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WO2008154978A2 - Verfahren zur herstellung eines mit silber strukturiert beschichteten gleitelements und danach erhältliches gleitelement - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines mit silber strukturiert beschichteten gleitelements und danach erhältliches gleitelement Download PDF

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WO2008154978A2
WO2008154978A2 PCT/EP2008/003045 EP2008003045W WO2008154978A2 WO 2008154978 A2 WO2008154978 A2 WO 2008154978A2 EP 2008003045 W EP2008003045 W EP 2008003045W WO 2008154978 A2 WO2008154978 A2 WO 2008154978A2
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
sliding element
metal
silver
coated
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2008/003045
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English (en)
French (fr)
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WO2008154978A3 (de
Inventor
Rudolf Linde
Klaus Staschko
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.)
Federal Mogul Burscheid GmbH
Original Assignee
Federal Mogul Burscheid 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.)
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Publication date
Application filed by Federal Mogul Burscheid GmbH filed Critical Federal Mogul Burscheid GmbH
Publication of WO2008154978A2 publication Critical patent/WO2008154978A2/de
Publication of WO2008154978A3 publication Critical patent/WO2008154978A3/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D5/00—Electroplating characterised by the process; Pretreatment or after-treatment of workpieces
    • C25D5/60—Electroplating characterised by the structure or texture of the layers
    • C25D5/615—Microstructure of the layers, e.g. mixed structure
    • C25D5/617—Crystalline layers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
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    • C25D5/10—Electroplating with more than one layer of the same or of different metals
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    • C25D15/00—Electrolytic or electrophoretic production of coatings containing embedded materials, e.g. particles, whiskers, wires
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    • C25D5/60—Electroplating characterised by the structure or texture of the layers
    • C25D5/605—Surface topography of the layers, e.g. rough, dendritic or nodular layers

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a structured coated sliding element, in particular a sliding bearing, in which metal or a metal alloy is deposited electrolytically in at least two steps on the sliding element, wherein in the first step a layer containing silver as a main component at an unusually high current density of at least 1 A / dm 2 is electrodeposited to create a microstructure of the first layer.
  • Sliding elements which are subject to mechanical stresses in the form of friction must have good sliding properties, high corrosion resistance and sufficient wear resistance.
  • sliding elements in particular their running surfaces, can be provided with sliding layers in the form of electrolytically deposited metals or metal alloys.
  • These coatings should on the one hand have sufficient ductility and show a low embrittlement tendency, especially under load and at high temperatures, and on the other hand have a high internal strength to withstand high loads.
  • DE 197 54 221 A1 describes a layered composite material whose galvanically applied sliding layer, irrespective of the copper content, does not show any embrittlement even at relatively high temperatures, wherein the layered composite material has a sliding layer with 8-30% by weight copper, 60-97% by weight tin and 0.5-10 wt% cobalt.
  • the sliding properties of coated sliding elements can additionally be improved by a lubricant film.
  • a lubricant film For better adhesion of this lubricant film to the surface and to achieve better emergency running properties structuring of the Running surfaces of such sliding elements are provided.
  • this object is achieved by a method for producing a structured coated sliding element, wherein on a sliding element in a first step, as a main component, based on the mass, silver-containing layer is deposited electrolytically and then on the first layer in a second step Metal or metal alloy layer is deposited electrolytically, wherein the current density in the first step is at least 1 A / dm 2 .
  • a coated sliding member which has a high load capacity and a good lubricant retention capability, avoiding the step of prior mechanical structuring of the surface of the sliding member to be coated.
  • a coating current density suitable for the electrolyte system is generally used in order to achieve a trouble-free, uniform metal coating.
  • These current densities are specific for the electrolytes and thus for the metals and metal alloys to be deposited electrolytically and are known to the person skilled in the art.
  • a metal or metal deposition layer is deposited which does not have its own microstructure.
  • a special microstructuring of an electrodeposited silver layer or an alloy layer containing silver as a main constituent is produced in the form of a bud-shaped and / or dendritic structure, which is followed by subsequent electrolytic deposition of a second metal - or metal alloy layer leads to a highly resilient lubricious coating.
  • the second layer follows the microstructuring of the first layer, and the bud-shaped and / or dendritic structure of the first layer (base layer) thus results in a particular microstructuring of the surface of the second layer in this two-step process. to a microstructuring of the surface of the applied coating.
  • this coating leads to a high wear resistance of the coated sliding element, at the same time very good lubricant retention capacity of the surface.
  • the high wear resistance of the coating produced by the process according to the invention is, without being bound thereto according to the invention, due to the increase in the internal strength of the applied coating by a change in the growth direction of the crystallization of the electrodeposited silver or the electrodeposited silver alloy.
  • the hydrodynamics between a sliding member thus coated and a sliding partner is positively influenced by the improvement in the constancy of the lubricant.
  • the emergency running properties and the resistance of the sliding element with respect to the adhesive wear are significantly increased.
  • Another advantage of the coating process according to the invention is a shortening of the process, which results in a time saving and the production costs are reduced, since the previously required, prior mechanical or chemical etching generated structuring of the sliding member to be coated is no longer required.
  • a sliding element is understood to mean elements, in particular machine elements, which have a sliding surface for sliding engagement with a mating surface and are to be provided with a sliding and anti-wear layer. These may be metallic or non-metallic sliding elements. If a metal or metal alloy layer is to be deposited on a non-metallic sliding element, the sliding element is first rendered electrically conductive by applying a thin metal film.
  • the coating according to the invention can be used for coating different sliding elements, for example sliding bearings, bushes cylinders, pistons, bolts, seals, Valves and Daickzylindern.
  • Preferred sliding elements are sliding bearings, in particular sliding bearings for motor vehicles, for example crankshaft bearings, camshaft bearings or connecting rod bearings.
  • the coating method according to the invention can be used for coating the entire surface of the sliding element or only for coating the sliding surfaces of the sliding element.
  • the sliding element may already be provided with additional metal or metal alloy layers before coating with the method according to the invention.
  • a plain bearing usually has the following layer structure: steel (material of the sliding bearing), bearing metal layer, optionally a dam layer, sliding layer, optionally an inlet layer.
  • the bearing metal layer may be, for example, a copper alloy layer, in particular a sintered or cast copper alloy layer.
  • the dam layer can serve as a diffusion barrier and the sliding layer in turn can be applied by the method according to the invention.
  • the first current density for depositing a layer containing as the main constituent, based on the mass, silver is preferably at least 1.5 A / dm 2 , more preferably at least 2 A / dm 2 , even more preferably at least 3 A / dm 2, and most preferably at least 5 A / dm 2 .
  • these current densities particularly favorable microstructures of the silver layer or silver-based layer are obtained, which lead to highly loadable coated sliding surfaces.
  • the electrolytic deposition in the second step is preferably carried out at such a low current density that the resulting second layer of metal or a metal alloy does not have its own microstructuring.
  • a structure-free or microstructure-free coating or layer is understood to mean that the metal layer or metal alloy layer does not form its own microstructure, but deposits on the surface to be coated, following the surface structure of this coated surface.
  • a surface to be coated may be sandblasted and thus have a macrostructure, which then follows the coating in the electrolytic deposition without, however, additionally forming its own microstructuring.
  • the second current density for depositing a tin based on the mass as the main component or bismuth-containing layer no longer 4 A / dm 2 (ampere per square decimeter), preferably not more than 3 A / dm 2 , more preferably 0.5-3 A / dm 2 and even more preferably 0.5-2.5 A. / dm 2 .
  • Tin as the main constituent, based on the mass, containing layers are tin layers which consist of 100 wt .-% or nearly 100 wt .-% of tin and contain only the usual impurities and alloys whose weight fraction of tin higher than the weight fraction of the remaining Alloy components is.
  • the second current density is no longer 0.9 A / dm 2 , preferably 0.3-0.75 A / dm 2 , particularly preferably 0.5-0.75 A / dm 2 .
  • the second current density is no longer 7 A / dm 2 , preferably not more than 6 A / dm 2 and particularly preferably 1 -5 A / dm 2 .
  • the surface structure of the coated sliding element in particular the roughness of the surface and the density of the surface structures, can be controlled via the coating current density in the first step of the electrodeposition, which influences the expression of the buds and dendrites, and the layer thicknesses of the first layer and the second layer.
  • the higher the current density in the first step the greater the layer thickness of the first layer and the smaller the layer thickness of the second layer deposited there above, the rougher the preserving surface and the denser the surface structure obtained.
  • the internal strength of the coating and the surface structure of the type of use of the sliding element and the lubricant to be used can be adapted.
  • the internal strength and the surface structure can be increased in the direction of a high load capacity, e.g. Crankshafts of high-revving internal combustion engines or in the direction of a high mileage, at e.g. Slide bearings are optimized by truck internal combustion engines.
  • Suitable coating materials for the second layer are all metals and metal alloys which have sufficient ductility and strength for the respective sliding element and its desired use.
  • the first and second layers may comprise the same metal or metal alloy or different metals or metal alloys. If the first and second layers are to comprise different metals or metal alloys, the electrolyte is changed before performing the second electrodeposition step.
  • Suitable metals and metal alloys for the second layer are independently aluminum, antimony, bismuth, lead, iron, gold, copper, nickel, cobalt, silver, zinc and tin and their alloys. Preference is given to tin, silver and bismuth and their alloys, in particular those containing tin, silver or bismuth as main constituents. These Materials provide highly resilient and at the same time sufficiently ductile structured coatings according to the inventive method, which are particularly suitable for plain bearings.
  • tin alloys containing the metals antimony, lead, copper, silver, bismuth, cobalt and / or nickel are preferred.
  • examples are tin-antimony alloys, tin-copper alloys, tin-bismuth alloys and tin-lead alloys, in particular those containing tin as the main constituent, based on the mass, and preferably additionally silver, cobalt, aluminum, iron and / or nickel.
  • the tin content of the tin-based alloys is preferably 60-98% by weight.
  • Tin-copper alloys with 60-98% by weight of tin and 2-40% by weight of copper and tin-copper-cobalt alloys with 60-98% by weight tin, 1 are particularly preferred according to the invention for the second layer -30% by weight of copper and 1-10% by weight of cobalt, each of which may preferably additionally contain silver, bismuth and / or nickel as alloy constituents.
  • an electrolyte is understood to mean an aqueous solution whose electrical conductivity is brought about by electrolytic dissociation into ions.
  • the electrolyte therefore contains the metal or metals for forming the metal alloy in the form of ions, and moreover the usual electrolyzers known to those skilled in the art, such as, for example, acids and salts and the remainder water.
  • the process of the invention is preferably carried out in an electrolyte containing 80-300 g / l (grams per liter) of methanesulfonic acid. Further, it is preferred that the electrolyte contains one or more mono- or polyhydroxybenzene (s) and / or beta-naphtholethoxylate.
  • a particularly preferred electrolyte for carrying out the process of this invention comprises 1-150 g / l of depositable metal or ionic depositable metals, 80-300 g / l of methanesulfonic acid, preferably 80-250 g / l of methanesulfonic acid, 1-5 g / l of mono- or Polyhydroxybenzene, 30-45 g / l Cerolyt BMM-T (company Enthone) and the remainder water. Cerolyt BMM-T is an electrolyte additive containing ß-naphthol ethoxylate as its main constituent.
  • the polyhydroxybenzene the di-, tri- and tetrahydroxybenzenes are suitable, preferred are dihydroxybenzenes, among which resorcinol is particularly preferred.
  • the process according to the invention can also be carried out in a cyanide electrolyte commonly used in the prior art.
  • Cyanide electrolytes usually contain as main constituents of the dissolved components cyanide and hydroxide salts, in particular in the form of potassium or sodium cyanide and potassium or sodium hydroxide.
  • the above-mentioned current densities for producing silver layers or silver based on the composition of layers containing as the main component are preferably selected to be about twice as high.
  • the first current density for producing a layer containing as the main constituent, based on the mass, silver is therefore preferably at least 2 A / dm 2 , more preferably at least 4 A / dm 2 , even more preferably at least 8 A / dm when using a cyanide electrolyte 2, and most preferably at least 10 A / dm 2 .
  • electrolytes in particular the methanesulfonic acid-containing electrolyte described above, have proven to be particularly suitable for the formation of the structuring and the internal strength of the coating according to the invention.
  • the desired layer thickness can be adjusted.
  • the coating time in the first step is 5 to 60 seconds and in the second step 5 to 25 minutes.
  • the temperature of the electrolyte for the deposition of the metal or the metal alloy is usually 20- 90 0 C, preferably 20-50 0 C.
  • the layer thickness of the first layer is preferably in the range from 0.3 to 2 ⁇ m, particularly preferably in the range from 0.5 to 1.5 ⁇ m.
  • the layer thickness of the second layer deposited thereon is preferably in the range from 4 to 25 ⁇ m and particularly preferably in the range from 5 to 12 ⁇ m.
  • the first and / or the second layer additionally contain solid particles.
  • the invention thus relates in a preferred embodiment to a method in which solid particles are incorporated into the first and / or the second layer.
  • the electrolytic deposition is carried out in the presence of solid particles.
  • the solid particles are advantageously dispersed in the electrolyte.
  • the solid particles deposit during deposition on unevenness of the surface and are encapsulated by the subsequently deposited metal and / or fixed to the surface.
  • Hard particles of tungsten carbide, chromium carbide, aluminum oxide, silicon carbide, silicon nitride, boron carbide and / or diamond are preferably used as solid particles.
  • the grain size of the solid particles is preferably in the range of 0.01 to 5 microns.
  • Diamonds are particularly preferred as solid particles, and below this, in turn, those having a size in the range of 0.25-0.4 ⁇ m are preferred. Further, alumina particles having a particle size in the range of about 0.2-5 microns are preferred. Embedded diamond particles can be formed from mono- and / or polycrystalline diamond. With polycrystalline diamond, the better results are often achieved because a polycrystalline diamond has numerous slip planes due to the many different crystals.
  • the solid particles or hard material particles can also be a mixture of solid particles of different types of substances in combination.
  • solid lubricant particles may additionally be contained in the layer containing solid particles, whereby the layer can be adapted to the particular application.
  • solid lubricant particles for example hexagonal boron nitride, graphite and / or polymer particles, in particular of polyethylene and / or polytetrafluoroethylene, can be incorporated into the layer.
  • the first and second electrolytic deposition steps may be repeated, if necessary a plurality of times, so that the first and second layers are mutually deposited. For example, in this way four, six, eight, ten or twelve layers can be deposited on each other, so that the first layer, which has a bud-shaped and / or dendritic structure, and the second layer are applied alternately on the sliding element. In this way, an optimal coating can be produced depending on the material and the desired use. In particular, by repeating the first and second steps, an even higher internal strength and thus a higher load-bearing capacity of the coating can be achieved.
  • a gradient structure can be generated, for example, by coating at a current density gradient or a concentration gradient.
  • a decreasing microstructure can be generated by a current density decreasing in the first step, and the microstructuring can be adapted to the material to be deposited and the desired use.
  • the coating method according to the invention may be favorable, under the first layer (base layer), which has a microstructuring, for better adhesion of this first layer and / or as a diffusion barrier on the sliding element, a lower layer of metal or a metal alloy, preferably by electrolytic deposition. It is therefore preferred in accordance with the invention to electrolytically deposit an underlayer of metal or a metal alloy prior to the first step of producing the first layer.
  • a diffusion barrier is particularly advantageous if the metal located under the first layer diffuses with increasing service life of the sliding element in the first layer and thereby deteriorates the properties of the sliding element. For example, copper often diffuses into over-deposited tin layers, causing brittle phases to form and the deposited tin layer can flake off.
  • the underlayer tin, nickel, iron, gold, cobalt, copper and their alloys are preferred. Particularly preferred are nickel and nickel alloys, since they act excellent as diffusion barriers.
  • the backsheet is typically applied using conventional techniques, i. it does not have its own microstructuring. However, it is also possible for the lower layer to be applied electrolytically at a correspondingly high current density, so that the lower layer then has its own microstructuring.
  • an inlet layer can be applied over the second layer, which facilitates the running in of the sliding element.
  • This may be a Wettere electrolytic deposited metal or metal alloy layer or applied by PVD or CVO process layer.
  • electrolytically deposited molybdenum-based layers, PVD and CVD layers are preferred. It is therefore preferred according to the invention, following the second step for producing a second layer, to apply an inflow layer, preferably by electrolytic deposition or by a PVD or CVD method.
  • a PVD layer is understood to be a layer deposited on a sliding element by PVD (Physical Vapor Deposition). PVD processes are known per se to the person skilled in the art.
  • the layer starting material is vaporized by laser, ion or electron beams or by arc discharge, usually under reduced pressure at about 1-1000 Pa, and the PVD layer formed by condensation of the material vapor on the substrate. If necessary, a suitable process gas can be supplied.
  • a CVD layer is understood to mean a layer deposited by CVD (Chemical Vapor Deposition) on a sliding element.
  • CVD methods are known per se to the person skilled in the art.
  • PVD or CVD layers all coatings obtainable by PVD or CVD processes are suitable according to the invention.
  • Preferred PVD and CVD layers are AISn 20 Cu and AISn 2O Fe.
  • the run-in layer is applied according to the invention, in a layer thickness, so that. After a certain period of use, in particular after the running-in phase, it has worn away so far that the underlying second layer, which has a structured surface, comes to light. In this way, after the removal of the upper run-in layer, at least a part of the material located in the depressions of the underlying structured layer remains, so that the surface then remains from the elevations of the structured second layer and the material of the applied run-in layer remaining in the depressions of this structured layer is formed.
  • the layer thickness of the inlet layer is preferably 4-12 ⁇ m, more preferably 4-8 ⁇ m, even more preferably 5-6 ⁇ m.
  • an under-run layer is also understood to mean a deposited material which completely or partially fills the valleys of the underlying structured layer and thereby completely covers or merely partially covers or merely covers the overlying structured layer completely or partially fills the valleys of the underlying structured layer without forming a continuous layer in the sense of a complete coating.
  • the layer thickness in the latter case is the mean value of the height of the filling of the valleys.
  • the present invention further relates to a structured coated sliding element obtainable by the method according to the invention, in particular a plain bearing, e.g. Crankshaft, camshaft or connecting rod bearings.
  • a plain bearing e.g. Crankshaft, camshaft or connecting rod bearings.
  • the invention thus also relates to a structured coated sliding element, having a surface comprising a first layer applied to the surface, which contains silver as the main constituent, based on the mass, and a second layer of metal or a metal alloy applied thereover, wherein the first layer has a microstructuring.
  • the surface may be the entire surface of the slider or include only the sliding surface (s) of the slider.
  • the second layer preferably has no own Microstructuring on.
  • the second layer preferably contains tin, silver or bismuth, in particular as the main constituent, based on the composition.
  • the microstructuring of the first layer is preferably bud-shaped and / or dendritic.
  • the second layer follows the microstructure of the first layer and therefore has a surface microstructure.
  • the invention further relates to a structured coated sliding member comprising, in addition to the first and second layers, a lower layer of metal or a metal alloy disposed below the first layer.
  • the underlayer can advantageously contribute to imparting better adhesion of the first layer to the sliding element and / or serve as a diffusion barrier.
  • the invention relates to a coated sliding member comprising an enema layer over the second layer in addition to the first and second layers and optionally the subbing layer described above.
  • the run-in layer is preferably an electrodeposited metal or metal alloy layer, a PVD or CVD layer.
  • the structured, coated sliding element according to the invention has the advantages described above in connection with the method.
  • the suitable, preferred and particularly preferred embodiments described in the method according to the invention are likewise suitable, preferred and particularly preferred in the case of the coated sliding element according to the invention.
  • An identical slide bearing is coated in the electrolyte having the same composition as described in the above example for 22 minutes at a current density of 0.5 A / dm 2 .
  • the load capacity was tested with Underwood tests.
  • a shaft with eccentric weights rotates in rigidly mounted connecting rods.
  • the bearings in the connecting rods are formed by the test bearings.
  • the test bearings have a wall thickness of 1, 4 mm and a diameter of 50 mm.
  • the bearing width is used to set the specific load.
  • the speed is 4000 revolutions / min.
  • the maximum load capacity in megapascals (MPa) without sliding-layer fatigue after 250 h endurance test was measured.
  • the sliding bearing coated according to the method according to the invention has a significantly improved load-bearing capacity compared with the slide bearing coated according to conventional methods. Furthermore, the plain bearing coated according to the invention exhibited a markedly improved lubricant retention capacity compared with the sliding bearing coated in the comparison test, as verified by visual inspection. This increased lubricant holding ability improves the sliding properties and the emergency running properties of the sliding bearing coated according to the invention.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines strukturiert beschichteten Gleitelements bereitgestellt, bei dem auf einem Gleitelement in einem ersten Schritt eine als Hauptbestandteil, bezogen auf die Masse, Silber enthaltende Schicht elektrolytisch abgeschieden wird und auf der ersten Schicht anschließend in einem zweiten Schritt eine Metall- oder Metallegierungsschicht elektrolytisch abgeschieden wird, wobei die Stromdichte im ersten Schritt mindestens 1 A/dm2 beträgt. Ferner wird ein strukturiert beschichtetes Gleitelement bereitgestellt.

Description

Verfahren zur Herstellung eines mit Silber strukturiert beschichteten Gleitelements und danach erhältliches Gleitelement
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines strukturiert beschichteten Gleitelements, insbesondere eines Gleitlagers, bei dem Metall oder eine Metallegierung elektrolytisch in mindestens zwei Schritten auf dem Gleitelement abgeschieden wird, wobei im ersten Schritt eine als Hauptbestandteil Silber enthaltende Schicht bei einer unüblich hohen Stromdichte von mindestens 1 A/dm2 elektrolytisch abgeschieden wird, um eine Mikrostrukturierung der ersten Schicht zu erzeugen.
Gleitelemente, die mechanischen Beanspruchungen in Form von Reibung ausgesetzt sind, beispielsweise Gleitlager, müssen über gute Gleiteigenschaften, eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine ausreichende Verschleißbeständigkeit verfügen.
Zur Erzielung dieser Eigenschaften können Gleitelemente, insbesondere deren Laufflächen, mit Gleitschichten in Form von elektrolytisch abgeschiedenen Metallen oder Metallegierungen versehen werden. Diese Beschichtungen sollten einerseits eine ausreichende Duktilität aufweisen und eine geringe Versprödungsneigung zeigen, insbesondere unter Belastung und bei hohen Temperaturen, und andererseits über eine hohe innere Festigkeit verfügen, um hohen Belastungen Stand zu halten. In der DE 197 54 221 A1 ist ein Schichtverbundwerkstoff beschrieben, dessen galvanisch aufgebrachte Gleitschicht unabhängig vom Kupfergehalt auch bei höheren Temperaturen keine Versprödung zeigt, wobei der Schichtverbundwerkstoff eine Gleitschicht mit 8-30 Gew.-% Kupfer, 60-97 Gew.-% Zinn und 0,5-10 Gew.-% Kobalt aufweist.
Zur Erzielung guter Gleiteigenschaften werden diese elektrolytisch abgeschiedenen Beschichtungen in der Regel mit möglichst glatten Oberflächen versehen. Die Gleiteigenschaften beschichteter Gleitelemente können zusätzlich durch einen Schmiermittelfilm verbessert werden. Zur besseren Haftung dieses Schmiermittelfilms an der Oberfläche und zur Erzielung besserer Notlaufeigenschaften kann eine Strukturierung der Laufflächen solcher Gleitelemente vorgesehen werden. Um eine Strukturierung der Oberfläche einer elektrolytisch abgeschiedenen Metall- oder Metallegierungsschicht zu erreichen, ist es bekannt, die Oberfläche des zu beschichtenden Gleitelements vor der elektrolytischen Abscheidung mechanisch oder mit Hilfe einer chemisch erzeugten Ätzung zu strukturieren.
Diese Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß ein zeit- und kostenintensiver Strukturierungsschnitt vorgesehen werden muß. Ferner ist auf diese Weise in der Regel keine Mikrostrukturierung zu erreichen. Da zur Beschichtung von Gleitelementen, beispielsweise Gleitlagern, keine Beschichtungen aus sehr harten Metallen wie Chrom oder Titan hergenommen werden können, ist darüber hinaus bei diesen Verfahren des Standes der Technik häufig die innere Festigkeit und damit die Belastbarkeit der elektrolytisch abgeschiedenen Metallbeschichtungen nur unzureichend.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines strukturiert beschichteten Gleitelements zur Verfügung zu stellen und ein nach diesem Verfahren erhältliches beschichtetes Gleitelement, das die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik überwindet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines strukturiert beschichteten Gleitelements, bei dem auf einem Gleitelement in einem ersten Schritt eine als Hauptbestandteil, bezogen auf die Masse, Silber enthaltende Schicht elektrolytisch abgeschieden wird und auf der ersten Schicht anschließend in einem zweiten Schritt eine Metall- oder Metallegierungsschicht elektrolytisch abgeschieden wird, wobei die Stromdichte im ersten Schritt mindestens 1 A/dm2 beträgt.
Mit diesem Verfahren ist überraschenderweise ein beschichtetes Gleitelement erhältlich, das eine hohe Belastbarkeit und eine gute Schmiermittelhaltefähigkeit aufweist, wobei der Schritt der vorherigen mechanischen Strukturierung der Oberfläche des zu beschichtenden Gleitelements vermieden wird.
Bei der Herstellung elektrochemischer Beschichtungen wird in der Regel eine für das Elektrolytsystem geeignete Beschichtungsstromdichte eingesetzt, um eine störungsfreie, gleichmäßige Metallbeschichtung zu erzielen. Diese Stromdichten sind jeweils für die Elektrolyten und damit für die elektrolytisch abzuscheidenden Metalle und Metallegierungen spezifisch und dem Fachmann bekannt.
Bei diesen Stromdichten wird eine Metall- oder eine Metallegterungsschicht abgeschieden, die keine eigene Mikrostrukturierung aufweist. Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, daß oberhalb einer Stromdichte von 1 A/dm2 eine spezielle Mikrostrukturierung einer elektrolytisch abgeschiedenen Silberschicht oder einer Silber als Hauptbestandteil enthaltenden Legierungsschicht (sogenannte Silber-basierte Schicht) in Form einer knospenförmigen und/oder dendritischen Struktur erzeugt wird, die bei anschließender elekrolytischer Abscheidung einer zweiten Metall- oder Metallegierungsschicht zu einer hoch belastbaren Gleitbeschichtung führt.
Die zweite Schicht folgt der Mikrostrukturierung der ersten Schicht, und die knospenförmige und/oder dendritische Struktur der ersten Schicht (Grundschicht) führt bei diesem zweistufigen Verfahren so zu einer besonderen Mikrostrukturierung der Oberfläche der zweiten Schicht, d.h. zu einer Mikrostrukturierung der Oberfläche der aufgebrachten Beschichtung. Überraschenderweise führt diese Beschichtung zu einer hohen Verschleißbeständigkeit des beschichteten Gleitelements, bei gleichzeitig sehr gutem Schmiermittelhaltevermögen der Oberfläche.
Die hohe Verschleißbeständigkeit der durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugten Beschichtung wird, ohne erfindungsgemäß daran gebunden zu sein, auf die Steigerung der inneren Festigkeit der aufgebrachten Beschichtung durch eine Änderung der Wachstumsrichtung der Kristallisation des elektrolytisch abgeschiedenen Silbers oder der elektrolytisch abgeschiedenen Silberlegierung zurückgeführt.
Ferner wird die Hydrodynamik zwischen einem so beschichteten Gleitelement und einem Gleitpartner durch die Verbesserung der Konstanz des Schmiermittels positiv beeinflußt. Dadurch werden zusätzlich auch die Notlaufeigenschaften und die Beständigkeit des Gleitelements hinsichtlich des Adhäsiverschleißes deutlich erhöht. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren ist eine Verkürzung des Verfahrens, wodurch eine Zeitersparnis resultiert und die Herstellkosten gesenkt werden, da die bislang erforderliche, vorherige mechanische oder durch chemische Ätzung erzeugte Strukturierung des zu beschichtenden Gleitelements nicht mehr erforderlich ist.
Unter einem Gleitelement werden im Sinne der Erfindung Elemente verstanden, insbesondere Maschinenelemente, die eine Gleitfläche zur gleitenden Anlage an eine Gegenfläche aufweisen und mit einer Gleit- und Verschleißschutzschicht versehen werden sollen. Dabei kann es sich um metallische oder nicht-metallische Gleitelemente handeln. Soll auf ein nicht metallisches Gleitelement eine Metall- oder Metallegierungsschicht abgeschieden werden, so wird das Gleitelement zunächst durch Aufbringen eines dünnen Metallfilms elektrisch leitend gemacht. Die erfindungsgemäße Beschichtung kann zur Beschichtung unterschiedlicher Gleitelemente eingesetzt werden, beispielsweise Gleitlagern, Buchsen Zylindern, Kolben, Bolzen, Dichtungen, Ventilen und Daickzylindern. Bevorzugte Gleitelemente sind Gleitlager, insbesondere Gleitlager für Kraftfahrzeuge, zum Beispiel Kurbelwellenlager, Nockenwellenlager oder Pleuellager. Das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren kann zur Beschichtung der gesamten Oberfläche des Gleitelements oder nur zur Beschichtung der Gleitflächen des Gleitelements eingesetzt werden.
Das Gleitelement kann vor der Beschichtung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits mit zusätzlichen Metall- oder Metallegierungsschichten versehen sein. Beispielsweise weist ein Gleitlager in der Regel folgenden Schichtaufbau auf: Stahl (Material des Gleitlagers), Lagermetallschicht, gegebenenfalls eine Dammschicht, Gleitschicht, gegebenenfalls eine Einlaufschicht. Die Lagermetallschicht kann beispielsweise eine Kupferlegierungsschicht, insbesondere eine gesinterte oder gegossene Kupferlegierungsschicht sein. Die Dammschicht kann als Diffusionssperre dienen und die Gleitschicht wiederum kann durch das erfindungsgemäße Verfahren aufgebracht werden.
Die erste Stromdichte zur Abscheidung einer als Hauptbestandteil, bezogen auf die Masse, Silber enthaltenden Schicht beträgt vorzugsweise mindestens 1 ,5 A/dm2, besonders bevorzugt mindestens 2 A/dm2, noch weiter bevorzugt mindestens 3 A/dm2 und am meisten bevorzugt mindestens 5 A/dm2. Bei diesen Stromdichten werden besonders günstige Mikrostrukturierungen der Silberschicht oder Silber-basierten Schicht erhalten, die zu hoch belastbaren beschichteten Gleitflächen führen.
Die elektrolytische Abscheidung im zweiten Schritt erfolgt bevorzugt bei einer so niedrigen Stromdichte, daß die erhaltene zweite Schicht aus Metall oder einer Metallegierung keine eigene Mikrostrukturierung aufweist.
Unter einer strukturfreien oder mikrostrukturfreien Beschichtung oder Schicht wird im Sinne der Erfindung verstanden, daß die Metallschicht oder Metallegierungsschicht keine eigene Mikrostrukturierung ausbildet, sondern sich auf der zu beschichtenden Oberfläche ablagert und dabei der Oberflächenstruktur dieser beschichteten Oberfläche folgt. Beispielsweise kann eine zu beschichtende Oberfläche sandgestrahlt sein und damit eine Makrostrukturierung aufweisen, der dann die Beschichtung bei der elektrolytischen Abscheidung folgt ohne jedoch zusätzlich eine eigene Mikrostrukturierung auszubilden.
Die oben beschriebenen, im zweiten Schritt angewandten Stromdichten zur Abscheidung einer Metall- oder Metallegierungsschicht ohne eigene Mikrostruktur hängen von dem abzuscheidenden Metall und von dem verwendeten Elektrolyten ab. Erfindungsgemäß beträgt die zweite Stromdichte zur Abscheidung einer bezogen auf die Masse als Hauptbestandteil Zinn oder Bismuth enthaltenden Schicht nicht mehr 4 A/dm2 (Ampere pro Quadratdezimeter), bevorzugt nicht mehr als 3 A/dm2, besonders bevorzugt 0,5-3 A/dm2 und noch weiter bevorzugt 0,5-2,5 A/dm2. Zinn als Hauptbestandteil, bezogen auf die Masse, enthaltende Schichten sind Zinnschichten, die zu 100 Gew.-% oder nahezu 100 Gew.-% aus Zinn bestehen und lediglich die üblichen Verunreinigungen enthalten sowie Legierungen, deren Gewichtsanteil an Zinn höher als der Gewichtsanteil der restlichen Legierungsbestandteile ist. Zur Abscheidung einer als Hauptbestandteil, bezogen auf die Masse, Silber enthaltenden Schicht beträgt die zweite Stromdichte nicht mehr 0,9 A/dm2, bevorzugt 0,3-0,75 A/dm2, besonders bevorzugt 0,5-0,75 A/dm2. Zur Abscheidung einer als Hauptbestandteil, bezogen auf die Masse, Nickel enthaltenden Schicht beträgt die zweite Stromdichte nicht mehr 7 A/dm2, bevorzugt nicht mehr als 6 A/dm2 und besonders bevorzugt 1 -5 A/dm2.
Die Oberflächenstruktur des beschichteten Gleitelements, insbesondere die Rauhigkeit der Oberfläche und die Dichte der Oberflächenstrukturen, kann über die Beschichtungsstromdichte im ersten Schritt der elektrolytischen Abscheidung, die die Ausprägung der Knospen und Dendriten beeinflußt, und die Schichtdicken der ersten Schicht und der zweiten Schicht gesteuert werden. Je höher die Stromdichte im ersten Schritt ist, je größer die Schichtdicke der ersten Schicht ist und je geringer die Schichtdicke der darüber abgeschiedenen zweiten Schicht ist, desto rauher ist die erhaltende Oberfläche und desto dichter ist die erhaltene Oberflächenstruktur. Auf diese Weise kann die innere Festigkeit der Beschichtung und die Oberflächenstruktur an die Art der Verwendung des Gleitelementes und das einzusetzende Schmiermittel angepaßt werden. Beispielsweise kann die innere Festigkeit und die Oberflächenstruktur in Richtung einer hohen Belastbarkeit, bei z.B. Kurbelwellen von hochdrehenden Verbrennungsmotoren oder in Richtung einer hohen Laufleistung, bei z.B. Gleitlagern von Lkw-Verbrennungsmotoren optimiert werden.
Als Beschichtungsmaterialien sind für die zweite Schicht alle Metalle und Metallegierungen geeignet, die eine für das jeweilige Gleitelement und dessen gewünschte Verwendung hinreichende Duktilität und Festigkeit aufweisen. Die erste und die zweite Schicht können dasselbe Metall oder dieselbe Metallegierung oder verschiedene Metalle oder Metallegierungen umfassen. Wenn die erste und die zweite Schicht verschiedene Metalle oder Metallegierungen umfassen sollen, wird vor der Durchführung des zweiten elektrolytischen Abscheidungsschritts der Elektrolyt gewechselt.
Geeignete Metalle und Metallegierungen für die zweite Schicht sind unabhängig voneinander Aluminium, Antimon, Bismuth, Blei, Eisen, Gold, Kupfer, Nickel, Kobalt, Silber, Zink und Zinn sowie deren Legierungen. Bevorzugt sind Zinn, Silber und Bismuth sowie deren Legierungen, insbesondere solche, die Zinn, Silber oder Bismuth als Hauptbestandteile enthalten. Diese Materialien liefern hoch belastbare und gleichzeitig ausreichend duktile strukturierte Beschichtungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, die insbesondere für Gleitlager geeignet sind.
Unter den Zinnlegierungen sind Zinn-Legierungen mit den Metallen Antimon, Blei, Kupfer, Silber, Bismuth, Kobalt und/oder Nickel bevorzugt. Beispiele sind Zinn-Antimon-Legierungen, Zinn-Kupfer-Legierungen, Zinn-Bismuth-Legierungen und Zinn-Blei-Legierungen, insbesondere solche, die als Hauptbestandteil, bezogen auf die Masse, Zinn enthalten und bevorzugt zusätzlich Silber, Kobalt, Aluminium, Eisen und/oder Nickel enthalten. Der Zinngehalt der Zinn- basierten Legierungen beträgt bevorzugt 60-98 Gew.-%.
Erfindungsgemäß besonders bevorzugt sind für die zweite Schicht Zinn-Kupfer-Legierungen mit 60-98 Gew.-% Zinn und 2-40 Gew.-% Kupfer sowie Zinn-Kupfer-Kobalt-Legierungen mit 60-98 Gew.-% Zinn, 1-30 Gew.-% Kupfer und 1-10 Gew.-% Kobalt, die jeweils bevorzugt zusätzlich Silber, Bismuth und/oder Nickel als Legierungsbestandteile enthalten können.
Die elektrolytische Abscheidung auf der Oberfläche des Gleitelementes findet aus einem Elektrolyten statt. Unter einem Elektrolyten wird im Sinne der Erfindung eine wäßrige Lösung verstanden, deren elektrische Leitfähigkeit durch elektrolytische Dissoziation in Ionen zustande kommt. Der Elektrolyt enthält daher das Metall oder die Metalle zur Ausbildung der Metallegierung in Form von Ionen und darüber hinaus die dem Fachmann bekannten üblichen Elektrolysehilfsmittel, wie beispielsweise Säuren und Salze sowie als Rest Wasser.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt in einem Elektrolyten durchgeführt, der 80-300 g/l (Gramm pro Liter) Methansulfonsäure enthält. Weiter ist es bevorzugt, daß der Elektrolyt ein oder mehrere Mono- oder Polyhydroxybenzol(e) und/oder ß-Naphtholethoxylat enthält. Ein besonders bevorzugter Elektrolyt zur Durchführung des erfindungsgemäfien Verfahrens umfaßt 1-150 g/l abscheidbares Metall oder abscheidbare Metalle in lonenform, 80- 300 g/l Methansulfonsäure, bevorzugt 80-250 g/l Methansulfonsäure, 1-5 g/l Mono- oder Polyhydroxybenzol, 30-45 g/l Cerolyt BMM-T (Firma Enthone) und den Rest Wasser. Cerolyt BMM-T ist ein Elektrolysehilfsmittel, das als Hauptbestandteil ß-Naphtholethoxylat enthält. Als Polyhydroxybenzol sind die Di-, Tri- und Tetrahydroxybenzole geeignet, bevorzugt sind Dihydroxybenzole, unter denen Resorcin besonders bevorzugt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch in einem im Stand der Technik üblicherweise verwendeten Cyanid-Elektrolyten durchgeführt werden. Cyanid-Elektrolyten enthalten in der Regel als Hauptbestandteile der gelösten Komponenten Cyanid- und Hydroxidsalze, insbesondere in Form von Kalium- oder Natriumcyanid und Kalium- oder Natriumhydroxid. In einem Cyanid-Elektrolyt werden die oben genannten Stromdichten zur Erzeugung von Silberschichten oder Silber, bezogen auf die Masse, als Hauptbestandteil enthaltenden Schichten bevorzugt etwa zweimal so hoch gewählt. Die erste Stromdichte zur Erzeugung einer als Hauptbestandteil, bezogen auf die Masse, Silber enthaltenden Schicht beträgt daher bei Verwendung eines Cyanid-Elektrolyten vorzugsweise mindestens 2 A/dm2, besonders bevorzugt mindestens 4 A/dm2, noch weiter bevorzugt mindestens 8 A/dm2 und am meisten bevorzugt mindestens 10 A/dm2.
Diese Elektrolyten, insbesondere der oben beschriebene, Methansulfonsäure enthaltende Elektrolyt, haben sich als besonders geeignet für die Ausbildung der Strukturierung und die innere Festigkeit der erfindungsgemäßen Beschichtung erwiesen.
Über die elektrolytische Beschichtungsdauer, d. h. den Zeitraum der Abscheidung, kann die gewünschte Schichtdicke eingestellt werden. Üblicherweise beträgt die Beschichtungsdauer im ersten Schritt 5 bis 60 Sekunden und im zweiten Schritt 5 bis 25 Minuten. Die Temperatur des Elektrolyten für die Abscheidung des Metalls oder der Metallegierung beträgt üblicherweise 20- 90 0C, bevorzugt 20-50 0C.
Als geeignete Schichtdicken haben sich für die erste Schicht 0,1 bis 3 μm und für die darauf abgeschiedene zweite Schicht 3 bis 60 μm erwiesen. Bevorzugt liegt die Schichtdicke der ersten Schicht im Bereich von 0,3 bis 2 μm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 1,5 μm. Die Schichtdicke der darauf abgeschiedenen zweiten Schicht liegt bevorzugt im Bereich von 4 bis 25 μm und besonders bevorzugt im Bereich von 5 bis 12 μm.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthalten die erste und/oder die zweite Schicht zusätzlich Feststoffpartikel. Durch die Einlagerung von Feststoffpartikeln können überraschenderweise die Verschleißbeständigkeit und die Notlaufeigenschaften der erfindungsgemäßen Beschichtung noch weiter verbessert werden.
Die Erfindung betrifft somit in einer bevorzugten Ausführungsform ein Verfahren, bei dem in die erste und/oder die zweite Schicht Feststoffpartikel eingelagert werden. Zur Herstellung der Feststoffpartikel enthaltenden Schicht wird die elektrolytische Abscheidung in Gegenwart von Feststoffpartikeln durchgeführt. Die Feststoffpartikel sind vorteilhafterweise in dem Elektrolyten dispergiert. Die Feststoffpartikel lagern sich bei der Abscheidung an Unebenheiten der Oberfläche an und werden durch das nachfolgend abgeschiedene Metall eingekapselt und/oder an der Oberfläche fixiert. Bevorzugt werden als Feststoffpartikel Hartstoffpartikel aus Wolframkarbid, Chromkarbid, Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Borkarbid und/oder Diamant eingesetzt. Die Korngröße der Feststoffpartikel liegt bevorzugt im Bereich von 0,01 bis 5 μm. Besonders bevorzugt sind als Feststoffpartikel Diamanten und unter diesem sind wiederum solche mit einer Größe im Bereich von 0,25-0,4 μm bevorzugt. Ferner sind Aluminiumoxid-Partikel mit einer Partikelgröße im Bereich von etwa 0,2-5 μm bevorzugt. Eingelagerte Diamantpartikel können aus mono- und/oder polykristallinem Diamant gebildet sein. Mit polykristallinem Diamant werden häufig die besseren Ergebnisse erzielt, da ein polykristalliner Diamant aufgrund der vielen verschiedenen Kristalle zahlreiche Gleitebenen aufweist. Die Feststoffpartikel oder Hartstoffpartikel können auch eine Mischung von Feststoffpartikeln verschiedener Stoffarten in Kombination sein.
Zur Verbesserung der Gleitfähigkeit können in der Feststoffpartikel enthaltenden Schicht zusätzlich Festschmierstoffpartikel enthalten sein, wodurch die Schicht an die jeweilige Anwendung angepaßt werden kann. Als Festschmierstoffteilchen können beispielsweise hexagonales Bornitrid, Graphit und/oder Polymerteilchen, insbesondere aus Polyethylen und/oder Polytetrafluorethylen, in die Schicht eingelagert werden.
Der erste und zweite elektrolytische Abscheidungsschritt können, gegebenenfalls mehrfach, wiederholt werden, so daß die erste und zweite Schicht wechselseitig aufeinander abgeschieden werden. Beispielsweise können auf diese Weise vier, sechs, acht, zehn oder zwölf Schichten aufeinander abgeschieden werden, so daß die erste Schicht, die eine knospenförmige und/oder dendritische Struktur aufweist, und die zweite Schicht abwechselnd auf dem Gleitelement aufgebracht sind. Auf diese Weise kann eine abhängig vom Material und der gewünschten Verwendung optimale Beschichtung erzeugt werden. Insbesondere kann durch das Wiederholen des ersten und zweiten Schritts eine noch höhere innere Festigkeit und damit eine höhere Belastbarkeit der Beschichtung erzielt werden.
Des weiteren kann in der ersten und/oder der zweiten Schicht ein Gradientenaufbau erzeugt werden, indem beispielsweise bei einem Stromdichtegradienten oder einem Konzentrationsgradienten beschichtet wird. So kann zum Beispiel in der ersten Schicht eine abnehmende Mikrostrukturierung durch eine im ersten Schritt abnehmende Stromdichte erzeugt werden und die Mikrostrukturierung so an das abzuscheidende Material und die gewünschte Verwendung angepaßt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren kann es günstig sein, unter der ersten Schicht (Grundschicht), die eine Mikrostrukturierung aufweist, zur besseren Haftung dieser ersten Schicht und/oder als Diffusionssperre auf dem Gleitelement eine Unterschicht aus Metall oder einer Metallegierung aufzubringen, bevorzugt durch elektrolytische Abscheidung. Es ist daher erfindungsgemäß bevorzugt, vor dem ersten Schritt zur Erzeugung der ersten Schicht eine Unterschicht aus Metall oder einer Metallegierung elektrolytisch abzuscheiden.
Eine Diffusionssperre ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das unter der ersten Schicht befindliche Metall mit steigender Nutzungsdauer des Gleitelements in die erste Schicht diffundiert und dabei die Eigenschaften des Gleitelements verschlechtert. Beispielsweise diffundiert Kupfer häufig in darüber abgeschiedene Zinnschichten, wodurch sich Sprödphasen bilden und die aufgebrachte Zinnschicht abplatzen kann.
Für die Unterschicht sind Zinn, Nickel, Eisen, Gold, Kobalt, Kupfer und deren Legierungen bevorzugt. Besonders bevorzugt sind Nickel und Nickel-Legierungen, da sie hervorragend als Diffusionssperren wirken. Die Unterschicht wird in der Regel mit Hilfe konventioneller Verfahren aufgebracht, d.h. sie weist keine eigene Mikrostrukturierung auf. Es kann jedoch auch die Unterschicht elektrolytisch bei einer entsprechend hohen Stromdichte aufgebracht werden, so daß die Unterschicht dann eine eigene Mikrostrukturierung besitzt.
Über der zweiten Schicht kann zusätzlich eine Einlaufschicht aufgebracht werden, die das Einlaufen des Gleitelements erleichtert. Dabei kann es sich um eine wettere elektrolytische abgeschiedene Metall- oder Metallegierungsschicht oder eine durch PVD- oder CVO-Verfahren aufgebrachte Schicht handeln. Als Einlaufschichten sind elektrolytisch abgeschiedene Schichten auf Molybdänbasis, PVD- und CVD-Schichten bevorzugt. Es ist daher erfindungsgemäß bevorzugt, im Anschluß an den zweiten Schritt zur Erzeugung einer zweiten Schicht eine Einlaufschicht aufzubringen, bevorzugt durch elektrolytische Abscheidung oder durch ein PVD- oder CVD-Verfahren.
Unter einer PVD-Schicht wird im Sinne der Erfindung eine durch PVD (Physical Vapor Deposition) abgeschiedene Schicht auf einem Gleitelement verstanden. PVD-Verfahren sind dem Fachmann an sich bekannt. Dabei wird das Schichtausgangsmaterial durch Laser-, lonen- oder Elektronenstrahlen oder durch Lichtbogenentladung, meist unter vermindertem Druck bei etwa 1-1000 Pa, verdampft und die PVD-Schicht durch Kondensation des Materialdampfes auf dem Substrat ausgebildet. Bei Bedarf kann auch ein geeignetes Prozeßgas zugeführt werden.
Unter einer CVD-Schicht wird im Sinne der Erfindung eine durch CVD (Chemical Vapor Deposition) auf einem Gleitelement abgeschiedene Schicht verstanden. CVD-Verfahren sind dem Fachmann an sich bekannt. Bei einem CVD-Verfahren wird ein Feststoff aus der
Gasphase an der erhitzten Oberfläche eines Substrats durch eine chemische Reaktion abgeschieden. In der Regel werden auch CVD-Verfahren unter vermindertem Druck bei etwa 1- 1000 Pa durchgeführt.
Als PVD- oder CVD-Schichten eignen sich erfindungsgemäß alle durch PVD- oder CVD- Verfahren erhältlichen Beschichtungen. Bevorzugte PVD- und CVD-Schichten sind AISn20Cu und AISn2OFe.
Die Einlaufschicht wird erfindungsgemäß, in einer Schichtdicke aufgebracht, so daß. Sie nach einer gewissen Nutzungszeit, insbesondere nach der Einlaufphase, so weit abgetragen ist, daß die darunterliegende zweite Schicht, die eine strukturierte Oberfläche aufweist, zum Vorschein kommt. Auf diese Weise verbleibt nach der Abtragung der oberen Einlaufschicht zumindest ein Teil des in den Vertiefungen der darunter liegenden strukturierten Schicht befindliche Materials, so daß die Oberfläche dann von den Erhebungen der strukturierten zweiten Schicht und dem in den Vertiefungen dieser strukturierten Schicht verbleibenden Material der aufgebrachten Einlaufschicht gebildet wird.
Die Schichtdicke der Einlaufschicht, beispielsweise der PVD- oder CVD-Schicht, beträgt bevorzugt 4-12 μm, besonders bevorzugt 4-8 μm, noch weiter bevorzugt 5-6 μm. Da die Einlaufschicht auf eine strukturierte Schicht aufgebracht ist, wird im Sinne der Erfindung unter einer Einlaufschicht auch ein abgeschiedenes Material verstanden, das die Täler der darunter liegenden strukturierten Schicht ganz oder teilweise füllt und dabei die darüberliegende strukturierte Schicht vollständig bedeckt oder nur teilweise bedeckt oder lediglich die Täler der darunterliegenden strukturierten Schicht ganz oder teilweise füllt, ohne eine durchgängige Schicht im Sinne einer vollständigen Beschichtung zu bilden. Die Schichtdicke ist im zuletzt genannten Fall der Mittelwert aus der Höhe der Füllung der Täler.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein strukturiert beschichtetes Gleitelement, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich ist, insbesondere ein Gleitlager, z.B. Kurbelwellen-, Nockenwellen- oder Pleuellager.
Die Erfindung betrifft somit auch ein strukturiert beschichtetes Gleitelement, mit einer Oberfläche, umfassend eine auf die Oberfläche aufgebrachte erste Schicht, die als Hauptbestandteil, bezogen auf die Masse, Silber enthält und eine darüber aufgebrachte zweite Schicht aus Metall oder einer Metallegierung, wobei die erste Schicht eine Mikrostrukturierung aufweist.
Die Oberfläche kann die gesamte Oberfläche des Gleitelements sein oder nur die Gleitfläche(n) des Gleitelements umfassen. Die zweite Schicht weist bevorzugt keine eigene Mikrostrukturierung auf. Bevorzugt enthält die zweite Schicht Zinn, Silber oder Bismuth, insbesondere als Hauptbestandteil, bezogen auf die Masse. Die Mikrostrukturierung der ersten Schicht ist bevorzugt knospenförmig und/oder dendritisch. Die zweite Schicht folgt der Mikrostruktur der ersten Schicht und weist daher eine Oberflächen-Mikrostruktur auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung ferner ein strukturiert beschichtetes Gleitelement, das zusätzlich zu der ersten und zweiten Schicht eine unter der ersten Schicht angeordnete Unterschicht aus Metall oder einer Metallegierung umfaßt. Die Unterschicht kann vorteilhafterweise zur Vermittlung einer besseren Haftung der ersten Schicht auf dem Gleitelement beitragen und/oder als Diffusionssperre dienen.
Weiter betrifft die Erfindung ein beschichtetes Gleitelement, das zusätzlich zu der ersten und zweiten Schicht und gegebenenfalls der oben beschriebenen Unterschicht über der zweiten Schicht eine Einlaufschicht umfaßt. Die Einlaufschicht ist bevorzugt eine elektrolytisch abgeschiedene Metall- oder Metallegierungsschicht, eine PVD- oder CVD-Schicht.
Das erfindungsgemäße, strukturiert beschichtete Gleitelement weist die oben im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Vorteile auf. Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen, geeigneten, bevorzugten und besonders bevorzugten Ausgestaltungen sind bei dem erfindungsgemäßen, beschichteten Gleitelement ebenfalls geeignet, bevorzugt und besonders bevorzugt.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch erläuterten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung.
Es wird ein Elektrolyt folgender Zusammensetzung hergestellt:
Ag+-Gehalt (als Silber(l)methansulfonat zugesetzt) 30 g/l
Methansulfonsäure 250 g/l Resorcin 2,5 g/l
Cerolyt BMM-T (Firma Enthone) 30 g/l Anschließend wird ein Gleitlager in den Elektrolyten eingebracht und das Gleitlager bei 30°C 30 Sekunden bei einer Stromdichte von 2 A/dm2 beschichtet. Anschließend wird bei einer Stromdichte von 0,5 A/dm2 für weitere 20 Minuten beschichtet.
Vergleichsversuch:
Ein identisches Gleitlager wird in den Elektrolyten mit der gleichen Zusammensetzung wie im obigen Beispiel beschrieben für 22 Minuten bei einer Stromdichte von 0,5 A/dm2 beschichtet.
Anschließend wurde die Belastbarkeit mit Underwood-Tests geprüft. Hierbei rotiert eine Welle mit Exzentergewichten in starr montierten Pleuelstangen. Die Lagerung in den Pleuelstangen wird durch die Prüflager gebildet. Die Prüflager haben eine Wanddicke von 1 ,4 mm und einen Durchmesser von 50 mm. Über die Lagerbreite wird die spezifische Belastung eingestellt. Die Drehzahl beträgt 4000 Umdrehungen/min. Es wurde die maximale Belastbarkeit in Megapascal (MPa) ohne Gleitschichtermüdung nach 250 h Dauerlauf gemessen.
Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt:
Figure imgf000013_0001
Die obigen Versuche zeigen, daß das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichtete Gleitlager eine deutlich verbesserte Belastbarkeit gegenüber dem nach herkömmlichen Verfahren beschichteten Gleitlager aufweist. Ferner zeigte das erfindungsgemäß beschichtete Gleitlager gegenüber dem im Vergleichsversuch beschichteten Gleitlager eine deutlich verbesserte Schmiermittelhaltefähigkeit, wie durch Inaugenscheinnahme überprüft wurde. Diese erhöhte Schmiermittelhaltefähigkeit verbessert die Gleiteigenschaften und die Notlaufeigenschaften des erfindungsgemäß beschichteten Gleitlagers.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines strukturiert beschichteten Gleitelements, bei dem auf einem Gleitelement in einem ersten Schritt eine als Hauptbestandteil, bezogen auf die Masse, Silber enthaltende Schicht elektrolytisch abgeschieden wird und auf der ersten Schicht anschließend in einem zweiten Schritt eine Metall- oder Metallegierungsschicht elektrolytisch abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdichte im ersten Schritt mindestens 1 A/dm2 beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdichte im ersten Schritt mindestens 3 A/dm2 beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Schritt aus einem Elektrolyten abgeschieden wird, der 80-300 g/l Methansulfonsäure enthält.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Schritt eine als Hauptbestandteil, bezogen auf die Masse, Zinn oder Bismuth enthaltende Schicht bei einer Stromdichte von nicht mehr als 4 A/dm2 oder eine als Hauptbestandteil, bezogen auf die Masse, Silber enthaltende Schicht bei einer Stromdichte von nicht mehr als 0,9 A/dm2 elektrolytisch abgeschieden wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht eine Schichtdicke von 0,1 bis 3 μm und die zweite Schicht eine Schichtdicke von 3 bis 60 μm aufweist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Gleitelement vor dem ersten Schritt eine Unterschicht aus Metall oder einer Metallegierung aufgebracht wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem zweiten Schritt eine Einlaufschicht aufgebracht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaufschicht eine PCD- oder CVD-Schicht ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem zweiten Schritt der erste und zweite Schritt, gegebenenfalls mehrfach, wiederholt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und/oder zweite Schritt in Gegenwart von Feststoffpartikeln durchgeführt wird, die in die erste und/oder zweite Schicht eingelagert werden.
11. Beschichtetes Gleitelement, erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
12. Beschichtetes Gleitelement, mit einer Oberfläche, umfassend eine auf die Oberfläche aufgebrachte erste Schicht, die als Hauptbestandteil, bezogen auf die Masse, Silber enthält und eine darüber aufgebrachte zweite Schicht aus Metall oder einer Metallegierung, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht eine Mikrostrukturierung aufweist.
13. Beschichtetes Gleitelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht keine eigene Mikrostrukturierung aufweist.
14. Beschichtetes Gleitelement nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht als Hauptbestandteil, bezogen auf die Masse, Zinn, Silber oder Bismυth enthält.
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