WO 2017127859A1 AT 2017060012 W AT2017060012 W AT 2017060012W WO 2017127859 A1 WO2017127859 A1 WO 2017127859A1
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WO
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gas
layer
target
grain
refining
Prior art date
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PCT/AT2017/060012
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English (en)
French (fr)
Inventor
Johann Nagl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Miba Gleitlager Austria GmbH
Original Assignee
Miba Gleitlager Austria GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Miba Gleitlager Austria GmbH filed Critical Miba Gleitlager Austria GmbH
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    • F16D69/02—Composition of linings ; Methods of manufacturing
    • F16D69/027—Compositions based on metals or inorganic oxides

Definitions

  • the invention relates to a method for depositing a layer on a Gleitlagerele- ment blank from the gas phase in a process gas, according to which the layer of one or more targets, which or comprises a metal combination with a metallic base member or consists thereof, by at least partial sputtering of the target and then depositing the atomized target components on the slide bearing blank.
  • the invention relates to the application of the method.
  • the invention relates to a target for depositing a layer on a slide bearing blank of the gas phase comprising a sintered composition of metallic see components or a target for depositing a layer on a Gleitlagerele- ment blank from the gas phase comprising a composition of metallic components.
  • Coarse grained sputtered layers tend to have increased layer wear, high diffusion and loss of hardness under the influence of heat, especially when they are tin-based.
  • grain-refining elements have proved to be an effective means, as is customary for alloys, if this property is desired.
  • the grain refining elements are usually metals.
  • Such a method is described, for example, in WO 2009/046476 Al, according to which on a support element a sliding layer by vapor deposition, optionally after the arrangement of at least one intermediate layer is produced, wherein the sliding layer comprises an aluminum matrix, in addition to aluminum bismuth as the main component and optionally copper are included.
  • the grain-refining metal should have a melting point that is at least 950 ° C higher than that of bismuth.
  • the grain refining can also be achieved by increasing the bismuth germ density by applying a bias voltage to the support element.
  • the coarseness of the sputtering layer can also have positive properties. The concomitant lower hardness gives the sliding bearing element thus provided better adaptation properties in the running-in phase of the sliding bearing.
  • the present invention has for its object to improve the property profile of a sliding bearing element, which is provided with a layer produced by a vapor deposition method.
  • This object of the invention is achieved with the method mentioned, in which at least one target is used which has at least one grain-refining constituent in the form of a gas and / or a chemical compound of this gas and / or in which a process gas is used, which is the grain-refining gas is added.
  • the object of the invention is achieved in that the layer deposited from the gas phase is used for smoothing the surface of a sliding bearing blank or a sliding bearing element.
  • the object of the invention is achieved by a target which can be used in said process and in which gas-filled cavities are formed in the sintering composition or in which the composition of the target comprises at least one chemical compound of a metal and a gas.
  • the advantage here is that deposited by a relatively simple intervention in the process flow from the gas phase layers can be generated, which are coarser in the area of the tread, ie that surface which is in sliding contact with another component, and in the field the further layer underlying this layer is more fine-grained relative to the coarse-grained region of the layer. On the one hand, this improves or even maintains the improved ability to run in of the slide bearing element produced therewith. On the other hand, the layer also has a good mechanical strength, which is due to the fine grain. Thus, these finer-grained sublayers provide support for the overlying coarser sublayers.
  • the method can also be carried out so that the sub-layers are formed in the area of the tread fine-grained, so the Komfeinung is also used in the tread area. It can thus the thermal stability of the excreted from the gas phase layer can be improved.
  • the method can also be used to level a rough surface of the plain bearing element blank with the layer. It can be compensated defects of the rough surface.
  • conventional sputter layers form the roughness of the substrate, which results, for example, from the mechanical processing of the surface of the sliding bearing element blank, so that the running surface is accordingly correspondingly rough. Due to the reduced roughness of the tread, inter alia, a reduction of wear and the resulting friction losses in the engine during operation of the sliding bearing element can be achieved.
  • the advantages mentioned can be achieved.
  • the process management can be simplified, since a separate / own Zuszusi- solution of the gas in the process gas is not required.
  • the chemical compound is formed from the gas with the base element of the target.
  • the proportion of the grain-refining substance and / or the atomized grain-refining portion of the target can be varied over the time of deposition of the layer, wherein according to a preferred embodiment, the proportion of the grain-refining substance and / or the atomized grain-refining portion of the target is reduced over the time of deposition of the layer.
  • the target is produced by sintering technology with cavities, wherein in the cavities the at least one gas is stored. Since the sintering technique usually leads to targets which have lower densities compared to solid materials, the cavities formed therein can be used for the provision of the gas in the coating process. The gas can thus be easily incorporated into the coating process without additional expenditure on equipment and is also simpler to regulate or control the process.
  • tin is used as the base element of the target, since in the course of the evaluation of the invention it has been found that tin base layers show the above-mentioned effects more intensively.
  • SnCh and SmCb unlike, for example, CuO, are not harmful to health.
  • Figure 1 is a multi-layer plain bearing in side view.
  • Fig. 2 is a sputtering chamber.
  • Fig. 1 shows a multi-layer sliding bearing element 1 in the form of a plain bearing half shell.
  • a bearing metal layer 5 may be arranged between the sliding layer 3 and the support layer 2, as indicated by dashed lines in Fig. 1.
  • the multi-layer sliding bearing element 1 can also be designed differently, for example as a bearing bush, as indicated by dashed lines in Fig. 1.
  • embodiments such as thrust rings, axially running sliding shoes, or the like are possible.
  • the multi-layer sliding bearing element 1 according to the invention is used in particular in medium to high-speed engines.
  • the support layer 2 is preferably made of steel, but may also consist of a material which gives the multilayer sliding bearing element 1 the required structural strength. Such materials are known from the prior art.
  • the sliding layer 3 consists of a tin-based alloy with tin as the main component or base element, ie tin forms the component with the largest proportion of the tin-based alloy. If alloy compositions are specified below, these are to be understood, unless stated otherwise, as tin in each case forms the remainder of the stated compositions.
  • alloy compositions should be understood to include these conventional impurities, such as occur in commodities used on a large scale.
  • impurities such as occur in commodities used on a large scale.
  • pure or ultra-pure metals it is possible to use pure or ultra-pure metals.
  • the tin-base alloy contains at least one element from a first element group comprising or consisting of copper and antimony.
  • the tin-based alloy may include at least one member of a second group of elements consisting of silicon, chromium, titanium, zinc, silver, iron, aluminum, bismuth and nickel.
  • the proportion of antimony is between 1 wt .-% and 8 wt .-%, in particular between 1 wt .-% and 5 wt .-%.
  • the slip layer containing more than 8% by weight becomes too hard, so that the conformability of the tin-base alloy in the break-in phase is too low.
  • the proportion of copper is between 8 wt .-% and 20 wt .-%, in particular between 9 wt .-% and 15 wt .-%. However, if the proportion of copper exceeds 20% by weight, coarse-grained precipitation of the copper-rich hard phase occurs.
  • the proportion of each of the elements silicon, chromium, titanium, zinc, silver and iron can be between 0.1% by weight and 2% by weight, in particular between 0.25% by weight and 1.5% by weight ,
  • Silicon may be added to improve the fatigue strength and to slow down diffusion effects, which may result in layer softening.
  • Titanium and iron in turn form hard phases with tin, whereby the fatigue strength of the tin-based alloy can be improved.
  • the addition of zinc or silver can improve the fatigue strength and load capacity of the tin-based alloy.
  • the proportion of each of the further elements aluminum, bismuth and nickel can be between 0.05% by weight and 5% by weight, in particular between 0.1% by weight and 3.1% by weight.
  • Aluminum can also improve the fatigue strength of the tin-based alloy.
  • the addition of nickel can improve the fatigue strength and the strength of the tin-based alloy.
  • the sum content of all alloying elements in addition to tin is preferably limited to a maximum of 30% by weight, in particular to a proportion of between 10% by weight and 25% by weight. It was found that Summengen above the specified amount ranges lead to brittleness, below too low hardness and fatigue strength of the tin-based alloy.
  • the sliding layer 3 can also be replaced by an alloy with the base element aluminum, such as aluminum.
  • a blank is prepared.
  • the blank consists at least of the support layer 2, but may also have at least one of the above-mentioned layers, in particular the bearing metal layer 5.
  • the production of this Gleitlagerelementrohlings 6 can be carried out according to the prior art, for example, by a steel plate Applied bearing metal layer and thus connected by rollers. Other known methods are applicable.
  • the plain bearing element blank 6 can be brought into the corresponding shape, for example the shape of a half shell, by reshaping before the sliding layer 3 is deposited thereon.
  • the sliding layer 3 is deposited from the gas phase on the sliding bearing element blank 6.
  • the vapor deposition is performed by a cathode sputtering method or an electron beam evaporation method. Since these methods are known in principle from the prior art, reference is made to avoid repetition. It should be noted at this point that it is possible within the scope of the invention to deposit other layers of the multilayer plain bearing 1 by vapor deposition, in particular by a cathode sputtering method or an electron beam evaporation method, on a plain bearing element blank 6.
  • At least one slide bearing element blank 6 is placed in a deposition chamber 7, which is shown schematically in FIG.
  • the Gleitlagerele- ment blank 6 can be introduced into the deposition chamber 7 via a lock.
  • the slide bearing element blank 6 can be arranged during the deposition of the sliding layer 3 on a support 8 and held by this.
  • the Gleitlagerelementrohling 6 is shown planar, it can - as described above - already be formed, so for example, have the shape of a half-shell, so that therefore the slide bearing element blank 6 to be coated may have a curved surface to be coated.
  • the sliding layer 3 may preferably with a layer thickness of at least 10 ⁇ , preferably at least 15 ⁇ , and at most 60 ⁇ , preferably at most 50 ⁇ , are generated, if a bearing metal layer 3 is arranged. In the absence of a bearing metal layer 3 preferably layer thicknesses of at least 150 ⁇ , preferably at least 200 ⁇ , and at most 1000 ⁇ , preferably generated at most 750 ⁇ .
  • At least one target 9 is arranged. It is also possible to arrange a plurality of targets 9.
  • the target 9 preferably has the same metals from which the deposited sliding layer 3 is produced, for example, the above-mentioned elements of the tin-based alloy.
  • the target 9 contains these metals in the same relative In this way, the target 9 can have at least approximately the same, in particular exactly the same, composition as the sliding layer 3 to be produced. If several targets 9 are used, they can all have the same composition. However, it is also possible to use differently composed targets 9, the sum of the targets 9 qualitatively giving the sum of the metals to be deposited.
  • the target (s) 9 and the sliding bearing element blank (s) 6 are correspondingly electrically contacted so that an electrical potential prevails therebetween.
  • the deposition of the sliding layer 3 takes place in a process gas, for example consisting of or comprising argon.
  • a process gas for example consisting of or comprising argon.
  • the separation chamber 7 has at least one inlet 10 and for its removal at least one outlet 11.
  • Coating rate 0.1 ⁇ / minute to 5 ⁇ / minute
  • gas atoms accelerated to the target 9 and beat out of this the metal atoms to be deposited, which are accelerated in the direction of the slide bearing element blank 6 and reflected on the surface so that the sliding layer 3 is built up.
  • Deposition by means of a PVD (vapor deposition) process is preferred as these take place away from the thermodynamic equilibrium so that particle diffusion and coagulation of precipitates can be prevented.
  • a layer, in particular the sliding layer 3 can be deposited on a sliding bearing element blank 6 from the gas phase in a process gas.
  • the layer of a target 9, which comprises or consists of a metal combination with a metallic base element, in particular tin (based on the metal combination) is produced by at least partial sputtering of the target 9 and subsequent deposition of the sputtered target components on the sliding bearing blank 6.
  • At least one target 9 can be used which has at least one grain-refining constituent.
  • the grain-refining constituent is a gas and / or a chemical compound of this gas.
  • a process gas may be used to which the grain-refining gas is added.
  • the grain-refining gas is preferably selected from a group comprising oxygen,
  • the content of the grain-refining gas at the target 9 may be selected from a range of 20 ppm to 4,000 ppm, especially from a range of 50 ppm to 2,500 ppm.
  • Argon is preferably used as the process gas. But it can also be used other noble gases such as helium, neon or krypton.
  • the grain-refining gas is added to the process gas, its proportion of the total gas composition (ie, process gas plus grain-refining gas) may be selected from a range of 25 ppm to 20,000 ppm, more preferably from a range of 100 ppm to 10,000 ppm. In this case, the grain-refining gas can be directly added to the process gas, and this gas mixture can be fed into the deposition chamber 7.
  • the at least one inlet 10 for the process gas into the separation chamber 7 has a branch 12 which can be connected to a corresponding gas container and via the grain-refining gas is added to the process gas.
  • the separation chamber 7 may have at least one separate inlet for the grain-refining gas, so that the mixing with the process gas takes place only in the separation chamber 7.
  • the grain-refining gas can be added to the process gas continuously or in discrete steps discontinuously. It can thus influence the layer growth of the layer to be evaporated.
  • a chemical compound with the base element of the target is used as the chemical compound of the grain-refining gas.
  • tin as base elements
  • a tin oxide (SnO or SnCh or mixed oxides) is used which is added to the metal combination of the target 9.
  • the proportion of the chemical compound of the grain-refining gas to the base member at the target, i. on the metal combination may be selected from a range of 0.02 wt .-% to 3 wt .-%, in particular from a range of 0, 1 wt .-% to 2 wt .-%. This proportion is based on the total composition, ie the sum of the proportions of the individual metals and the chemical compound.
  • the proportion of the grain-refining gas and / or the atomized grain-refining portion of the target 9 over the time of the deposition substantially, in particular exactly, is constant or is maintained.
  • the proportion of the grain-refining gas to the process gas and / or the atomized grain-refining portion of the target 9, ie the chemical compound of the grain-refining gas is varied over the time of deposition of the layer to influence the layer growth of the layer to be deposited.
  • the proportion can be chosen over time or, in particular, decreasing. Embodiments are also possible in which this proportion increases at least once and decreases at least once, for example, this proportion of a sine curve can be chosen following.
  • the proportion of the grain-refining gas and / or the atomized grain-refining portion of the target 9 over the time of deposition of the layer is reduced. It is thus achieved that the size of the grains of the layer increases in the direction of the radially inner sliding surface of the multi-layer sliding bearing element 1.
  • either the proportion of grain-fining gas in the process gas can be adjusted accordingly via the at least one gas-flow control element, in particular automatically regulated.
  • this fraction by means of the electrical deposition parameters, for example by varying the stress on the plain bearing element blank 6.
  • the fraction of the grain-refining gas can be changed, for example, from an initial value of 10000 ppm to a final value of 1000 ppm.
  • grain-refining gas not only a grain-refining gas can be used, but also a mixture of various grain-refining gases selected from the aforementioned group of grain-refining gases or the corresponding chemical compounds thereof with at least one of Metals, in particular the base element.
  • the grain-refining gas or the chemical compound per se is changed over time, so that, for example, oxygen is used as grain-refining gas at the beginning of the deposition, and the oxygen is supplemented by CO 2 during the course of the deposition of the layer is replaced by it.
  • the variation of the amounts of the refining gases can be continuous or stepwise, ie, for example, the first gas used with a continuously increasing amount is added to the other gas or replaced or that the first gas used in several (at least two) stages added to the other gas or replaced by this.
  • the steps can be designed to be equidistant or variable in time.
  • a target 9 can be used, which is produced by sintering, wherein the at least one grain-refining gas is incorporated or incorporated into the cavities (pores) produced by the sintering technique.
  • the grain-refining gas is thus released continuously or discontinuously only during the atomization of the target 9.
  • the at least one chemical compound of the at least one grain-refining gas with one of the metals from which the layer is produced is already mixed as such in the target 9.
  • the target 9 per se may consist of the metallic components and optionally the at least one grain-refining gas. But it is also possible that the metallic components for the production of the layer and optionally the at least one grain-refining gas are arranged on a support of the target.
  • the grain size of the grains can be selected, for example, from a mean particle size at the beginning of the deposition from a range of 0.2 ⁇ m to 2 ⁇ m to a mean grain size at the end of the deposition from a range of 0.5 ⁇ m to 20 ⁇ m by appropriate variation of the particle size Part of the grain refining gas, as described above, to be changed.
  • the mean grain size can change by two to twenty times, in particular over the course of the deposition become larger.
  • the average grain size can be selected from a range of 0.5 ⁇ to 10 ⁇ .
  • the mean grain size is determined in a two-dimensional evaluation on the metallographic cross-section (digital photo of the light microscope, magnification lOOOx) and corresponds to twice the geometric mean of the distance of the grain boundary curve from the centroid of the associated grain, wherein for the evaluation, a region of the cross section is used, whose width corresponds to at least 5 times the layer thickness. Sub-microscopic grains ( ⁇ 0.5 ⁇ ) are not detected due to the resolution of the measuring system.
  • the method can also be used to smooth the surface of the plain bearing element blank 6, as stated above.
  • the method may be carried out with the addition of a grain-refining process gas as described above and a coating temperature which is (to promote diffusion) not more than 60 Kelvin below the melting temperature of the lowest-melting alloy component.
  • the following sliding layers 3 were produced by means of a PVD process.
  • 6 half-shells consisting of a support layer 2 made of steel and a leaded bronze as bearing metal layer 5 were introduced into a electromagnetically generated metal vapor as Gleitlagerelementrohlinge 6, wherein a sliding layer 3 was applied with a thickness of about 20 ⁇ .
  • the generation of the sliding layer 3 can take place both from a single source (target 9) and at the same time from several sources (targets 9) of the same or different composition.
  • the following tables give examples that were produced during the evaluation of the process.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abscheidung einer Schicht auf einem Gleitlagerelementrohling (6) aus der Gasphase in einem Prozessgas, nach dem die Schicht aus zumindest einem Target (9), das eine Metallkombination mit einem metallischen Basiselement umfasst oder daraus besteht, durch zumindest teilweises Zerstäuben des Targets (9) und anschließendes Niederschlagen der zerstäubten Targetbestandteile auf dem Gleitlagerelementrohling (6) hergestellt wird, wobei ein Target (9) verwendet wird, das zumindest einen kornfeinenden Bestandteil in Form eines Gases und/oder einer chemischen Verbindung dieses Gases aufweist und/oder dass ein Prozessgas verwendet wird, dem das kornfeinende Gas zugesetzt wird.

Description

Verfahren zur Abscheidung einer Schicht auf einem Gleitlagerelementrohling
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abscheidung einer Schicht auf einem Gleitlagerele- mentrohling aus der Gasphase in einem Prozessgas, nach dem die Schicht aus einem Target oder mehreren Targets, das oder die eine Metallkombination mit einem metallischen Basiselement umfasst oder daraus besteht, durch zumindest teilweises Zerstäuben des Targets und anschließendes Niederschlagen der zerstäubten Targetbestandteile auf dem Gleitlagerrohling hergestellt wird.
Weiter betrifft die Erfindung die Anwendung des Verfahrens.
Zudem betrifft die Erfindung ein Target zur Abscheidung einer Schicht auf einem Gleitlagerelementrohling aus der Gasphase umfassend eine Sinterzusammensetzung aus metalli- sehen Bestandteilen bzw. ein Target zur Abscheidung einer Schicht auf einem Gleitlagerele- mentrohling aus der Gasphase umfassend eine Zusammensetzung aus metallischen Bestandteilen.
Grobkörnige Sputterschichten neigen zu erhöhtem Schichtverschleiß, starker Diffusion und Härteverlust unter Wärmeeinfluss, insbesondere wenn diese zinnbasierend sind. Die grobe
Struktur führt zudem unter Belastung zur Ausbildung von Rissen und Dauerbrüchen. Es sind daher im Stand der Technik bereits Anstrengungen unternommen worden, die Grobkörnigkeit der Sputterschichten zu verringern. Als probates Mittel hat sich dabei der Zusatz von kornfeinenden Elementen erwiesen, wie dies an sich für Legierungen üblich ist, falls diese Eigen- schaft gewünscht ist. Die kornfeinenden Elemente sind üblicherweise Metalle. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der WO 2009/046476 AI beschrieben, nach dem auf einem Stützelement eine Gleitschicht durch Gasphasenabscheidung, gegebenenfalls nach Anordnung von zumindest einer Zwischenschicht, erzeugt wird, wobei die Gleitschicht eine Aluminiummatrix aufweist, in der neben Aluminium Bismut als Hauptbestandteil und gegebenenfalls Kupfer enthalten sind. Das kornfeinende Metall soll dabei einen Schmelzpunkt aufweisen, der um zumindest 950 °C höher ist als jener des Bismuts. Die Kornfeinung kann aber auch dadurch erreicht werden, dass durch Anlegen einer Bias-Spannung an das Stützelement die Bismut-Keimdichte erhöht wird. Die Grobkörnigkeit der Sputterschicht kann aber auch positive Eigenschaften haben. Die damit einhergehende geringere Härte verleiht dem damit versehenen Gleitlagerelement bessere Anpassungseigenschaften in der Einlaufphase des Gleitlagers.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Eigenschaftsprofil eines Gleitlagerelementes zu verbessern, das mit einer nach einem Gasphasenabscheidungsverfahren hergestellten Schicht versehen ist. Diese Aufgabe der Erfindung wird mit dem eingangs genannten Verfahren gelöst, bei dem zumindest ein Target verwendet wird, das zumindest einen kornfeinenden Bestandteil in Form eines Gases und/oder einer chemischen Verbindung dieses Gases aufweist und/oder bei dem ein Prozessgas verwendet wird, dem das kornfeinende Gas zugesetzt wird. Weiter wird die Aufgabe der Erfindung dadurch gelöst, dass die aus der Gasphase abgeschiedene Schicht zur Glättung der Oberfläche eines Gleitlagerrohlings oder eines Gleitlagerele- mentes eingesetzt wird.
Schließlich wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Target gelöst, das in dem genannten Verfahren verwendet werden kann und bei dem in der Sinterzusammensetzung gasgefüllte Hohlräume ausgebildet sind bzw. bei dem die Zusammensetzung des Targets zumindest eine chemische Verbindung aus einem Metall und einem Gas aufweist.
Von Vorteil ist dabei, dass durch einen relativ einfachen Eingriff in den Prozessablauf aus der Gasphase abgeschiedene Schichten erzeugt werden können, die im Bereich der Lauffläche, also jener Oberfläche, die in Gleitkontakt mit einem weiteren Bauteil steht, grobkörniger ausgebildet sind, und die im Bereich der unter dieser Schicht liegenden weiteren Schicht relativ zu dem grobkörnigen Bereich der Schicht feinkörniger ist. Es wird damit einerseits die verbesserte Einlauffähigkeit des damit hergestellten Gleitlagerelementes verbessert bzw. bleibt diese erhalten. Andererseits weist die Schicht aber auch eine gute mechanische Festigkeit auf, die durch die Feinkörnigkeit begründet ist. Somit bieten diese feinkörnigeren Teilschichten eine Unterstützung für die darüber liegenden grobkörnigeren Teilschichten. Andererseits kann das Verfahren auch so ausgeführt, dass auch die Teilschichten im Bereich der Lauffläche feinkörniger ausgebildet werden, also die Komfeinung auch im Bereich der Lauffläche eingesetzt wird. Es kann damit die Wärmestabilität der aus der Gasphase ausgeschiedenen Schicht verbessert werden. Das Verfahren kann auch dazu angewandt werden, dass eine raue Oberfläche des Gleitlagerelementrohlings mit der Schicht eingeebnet wird. Es können dabei Defekte der rauen Oberfläche kompensiert werden. Herkömmliche Sputterschichten bilden hingegen die Rauigkeit des Untergrundes, die beispielsweise aus der mechanischen Bearbeitung der Oberfläche des Gleitlagerelementrohlings resultiert, nach, sodass also auch die Lauffläche entsprechend rau ist. Durch die verringerte Rauigkeit der Lauffläche kann unter anderem auch eine Reduktion des Verschleißes und der im Motor entstehenden Reibungsverluste im Betrieb des Gleitlagerelements erreicht werden. Durch die angegebenen Targets und deren Einsatz im Verfahren können die genannten Vorteile erreicht werden. Zudem kann dadurch, dass als kornfeinende Substanz zumindest ein Gas und/oder eine chemische Verbindung dieses Gases eingesetzt wird, die Prozessführung vereinfacht werden, da eine gesonderte/eigene Zuspei- sung des Gases in das Prozessgas nicht erforderlich ist. Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass bei Einsatz der chemischen Verbindung mit dem Gas letzteres während des Abscheideverfahrens freigesetzt wird und daher wie das im Target nicht gebundene Gas wirkt. Vorzugsweise wir die chemische Verbindung aus dem Gas mit dem Basiselement des Targets gebildet. Von Vorteil ist dabei die in situ Herstellung der chemischen Verbindung, sodass die chemische Verbindung immer frisch gebildet zur Verfügung steht. Durch die Verwendung des Basiselementes des Targets können darüber hinaus Unregelmäßigkeiten in der Verteilung der chemischen Verbindung vermieden werden.
Um die voranstehend genannten Effekt zu verstärken, kann nach einer Ausführungsvariante des Verfahrens vorgesehen sein, dass der Anteil der kornfeinenden Substanz und/oder der zerstäubte kornfeinende Anteil des Targets über die Zeit der Abscheidung der Schicht variiert wird, wobei gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante dazu der Anteil der kornfeinenden Substanz und/oder der zerstäubte kornfeinende Anteil des Targets über die Zeit der Abscheidung der Schicht verringert wird. Es kann weiter vorgesehen werden, dass das Target sintertechnisch mit Hohlräumen hergestellt wird, wobei in die Hohlräume das zumindest eine Gas eingelagert wird. Nachdem die Sintertechnik in der Regel zu Targets führt, die im Vergleich zu Vollmaterialen geringere Dichten aufweisen, können die darin ausgebildeten Hohlräume für die Bereitstellung des Ga- ses im Beschichtungsverfahren genutzt werden. Das Gas kann damit einfach ohne zusätzlichen apparativen Aufwand in den Beschichtungsprozess eingebracht werden und ist zudem das Verfahren damit einfacher zu regeln bzw. zu steuern.
In der bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens wird als Basiselement des Targets Zinn verwendet, da sich im Zuge der Evaluierung der Erfindung herausgestellt hat, dass Zinnbasisschichten die voranstehend genannten Effekte verstärkt zeigen. Zudem können damit noch weitere Vorteile erreicht werden. Beispielsweise sind SnCh und SmCb im Gegensatz zu beispielsweise CuO nicht gesundheitsschädlich. Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Es zeigen jeweils in vereinfachter, schemati scher Darstellung: Fig. 1 ein Mehrschichtgleitlager in Seitenansicht; Fig. 2 eine Sputterkammer.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. Fig. 1 zeigt ein Mehrschichtgleitlagerelement 1 in Form einer Gleitlagerhalbschale. Dargestellt ist eine zweischichtige Variante des Mehrschichtgleitlagerelements 1, bestehend aus einer Stützschicht 2 und einer Gleitschicht 3, die auf einer Vorderseite 4 (radial innere Seite) des Mehrschichtgleitlagerelements 1, die einem zu lagernden Bauteil zuwendbar ist, angeord- net ist.
Gegebenenfalls kann eine Lagermetall Schicht 5 zwischen der Gleitschicht 3 und der Stützschicht 2 angeordnet sein, wie dies in Fig. 1 strichliert angedeutet ist. Der prinzipielle Aufbau derartiger Mehrschichtgleitlagerelemente 1, wie sie z.B. in Verbrennungskraftmaschinen Verwendung finden, ist aus dem Stand der Technik bekannt, sodass sich weitere Ausführungen hierzu erübrigen. Es sei jedoch erwähnt, dass weitere Schichten angeordnet werden können, also beispielsweise zwischen der Gleitschicht 4 und der Lagermetallschicht 5 eine Haftvermittlerschicht und/oder eine Diffusionssperrschicht, ebenso kann zwi- sehen der Lagermetallschicht 3 und der Stützschicht 2 eine Haftmittelschicht angeordnet werden.
Im Rahmen der Erfindung kann das Mehrschichtgleitlagerelement 1 auch anders ausgeführt sein, beispielsweise als Lagerbuchse, wie dies in Fig. 1 strichliert angedeutet ist. Ebenso sind Ausführungen wie Anlaufringe, axial laufende Gleitschuhe, oder dergleichen möglich.
Das Mehrschichtgleitlagerelement 1 nach der Erfindung wird insbesondere in mittel- bis schnelllaufenden Motoren eingesetzt. Die Stützschicht 2 besteht bevorzugt aus Stahl, kann aber auch aus einem Werkstoff, der dem Mehrschichtgleitlagerelement 1 die erforderliche Strukturfestigkeit verleiht, bestehen. Derartige Werkstoffe sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Für die Lagermetallschicht 5 sowie die Zwischenschichten können die aus dem einschlägigen Stand der Technik bekannten Legierungen bzw. Werkstoffe verwendet werden, und sei diesbezüglich darauf verwiesen. Die Gleitschicht 3 besteht aus einer Zinnbasislegierung mit Zinn als Hauptbestandteil bzw. Basiselement, d.h. dass Zinn den Bestandteil mit dem größten Anteil an der Zinnbasislegierung bildet. Wenn im Folgenden Legierungszusammensetzungen angegeben sind, sind diese - sofern nichts anderes angegeben ist - so zu verstehen, dass Zinn jeweils den Rest der angegebenen Zusammensetzungen bildet.
Zahlenangaben zur Zusammensetzung der Zinnbasislegierung beziehen sich immer auf die gesamte Legierung.
Weiter sind die Angaben zu den Legierungszusammensetzungen so zu verstehen, dass diese üblichen Verunreinigungen, wie sie in großtechnisch eingesetzten Rohstoffen auftreten, mitumfassen. Es besteht aber im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass Rein- bzw. Reinst- metalle eingesetzt werden.
Sämtliche Mengenangaben zu den Legierungszusammensetzungen und Targetzusammensetzungen sind, sofern nichts anderes angegeben ist, in Gew.-% zu verstehen. Die Zinnbasislegierung enthält neben Zinn zumindest ein Element aus einer ersten Elementgruppe die Kupfer und Antimon umfasst bzw. daraus besteht. Gegebenenfalls kann die Zinnbasislegierung zumindest ein Element aus einer zweiten Elementgruppe bestehend aus Silizium, Chrom, Titan, Zink, Silber, Eisen, Aluminium, Bismut und Nickel enthalten. Der Anteil an Antimon beträgt zwischen 1 Gew.-% und 8 Gew.-%, insbesondere zwischen 1 Gew.-% und 5 Gew.-%. Bei einem Anteil unter 1 Gew.-% wird die Zinnbasislegierung zu weich, wodurch die Dauerfestigkeit verschlechtert wird. Andererseits wird die Gleitschicht mit einem Anteil von mehr als 8 Gew.-% zu hart, sodass die Anpassungsfähigkeit der Zinnbasislegierung in der Einlaufphase zu gering ist.
Der Anteil an Kupfer beträgt zwischen 8 Gew.-% und 20 Gew.-%, insbesondere zwischen 9 Gew.-% und 15 Gew.-%. Übersteigt der Anteil an Kupfer jedoch 20 Gew.-% kommt es zu einer grobkörnigeren Ausscheidung der kupferreichen Hartphase. Der Anteil jedes der Elemente Silizium, Chrom, Titan Zink, Silber und Eisen kann zwischen 0,1 Gew.-% und 2 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,25 Gew.-% und 1,5 Gew.-%, betragen.
Silizium kann zur Verbesserung der Dauerfestigkeit und zur Verlangsamung von Diffusionseffekten, wodurch es zu einer Schichtaufweichung kommen kann, zugegeben werden.
Durch die Zugabe von Chrom kann eine Verlangsamung der Korngrenzendiffusion erreicht werden.
Titan und Eisen wiederum bilden mit Zinn Hartphasen, wodurch die Dauerfestigkeit der Zinnbasislegierung verbessert werden kann.
Durch die Zugabe von Zink oder Silber kann die Dauerfestigkeit und die Belastbarkeit der Zinnbasislegierung verbessert werden.
Anteile dieser Elemente außerhalb der genannten Grenzen führen zu einem Eigenschaftsprofil der Zinnbasislegierung, das diese weniger geeignet für den Einsatz in dem Mehrschichtgleitlagerelement 1 macht.
Der Anteil jedes der weiteren Elemente Aluminium, Bismut und Nickel kann zwischen 0,0,5 Gew.-% und 5 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,1 Gew.-% und 3,1 Gew.-%, betragen.
Aluminium kann ebenfalls die Dauerfestigkeit der Zinnbasislegierung verbessern.
Durch die Zugabe von Nickel kann die Dauerfestigkeit und die Belastbarkeit der Zinnbasislegierung verbessert werden.
Die Zugabe von Bismut behindert die Korngrenzendiffusion unter Temperatureinfluss.
Der Summengehalt aller Legierungselemente neben Zinn ist bevorzugt auf maximal 30 Gew - %, insbesondere auf einen Anteil zwischen 10 Gew.-% und 25 Gew.-%, beschränkt. Es wurde gefunden, dass Summengehalte oberhalb der angegebenen Mengenbereiche zu Sprödigkeit, unterhalb zu geringer Härte und Dauerfestigkeit der Zinnbasislegierung führen.
Den Rest auf 100 Gew.-% bildet Zinn mit den üblichen, herstellungsbedingten Verunreinigungen.
Neben einer Zinnbasislegierung kann die Gleitschicht 3 aber auch durch eine Legierung mit dem Basiselemente Aluminium, wie z.B. AlSn20Cul, AlBil5CulNil, oder durch eine Legierung mit Kupfer als Basiselement, wie z.B. CuPb27, CuPb25Sn3, CuPb25Ni3, oder durch Silber oder eine Legierung mit Silber als Basiselement, wie z.B. AgCu5, gebildet werden.
Zur Herstellung des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 wird ein Rohling vorbereitet. Der Rohling besteht zumindest aus der Stützschicht 2, kann jedoch auch zumindest eine weitere der voranstehend genannten Schichten aufweisen, insbesondere die Lagermetallschicht 5. Die Herstellung dieses Gleitlagerelementrohlings 6 (Fig. 2) kann dem Stand der Technik entsprechend erfolgen, indem beispielsweise auf eine Stahlplatine eine Lagermetallschicht aufgebracht und damit durch Walzen verbunden wird. Auch andere bekannte Verfahren sind anwendbar. Gegebenenfalls erfolgt eine mechanische Bearbeitung dieses Gleitlagerelementrohlings 6.
Der Gleitlagerelementrohling 6 kann durch umformen bereits in die entsprechende Form, beispielsweise die Form einer Halbschale, gebracht werden, bevor die Gleitschicht 3 darauf abgeschieden wird.
Die Gleitschicht 3 wird aus der Gasphase auf dem Gleitlagerelementrohling 6 abgeschieden. Insbesondere wird die Gasphasenabscheidung nach einem Kathodensputterverfahren oder einem Elektronenstrahlbedampfungsverfahren durchgeführt. Da diese Verfahren prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt sind, sei zur Vermeidung von Wiederholungen darauf verwiesen. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es im Rahmen der Erfindung möglich ist, auch andere Schichten des Mehrschichtgleitlagers 1 durch Gasphasenabscheidung, insbesondere nach einem Kathodensputterverfahren oder einem Elektronenstrahlbedampfungsverfah- ren, auf einem Gleitlagerelementrohling 6 abzuscheiden.
Zur Abscheidung wird zumindest ein Gleitlagerelementrohling 6 in eine Abscheidekammer 7 gegeben, die in Fig. 2 schematisch dargestellt ist. Beispielsweise kann der Gleitlagerele- mentrohling 6 in die Abscheidekammer 7 über eine Schleuse eingeschleust werden. Der Gleitlagerelementrohling 6 kann während der Abscheidung der Gleitschicht 3 auf einem Träger 8 angeordnet und von diesem gehalten werden.
Es ist auch möglich, dass mehrere Gleitlagerelementrohlinge 6 gleichzeitig beschichtet werden, wofür ein entsprechend geformter Träger 8 verwendet werden kann. Obwohl in Fig. 2 der Gleitlagerelementrohling 6 ebenflächig dargestellt ist, kann dieser - wie voranstehend beschrieben - bereits umgeformt sein, also beispielsweise die Form einer Halbschale aufweisen, sodass also der zu beschichtende Gleitlagerelementrohling 6 eine gekrümmte zu beschichtende Oberfläche aufweisen kann. Die Gleitschicht 3 kann bevorzugt mit einer Schichtdicke von mindestens 10 μπι, vorzugsweise mindestens 15 μπι, und maximal 60 μπι, vorzugsweise maximal 50 μπι, erzeugt werden, sofern eine Lagermetallschicht 3 angeordnet wird. Bei Fehlen einer Lagermetallschicht 3 werden bevorzugt Schichtdicken von mindestens 150 μπι, vorzugsweise mindestens 200 μπι, und maximal 1000 μπι, vorzugsweise maximal 750 μπι erzeugt.
In der Abscheidekammer 7 ist zumindest ein Target 9 angeordnet. Es können auch mehrere Targets 9 angeordnet werden.
Das Target 9 weist vorzugsweise die gleichen Metalle auf, aus denen auch die abzuscheidende Gleitschicht 3 hergestellt wird, beispielsweise die voranstehend genannten Elemente der Zinnbasislegierung. Insbesondere enthält das Target 9 diese Metalle in den gleichen relati- ven Mengen zueinander, sodass also das Target 9 zumindest annähernd die gleiche, insbesondere genau die gleiche, Zusammensetzung aufweisen kann, wie die herzustellende Gleitschicht 3. Falls mehrere Targets 9 verwenden werden, können alle die gleiche Zusammensetzung aufweisen. Es ist aber auch möglich, unterschiedlich zusammengesetzte Targets 9 zu verwenden, wobei die Summe der Targets 9 qualitativ die Summe der abzuscheidenden Metalle ergeben.
Das oder die Target(s) 9 und der oder die Gleitlagerelementrohling(e) 6 werden entsprechend elektrisch kontaktiert, sodass zwischen diesen ein elektrisches Potential vorherrscht.
Die Abscheidung der Gleitschicht 3 erfolgt in einem Prozessgas, beispielsweise bestehend aus oder umfassend Argon. Zu Einführung des Prozessgases weist die Abscheidekammer 7 zumindest einen Einlass 10 und zu dessen Abfuhr zumindest einen Auslass 11 auf.
Für die Abscheidung mittels Sputterverfahren können folgende Parameter angewandt werden: Spannung am Gleitlagerelementrohling 6: -150 V bis 0 V Prozessgasgemisch: Argon, Sauerstoff
Prozessgas-Druck: 7xl0"4 bis 6xl0"3 mbar, Temperatur: 80 bis 160°C
Spannung an dem oder den Targets 9: -450 V bis -800 V
Beschichtungsrate: 0,1 μιη/Minute bis 5 μιη/Minute Bekanntlich werden beim Sputtern Prozessgasatome auf das Target 9 beschleunigt und schlagen aus diesem die abzuscheidenden Metallatome heraus, die in weiterer Folge in Richtung auf den Gleitlagerelementrohling 6 beschleunigt werden und sich auf dessen Oberfläche niederschlagen, sodass die Gleitschicht 3 aufgebaut wird. Die Abscheidung mittels eines PVD-Prozesses (Gasphasenabscheidung) wird bevorzugt, da diese abseits des thermodynami sehen Gleichgewichtes stattfinden, sodass die Teilchendiffu- sion und Koagulation von Ausscheidungen verhindert werden kann.
Mit dem Verfahren, insbesondere dem Sputterverfahren, kann also eine Schicht, insbesondere die Gleitschicht 3, auf einem Gleitlagerelementrohling 6 aus der Gasphase in einem Prozessgas abgeschieden werden. Dazu wird die Schicht aus einem Target 9, das eine Metallkombination mit einem metallischen Basiselement, insbesondere Zinn, umfasst oder daraus besteht (bezogen auf die Metallkombination), durch zumindest teilweises Zerstäuben des Targets 9 und anschließendes Niederschlagen der zerstäubten Targetbestandteile auf dem Gleitlagerrohling 6 hergestellt.
Zur Herstellung dieser Schicht, insbesondere der Gleitschicht 3, kann einerseits zumindest ein Target 9 verwendet werden, das zumindest einen kornfeinenden Bestandteil aufweist. Der kornfeinende Bestandteil ist dabei ein Gas und/oder eine chemische Verbindung dieses Gases. Alternativ oder zusätzlich dazu kann ein Prozessgas verwendet wird, dem das kornfeinende Gas zugesetzt wird. Das kornfeinende Gas ist bevorzugt ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Sauerstoff,
Stickstoff, Kohlendioxid, Gase auf Kohl en-Wasserstoffbasis CxHy (z.B. Acetylen), Wasserstoff.
Der Anteil des kornfeinenden Gases an dem Target 9 kann ausgewählt sein aus einem Bereich von 20 ppm bis 4000 ppm, insbesondere aus einem Bereich von 50 ppm bis 2500 ppm.
Als Prozessgas wird bevorzugt Argon verwendet. Es kann aber auch andere Edelgase wie Helium, Neon oder Krypton eingesetzt werden. Falls das kornfeinende Gas dem Prozessgas zugesetzt wird, kann dessen Anteil an der Gesamtgaszusammensetzung (also Prozessgas plus kornfeinendes Gas) ausgewählt sein aus einem Bereich von 25 ppm bis 20000 ppm, insbesondere aus einem Bereich von 100 ppm bis 10000 ppm. In diesem Fall kann das kornfeinende Gas direkt dem Prozessgas zugesetzt werden, und dieses Gasgemisch in die Abscheidekammer 7 eingespeist werden. Es erfolgt also eine Vermischung des kornfeinenden Gases mit dem Prozessgas bereits außerhalb des Abscheidekammer 7. Dazu kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der zumindest eine Einlass 10 für das Prozessgas in die Abscheidekammer 7 eine Abzweigung 12 aufweisen, der mit einem entsprechenden Gasbehälter verbunden sein kann und über die das kornfeinende Gas dem Prozessgas zugemischt wird. Dies hat den Vorteil, dass über zwei Gasflussregelelemente die Volumina des Prozessgases und des kornfeinenden Gases, die eingespeist werden, gesondert geregelt werden können. Es ist damit auch möglich, bei Bedarf die Zufuhr des kornfeinenden Gases auch zur Gänze während der Abscheidung der Schicht abzustellen.
Es ist aber auch möglich, dass die Abscheidekammer 7 zumindest einen eigenen Einlass für das kornfeinende Gas aufweist, sodass also die Vermischung mit dem Prozessgas erst in der Abscheidekammer 7 erfolgt.
Generell kann das kornfeinende Gas dem Prozessgas kontinuierlich oder in diskreten Schritten diskontinuierlich zugesetzt werden. Es kann damit Einfluss auf das Schichtwachstum der aufzudampfenden Schicht genommen werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens bzw. des Targets 9 wird als chemische Verbindung des kornfeinenden Gases eine chemische Verbindung mit dem Basiselement des Targets eingesetzt. Im Falle von Zinn als Basiselemente wird also beispielsweise ein Zinnoxid (SnO oder SnCh oder Mischoxide) verwendet, das der Metallkombination des Targets 9 zugesetzt wird. Der Anteil der chemischen Verbindung des kornfeinenden Gases mit dem Basiselement an dem Target, d.h. an der Metallkombination, kann ausgewählt sein aus einem Bereich von 0,02 Gew.-% bis 3 Gew.-%, insbesondere aus einem Bereich von 0, 1 Gew.-% bis 2 Gew.-%. Dieser Anteil ist dabei bezogen auf die Gesamtzusammensetzung, also die Summe der Anteile aus den einzelnen Metallen und der chemischen Verbindung.
Prinzipiell ist es möglich, dass der Anteil des kornfeinenden Gases und/oder der zerstäubte kornfeinende Anteil des Targets 9 über die Zeit der Abscheidung im Wesentlichen, insbesondere genau, gleichbleibend ist bzw. gehalten wird. Andererseits ist es aber auch möglich, dass der Anteil des kornfeinenden Gases an dem Prozessgas und/oder der zerstäubte kornfeinende Anteil des Targets 9, d.h. der chemischen Verbindung des kornfeinenden Gases über die Zeit der Abscheidung der Schicht variiert wird, um Einfluss auf das Schichtwachstum der abzuscheidenden Schicht zu nehmen. Der Anteil kann dabei im Zeitverlauf zunehmend oder insbe- sondere abnehmend gewählt werden. Es sind auch Ausführungsvarianten möglich, bei denen dieser Anteil zumindest einmal zunimmt und zumindest einmal abnimmt, beispielsweise kann dieser Anteil einer Sinuskurve folgend gewählt werden.
In der bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens wird der Anteil des kornfeinenden Gases und/oder der zerstäubte kornfeinende Anteil des Targets 9 über die Zeit der Abscheidung der Schicht verringert. Es wird damit erreicht, dass die Größer der Körner der Schicht in Richtung auf die radial innere Gleitfläche des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 zunimmt.
Zur Variation des Anteils der kornfeinenden Substanz kann entweder der Anteil des korn- feinenden Gases am Prozessgas über das zumindest einen Gasflussregelelement entsprechend eingestellt werden, insbesondere automatisch geregelt werden. Es ist aber auch möglich, mittels der elektrischen Abscheideparameter auf diesen Anteil Einfluss zu nehmen, beispielsweise durch Variation der Spannung am Gleitlagerelementrohling 6. Der Anteil des kornfeinenden Gases kann beispielsweise von einem Anfangswert von 10000 ppm auf einen Endwert von 1000 ppm geändert werden. Es sind auch andere Anteilsvariationen im Rahmen der voranstehenden Mengenangaben für das kornfeinende Gas möglich.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass nicht nur ein kornfeinendes Gas verwendet werden kann, sondern auch ein Gemisch aus verschiedenen kornfeinenden Gasen, die ausgewählt werden, aus der voranstehenden genannten Gruppe an kornfeinenden Gasen bzw. der entsprechenden chemischen Verbindungen daraus mit zumindest einem der Metalle, insbesondere dem Basiselement. Zudem ist es möglich, dass das kornfeinende Gas oder die chemische Verbindung an sich über den Zeitverlauf geändert wird, dass also beispielsweise am Be- ginn der Abscheidung Sauerstoff als kornfeinendes Gas eingesetzt wird, und der Sauerstoff im Zeitverlauf der Abscheidung der Schicht durch CO2 ergänzt oder davon ersetzt wird. Die Variation der Mengen an dem konrfeinenden Gasen kann dabei kontinuierlich verlaufend oder in stufenförmig verlaufend sein, d.h. dass beispielsweise das zuerst eingesetzte Gas mit einer kontinuierlich größer werdenden Menge an dem weiteren Gas versetzt bzw. ersetzt wird oder dass das zuerst eingesetzte Gas in mehreren (zumindest zwei) Stufen mit dem weiteren Gas versetzt bzw. durch dieses ersetzt wird. Die Stufen können dabei zeitlich äquidistant oder variabel ausgebildet sein.
In dem Verfahren zur Abscheidung der Schicht kann ein Target 9 verwendet werden, dass sintertechnisch hergestellt wird, wobei das zumindest eine kornfeinende Gas in den durch die Sintertechnik erzeugten Hohlräumen (Poren) eingeschlossen bzw. eingelagert wird. Das kornfeinende Gas wird somit erst im Verlauf der Zerstäubung des Targets 9 kontinuierlich oder diskontinuierlich freigesetzt.
Es ist aber auch möglich, dass die zumindest eine chemische Verbindung aus dem zumindest einen kornfeinenden Gas mit einem der Metalle, aus denen die Schicht erzeugt wird, bereits als solche in das Target 9 eingemischt wird.
Das Target 9 an sich kann aus den metallischen Komponenten und gegebenenfalls dem zumindest einen kornfeinenden Gas bestehen. Es ist aber auch möglich, dass die metallischen Komponenten für die Erzeugung der Schicht und gegebenenfalls das zumindest eine kornfeinende Gas auf einem Träger des Targets angeordnet sind.
Neben der Herstellung eines Korngrößengradienten der Körner der abzuscheidenden Schicht, insbesondere der Gleitschicht 3, wobei vorzugsweise die Korngröße der Körner dieser Schicht in Richtung auf die radial innere Gleitfläche des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 zunimmt, ist es auch möglich, diese Schicht mit gleichbleibenden Korngrößen innerhalb eines Korngrö- ßenbandes herzustellen. Die Korngröße der Körner kann beispielsweise von einer mittleren Korngröße am Beginn der Abscheidung ausgewählt aus einem Bereich von 0,2 μιη bis 2 μιη auf eine mittlere Korngröße am Ende der Abscheidung ausgewählt aus einem Bereich von 0,5 μιη bis 20 μιη durch entsprechende Variation des Anteils des kornfeinenden Gases, wie dies voranstehend beschrieben wurde, verändert werden. Generell kann die mittlere Korngröße sich um das zwei- bis zwanzigfache änderen, insbesondere über den Verlauf der Abscheidung größer werden. Für den Fall, dass die Korngröße der Körner zumindest annähernd gleich bleibend erzeugt wird, kann die mittlere Korngröße ausgewählt werden aus einem Bereich von 0,5 μιη bis 10 μιη. Die mittlere Korngröße wird in einer zweidimensionalen Auswertung am metallo-grafischen Querschliff ermittelt (digitales Foto vom Lichtmikroskop, Vergrößerung lOOOx) und entspricht dem zweifachen geometrischen Mittelwert des Abstandes des Korngrenzenverlaufes vom Flächenschwerpunkt des zugehörigen Korns, wobei für die Auswertung ein Bereich des Querschliffes herangezogen wird, dessen Breite mindestens der 5fachen Schichtdicke entspricht. Sub-mikroskopische Körner (<0,5μιη) werden aufgrund der Auflösung des Messsystems nicht erfasst. Daneben kann das Verfahren auch dazu verwendet werden, um die Oberfläche des Gleitlagerelementrohlings 6 zu glätten, wie dies voranstehend ausgeführt wurde. Das Verfahren kann dazu mit der Beimengung eines kornfeinenden Prozessgases, wie oben beschrieben, und einer Beschichtungstemperatur, die (um Diffusion zu fördern) nicht mehr als 60 Kelvin unter der Schmelztemperatur der am niedrigsten schmelzenden Legierungskomponente liegt, durchge- führt werden.
Folgende Gleitschichten 3 wurden mittels eines PVD Verfahrens hergestellt. Dabei wurden als Gleitlagerelementrohlinge 6 Halbschalen bestehend aus einer Stützschicht 2 aus Stahl und einer verbleiten Bronze als Lagermetall Schicht 5 in einen elektromagnetisch erzeugten Metall- dampf eingebracht, wobei eine Gleitschicht 3 mit einer Dicke von etwa 20 μιη aufgebracht wurde. Die Erzeugung der Gleitschicht 3 kann sowohl von einer einzelnen Quelle (Target 9), als auch gleichzeitig von mehreren Quellen (Targets 9) gleicher oder unterschiedlicher Zusammensetzung erfolgen. In den folgenden Tabellen sind Beispiele wiedergegeben, die im Rahmen der Evaluierung des Verfahrens hergestellt wurden.
Dabei bedeuten: PG...Prozessgas
PG Var ... Variation des Prozessgases UB ... Spannung am Gleitlagerelementrohling 6 p ... gesamter Prozessgas-Druck
T ... Beschichtungstemperatur
R .... Beschichtungsrate
SdT ... Stand der Technik
Tabelle 1 :
Figure imgf000018_0001
gebunden
7 AlSn21CuO,9 Ar+ keine keine 1,5 180 1,11
0, 1
%
C02
In der folgenden Tabelle 2 sind die jeweiligen Ergebnisse zusammengefasst. Darin bedeuten: HV ... Schichthärte nach Vickers HV (0,001) D ... mittlere Korngröße Ra ... Rautiefenwert
BiZo ... Bereich nahe Bindezone (5μιη) Ofl ... Bereich nahe Oberfläche (5μιη)
Tabelle 2:
Variante HV D HV D Ra Ra
BiZo Korn OF1 Korn Subst Ofl
BiZo Ofl
1 41 9,2 42 9,4 0,42 0,69
2 76 3,8 81 4,4 0,45 0,61
3 46 4,7 48 4,5 0,73 0,39
4 47 1,2 50 2,1 0,50 0,81
5 64 2,1 38 8,8 0,34 0,46
6 55 2,4 52 2,7 0,55 0,68
7 85 2,8 84 3,1 0,51 0,48 Die Ausführungsbeispiele zeigen bzw. beschreiben mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 bzw. der Abscheidekammer 7 diese bzw. deren Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.
Bezugszeichenaufstellung
Mehr schi chtgl ei tl agerel ement
Stützschicht
Gleitschicht
Vorderseite
Lagermetallschicht
Gl eitl agerel ementrohling
Abscheidekammer
Träger
Target
Einlass
Auslass
Abzweigung

Claims

- 20 -P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Abscheidung einer Schicht auf einem Gleitlagerelementrohling (6) aus der Gasphase in einem Prozessgas, nach dem die Schicht aus zumindest einem Target (9), das eine Metallkombination mit einem metallischen Basiselement umfasst oder daraus besteht, durch zumindest teilweises Zerstäuben des Targets (9) und anschließendes Niederschlagen der zerstäubten Targetbestandteile auf dem Gleitlagerelementrohling (6) hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Target (9) verwendet wird, das zumindest einen kornfeinenden Bestandteil in Form eines Gases und/oder einer chemischen Verbindung dieses Gases aufweist und/oder dass ein Prozessgas verwendet wird, dem das kornfeinende Gas zugesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Verbindung aus dem Gas und dem Basiselement des Targets (9) gebildet ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des kornfeinenden Gases und/oder der zerstäubte kornfeinende Anteil des Targets (9) über die Zeit der Abscheidung der Schicht variiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des kornfeinenden Gases und/oder der zerstäubte kornfeinende Anteil des Targets (9) über die Zeit der Abscheidung der Schicht verringert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Target (9) sintertechnisch mit Hohlräumen hergestellt wird, wobei in die Hohlräume das zumindest eine Gas eingelagert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Basiselement des Targets (9) Zinn verwendet wird.
7. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Glättung der Oberfläche eines Gleitlagerelementrohlings (6) oder eines Mehrschichtgleitlagerelementes (1). - 21 -
8. Target (9) zur Abscheidung einer Schicht auf einem Gleitlagerelementrohling (6) aus der Gasphase umfassend eine Sinterzusammensetzung aus metallischen Bestandteilen, dadurch gekennzeichnet, dass in der Sinterzusammensetzung gasgefüllte Hohlräume ausgebil- det sind.
9. Target (9) zur Abscheidung einer Schicht auf einem Gleitlagerelementrohling (6) aus der Gasphase umfassend eine Zusammensetzung aus metallischen Bestandteilen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung weiter zumindest eine chemische Ver- bindung aus einem Metall und einem Gas enthält.
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