Die Erfindung betrifft ein konkav gekrümmtes Gleitelement, dessen auf einem Trägerkörper insbesondere im Vakuum aufgebrachtes Schichtsystem mindestens eine Gleitschicht aus einer metallischen Dispersionslegierung aufweist. Solche Gleitelemente haben z. B. als hochbelastbare Lager bzw. Lagerschalen in Ver¬ brennungskraftmaschinen Bedeutung erlangt. Die Erfindung bezieht sich weiter¬ hin auf ein Verfahren zur Herstellung derartiger Gleitelemente, auch Radialgleit¬ lager genannt.

Bei Radialgleitlagern tritt im allgemeinen die höchste Beanspruchung, d. h. abra- sive Belastung, im Scheitelbereich der Lagerschalen auf. In der Nähe der Teilflä¬ chen, das sind die vom Scheitel entfernt liegenden Bereiche, sind dagegen ver¬ schleißartige und dynamische Belastungen wesentlich geringer. Durch mechani- sehe Vorarbeit mit Einfluß auf die geometrische Gestaltung, z. B. Abweichung von der Kreisbogenform, wird u. a. versucht, die Ausbildung eines optimalen Schmierfilms und das Einbettungsverhalten für Fremdteilchen zu gewährleisten.

Entstehen beim Aufbringen des Schichtsystems Dickenunterschiede zwischen dem Scheitelbereich und dem Bereich der Teilflächen, so weicht die Gleitfläche von der idealen Kreisform ab. Durch mechanische Vorbearbeitung des Trägerkör¬ pers kann dafür ein Ausgleich geschaffen werden. Diese Maßnahme erschwert und verteuert jedoch die Vorbearbeitung erheblich.

Lagerschalen mit gleichmäßigem Wanddicken - Verlauf können auch für V - Moto¬ ren und Motoren mit schräggeteilten Pleuelstangen eingesetzt werden. Dort liegt die Hauptlastzone außerhalb des Scheitelbereiches.

Es ist bekannt, bei hochbelastbaren Gleitelementen die Gleitschichten durch Va- kuumbeschichtung aufzubringen. So ist es bekannt, eine Gleitschicht auf der Ba¬ sis Al-Sn-Cu durch Zerstäuben (Sputtem) aufzubringen (DE 28 53 724 C 3; DE 29 40 376 A 1 ; DE 37 29 414 A 1 ).

Es ist auch bekannt, Schichten mit eingelagerten Kunststoffteilchen aufzustäuben (DE 29 14 618 C 2).

Weiterhin ist eine speziell der Beschichtungsgeometrie von Lagerschalen ange- paßte Zerstäubungsvorrichtung bzw. eine Vorrichtung zur Aufnahme von Träger¬ körpern für die Herstellung von Gleitlagern durch Zerstäuben bekannt. Allgemein können durch die vorgenannten Materialien, die durch Zerstäuben im Vakuum aufgebracht werden, hochbelastbare Gleitschichten hergestellt werden (AT-PS 392 291 B; EP 0 452 647 A 1 ). Zerstäuben ist jedoch aufgrund seines Wirkme- chanismus ein teures Verfahren, weil sich die Abscheiderate nicht über eine be¬ stimmte Grenze hinaus erhöhen läßt. Daher sind diesem Verfahren enge Grenzen gesetzt. Das Zerstäuben hat andererseits den Vorteil, daß eine gleichmäßige Be¬ schichtung auch auf gebogenen Teilen wie Gleitlagern möglich ist.

Es ist auch bekannt, Gleitlager aus bandförmigen Halbzeugen herzustellen, bei welchen durch Vakuumbedampfung eine Gleitschicht auf das Band aufgebracht wird (DE 36 06 529 C 2; DE 29 35417). Ziel dieser bekannten Verfahren war die kostengünstigere Herstellung von Gleitlagern. Versuche, ein derart beschichtetes Band zu einem Gleitlager weiterzuverarbeiten, führten jedoch nicht zu einem brauchbaren Ergebnis, weil der hohe Verformungsgrad zu Beschädigungen oder Brüchen innerhalb des Schichtverbundes führte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schichten des Schichtsystems ei¬ nes hochbelastbaren Gleitelementes bzw. Gleitlagers so auszubilden, daß diese bei allen betriebsbedingten Belastungen die an sie gestellten Anforderungen er¬ füllen, und dabei die Herstellungskosten zu senken. Es soll auch ein optimaler Schmierfilm, der wesentlich die Gebrauchsdauer mitbestimmt, zur Ausbildung kommen. Das Verfahren soll umweltfreundlich sein, d. h. galvanische Verfahren zumindest teilweise ablösen, und hochproduktiv sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Das Verfahren zur Herstellung der Gleitelemente ist in dem Anspruch 8

beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Gleitelementes und Ver¬ fahrens zeigen die Patentansprüche 2 bis 7 und 9 bis 15.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß bei Formteilen, wie Gleitlagerschalen, eine einfache Vorbearbeitung beibehalten wird und ein kostengünstiges hochprodukti¬ ves Schichtabscheidungsverfahren genutzt werden kann, dessen Einsatz bisher weder die erforderliche Schichtgleichmäßigkeit noch ausreichende Schichteigen¬ schaften erbrachte. Überraschenderweise kann festgestellt werden, daß erfin¬ dungsgemäß hergestellte Gleitelemente die Eigenschaften und Wirtschaftlichkeit von solchen, die nach dem bisherigen Stand der Technik hergestellt sind, über¬ treffen. Insbesondere weisen derartige Schichten gegenüber galvanisch aufge¬ brachten Schichten eine wesentlich höhere Dauerfestigkeit auf. So haben Versu¬ che gezeigt, daß die Gebrauchsdauer im Hinblick auf vorgegebene Belastungen wesentlich verbessert wird, wenn die Gleitschicht durch Elektronenstrahlbedamp- fung erzeugt wird. Hierfür sind folgende Ursachen ausschlaggebend:

Durch die energetischen Verhältnisse beim Bedampfen mit hoher Abscheiderate wird eine extreme Feinverteilung der dispers eingelagerten Komponenten in die Matrix der Dispersionslegierung erreicht. Die dabei entstehende Struktur der Schicht gewährleistet eine sehr hohe, mit zunehmender Schichtdicke steigende Tragfähigkeit. Die hohe Gleichmäßigkeit der Schichtdicke auf einem großen Be¬ reich des Umfanges (± 70°) der Lagerschale in Kombination mit der durch Elek- tronenstrahlbedampfung erreichbaren Schicht- und Gefügestruktur gewährleistet eine hohe Qualität der Gleitelemente. Sie bestimmt in maßgeblichem Grad die Ausbildung des Schmierfilms und das Einbettvermögen für Fremdpartikel und Ab¬ rieb.

Besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, Gleitelemente wie Radialgleitlager mit einer Diffusionssperrschicht zwischen Trägerkörper und Gleitschicht auszustatten und diese ebenfalls durch Elektronenstrahlverdampfung aufzubringen. Deren

Schichtdicke variiert in einem Winkelbereich von + 70°, bezogen auf den Scheitel, maximal ± 15 %.

Für das erfindungsgemäße Gleitelement haben sich insbesondere metallische Dispersionslegierungen, enthaltend mindestens ein Metall aus der Gruppe AI, Pb, Cd, Sn, Zn, Ni und Cu, bewährt. Vorzugsweise weist die Dispersionslegierung 15 bis 35 Gew.-% Sn und 0,1 bis 3,0 Gew.-% Cu und AI auf.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist das Verfahren zur Herstellung von Gleitelementen mit einem Schichtsystem, wobei mindestens eine Schicht im Va¬ kuum aufgebracht ist. Es wird nach einer an sich bekannten Vorbehandlung auf den Trägerkörper mindestens die Gleitschicht durch Elektronenstrahlbedampfung aus einem Verdampfer aufgebracht. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtabscheidung unter streng definierten geometrischen Beschich- tungsbedingungen und mit vorgegebener Abscheidegeschwindigkeit durchgeführt wird. Es hat sich gezeigt, daß durch diese Verfahrensmerkmale die Ausbildung einer Gleitschicht mit optimaler Schichtstruktur und eine Matrix mit extrem feinver- teilten dispersen Komponenten erreicht wird. Im Gegensatz zu den nach den be¬ kannten Verfahren hergestellten Gleitschichten zeigen diese eine hohe Tragfä¬ higkeit und gute tribologische Eigenschaften. Neben der Abscheidegeschwindig¬ keit bestimmt auch der Einfallswinkel beim Bedampfen maßgeblich die Ausbil¬ dung der MikroStruktur besagter Gleitschicht und damit ihre Eigenschaften.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat weiterhin den Vorteil, daß die Dispersions- legierung für die Gleitschicht aus einem Verdampfer aufgedampft werden kann wobei es aber auch möglich ist, mindestens zwei Komponenten der Dispersions- legierung aus einzelnen eng nebeneinander angeordneten Verdampfertiegeln aufzudampfen.

Das Verfahren zum Aufdampfen der Gleitschicht und/oder der Diffusionssperr¬ schicht kann reaktiv unter Zufuhr eines Reaktionsgases und/oder plasmaaktiviert ausgeführt werden. Das Verfahren wird im wesentlichen durch die Auswahl des aufzudampfenden Materials bestimmt.

Anhand eines Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher erläutert. Es zei¬ gen:

Fig. 1 : eine perspektivische Darstellung einer Lagerschale, Fig. 2: eine schematische Darstellung einer Verdampfereinrichtung für Lager¬ schalen.

Die Fig. 1 zeigt eine Lagerschale, bestehend aus einem Trägerkörper 1 aus Stahl, auf dem eine Zwischenschicht 2 aus Bleibronze, eine Diffusionssperrschicht 3 aus Nickel-Chrom sowie eine Gleitschicht 4 aus Aluminium-Zinn-Kupfer aufge¬ bracht ist. Sie bilden ein Schichtsystem. Der Verlauf bzw. das Dickenverhältnis des Schichtsystems, im wesentlichen der Diffusionssperrschicht 3 und der Gleit- schicht 4, ist derart ausgebildet, daß in einem Winkelbereich von ± 80°, bezogen auf den Scheitelbereich 5, eine Abweichung der Schichtdicke von weniger als 15 %, bezogen auf die Maximalschichtdicke, die im Scheitelbereich 5 auftritt, er¬ reicht wird. Der Trägerkörper 1 und die Zwischenschicht 2 weisen ebenfalls eine kontinuierliche Dicke auf. Die Teilflächen 6 bilden den Rand der Lagerschale.

Die Fig. 2 dient zur Erläuterung des Verfahrens zur Herstellung von Lagerscha¬ len. Das Verfahren wird wie folgt ausgeführt:

Auf den Trägerkörper 1 sind in bekannter Weise die Zwischenschicht 2 aus Blei- bronze und die Diffusionssperrschicht 3 aus Nickel galvanisch oder aus Nickel- Chrom gesputtert aufgebracht. Danach wird der beschichtete Trägerkörper 1 entfettet und gereinigt.

In eine Vakuumbedampfungsanlage werden die so vorbehandelten Trägerkörper 1 eingebracht und nach deren Evakuierung auf einen Druck von 0.01 Pa durch einen Sputterätzprozeß gereinigt. Der Trägerkörper 1 ist zunächst durch eine be¬ dienbare Blende (nicht dargestellt) vor Bedampfung geschützt.

Mindestens ein Trägerkörper 1 wird auf einer Ebene 7 parallel zur Verdampferba- doberfläche über den Verdampfer 8 in Pfeilrichtung bewegt. Der Trägerkörper 1 ist dabei so angeordnet, daß seine Achsenrichtung rechtwinklig zur Bewegungs¬ richtung liegt. Die Geschwindigkeit der linearen Bewegung wird dabei so gesteu¬ ert, daß sie beim Ein- und Austritt in bzw. aus der Dampfwolke größer ist als über

dem Zentrum der gebildeten Dampfkeule. Der Geschwindigkeitsverlauf v(α) ist kontinuierlich und folgt nach der Beziehung:

v(α) = Vπw - v ₀ • cos (2α)

α ist der Winkel zwischen der Normalen 9 auf dem Zentrum des Verdampfers 8 und dem Scheitelbereich 5. Der günstige Bereich für den Winkel α liegt dabei zwischen - 45° und + 45°.

Vm _» ist die Maximalgeschwindigkeit beim Ein- und Austritt in bzw. aus der Dampf- keule. Ihre Größe liegt etwa bei 1 m/min. vo ist eine Normierungsgröße. Sie liegt im Bereich von 0.5 bis 0.7 m/min.

Der Abstand zwischen dem Verdampfertiegel 8 und der Ebene 7 des Scheitelbe¬ reiches 5 des Trägerkörpers 1 wird auf 200 mm eingestellt. Der Verdampfertiegel 8 ist zum Aufbringen der Gleitschicht mit Material der Legierung AISn20Cu0.25 gefüllt. Er wird durch den Elektronenstrahl einer axialen Elektronenkanone (nicht dargestellt) beheizt. Es wird ein bekanntes Verdampfungsverfahren angewendet, das die weitgehende Übereinstimmung der Zusammensetzung von Verdamp- fungs- und Schichtmaterial sichert. Die Bedampfungsrate in der Ebene 7 des Scheitelbereiches 5 des Trägerkörpers 1 wird auf 300 nm/s eingestellt.

Zwischen dem Verdampfertiegel 8 und der Ebene 7 des Scheitelbereiches 5 ist in einer Höhe von 150 mm über der Oberfläche des Verdampfertiegels 8 zentral ein 15 mm dicker elektrisch beheizter Stab 10 angeordnet. Der beheizte Stab 10 wirkt als Dampfblende und hat eine Oberflächentemperatur oberhalb der Schmelztem¬ peratur des Verdampfungsgutes. Auf diese Weise wird eine nennenswerte Kon¬ densation von Dampf auf dem Stab 10 verhindert.

Durch öffnen der Blende und die Bewegung des Trägerkörpers 1 in die Bedamp- fungszone (α = - 45°) wird die Bedampfung eingeleitet. Beim Erreichen der Be- dampfungszone wird der Trägerkörper 1 nach dem beschriebenen Geschwindig¬ keitsverlauf über den Verdampfertiegel 8 hinwegbewegt. Nach einer Zeit von 80

Sekunden wird die Blende geschlossen und die Bedampfung abgebrochen. Durch die genannte Einstellung der Beschichtungsparameter wird bei Trägerkörpern 1 mit einem Krümmungsradius von 25 mm eine Schichtdicke von 18±1 μm im Scheitelbereich 5 und von 17±1 μm im Bereich der Teilflächen 6 erreicht.

Die Schichtdickenverteilung entspricht damit der genannten Bedingung. Die unter den angegebenen Bedingungen durch Elektronenstrahlbedampfung abgeschie¬ dene Gleitschicht 4 erfüllt höchste Qualitätsanforderungen.

Zur Erhöhung der Produktivität des Verfahrens werden in bekannter Weise Lini¬ enverdampfer eingesetzt und über diesen gleichzeitig mehrere Gleitelemente in Achsenrichtung nebeneinander angeordnet.