Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Gleitelement nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 9.

Verbundgleitlager weisen eine Stahlstützschale mit einer Gleitmetallschicht auf, die meist aus einer Aluminium-Zinn-Legierung besteht. In den meisten Fällen ist es erforderlich, die Lauffläche der Lager zusätzlich mit einer meist galvanisch aufgebrachten Schicht aus einer Legierung zu versehen, die eine wesentlich geringere Härte als das Aluminium-Zinn aufweist. Das Aluminium-Zinn-Gleitmetall ist nämlich nur in sehr begrenztem Maße in der Lage, sich in der Einlaufphase an die Stahlwelle anzupassen. Der Anpassungsvorgang besteht im wesentlichen in einer plastischen Verformung und auch einem teilweisen Abrieb der Gleitschicht. Aluminium-Zinn-Legierungen passen sich kaum plastisch an die Welle an und werden in den durch geometrische Unvollkommenheit von Lagerschale und Welle im Mischreibungszustand befindlichen Bereichen der Gleitfläche auch nicht unter gleichzeitiger Glättung der Lauffläche abgerieben, sondern es kommt in den harttragenden Bereichen zu einer Aufrauhung, unter ungünstigen Bedingungen sogar zu einer Riefenbildung. Durch diese Veränderungen der Lauffläche wird die Ausbildung eines Schmiermittelfilms von

gleichmäßiger Dicke beeinträchtigt und örtliche Mischreibungen, die nur auf die Einlaufphase beschränkt sein sollten, bleiben bestehen, so daß nach relativ kurzen Laufzeiten bereits erhebliche Lagerschäden auftreten können.

Um das Anpassungsverhalten des Lagers durch Auftragen einer weichen Schicht zu verbessern, mußte das Problem der elektrochemischen Abscheidung auf Aluminium-Legierungen gelöst werden.

Aus der DE-AS 10 48 757 ist es bekannt, zwischen der Aluminium-Legierung und der Gleitschicht eine Silberschicht vorzusehen, um eine bessere Haftung zwischen dem Aluminium und der Lauffläche zu erzielen. Jedoch hat die aus der DE-AS 10 48 757 bekannte Bindungsschicht aus Silber den Mangel, das sie eine minimale Dicke von 2,5 Aim aufweisen muß, um ausreichende Bindung zu der darunter angeordneten dünnen Zinkschicht und der Trägerschicht aus Aluminiumwerkstoff zu behalten. Außerdem ist die galvanische Aufbringung der bekannten Bindungsschicht aus Silber mit kritischen Arbeitsbedingungen verbunden, so daß sich die aus der DE-AS 10 48 757 bekannte Bindungsschicht aus Silber in der Praxis nicht durchsetzen konnte.

Beispielsweise aus der DE-OS 15 33 214 ist es bekannt, eine Nickelzwischenschicht zwischen einer aus Kupfer bestehenden Außenschicht und einer aus Blei und Zinn bestehenden Innenschicht vorzusehen. Nickel als Haftgrundlage hat sich bei den bekannten Lagern seit langem bewährt, wenn mit oberflächengehärteten Wellenzapfen gearbeitet wird, wie dies bei kleineren Motoren der Fall ist. In solchen Fällen ist es relativ ungefährlich, wenn

nach längeren Laufzeiten die weiche Außenschicht örtlich bis auf die Nickelschicht verschleißt und die Welle mit dem Nickel in Berührung kommt. Anders hingegen liegen die Verhältnisse bei großen Dieselmotoren mit weichen Zapfen.

Das im bekannten Lager galvanisch abgeschiedene Nickel besitzt eine Härte, die höher liegt als die Oberflächenhärte nicht oberflächengehärteter Wellen. Erreicht der Wellenzapfen nach Verschleiß der galvanischen Schicht den Nickelhaftgrund, so gleiten zwei nahezu gleich harte Werkstoffe, die sich zudem metallurgisch sehr ähnlich sind, aufeinander. Diese ungünstige Gleitpaarung führt zu einem Verschleiß des Wellenzapfens, der sich zunächst als Aufrauhung im fortgeschrittenen Stadium schließlich als Riefenbildung bemerkbar macht.

Neben ihrer unerwünschten hohen Härte zeigt die Nickelschicht noch in anderer Hinsicht ein sehr nachteiliges Verhalten. Bei den im Lager herrschenden Betriebstemperaturen können sich im Laufe von einigen 1000 Betriebsstunden zwischen Nickel und Zinn intermetallische Phasen mit der im Vergleich zur reinen Nickelschicht noch wesentlich höheren Härte bilden. Erfolgt der Verschleiß der Laufschicht langsam, so kommt die Welle mit der inzwischen auf einige im angewachsenen intermetallischen Schicht in Berührung, die dann eine starke Abrasion der Welle bewirkt.

Das Aufbringen einer reinen Zinnschicht ohne Nickelzwischenschicht auf eine

Alumium-Lagerlegierung ist deswegen nicht möglich, weil keine ausreichende Bindung zur Aluminium-Legierung erreicht werden kann. Nach

relativ kurzer Betriebsdauer erfolgt bereits eine Ablösung der Zinnschicht. Es wurde daher versucht, mittels eines chemischen Prozesses die Zinnschicht unmittelbar auf die Aluminium-Lagerlegierung aufzubringen. Mittels eines alkalischen und eines sauren Reinigers wird die Aluminium-Lagerlegierung vorbehandelt. Danach wird über einen Aktivator die Oberfläche für die anschließend aufzubringende Zinnschicht vorbehandelt, die durch Eintauchen in eine Zinn-Immersionslösung aufgetragen wird. Diese ohne Zwischenschicht, chemisch aufgebrachte Zinnschicht führt jedoch relativ schnell zu Ausfällen. Auf einem Pleuellagerprüfstand konnte festgestellt werden, daß bereits bei Oleintrittstemperaturen von 100°C vor Erreichen der Versuchsdrehzahl von 6700/min die derart mit einer Zinnschicht versehenen Lager ausfallen.

Ein ähnliches Verfahren ist aus der EP 0 234 738 AI bekannt, bei dem vor dem galvanischen Aufbringen einer Zinnschicht eine Behandlung mit einem Immersionsbad vorgenommen wird. Hierbei handelt es sich um ein saures Immersionsbad, das freie Metallionen, wie Nickel- oder Kupferionen, oder komplex gebundene Metalle enthält, wobei immer Halogenionen zwingend vorhanden sind. Saure Immersionslösungen, deren Bestandteile Nickel und Halogene aufweisen, neigen jedoch zur Oberflächenkorrosion von Aluminium. Abgeschiedene Zinnschichten sind daher instabil und Haftungstests (Klebstreifentest) haben gezeigt, daß sich die Zinnschicht teilweise bis zu 30% von der Aluminium¬ oder der Aluminiumlegierungsschicht ablöst. Unterzieht man beschichtete Teile einem Blister-Test bei 4 h Haltezeit und einer Temperatur von 160°C, so treten Bläschen auf,

was auf Gaseinschlüsse hinweist, die zu einer Ablösung der Zinnschicht beitragen.

Auch aus Chemical Abstracts Bd. 98 (1983), S. 547, Nr. 224260W ist eine Ni-Immersionsbeschichtung bekannt, wobei ebenfalls mit sauren Lösungen gearbeitet wird. Darüber hinaus führt diese Behandlung nicht zu einer dünnen

I mersinsabscheidung, sondern zu einer regelrechten Ni-Schicht, die mit einer Ni-Zwischenschicht gemäß DE-OS 15 33 214 vergleichbar ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Gleitelement bereitzustellen, das eine besser haftende funktionelle Zinnschicht ohne andere metallische Zwischenschicht auf der Lagermetallschicht aufweist. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung solcher Gleitelemente anzugeben.

Die Aufgabe wird mit einem Gleitelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Gegenstand des Verfahrens ist der Patentanspruch 9.

Es wurde überraschend festgestellt, daß eine galvanisch aufgebrachte Zinnschicht dann weitaus besser haftet, wenn die Zinnschicht über eine Zink, Kupfer, Nickel und Eisen aufweisende, alkalische Immersionsabscheidung gebunden ist. Eine alkalische Immersionsabscheidung bewirkt eine schonende Oberflächenbehandlung, die zu einer weitaus besseren Haftung der Zinnschicht führt. Die Durchführung eines Blistertest mit 4h Haltezeit und 160°C zeigte keinerlei Bläschenbildung. Eine Ablösung der Zinnschicht konnte nicht festgestellt werden.

Die Immersionsabscheidung auf alkalischer Basis

bewirkt eine Oberflächenreaktion mit dem Aluminium, wodurch die Oberfläche derart verändert wird, daß die Zinnschicht regelrecht auf der Lagermetallschicht verankert werden kann. Hierzu trägt vermutlich auch bei, daß komplex gebundene Anionen in der Immersionslösung vorliegen und auch die Metalle komplex gebunden sind, wobei die Salze halogenfrei sind.

Im Gegensatz zu den relativ dicken

Zwischenschichten, besitzt die Immersionsabscheidung eine Dicke, die unter 1 /um, vorzugsweise unter 0,3 Λim liegt.

Die funktionelle Zinnschicht ist vorzugsweise als Korrosionsschutzschicht mit einer Dicke zwischen 1 /um und 5 um ausgebildet. Die Zinnschicht kann auch eine größere Dicke aufweisen und als Einlaufschicht mit einer Dicke zwischen 5 um bis 50 yum ausgebildet sein.

Es wurde festgestellt, daß das Gleitelement dann überragende Eigenschaften aufweist, wenn hinsichtlich der in der Aluminium-Legierung enthaltenen Anteile bestimmte Grenzwerte eingehalten werden. Wenn die Lagermetallschicht aus einer zinnhaltigen Legierung besteht, so kann der Anteil des Zinns bis zu 22,5% betragen. Bei höheren Zinnanteilen wird die Bindung der reinen Zinnschicht auf der Lagermetallschicht schlechter.

Wenn bleihaltige Aluminium-Legierungen verwendet werden, so liegt der Anteil des Bleis vorzugsweise bei bis zu 20%. Im Falle von siliziumhaltigen Aluminium-Legierungen ist ein Anteil von bis zu 10% Silizium möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, daß die vorgebildeten, mit einer Lagermetallschicht belegten Gleitelementrohlinge nach Entfetten, Beizen und Reinigen der Oberfläche der Lagermetallschicht mit einem hochalkalischen Aluminium-Immersionsbad, das Zink-, Nickel-, Kupfer- und Eisensalze auf vorwiegend cyanidischer Basis enthält, daß nach der Immersionsbehandlung die Gleitelementrohrlinge mit weitgehend kohlensäurefreiem Wasser gespült werden, und daß zumindest in einem ersten Verzinnungsschritt die Badtemperatur zwischen 20 und 26°C, die

2

Stromdichte 1 bis 3 Ampere/dm und die

Expositionsdauer von mindestens 1 min vorgesehen sind.

Um das kohlensäurefreie, deionisierte Wasser herzustellen, wird dieses vor dem Spülvorgang durch eine Austauschanlage mit Harzen geschickt, die geeignet sind, Kohlensäure zu binden. Es hat sich gezeigt, daß kohlensäurehaltiges Wasser zu agressiv ist und die Immersionsabscheidung zerstören kann, was wiederum zu einer vorzeitigen Ablösung der galvanisch aufgebrachten Zinnschicht führt. Hierbei ist es weiterhin vorteilhaft, wenn das Wasser eine Temperatur von 24 - 26°C aufweist.

Der pH-Wert des Immersionsbades liegt bei 12 - 14, vorzugsweise bei 14.

Vorzugsweise erfolgt die Behandlung im Aluminium-Immersionsbad bei Raumtemperatur, worunter mindestens 20°C zu verstehen sind, über eine Dauer von 15 sec bis 60 sec.

Vorzugsweise wird ein Aluminium-Immersionsbad eingesetzt, die 10 bis 20 g/1 Zink, 5 bis 10 g/1

Nickel, 1 bis 2 g/1 Kupfer und geringe Mengen Eisen und zwar in Form von komplex gebundenen Salzen, enthält.

Aufgrund der Immersionsabscheidung können nur bestimmte Elektrolyte für die galvanische Verzinnung eingesetzt werden. Es hat sich herausgestellt, daß beispielsweise ein Fluoroboratbad zu aggressiv ist und die Immersionsschicht zerstört. Wenn eine zinnhaltige Aluminium-Lagerlegierung mit einer galvanischen Zinnschicht versehen werden soll, so weist das Verzinnungsbad vorzugsweise folgende Zusammensetzungen auf:

Zinn 18 bis 22 g/1

Schwefelsäure 180 bis 220 g/1

Netzmittel 8 bis 12 g/1 und

Kornverfeinerungsmittel 18 bis 22 g/1,

wobei reine Zinnanoden vorgesehen sind. Diese Sulfatverzinnung kann auch bei reinen Aluminium-Lagermetallen oder siliziumhaltigen Aluminium-Lagermetallen eingesetzt werden.

Wenn eine bleihaltige Aluminium-Lagerlegierung verzinnt werden soll, so weist das Zinnbad vorzugsweise folgende Zusammensetzungen auf:

Zinn 15 bis 30 g/1

Methansulfonsäure 120 bis 180 g/1

Netzmittel 15 bis 25 g/1 und

Kornverfeinerungsmittel 8 bis 12 g/1 (aromatische Ketone) .

Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die Gleitelementrohlinge einer mehrstufigen Vorbehandlung unterzogen werden, wobei sie mehrmals

in ein Mischsäurebad aus Schwefelsäure/Chromoxid getaucht werden.

Beispielhafte Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 den Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Gleitelement und

Figur 2 ein Balkendiagramm, das Versuche verschiedener Gleitlager im Vergleich zeigt

In der Figur 1 ist im Schnitt ein Gleitelement dargestellt. Auf einem Stahlrücken 1 ist eine Lagermetallschicht 2 aus reinem Aluminium, silizium-, blei- oder zinnhaltiger Aluminiumlegierung aufgebracht. Die durch die Immersionsabscheidung bewirkte Oberflächenreaktion ist durch den mit 3 bezeichneten Bereich gekennzeichnet. Da es sich um eine Oberflächenbehandlung handelt, ist diese Immersionsabscheidung keine meßbare Schicht, die auf der Aluminium-Lagerlegierung 2 aufgebracht ist. Es gibt somit auch keine scharfe Grenze zwischen der Immersionsabscheidung 3 und der Lagermetallschicht 2. Auf diese so behandelte Lagermetallschicht 2 ist die reine Zinnschicht 4 als funktionelle Zinnschicht aufgebracht.

Nachfolgend wird an einem Verfahrensbeispiel das Aufbringen einer Zinnschicht auf eine zinnhaltige Aluminium-Lagerlegierung beschrieben.

Zum Einbau der Lagerschalen dienen Doppelaufnahmen. Die Breite der Schlitze beträgt 30 mm bei einem

Lagerdurchmesser von bis zu 70 mm. Diese Aufnahme hat an den Seiten keine Lippen und beinhaltet auch keine Räuberkathode. Das Verfahren läuft wie folgt ab:

Entfettung zweimaliges Entfetten der Teile im

Entfettungsautomaten

Beizen in einer Beizsäure aus Schwefelsäure, Flußsäure,

Zinkoxid werden die Lagerschalen 1 min eingetaucht

Spülen

Beizen in eine Beizsäure aus Schwefelsäure, Zinkoxid werden die Lagerschalen 22 sec eingetaucht

Spülen in deionisiertem Wasser 22 sec lang

Säuretauchen

Eintauchen in eine Mischsäure aus

Schwefelsäure/Chromoxid 1 min

Spülen

Säuretauchen

Eintauchen in eine Mischsäure aus

Schwefelsäure/Chromoxid 22 sec

Spülen

Aluminium-Immersionsflüssigkeit die Doppelaufnahme wird 22 sec in die

Aluminium-Immersionsflüssigkeit getaucht. Dünne

Oxidschichten werden gelöst und gleichzeitig eine Metallabscheidung aus Nickel, Zinn und

Kupfer bewirkt.

Spülen

Sulfatverzinnung der Zinnelektrolyt besteht aus 18 bis 22 g/1

Zinn, 180 bis 220 g/1 Schwefelsäure, 10 g/1

Netzmittel und 20 g/1 Kornverfeinerer. Die Badtemperatur beträgt 20 bis 26°C. Die Gleitelemente werden bei einer Expositionszeit von 2 min in dem schwefelsauren Zinnbad bei

2 einer Stromdichte von 2 Amp/dm verzinnt.

Spülen

Trocknen.

Alle Spülvorgänge wurden mit temperiertem (24 - 26°C) und kohlensäurefreiem Wasser durchgeführt.

Diese derart hergestellten Gleitlager wurden vor der galvanischen Behandlung geräumt und anschließend auf einem Pleuelprüfstand getestet. Die Versuchsbedingungen sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt.

Tabelle

Nr, Gleitfläch, gesamte max. bearbeit. Versuchs¬ Laufzeit zeit eines Ver¬ suchs

galvan. gebohrt 225 h 105 h Zinnflash mit Ni- Zwischen- schicht

II galvan. geräumt 40 h 15 h Zinnflash mit Ni- Zwischen- schicht

III galvan. geräumt 80 h 50 h Zinnflash gemäß der Erfindung

IV galvan. geräumt 30 h 50 h Zinnflash gemäß der Erfindung

V ehem.Zinn- geräumt flash

Bei dieser Versuchsreihe hat sich gezeigt, daß die Gleitelemente, die mit einem chemischen Zinnflash versehen wurden, vor Erreichen der Versuchsdrehzahl

von 6700/min bereits bei einer Öleintrittstemperatur von 100°C ausgefallen sind. Es konnte lediglich eine Versuchsdrehzahl von 5200/min erreicht werden (Nr. V).

Bei den Gleitlagern mit einem galvanischen Zinnflash und einer Nickelzwischenschicht tragen bei den geräumten Gleitelementen(Nr. II) bereits bei einer Öleintrittstemperatur von 100°C mehr als 50% Ausfälle auf.

Bei den erfindungsgemäßen Gleitlagern wurden sogar bei Oleintrittstemperaturen von 150°C keine Ausfälle beobachtet.