WO2005052202A1 - Gleitlagerverbundwerkstoff mit aufgesputterter gleitschicht - Google Patents

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WO2005052202A1
WO2005052202A1 PCT/EP2004/003494 EP2004003494W WO2005052202A1 WO 2005052202 A1 WO2005052202 A1 WO 2005052202A1 EP 2004003494 W EP2004003494 W EP 2004003494W WO 2005052202 A1 WO2005052202 A1 WO 2005052202A1
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Definitions

  • the present invention relates to a
  • Plain bearing composite material with a steel backing layer, a bronze, brass or brass base layer cast, sintered or plated on it and a sliding layer made of an aluminum / tin / copper base layer sputtered onto the base layer or an intermediate layer.
  • Plain bearing composite materials in particular for the production of plain bearing shells for engine applications, in particular for mounting the crankshaft or as connecting rod bearing shells, with a sputtered, i.e. Aluminum / tin-based sliding layers produced in the sputtering process are known.
  • the applicant manufactures and sells slide bearing shells for motor applications with a sputtered-on sliding layer composed of AlSn20 and AlSn20Cul.
  • the applicant has also published a product description "PVD-coated high-performance plain bearings", which fundamentally describes the sputtering of bearing shells.
  • EP 0 272 447 A2 with priority 1986 discloses a hardness increase using an oxygen atmosphere to values during an intermediate state before heat treatment of 113 HV at the crown of the bearing and 45 HV at the ends of the bearing shell, these values then after heat treatment to about 92 HV 0.002 were reduced, at the time this expresses the desire to increase the hardness.
  • EP 0 265 937 A2 from the applicant has already recognized that in connection with AlSn5Cu, AlSnlOCu, AlSn20Cu, AlSn30Cu, AlSn40Cu, AlSnlOPblOCu sliding layer compositions with final hardness of the sputtered sliding layer material of 75 to 97.5 HV 0.002 can still be achieved (which can still be achieved ) proved to be suitable. According to this document too, the proportion of oxidic constituents in the sliding layer material and thus the hardness should be used using an oxygen atmosphere compared to values of approx. 60 HV 0.002.
  • WO 96/33352 discloses a plain bearing shell for motor applications made of a plain bearing composite material with a steel backing layer, a supporting layer made of lead bronze and a sliding layer made of an AlSn20CuO, 25 alloy applied thereon by electron beam vapor deposition.
  • the sliding layer material can have 15 to 35% by weight of tin and 0.1 to 3.0% by weight of copper and residual aluminum.
  • the only exemplary embodiment discloses the AlSn20CuO, 25 composition mentioned.
  • Electron beam vapor deposition applied sliding layer has a less suitable metallurgical structure and a lower load capacity than an im
  • No. 5,445,896 discloses a generic plain bearing composite material, the possible composition of which is specified with 10 to 80% by weight of Sn, 0.1 to 5% by weight of Cu, 0.05 to 3% by weight of Sb, the rest of AI, optionally up to 10% by weight of Pb and Bi and further optionally up to 5% by weight of Si. All exemplary embodiments contain 1% by weight of copper and 0.5% by weight of antimony. The hardness values given in table 1 are mostly below 100 HV.
  • the present invention is based on the object to improve generic plain bearing composite material for the manufacture of plain bearing elements, in particular plain bearing shells for motor applications, in such a way that an even higher load capacity and improved wear resistance is achieved in order to adapt a plain bearing element produced therefrom to the ever increasing requirements in modern internal combustion engines.
  • Plain bearing composite material of the generic type is or is not suitable from the outset for the usual load capacities such as occur in internal combustion engines. Sufficient ductility of the sliding layer can be assumed if scratching the sliding layer with a fine blade, for example a carpet knife, leads to a displacing upward movement along the scratching down to the carrier layer, but not to flaking off of the sliding layer particles, as is the case with embrittlement of the sliding layer material would be the case.
  • compositions of the sliding layer material and preferred hardness of the sliding layer are specified in the subclaims.
  • a lead-free sliding layer material or an overall lead-free sliding bearing composite material has proven to be advantageous.
  • the composition of the sliding layer material consists of an AlSn (22-30) Cu (2, 3-2, 8) alloy, if necessary with components due to contamination, preferably in each case less than 0.05% by weight.
  • a preferred composition of the sliding layer material according to the invention is AlSn25Cu2.5.
  • a plain bearing composite material according to the invention or a plain bearing element produced therefrom has a superior wear resistance and, in addition, a higher load capacity than a generic composite material made of AlSn20Cul glue layer material.
  • the sliding layer or the sliding layer material has sufficient ductility for good embedding behavior and adaptation behavior, so that the material according to the invention is generally more resilient and more wear-resistant than known materials or sliding elements made therefrom.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gleitlagerverbundwerkstoff mit einer Stahlrückenschicht, einer darauf aufgegossenen, aufgesinterten oder aufplattierten Trägerschicht aus Bronze oder Messing und einer auf die Trägerschicht oder eine Zwischenschicht aufgesputterten Gleitschicht aus einem Gleitschichtmaterial auf Aluminium/Zinn/Kupfer-Basis; um die Belastbarkeit und den Verschleisswiderstand des Gleitlagerverbundwerkstoffs zu erhöhren, wird vorgeschlagen, dass die Zusammensetzung des Gleitschichtmaterials AlSn(22 -30)Cu(2,3-2,8) ist, gegebenenfalls mit jeweils bis zu 2 Gew.-% Ni, Si, Mn und verunreinigungsbedingten Bestandteilen bis jeweils 0,5 Gew.-% in der Summe jedoch nicht höher als 1 Gew.-%, und dass die Härte der Gleitschicht 110 - 150 HV 0,002 beträgt.

Description

Gleitlagerverbundwerkstoff mit aufgesputterter Gleitschicht
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen
Gleitlagerverbundwerkstoff mit einer Stahlrückenschicht, einer darauf angegossenen, aufgesinterten oder aufplattierten Trägerschicht aus Bronze oder Messing und einer auf die Trägerschicht oder eine Zwischenschicht aufgesputterten Gleitschicht aus einem Gleitschichtmaterial auf Aluminium/Zinn/Kupfer-Basis .
Gleitlagerverbundwerkstoffe insbesondere zur Herstellung von Gleitlagerschalen für motorische Anwendungen, insbesondere zur Lagerung der Kurbelwelle oder als Pleuellagerschalen, mit einer aufgesputterten, d.h. im Kathodenzerstäubungsverfahren erzeugten Gleitschicht auf Aluminium/Zinn-Basis sind bekannt. Beispielsweise fertigt und vertreibt die Anmelderin Gleitlagerschalen für motorische Anwendungen mit einer aufgesputterten Gleitschicht der Zusammensetzung AlSn20 und AlSn20Cul. Die Anmelderin hat auch eine Produktbeschreibung "PVD-Beschichtete Hochleistungsgleitlager" veröffentlicht, die das Sputtern von Lagerschalen grundlegend beschreibt .
Ausgehend von Gleitlagerverbundwerkstoffen für geringere Beanspruchungen mit einer galvanisch abgeschiedenen Gleitschicht oder mit aufgegossener oder aufplattierter Gleitschicht auf Aluminium/Zinn-Basis, die eine Härte von etwa 35 bis 45 HV 0,002 aufwiesen, war man Ende der 80er Jahre bestrebt, Gleitlagerverbundwerkstoffe für höhere Belastungen zu fertigen. Es wurde seinerzeit festgestellt, dass durch aufgesputterte Gleitschichten, die dann Härten von 70 bis 90 HV 0,002 aufwiesen, höhere Belastbarkeiten und verbesserte Verschleißwiderstände erreicht werden konnten. Man realiserte sehr rasch, dass eine weitere Steigerung der Härte von aufgesputterten Gleitschichten mit einer unerwünschten Versprodung des Gleitschichtmaterials einhergeht, was zum raschen Ausfall eines aus einem solchen Gleitlagerverbundwerkstoff hergestellten Gleitlagers fuhrt. Insofern haben sich Gleitlagerverbundwerkstoffe mit einer Harte der aufgesputterten Gleitschicht im Bereich von 80 bis höchstens 100 HV 0,002 der gattungsgemaßen Art etabliert.
Wenn EP 0 272 447 A2 mit Zeitrang 1986 eine Hartesteigerung unter Einsatz einer Sauerstoffatmosphare auf Werte wahrend eines Zwischenzustands vor einer Wärmebehandlung von 113 HV am Lagerscheitel und 45 HV an den Enden der Lagerschale offenbart, wobei diese Werte dann nach einer Wärmebehandlung auf etwa 92 HV 0,002 herabgesetzt wurden, so bringt dies zum damaligen Zeitpunkt zwar das Bestreben nach einer Hartesteigerung zum Ausdruck. Zum heutigen Tage jedenfalls besteht in der Fachwelt das Bestreben nach moderaten Harten im Bereich von 70 bis 100 HV 0,002 bei gattungsgemaßen Glei lägerverbundwerkstoffen.
DE 36 29 451 C2 offenbart einen gattungsgemaßen Gleitlagerverbundwerkstoff und erwähnt eine AlSn20Cul- Legierung als Gleitschicht sowie eine AlSi4Snl5Pbl0- Legierung. Auch in dieser Druckschrift kommt das heute überholte Bestreben nach extremen Harten der Gleitschicht zum Ausdruck.
Mit EP 0 265 937 A2 der Anmelderin wurde bereits erkannt, dass in Verbindung mit AlSn5Cu, AlSnlOCu, AlSn20Cu, AlSn30Cu, AlSn40Cu, AlSnlOPblOCu-Gleitschichtzusammensetzungen mit Endharten des aufgesputterten Gleitschichtmaterials von 75 bis 97,5 HV 0,002 erreicht werden können, die sich (noch) als geeignet erwiesen. Auch nach dieser Druckschrift sollte unter Verwendung einer Sauerstoffatmosphare der Anteil oxidischer Bestandteile in dem Gleitschichtmaterial und damit die Harte gegenüber Werten von ca. 60 HV 0,002 erhöht werden.
Der aus EP 0 300 993 AI bekannte stengelformige Schichtaufbau bei gesputterten Gleitschichten hat sich in der Praxis als völlig ungeeignet erwiesen, da die Stengelform mit einer starken Sprodheit einhergeht, und zwar unabhängig von der konkreten Zusammensetzung des Gleitschichtmaterials.
Aus WO 96/33352 ist eine Gleitlagerschale für motorische Anwendungen aus einem Gleitlagerverbundwerkstoff mit einer Stahlruckenschicht , einer Tragerschicht aus Bleibronze und einer darauf durch Elektronenstrahlbedampfung aufgebrachten Gleitschicht aus einer AlSn20CuO, 25-Legierung bekannt. Es findet sich in dieser Druckschrift der pauschale Hinweis, dass das Gleitschichtmaterial 15 bis 35 Gew.-% Zinn und 0,1 bis 3,0 Gew.-% Kupfer und Restaluminium aufweisen könne. Das einzige Ausfuhrungsbeispiel offenbart jedoch die genannte AlSn20CuO, 25-Zusammensetzung.
Es hat sich gezeigt, dass eine durch
Elektronenstrahlbedampfung aufgebrachte Gleitschicht ein weniger geeignetes metallurgisches Gefuge und eine geringere Belastbarkeit aufweist als eine im
Kathodenzerstaubungsverfahren aufgebrachte, also gesputterte Gleitschicht .
US 5,445,896 offenbart einen gattungsgemäßen Gleitlagerverbundwerkstoff, dessen mögliche Zusammensetzung angegeben ist mit 10 bis 80 Gew.-% Sn, 0,1 bis 5 Gew.-% Cu, 0,05 bis 3 Gew.-% Sb, Rest AI, gegebenenfalls bis zu 10 Gew.- % Pb und Bi und ferner gegebenenfalls bis zu 5 Gew.-% Si. Alle Ausfuhrungsbeispiele enthalten 1 Gew.-% Kupfer und 0,5 Gew.-% Antimon. Die in der Tabelle 1 angegebenen Hartewerte liegen überwiegend unter 100 HV.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemaßen Gleitlagerverbundwerkstoff zur Herstellung von Gleitlagerelementen, insbesondere Gleitlagerschalen für motorische Anwendungen, dahingehend zu verbessern, dass eine noch höhere Belastbarkeit und ein verbesserter Verschleißwiderstand erreicht wird, um ein hieraus hergestelltes Gleitlagerelement an die immer weiter steigenden Anforderungen bei modernen Brennkraftmaschinen anzupassen.
Diese Aufgabe wird bei einem Gleitlagerverbundwerkstoff der genannten Art erfindungsgemaß dadurch gelost, dass die Zusammensetzung des Gleitschichtmaterials AlSn (22-30) Cu (2, 3- 2,8) ist, gegebenenfalls mit jeweils bis zu 2 Gew.-% Ni, Si, Mn und verunreinigungsbedingten Bestandteilen bis jeweils 0,5 Gew.-% in der Summe jedoch nicht hoher als 1 Gew.-%, und dass die Harte der Gleitschicht 110 - 150 HV 0,002 betragt.
Mit der vorliegenden Erfindung wurde in überraschender Weise festgestellt, dass bei einer Erhöhung des Kupfergehalts in den beanspruchten Bereich und bei einem Zinngehalt innerhalb des beanspruchten Bereichs eine Steigerung der Belastbarkeit und des Verschleißwiderstands erreicht werden kann, indem die Harte der Gleitschicht in den Bereich von 110 bis 150 HV 0,002 angehoben werden kann, ohne dass hierdurch eine Versprodung des Gleitschichtmaterials hervorgerufen wird. Man war seither davon ausgegangen, dass bei gattungsgemaßen Gleitlagerverbundwerkstoffen oberhalb von 100 HV 0,002 kein brauchbarer Gleitlagerverbundwerkstoff bzw. kein brauchbares hieraus hergestelltes Gleitlagerelement für motorische Anwendungen erhalten werden kann, da mit der Steigerung der Harte das Anpassungsverhalten und die Einbettfahigkeit von mikroskopischen Storkörpern in das Gleitschichtmaterial nicht mehr in dem erforderlichen Maße gegeben sei. Weiter war man davon ausgegangen, dass die Haftfestigkeit der aufgesputterten Gleitschicht nicht mehr ausreicht, um ein Ablosen zu verhindern. Es wurde nun in überraschender Weise festgestellt, dass dies bei der beanspruchten Zusammensetzung des Gleitschichtmaterials nicht der Fall ist, sondern dass sehr hohe Harten, die zu guten Verschleißwiderstanden fuhren, erreicht werden können, wobei eine dennoch ausreichende Duktilitat für die Einbettung von Fremdkörpern vorhanden ist, was nicht zu erwarten war.
Es existiert eine sehr einfach durchfuhrbare Prufmethode, die Aufschluss darüber geben kann, ob ein
Gleitlagerverbundwerkstoff der gattungsgemaßen Art von vornherein für übliche Belastbarkeiten, wie sie bei Brennkraftmaschinen auftreten, geeignet ist oder nicht. Von einer hinreichenden Duktilitat der Gleitschicht kann dann ausgegangen werden, wenn eine Ritzung der Gleitschicht mit einer feinen Klinge, beispielsweise eines Teppichmessers, bis auf die Tragerschicht hindurch zu einer verdrängenden Aufwerfung entlang der Ritzung fuhrt, nicht jedoch zu einem Abplatzen von Gleitschichtpartikeln, wie dies bei einer Versprodung des Gleitschichtmaterials der Fall wäre.
Entgegen der in der Fachwelt herrschenden Ansicht, dass gattungsgemaße Gleitlagerverbundwerkstoffe mit moderaten Harten im Bereich von 70 bis maximal 100 HV ausgebildet werden sollten, wurde mit der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass bei der beanspruchten Zusammensetzung bei demgegenüber höheren Harten im beanspruchten Bereich eine zufriedenstellende Duktilitat des Gleitschichtmaterials angetroffen wird, die für ein gutes Einbettverhalten bzw. Anpassungsverhalten des Gleitschichtmaterials im Betrieb verantwortlich ist. Dies ist aber Voraussetzung für einen dauerhaft guten Verschleißwiderstand und eine dauerhaft hohe Belastbarkeit .
Bevorzugte Zusammensetzungen des Gleitschichtmaterials und bevorzugte Harten der Gleitschicht sind in den Unteranspruchen angegeben. Insbesondere erweist sich ein bleifreies Gleitschichtmaterial oder ein insgesamt bleifreier Gleitlagerverbundwerkstoff als vorteilhaft .
Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform des erfmdungsgemaßen Gleitlagerverbundwerkstoffs besteht die Zusammensetzung des Gleitschichtmaterials aus einer AlSn (22-30 ) Cu (2, 3-2 , 8 ) - Legierung, allenfalls mit verunreinigungsbedingten Bestandteilen, vorzugsweise jeweils geringer als 0,05 Gew.-%.
Eine bevorzugte Zusammensetzung des erfmdungsgemaßen Gleitschichtmaterials ist AlSn25Cu2,5.
Es hat sich gezeigt, dass ein erfmdungsgemaßer Gleitlagerverbundwerkstoff bzw. ein hieraus hergestelltes Gleitlagerelement gegenüber einem gattungsgemaßen Verbundwerkstoff aus AlSn20Cul-Gleιtschιchtmateπal einen überlegenen Verschleißwiderstand und zusätzlich eine höhere Belastbarkeit aufweist. Trotz einer Harte im beanspruchten Bereich weist die Gleitschicht bzw. das Gleitschichtmaterial eine ausreichende Duktilitat für ein gutes Einbettverhalten und Anpassungsverhalten auf, so dass der erfindungsgemaße Werkstoff insgesamt hoher belastbar und verschleißfester ist als bekannte Werkstoffe oder daraus hergestellte Gleitelemente .

Claims

Patentansprüche
1. Gleitlagerverbundwerkstoff mit einer Stahlrückenschicht, einer darauf aufgegossenen, aufgesinterten oder aufplattierten Trägerschicht aus Bronze oder Messing und einer auf die Trägerschicht oder eine Zwischenschicht aufgesputterten Gleitschicht aus einem Gleitschichtmaterial auf Aluminium/Zinn/Kupfer-Basis, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung des Gleitschichtmaterials AlSn(22 - 30) Cu (2, 3-2 , 8 ) ist, gegebenenfalls mit jeweils bis zu 2 Gew.-% Ni, Si, Mn und verunreinigungsbedingten Bestandteilen bis jeweils 0,5 Gew.-% in der Summe jedoch nicht höher als 1 Gew.-%, und dass die Härte der Gleitschicht 110 - 150 HV 0,002 beträgt .
2. Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitschichtmaterial bleifrei ist .
3. Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitlagerverbundwerkstoff bleifrei ist.
4. Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitlagerverbundwerkstoff antimonfrei ist.
5. Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung des Gleitschichtmaterials AlSn(22 - 28)Cu(2,3-2,8) ist.
6. Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung des Gleitschichtmaterials AlSn(23 - 28 ) Cu (2, 3-2 , 8 ) ist.
7. Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung des Gleitschichtmaterials AlSn(23 - 27 ) Cu (2, -2 , 7 ) ist.
8. Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Harte der Gleitschicht 110 - 140 HV 0,002 betragt.
9. Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Harte der Gleitschicht 110 - 130 HV 0,002 beträgt.
10. Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Harte der Gleitschicht 115 - 130 HV 0,002 betragt.
11. Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragerschicht von einer CuPb (8-25) Sn (2-12 ) -Legierung oder von einer CuZn (20-32 ) -Legierung gebildet ist.
12. Gleitlagerelement, insbesondere Gleitlagerschale für motorische Anwendungen, Kurbelwellenlagerschale, Pleuellagerschale, hergestellt aus einem Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche.
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