AT508962A1

AT508962A1 - Verfahren zum herstellen eines gleitlagerelementes

Info

Publication number: AT508962A1
Application number: AT0174909A
Authority: AT
Original assignee: Miba Gleitlager Gmbh
Priority date: 2009-11-05
Filing date: 2009-11-05
Publication date: 2011-05-15
Also published as: WO2011054019A1; JP2013509500A; US20120251023A1; EP2496729A1; CN102712990A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Gleitlagerelementes durch Beschichten einer Oberfläche eines Substrates mit einer tribologisch wirksamen Gleitschicht mittels Kathodenzerstäubung in einer Gasatmosphäre unter Verwendung von zumindest einem metallischen Target, sowie ein metallisches Gleitlagerelement mit einem, ein Stützelement aufweisenden Lagerelementkörper mit einem zylinderförmigen Hohlraum, der eine innere Oberfläche und einen Innendurchmesser aufweist, wobei auf der inneren Oberfläche des Lagerelementkörpers eine metallische Gleitschicht angeordnet ist.

Die Abscheidung von Gleitschichten auf Substraten für Gleitlager durch Kathodenzerstäubung ist im Stand der Technik bereits bekannt. Im Vergleich zu anderen Herstellungsverfahren von Lagerelementen ist die Kathodenzerstäubung relativ teuer, einerseits wegen des aparativen Aufwandes, andererseits wegen der langen Taktzeiten. Deshalb wird die Kathodenzerstäubung bislang lediglich zur Erzeugung von Gleitschichten mit hoher Belastbarkeit eingesetzt. Üblicherweise wird bei der Kathodenzerstäubung das Substrat als Anode und ein Target als Kathode geschaltet. In der Kammer, in der diese Beschichtung statt findet, ist normalerweise ein Restgas vorhanden. Zwischen der Anode und Kathode wird eine Spannung angelegt, damit die Elektronen zur Anode hin beschleunigt werden. Sie stoßen dabei mit den Gasatomen zusammen und ionisieren diese. Diese positiv geladenen, ionisierten Gasatome werden dann zur Kathode hin beschleunigt und schlagen Atome aus der Kathode, d.h. dem Target, heraus. Neben neutralen Atomen des Targets werden außerdem Sekundärelektronen freigesetzt, die weitere Gasatome ionisieren. Es entsteht dabei zwischen den beiden Elektroden ein stationäres Plasma. Die herausgeschlagenen neutralen Atome des Targets verteilen sich gleichmäßig in der gesamten Kammer und erzeugen somit eine Schicht auf dem Substrat.

Nachteilig dabei ist, dass aufgrund des hohen Restgasdruckes eine größere Streuung der aus dem Target herausgeschlagenen neutralen Atome vorhanden ist, woraus eine nie- N2008/19500 • * · · · · · • * · · • * I » · • * · · e · · • · 2-dergeschlagene Schicht auf dem Substrat resultiert, die eine relativ hohe Porosität aufweist.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, wurde im Stand der Technik weiters beschrieben, dem elektrischen Feld ein zusätzliches Magnetfeld überzuordnen, wodurch die Elektronen im Feld ein höheres lonisierungsvermögen haben und damit der Restgasdruck weiter gesenkt werden kann. Aufgrund des notwendigen Magnetrons steigt der Platzbedarf für diese Art der Kathodenzerstäubung, sodass dieses Verfahren lediglich ab einem minimalen Durchmesser für Lagerelemente mit zylinderförmigen Hohlräumen, in denen eine Gleitschicht angeordnet werden soll, anwendbar ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung hochbelastbare zylinderförmige Lagerelemente zu schaffen, die einen möglichst kleinen Innendurchmesser aufweisen.

Diese Aufgabe der Erfindung wird durch das eingangs genannte Verfahren gelöst, bei dem ein Substrat verwendet wird, das einen zylinderförmigen Hohlraum aufweist, wobei das Target zumindest teilweise in dem Hohlraum angeordnet wird, und das weiters die Entladung für die Zerstäubung des Targets mittels einer dritten Elektrode unterstützt bzw. aufrecht erhalten wird, sowie unabhängig hiervon durch das metallische Gleitlagerelement, welches einen inneren Durchmesser des Lagerelementkörpers von maximal 70mm aufweist und bei dem die Gleitschicht durch Kathodenzerstäubung hergestellt ist.

Durch die Anordnung der dritten Elektrode wird eine „Entkopplung“ der Plasmaerzeugung von der eigentlichen Zerstäubung des Targets sowie der anschließenden Abscheidung der Targetatome zur Ausbildung der Schicht auf dem Substrat erreicht. Es ist damit möglich, das Target innerhalb dieses Hohlraumes anzuordnen, wobei dieser Hohlraum einen sehr kleinen Durchmesser von maximal 70 mm aufweisen kann. Zudem wird durch die dritte Elektrode ebenfalls eine höhere Anzahl an Elektronen generiert, wodurch höhere Beschichtungsraten und/oder geringere Prozessdrücke erreichbar sind. Es können also auch mit dem Verfahren sehr dichte Schichten und damit hoch belastbare Schichten als Gleitschichten erhalten werden. Durch die Anordnung des Targets in dem Hohlraum und die geringe Entfernung zwischen Substratoberfläche und Targetoberfläche, erfahren die zerstäubten Atome eine geringe Ablenkung auf ihrer Bahn in Richtung auf die Substratoberfläche, sodass keine zusätzlichen Maßnahmen zur Steuerung der Abscheidung erforderlich sind, wie beispielsweise das Magnetfeld bei dem eingangs geschilderten Verfahren zum Stand der Technik. Es wird weiters der Vorteil erreicht, nachdem das Target innerhalb des Hohlraumes angeordnet werden kann, dass die Beschichtungskammer an N2008/19500

fl -3-sich apparativ weniger aufwendig gestaltet werden kann, da es möglich ist, das Substrat selbst als Teil der Beschichtungskammer zu verwenden.

Bevorzugt wird als dritte Elektrode eine Glühkatode verwendet. Es wird damit der Vorteil erreicht, dass die Quantität der emittierten Elektronen sehr gut steuerbar ist, sodass entsprechend positiv auf das Schichtwachstum Eingriff genommen werden kann. Obwohl Glühkatoden den Nachteil aufweisen, dass sie gegen reaktive Gase empfindlich sein können, überwiegen diese Vorteile.

Als Target wird insbesondere eine Legierung verwendet, die bei einer Temperatur von größer 200 °C zu schmelzen beginnt bzw. bei dieser Temperatur schmilzt. Einerseits ist dies von Vorteil in Hinblick auf das Zerstäubungsverhalten des Targets selbst, andererseits wird damit der Vorteil erreicht, dass weiche, niedrigschmelzende tribologische Beschichtungen erzeugt werden können. Diese Beschichtungen weisen insbesondere ein positives Verhalten in Hinblick auf die Einbettfähigkeit von Fremdpartikeln auf.

Das Target kann auch aus einer Legierung gebildet werden, die einen ersten Schmelzpunkt von 250 °C bzw. 300 °C aufweist.

Insbesondere wird das Target aus einer Legierung gebildet, die ein Element als Hauptlegierungselement enthält, das ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend AI, Cu, Ag, Sn, Pb, Bi, Sb, Au, Mg, Zn. Gerade derartige Legierungen sind im Stand der Technik bereits ausreichend beschrieben und haben sich in der Praxis zur Herstellung eines Gleitlagerelementes ausreichend bewährt.

Gemäß einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass ein Target verwendet wird, das einen maximalen Durchmesser aufweist, der ausgewählt ist aus einem Bereich von 5 mm bis 55 mm. Es können damit Gleitschichten hergestellt werden, die keiner weiteren Bearbeitung bedürfen, wodurch das Verfahren entsprechend effizient durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann der Durchmesser des Targets ausgewählt sein aus einem Bereich von 10 mm bis 40 mm bzw. 15 mm bis 35 mm.

Insbesondere ist es von Vorteil, wenn ein Mindestabstand von Substratoberfläche zu Targetoberfläche mindestens 5 mm, insbesondere mindestens 7,5 mm, bevorzugt mindestens 10 mm, beträgt. Bei einem Abstand der kleiner als 5 mm ist, konnte beobachtet werden, dass kein stabiles Plasma mehr gezündet werden kann. N2008/19500 -4-

Von Vorteil ist es auch, wenn vor der Erzeugung der tribologisch wirksamen Schicht auf der Oberfläche des Substrats diese Oberfläche durch inverse Kathodenzerstäubung unter Verwendung eines Inertgases gereinigt wird, sodass der gesamte Beschichtungsvorgang in ein und derselben Anlage durchgeführt werden kann, insbesondere wiederum die Vorteile der Verwendung des Substrates als Teil der Beschichtungsanlage realisiert werden können. Während der Reinigung der Oberfläche kann an das Substrat ein Spannung zwischen -300 V und -1400 V angelegt werden, um den Reinigungseffekt zu verstärken.

Es ist dabei auch möglich, dass die während der Reinigung der Substratsoberfläche an dem Substrat anliegende Spannung zwischen - 400 V und - 1300 V bzw. zwischen - 450 V und -1000 V beträgt.

Gemäß einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass während der Beschichtung an das Substrat eine Bias-Spannung angelegt wird, die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von - 200 V und einer oberen Grenze von -10 V. Es wird damit der Vorteil erreicht, dass das Substrat mit den positiven Ionen des Restgases in der Beschichtungskammer beschossen wird, so dass Verunreinigungen entfernt werden.

Diese Bias-Spannung kann dabei auch ausgebildet sein aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von -150 V und einer oberen Grenze von - 50 V bzw. einem Bereich mit einer unteren Grenze von -100 V und einer oberen Grenze von - 75 V.

Von Vorteil ist es auch, wenn die Temperatur des Substrates während der Beschichtung geregelt und/oder gesteuert wird, insbesondere in Hinblick auf die Verwendung von Legierungen als Target, welche einen ersten Schmelzpunkt von 200 °C aufweisen, um damit ein Korngrößenwachstum bzw. die Ausbildung unerwünschter Legierungsphasen zu vermeiden.

Gemäß einer Ausführungsvariante des Gleitlagerelements ist vorgesehen, dass der Lagerelementkörper eine Länge in axialer Richtung aufweist, die größer ist als dessen Innendurchmesser.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es insbesondere möglich Gleitlagerelemente herzustellen, deren Lagerelementkörper nahtfrei ausgebildet ist, also zum Beispiel keine Schweißnaht an diesem Gleitlagerelement vorhanden ist, und die einen entsprechend geringen Durchmesser von maximal 70mm aufweisen, so dass also keinerlei Spannungen N2008/19500 1 -5-die in dieser Schweißnaht auftreten können, beim erfindungsgemäßen Gleitlagerelement vorhanden sind. Zudem kann damit der Bearbeitungsaufwand für die Herstellung des fertigen Gleitlagerelementes entsprechend reduziert werden.

Der innere Durchmesser kann insbesondere maximal 60 mm bzw. maximal 50 mm bzw. maximal 30 mm betragen. Die Untergrenze des inneren Durchmessers ergibt sich jeweils aus dem Durchmesser des verwendeten Targets zzgl. des Abstandes zwischen Substratoberfläche und Targetoberfläche, insbesondere des minimalen Abstandes wie voranstehend beschrieben.

Schließlich ist es auch von Vorteil, wenn das mit dem Verfahren hergestellte Gleitlagerelement eine Gleitschicht aufweist, deren Gefüge frei von einer Textur in axialer Richtung ist, also Gleitlagerelemente hergestellt werden können, die verbesserte Laufeigenschaften aufweisen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.

Es zeigen jeweils in stark schematisch vereinfachter Darstellung:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Gleitlagerelement in Schrägansicht;

Fig. 2 eine Ausführungsvariante einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

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 sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verstehen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mit umfassen, z.B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der oberen Grenze 10 mit umfasst sind, d.h. sämtliche Teilbereiche begin- N2008/19500 -6- * I } » « • · · nen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z.B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8,1 oder 5,5 bis 10.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäße Ausführungsform eines Gleitlagerelementes 1 dargestellt. Dieses weist die Form einer so genannten Gleitlagerbuchse auf, ist also durch einen nicht exzentrischen, rotationssymmetrischen Körper gebildet, der eine geschlossene innere Oberfläche 2 aufweist. Mit anderen Worten ist das Gleitlagerelement 1 nach Fig. 1 rohrförmig ausgebildet.

Im Rahmen der Erfindung können auch andere Gleitlagerelemente 1 mit dem Verfahren nach der Erfindung hergestellt werden, die einen zylinderförmigen Hohlraum 3, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, aufweisen. Beispielsweise kann das Gleitlagerelement 1 auch eine Pleuelstange sein, deren Pleuelauge mit einer Beschichtung im Sinne der Erfindung versehen wird.

Im einfachsten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 weist das Gleitlagerelement 1 ein Stützelement 4 mit einer inneren Oberfläche 5 auf, wobei an der inneren Oberfläche 5 eine tribologisch wirksame Gleitschicht 6 angeordnet und mit dem Stützelement 4 verbunden ist. Bedarfsweise kann jedoch zwischen der Gleitschicht 6 und dem Stützelement 4 eine Bindeschicht und/oder eine Diffusionssperrschicht angeordnet werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass zwischen dem Stützelement 4 und der Gleitschicht 6 eine Lagermetallschicht angeordnet wird.

Da dieser Schichtaufbau von Gleitlagerelementen 1 aus dem Stand der Technik bereits bekannt ist, sei zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen hierzu auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.

Das Stützelement 4 besteht üblicherweise aus Stahl bzw. einem hinsichtlich der Strukturfestigkeit damit vergleichbaren Werkstoff, da mit diesem Stützelement 4 dem Gleitlagerelement 1 im Wesentlichen die mechanische Festigkeit verliehen wird. Beispiele für andere Werkstoffe sind verschiedenste Kupferlegierungen, wie Messing oder Bronze, oder übliche Gusswerkstoffe aus Eisenbasislegierungen.

Die Gleitschicht 6 selbst besteht vorzugsweise aus einer Basislegierung die als Hauptlegierungselement ein Element aus einer AI, Cu, Ag, Sn, Bi, Sb umfassenden Elementgruppe aufweist. Das Basiselement stellt dabei - verglichen mit den weiteren Legierungselementen - mengenmäßig den größten Anteil dar. N2008/19500

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Beispiele für derartige Legierungen sind:

Al-Basislegierungen: Al-Sn-Legierungen, Al-Sn-Cu-Legierungen, Al-Sn-Ni-Mn-Legierungen, Al-Sn-Si-Legierungen, Al-Sn-Si-Cu-Legierungen, AIBi15Mo2, Al-Bi11CuO,5NiO,5, AIBi25Cu, AISn25Si7,5, AISn20, AISn20Cu, AISn20Sb10;

Cu-Basislegierungen: CuBi40, CuBi20, CuAg20, CuSn8-10;

Ag-Basislegierungen: AgSn10-40, AgCuSn, AgSn20, AgBi15, AgCu20;

Sn-Basislegierungen: SnCulO, SnAg20, SnSb20Cu5;

Bi-Basislegierungen: BiCu0,1-10Sn0,5-10, BiAg20, BiCu20;

Vorzugsweise werden bis auf hestellungsbedingte Verunreinigungen bleifreie Legierungen verwendet.

Das Stützelement 4 weist einen Innendurchmesser 7 auf, der maximal 70 mm beträgt, insbesondere maximal 60 mm, vorzugsweise maximal 50 mm bzw. maximal 40 mm.

Des Weiteren ist vorzugsweise ein Verhältnis dieses Innendurchmessers 7 zu einer Länge 8 eines das Stützelement 4 und die Gleitschicht 6 umfassenden Lagerelementkörpers 9 kleiner als 1. Mit anderen Worten ist also die Länge 8 des Gleitlagerelementes 1 größer als der Innendurchmesser 7.

Es ist aber im Rahmen der Erfindung selbstverständlich auch möglich Stützelemente 4 zu beschichten, deren Innendurchmesser 7 größer ist als deren Länge 8.

Das Stützelement 4 ist bevorzugt nahtfrei ausgeführt, kann also beispielsweise aus einem Rohr hergestellt sein. Es besteht jedoch im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, das Stützelement 4 durch Umformung herzustellen und die beiden dabei aufeinander zugewandten Stirnflächen des Mantels des Stützelementes 4 miteinander zu verschweißen, allerdings ist dies mit einer entsprechenden Nacharbeit, um eine möglichst gleichmäßige Oberfläche zumindest an der inneren Oberfläche 5 des Stützelementes 4 zu erhalten, verbunden. Darüber hinaus wird eine derartige Ausgestaltung im Rahmen der Erfindung nicht bevorzugt, da sich damit die Materialeigenschaften an diesem Übergang zur Verbindungsnaht entsprechend ändern, beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit, woraus unter Umständen negative Einflüsse auf das Gleitlagerelement 1 in der Anwendung resultieren. N2008/19500 -8-

Die Gleitschicht 6 weist eine Schichtdicke von mindestens 10 pm auf. Beispielsweise kann die Schichtdicke ausgewählt sein aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 10 pm und einer oberen Grenze von 250 pm. Insbesondere kann die Schichtdicke der Gleitschicht 6 aus einem Bereich ausgewählt sein mit einer unteren Grenze von 80 pm und einer oberen Grenze von 150 pm.

Diese gleichmäßige Schichtdicke hat insbesondere Vorteile in Hinblick auf die Laufeigenschaften des Gleitlagerelementes 1, wobei nach der Erfindung der Vorteil erreicht wird, dass bereits im Herstellungsverfahren selbst diese gleichmäßige Schichtdicke erreicht wird, ohne dass es einer Nachbearbeitung, beispielsweise einer spanenden Nachbearbeitung, bedarf. Es wird damit auch der Vorteil erreicht, dass für den Fall, dass auf dieser Gleitschicht 6 noch eine weitere Schicht, beispielsweise eine Einlaufschicht aus einem Gleitlack, aufgebracht wird, dieser ebenfalls eine möglichst gleichmäßige Schichtdicke aufweist.

Als Gleitlack für diese Einlaufschicht kann beispielsweise ein Gleitlack verwendet werden, der eine Polymerschicht aus einem Polyamidimidharz, Molybdändisulfid und Graphit bildet, wobei der Anteil des Polyamidimidharzes ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 23 Gew.-% und einer oberen Grenze von 36 Gew.-%, der Anteil von MoS2 ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 40 Gew.-% und einer oberen Grenze von 49 Gew.-% und der Anteil an Graphit ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 23 Gew.-% und einer oberen Grenze von 29 Gew.-%. Besonders bevorzugt wird ein Polyamidimidharz, bei dem zumindest die Hauptkette der Molekülstruktur ein voll konjugiertes Bindungssystem aufweist. Der Anteil des Polyamidimidharzes kann in diesem Fall zwischen 20 Gew.-% und 50 Gew.-%, insbesondere zwischen 30 Gew.-% und 40 Gew.-% betragen. Es können in diesem Fall auch andere Festschierstoffe, wie z.B. SnS, SnS2, WS2 zusätzlich oder alternativ zu den voranstehend genannten Festschmierstoffen verwendet werden, wobei diese den Rest auf 100 Gew.-% bilden.

Des Weiteren besteht die Möglichkeit auch eine metallische Einlaufschicht, wie dies bereits im Stand der Technik beschrieben wurde, beispielsweise aus Sn, nach dem Auftrag der Gleitschicht 6 aufzubringen.

Es ist bei dem Gleitlagerelement 1 von Vorteil, dass bedingt durch das Herstellungsverfahren die Gleitschicht 6 keine bzw. keine ausgeprägte Gefüge-Textur, d.h. keine ausgeprägte Orientierung der Kristallite in axialer Richtung des Gleitlagerelementes 1 aufweist. N2008/19500

Trotz des geringen Innendurchmessers 7 des Stützelementes 4 ist die Gleitschicht 6 nach dem Verfahren der Kathodenzerstäubung hergestellt, so dass auch die Gleitschicht 6 nahtfrei ist, d.h. über den gesamten Umfang 10 und über die gesamte Länge 8 sich eine ununterbrochene Gleitschicht 6 ausbildet.

Zur Herstellung dieses Gleitlagerelementes 1 ist in Fig. 2 eine mögliche Ausführungsvariante einer Vorrichtung 11 dargestellt.

Diese Vorrichtung 11 umfasst ein Gehäuse 12, das vakuumdicht verschließbar ist, wobei auch sämtliche benötigten Durchführungen durch das Gehäuse 12 entsprechend vakuumdicht ausgeführt sind. Das Gehäuse 12 definiert eine Behandlungskammer 13, in der das Stützelement 4 zur Abscheidung der Gleitschicht 6 (Fig. 1) angeordnet wird. Um das Stützelement 4 in diese Behandlungskammer 13 einzubringen, besteht einerseits die Möglichkeit das an dem Gehäuse 12 eine entsprechende Schleuse vorhanden ist, andererseits besteht auch die Möglichkeit, dass das Gehäuse 12 geteilt ausgeführt ist, beispielsweise einen Boden 14 und eine von diesem abnehmbare Haube 15 aufweist, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Die Verbindung dieser beiden Gehäuseteile kann beispielsweise durch eine Schraubverbindung, etc. erfolgen, wobei wiederum gewährleistet sein muss, dass eine vakuumdichte Verbindung entsteht.

Neben dem Stützelement 4 ist in dem Gehäuse 12 ein, insbesondere stab- bzw. zylinderförmiges, Target 16 derart angeordnet, dass es zumindest teilweise innerhalb des Stützelementes 4, d. h. in dessen Hohlraum 3, ragt. Mit zumindest teilweise ist gemeint, dass im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit besteht, dass die Beschichtung, d. h. die Gleitschicht 6, nicht über die gesamte Länge 8 (Fig. 1) des Gleitlagerelementes 1 aufgebracht wird, sondern nur in einem Teilbereich desselben. Vorzugsweise ist aber die gesamte innere Oberfläche 5 des Stützelementes 4 mit der Gleitschicht 6 versehen, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Dazu ragt das Target 16 zumindest annähernd durch den gesamten Hohlraum 3 des Stützelementes 4.

Das Target 16 ist zur elektrischen Kontaktierung bei dieser Ausführungsvariante der Vorrichtung 11 durch den Boden 14 geführt. Selbstverständlich besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass das Target 16 kürzer ausgebildet wird und über eine elektrische Kontaktierung nach außen geführt wird. Das Target 16 kann beispielsweise eine Länge aufweisen, die zumindest annähernd der Länge 8 des Gleitlagerelementes 1 (Fig. 1) entspricht. N2008/19500

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In axialer Richtung des Targets 16 sowie des Stützelementes 4 und dem Target 16 gegenüberliegend ist eine zweite Elektrode 17 angeordnet, die zur elektrischen Kontaktierung eine Verbindung durch eine Deckfläche 18 der Vorrichtung 11 nach außen aufweist. Die Elektrode 17 ist dabei scheibenförmig ausgebildet und weist vorzugsweise einen äußeren Durchmesser auf, der zumindest annähernd dem Innendurchmesser 7 des Stützelementes 4 entspricht.

Obwohl dies die bevorzugte Ausbildung der weiteren Elektrode 17 ist, besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass die Elektrode 17 flächenmäßig eine geringere Ausdehnung als die Querschnittsfläche des Stützelementes 4, d. h. des Hohlraumes 3, aufweist.

Das Stützelement 4 wird in der Behandlungskammer 13 auf einer Halteeinrichtung 19 angeordnet. Bei der dargestellten Ausführungsvariante steht das Stützelement 4 mit einer seiner Stirnflächen auf der Halteeinrichtung 19, wobei die Halteeinrichtung 19 einen umlaufenden Steg 20 bzw. eine entsprechend höher ausgeführte Seitenwand aufweisen kann, die das Stützelement 4 außen teilweise umgreift. Zur weiteren Fixierung des Stützelementes 4 können entsprechende Fixiereinrichtungen an der Halteeinrichtung 19 angeordnet sein, beispielsweise entsprechende Klemmvorrichtungen etc.

Die Halteeinrichtung 19 kann ebenfalls übereine Kontaktierung 21, die im Fall der Ausführungsvariante nach Fig. 2 durch eine Seitenwand 22 des Gehäuses 12 geführt ist, zur Herstellung des elektrischen Kontaktes nach außen geführt und mit der Energiequelle verbunden sein.

Unterhalb der Halteeinrichtung 19 ist ein sich trichterförmig erweiternder Hohlraum 23 angeordnet, der in Richtung auf den Boden 14 des Gehäuses 12 zumindest annähernd von einer zylinderförmigen Seitenwand 24 begrenzt ist. Zwischen der Seitenwand 24, d. h. dem trichterförmigen Ende dieser Seitenwand 24, und der Halteeinrichtung 19 ist ein Isolierelement 25 angeordnet, mit dem eine elektrische Isolierung dieser beiden Bauteile der Vorrichtung 11 erreicht wird.

In diesem Hohlraum 23 ist eine dritte Elektrode 26 angeordnet, die bevorzugt als Glühkathode ausgeführt ist. Beispielsweise kann diese dritte Elektrode 26 aus Wolfram, Tantal, oder LaB6 bestehen. Diese Elektrode 26 ist selbstverständlich elektrisch isoliert gegenüber dem Target 16 angeordnet. N2008/19500 -11 -

Des Weiteren ist im Gehäuse 12 eine Ausnehmung 27 vorgesehen, über die die Behandlungskammer 13 evakuiert bzw. gespült werden kann. Während des Beschichtungsbetriebes werden von der dritten Elektrode 26 Elektronen emittiert und in Richtung auf die zweite Elektrode 17, die als Annode geschaltet ist, beschleunigt. Nachdem in der Behandlungskammer 13 ein Restgas, beispielsweise ein E-delgas, insbesondere Argon, vorhanden ist, treffen diese Elektronen während des Weges in Richtung auf die Annode, d. h. die zweite Elektrode 17, auf Edelgasatome und ionisieren diese. Die positiv geladenen, ionisierten Edelgasatome werden dann zur Katode hin, also zum Target 16, beschleunigt und schlagen hier Atome aus dem Targetmaterial heraus, die in der Folge auf der inneren Oberfläche 5 des Stützelementes 4 wieder kondensieren und damit den Schichtaufbau zur Herstellung der Gleitschicht 6 realisieren.

Das Stützelement 4 kann auf Erdpotential liegen. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit an dem Stützelement 4 eine Bias-Spannung anzulegen, die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von -200 V und einer oberen Grenze von -10 V, aus oben genanntem Grund.

An der zweiten Elektrode 17, d. h. der Annode, kann eine Spannung anliegen, die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 30 V und einer oberen Grenze von 150 V, beispielsweise 60 V beträgt.

Das Target selbst kann eine Spannung aufweisen, die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von - 1500 V und einer oberen Grenze von - 200 V bzw. die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von - 1000 V und einer oberen Grenze von - 500 V.

An der Glühkatode, d. h. der Elektrode 26, kann eine Spannung anliegen, die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 10 V und einer oberen Grenze von 50 V bzw. eine Stromstärke die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 75 A und einer oberen Grenze von 200 A. Beispielsweise kann eine Spannung von 15 V und eine Stromstärke von 150 A verwendet werden.

Die am Target anliegende Stromdichte kann zwischen 5 mA/cm2 und 15 mA/cm2, beispielsweise 9 mA/cm2, betragen.

Die Glühkatode kann auf eine Temperatur zwischen 1700 K und 2700 K, beispielsweise auf 2300 K, aufgeheizt werden, in Abhängigkeit vom verwendeten Material hierfür. N2008/19500 - 12-

Die Beschichtung erfolgt mit Gleichstrom.

Vorzugsweise besteht das Targetmaterial aus der Legierung, aus der die Beschichtung für die Gleitschicht 6 gebildet wird. Das Target 16 kann beispielsweise pulvermetallurgisch hergestellt sein. Prinzipiell ist die Herstellung derartiger Targets 16 bereits im Stand der Technik beschrieben und bekannt.

Insbesondere besteht das Target 16 aus einer Legierung die einem ersten Schmelzpunkt von 200 °C aufweist, wie dies voranstehend beschrieben wurde.

Es ist weiters von Vorteil, wenn ein maximaler Durchmesser 28 des Targets 16 einen Wert von maximal 55 mm aufweist.

Selbstverständlich kann die Legierung für die Herstellung des Targets 16 auch so genannte Hartphasen bzw. Hartphasenbildner aufweisen, beispielsweise kann die Hartphase durch zumindest ein Element aus einer Gruppe umfassend Cr, Fe, Co, Cu, Mn, Ni, Mo, Mg, Nb, Pt, Sc, Ag, Si, V, W, Zr und/oder Aluminide, Carbide, Silicide, Nitride, Boride der Elemente gebildet sein bzw. werden, um in der Gleitschicht 6 ebenfalls Hartphasen zu erzeugen, die dieser Gleitschicht 6 eine höhere Abriebbeständigkeit verleihen, wobei - wie an sich bekannt - die Gleitschicht 6 auch Weichphasenanteile, z.B. Sn, Bi, Sb, Pb, aufweist, die eine verbesserte Einbettfähigkeit für Fremdpartikel aus dem Abrieb während des Gebrauches des Gleitlagerelementes 1 bereit stellen.

In einer Abwandlung hierzu besteht die Möglichkeit, dass während des Beschichtens des Gleitlagerelementes 1 dieses um das Target 16 gedreht wird, wozu beispielsweise die Halteeinrichtung 19 mit einer entsprechenden Dreheinrichtung verbunden sein kann, also drehbar gelagert ist. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass das Target 16 drehbar gehaltert ist.

In einer Vereinfachung dieser Vorrichtung 11 zur Kathodenzerstäubung besteht die Möglichkeit, dass auf das Gehäuse 12 verzichtet wird, und vereinfacht ausgedrückt das Gehäuse 12 durch das Stützelement 4, das vakuumdicht mit der Halteeinrichtung 19 verbunden ist, und die zweite Elektrode 17, welche eine Art Deckel in diesem Fall bilden kann, der elektrisch isoliert auf dem der Halteeinrichtung 19 gegenüberliegenden Stirnendbereich des Stützelementes 4 ebenfalls vakuumdicht anliegend mit dem Stützelement 4 verbunden wird, gebildet ist. In diesem Fall kann beispielsweise der unterhalb des Stützelementes 4 ausgebildete Hohlraum 23, in dem die Glühkathode, d. h. die dritte Elektrode N2008/19500

- 13- 26, angeordnet ist, die Ausnehmung 27 aufweisen, über die die Evakuierung dieser vereinfachten Vorrichtung 11 bzw. die Spülung oder Einführung von Gas in die Behandlungskammer gebildet wird.

Mit beiden beschriebenen Ausführungsvarianten der Vorrichtung 11 ist auch eine Reinigung der Oberfläche 5 des Stützelementes 4 vor der eigentlichen Behandlung, d. h. vor dem Abscheiden der Gleitschicht 6, mittels inverser Kathodenzerstäubung unter Verwendung eines Inertgases, wie beispielsweise Argon, möglich. Dazu kann an dem Substrat, d h. dem Stützelement 4, eine Spannung von zwischen - 200 V und - 10 V angelegt werden, so dass also die über die Elektronen von der Glühkatode erzeugten positiven Argonionen in Richtung auf die Substratoberfläche, d. h. die Oberfläche 5 des Stützelementes 4, beschleunigt werden und hier Verunreinigungen herausschlagen.

Neben der Reinigung durch inverses Kathodenzerstäuben besteht selbstverständlich die Möglichkeit, dass das zu beschichtende Substrat mit den üblichen Reinigungsverfahren, zum Beispiel mit Lösungsmittel, etc., (vor)gereinigt wird.

In einer weiteren Abwandlung der Vorrichtung 11 besteht die Möglichkeit, dass die Temperatur des Stützelementes 4, d. h. des Substrats, während der Beschichtung geregelt und/oder gesteuert wird, wozu beispielsweise in der Behandlungskammer 13 über die äußere Oberfläche des Stützelementes 4 verteilt Kühl- und/ oder Heizelemente 29 (In Fig. 2 strichliert dargestellt) angeordnet werden können, die von einer Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, durchströmt sein können. Diese Kühl- und/ oder Heizelemente 29 bzw. Heizelemente können dabei auch in einem entsprechenden Kühlmantel angeordnet werden.

Es besteht weiters im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, Gleitschichten 6 abzuscheiden, die über ihrer Schichtdicke betrachtet einen Konzentrationsgradienten für zumindest ein Legierungselement aufweisen. Beispielsweise ist es möglich, dass ein Weichphasenelement von der Grenzfläche zum Stützelement 4 in Richtung auf die Gleitfläche, d. h. die innere Oberfläche des Gleitlagerelementes 1, eine zunehmende Konzentration aufweist, wohingegen der Hartphasenanteil in umgekehrter Richtung zunehmen kann. Um dies zu erreichen, kann beispielsweise das Target 16 einen schichtförmigen Aufbau aufweisen, d. h. dass in den äußeren Bereichen die Konzentrationen an Hartphasenelementen größer ist als in den näher am Kern des Targets 16 liegenden Bereichen. N2008/19500 • « - 14-

Von den im Rahmen der Erfindung durchgeführten Versuchen, werden im Folgenden nur einige ausgesuchte Ausführungsbeispiele der Erfindung angegeben. 1. Ausführungsbeispiel:

Es wurde ein zylinderförmiges Rohr bzw. eine Büchse aus Stahl mit einer Länge von 5 cm und einem Innendurchmesser von 3 cm als Stützelement 4 bereitgestellt. Dieses Rohr wurde in der Folge in die Behandlungskammer einer Versuchsanlage überführt, die daraufhin evakuiert wurde. Gegebenenfalls kann die Behandlungskammer nach dem Einschleusen des Rohres mehrmals mit Argon gespült und dazwischen evakuiert werden.

Nach dem Einschleusen wurde die Oberfläche durch inverses Kathodenzerstäuben mit Ar als Prozessgas gereinigt. Dabei wurden folgende Parameter eingestellt:

Spannung: 450 V

Dauer: 10 Minuten

Als Target 16 für das Abscheiden der Gleitschicht 6 wurde ein Legierungstarget aus CuSn8 verwendet. Folgende Parameter wurden für die Beschichtung verwendet.

Druck: 0,5 Pa - 1 Pa

Abscheiderate: 0,45 pm/Min Länge des Targets: 200 mm

Außendurchmesser des Targets: 15 mm

Spannung am Target: -700 V bis -1000 V

Spannung Anode: ca. 60 V

Stromstärke Anode: 8 A - 20 A

Stromstärke am Target: bis 1 A

Spannung an der Glühkathode: 15 V- 25 V

Stromstärke Glühkathode: 120 A bis 150 A N2008/19500

Leistung Glühkathode: 2 kW - 3 kW

Temperatur der Glühkathode: ca. 2000 °C

Die Schicht hatte die Endzusammensetzung CuSn8.

Es wurde eine Schichtdicke der Schicht von 8 pm hergestellt.

Das Schliffbild der Schicht zeigte keine Gefüge-Textur in axialer Richtung des Rohres 2. Ausführungsbeispiel

Es wurde das erste Ausführungsbeispiel mit einem pulvermetallurgisch hergestellten Target 16 aus AIBi15Mo1 wiederholt.

Folgende Parameter wurden für die Beschichtung verwendet.

Druck: 0,66 Pa - 1 Pa Abscheiderate: 0,7 pm/Min Länge des Targets: 200 mm Außendurchmesser des Targets: 15 mm Spannung am Target: -1000 V bis -1500 V Spannung Anode: ca. 60 V Stromstärke Anode: 16 A - 20 A Stromstärke am Target: bis 1 A Spannung an der Glühkathode: 15 V- 25 V Stromstärke Glühkathode: 120 A bis 150 A Leistung Glühkathode: 2 kW - 3 kW Temperatur der Glühkathode: ca. 2000 °C N2008/19500 - 16-

Die Schicht hatte die Endzusammensetzung AIBi15Mo1.

Es wurde eine Schichtdicke der Gleitschicht 6 von 20 gm hergestellt.

Die nach den beiden Ausführungsbeispielen hergesteliten Proben erforderten keine Nachbearbeitung mehr und konnten sofort eingesetzt werden.

Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten des Gleitlagerelementes 1, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt.

Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus des Gleitlagerelementes 1 dieses bzw. dessen Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden. N2008/19500 • · • » · · ·

Bezugszeichenaufstellung

Gleitlagerelement Oberfläche Hohlraum Stützelement Oberfläche Gleitschicht Innendurchmesser Länge Lagerelementkörper Umfang Vorrichtung Gehäuse Behandlungskammer Boden Haube Target Elektrode Deckfläche Halteeinrichtung Steg Kontaktierung Seitenwand Hohlraum Seitenwand Isolierelement Elektrode Ausnehmung Durchmesser Kühlelement N2008/19500

Claims

- 1 - Patentansprüche 1. Verfahren zum Herstellen eines Gleitlagerelementes (1) durch Beschichten einer Oberfläche (5) eines Substrats mit einer tribologisch wirksamen Gleitschicht (6) mittels Kathodenzerstäubung in einer Gasatmosphäre und unter Verwendung von zumindest einem metallischen Target (16), dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat verwendet wird, das einen zylinderförmigen Hohlraum (3) aufweist, wobei das Target (16) zumindest teilweise in dem Hohlraum (3) angeordnet wird, und dass weiters die Entladung für die Zerstäubung des Targets (16) mittels einer dritten Elektrode (26) unterstützt bzw. aufrechterhalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als dritte Elektrode (26) eine Glühkathode verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Target (16) eine Legierung verwendet wird, die bei einer Temperatur von 200 °C zu schmelzen beginnt bzw. bei dieser Temperatur schmilzt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Target (16) eine Legierung verwendet wird, die ein Element, ausgewählt aus einer Gruppe umfassend AI, Cu, Ag, Sn, Bi, Sb als Hauptlegierungselement enthält.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Target (16) verwendet wird, das einen maximalen Durchmesser aufweist, der ausgewählt ist aus einem Bereich von 5 mm bis 55 mm.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der zu beschichtenden Substratoberfläche und .der Targetoberfläche mindestens 5 mm beträgt. N2008/19500 • · -2-
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Erzeugung der tribologisch wirksamen Schicht auf der Oberfläche (5) des Substrats diese Oberfläche (5) durch inverse Kathodenzerstäubung unter Verwendung eines Inertgases gereinigt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass während der Reinigung der Oberfläche an das Substrat eine Spannung zwischen - 300 V und - 1400 V angelegt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass während der Beschichtung an das Substrat eine Bias-Spannung angelegt wird, die ausgewählt wird aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von -200 V und einer oberen Grenze von -10 V.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur das Substrat während der Beschichtung geregelt und/oder gesteuert wird.
11. Metallisches Gleitlagerelement (1) mit einem, ein Stützelement (4) aufweisenden Lagerelementkörper (9) mit einem zylinderförmigen Hohlraum (3), der eine innere Oberfläche (5) und einen Innendurchmesser (7) aufweist, wobei auf der inneren Oberfläche (5) eine metallische Gleitschicht (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Durchmesser des Lagerelementkörpers maximal 70 mm beträgt und die Gleitschicht (6) durch Kathodenzerstäubung hergestellt ist.
12. Gleitlagerelement (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerelementkörper (9) eine Länge (8) in axialer Richtung aufweist, die größer ist als der Innendurchmesser (7).
13. Gleitlagerelement (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerelementkörper (9) nahtfrei ausgebildet ist. N2008/19500

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14. Gleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht (6) aus einer Legierung besteht, die ein den Hauptbestandteil bildendes Basiselement aufweist, das ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend AI, Cu, Ag, Sn, Pb, Bi, Sb.
15. Gleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht (6) ein Gefüge aufweist, dass frei von einer Textur in axialer Richtung ist. Miba Gleitlager GmbH durch / * * - v Anwälte purger_# Partner Rechtsanwalt GmbH N2008/19500