Sputterlager von MAHLE

Bei Leistungsstarken Diesel- und Benzinmotoren sind Sputterlager unverzichtbar. Aber was ist eigentlich sputtern? Wie wird es gemacht? Und warum? MAHLE Aftermarket news beantwortet hier die wichtigsten Fragen zum Thema.

Sputtern – was ist das? Zunächst einmal: Woher kommt dieser Begriff überhaupt? Das Englischwörterbuch verwirrt: „to sputter“ wird hier mit „stottern, zischen“ übersetzt. Stotternde Lager? Wohl kaum. „to spatter“ hingegen bringt uns der Sache schon näher, meint es doch „spritzen“. Jetzt wollen wir es dann doch genau wissen. Und werden unter „Sputtering“ fündig: „Heraussprudeln“ steht hier … und dann noch die physikalische Erläuterung: Kathodenzerstäubung. Und was passiert da genau?

In einem Behälter, in dem bis auf eine geringe Menge Edelgas ein Vakuum herrscht, befindet sich eine positiv geladene Anode, eine negativ geladene, mit einer Metallschicht versehene Kathode – und das zu sputternde Dreistofflager. Zwischen Anode und Kathode wird eine Spannung angelegt. Die Elektronen werden zur Anode hin beschleunigt und ionisieren dabei die Edelgas-Atome. Die nun positiv geladenen Edelgas-Atome werden dann zur Kathode hin beschleunigt und schlagen ihrerseits Atome aus der die Kathode umgebenden Metallschicht. Dabei werden auch Sekundärelektronen freigesetzt, die wiederum weitere Edelgasatome ionisieren. So entsteht ein Gemisch aus freien Elektronen, positiven Ionen und neutralen Teilen des Edelgases, ein so genanntes stationäres Plasma. Die aus der Kathoden-Metallschicht herausgeschlagenen neutralen Atome kondensieren dann als dünne, äußerst widerstandsfähige Metallbeschichtung auf der Lagerlaufschicht.

	Massivlager Massivlager bestehen vollständig aus Lagermetall, das aus speziellen Legierungen hergestellt wird.
	Zweistofflager Zweistofflager werden bei niedrig bis mittel belasteten Otto- und Saug-Dieselmotoren im Pkw eingesetzt. Sie bestehen aus der Stahlstützschale, einer Zwischenschicht und einer Schicht Lagermetall. Als Lagermetall werden überwiegend Aluminiumlegierungen verwendet.
	Dreistofflager In höher belasteten Motoren werden vorwiegend Dreistofflager verwendet. Sie bestehen aus der Stahlstützschale, einer Laufschicht, einer Sperrschicht und der Gleitschicht. Sputterlager sind spezielle Dreistofflager, die durch ein besonderes Produktionsverfahren (Sputtern) eine deutlich größere Härte und Verschleißfestigkeit besitzen.

Welche Aufgaben haben Gleitlager?
Im Motorgehäuse und Pleuel arbeiten rotierende Wellen wie Kurbelwelle, Nockenwelle, Kipphebelwelle oder Ausgleichswelle. Gleitlager stützen diese ab. Entsprechend hoch sind die mechanischen Belastungen, denen Gleitlager ausgesetzt sind – beispielsweise Zünddrücke von bis zu 200 bar. Aber damit nicht genug: Denn Verbrennungsmotoren werden permanent weiterentwickelt, spezifische Motorleistungen gesteigert, die Baugrößen verringert – und damit auch die Abmessungen der Lagerstellen laufend reduziert. Gleichzeitig werden die Ölwechselintervalle bei neuen Motorkonstruktionen sukzessive verlängert.

Wodurch werden Gleitlager besonders belastet?
Die spezifischen Flächenbelastungen besonders der Pleuel- und Hauptlager haben in den letzten Jahren deutlich zugenommen. So müssen bei Motoren mit Diesel-Direkteinspritzung in den Lagern Flächenpressungen von bis zu 120 N/mm2 beherrscht werden. Herkömmliche Zwei- und Dreistofflager, deren Laufschichten galvanisch aufgebracht werden, stoßen hier an ihre Grenzen. Moderne Motoren benötigen daher Lagerwerkstoffe mit deutlich höherer Ermüdungsfestigkeit und geringerer Verschleißrate, besonders im Mischreibungsbereich. Gleichzeitig muss eine gute Korrosionsbeständigkeit auch bei höheren Temperaturen gewährleistet sein.

Warum ist ein Sputterlager die richtige Lösung?
Ein Sputterlager ist ein Dreistofflager, bei dem die Laufbeschichtung nicht galvanisch aufgebracht wurde, sondern mit Hilfe von Kathodenzerstäubung bzw. Sputtern. Dieses Beschichtungsverfahren funktioniert nur in einem Hochvakuum. Mit Hilfe von Hochspannung werden feinste Partikel aus einer Spenderkathode herausgerissen und auf die Lagerlauffläche geschleudert. Die Beschichtung ist feinkörnig, feindispers und haftet hervorragend auf dem Trägermaterial. Durch die geringe Korngröße weist die so erzeugte Schicht beachtliche Härte, hohe Dehngrenze und exzellente Verschleißeigenschaften auf.

Wo werden Sputterlager eingesetzt?
Bei den hoch beanspruchten Lagern setzen sich die Lagerpaare immer aus einem Sputterlager und einem herkömmlichen Dreistofflager zusammen. An der stärker belasteten Stelle wird das Sputterlager eingesetzt, gegenüber das weichere Dreistofflager. Beim Pleuellager wird also das Sputterlager in Richtung Stange montiert, das Dreistofflager in Richtung Lagerdeckel. Beim Hauptlager ist das genau umgekehrt. Hier wird das Sputterlager im Lagerdeckel, das Dreistofflager in Richtung Motorblock eingesetzt.

Woran erkennt man ein Sputterlager?
So komplex und aufwendig der Beschichtungsprozess und so beeindruckend die Leistungsfähigkeit – so wenig sieht man dem gesputterten Lager dies an. Es sieht völlig unspektakulär aus. Um die gesputterte Lagerhälfte zu erkennen, werden Sputterlager von MAHLE am Rücken mit „SPUTTER“ gekennzeichnet. So wird ein korrekter Einbau gewährleistet – denn die richtige Einbaulage der gesputterten Lagerschale ist ausschlaggebend für die zuverlässige Funktion und die Lebensdauer der Lager.

Warum werden Sputterlager und Dreistofflager immer paarweise kombiniert?
Ein Grund sind die hohen Fertigungskosten der Sputterbeschichtung. An der Stelle, an der nur geringe Belastungen auftreten, sind Sputterlager nicht notwendig und werden daher auch dort nicht verbaut. Der zweite Grund ist die extreme Härte der Sputterbeschichtung, die eine Aufnahme von Motoröl-Verschmutzungen nicht zulässt. Das weichere Dreistofflager hingegen bettet eventuelle Schmutzpartikel in seine galvanisierte Laufschicht ein – und macht sie damit unschädlich für den Motor.

Warum Sputterlager vom Experten?
Als weltweit größter Kolbenhersteller und Entwicklungspartner der Automobil- und Motorenindustrie verfügt MAHLE über hohe Kompetenz in Forschung, Erprobung und Fertigung von Motorenteilen.

Sputterlager werden unter anderem in folgenden Motoren eingesetzt:

Audi/VW Serie TDI: 1,9 / 2,0 / 2,5 / 4,0 / 5,0 l
Audi-Ottomotoren: 6,0 l (W12) / 1,8 l (225 PS)
MAN: D2865
Mercedes-Benz Nfz: BR 400, BR 500, BR 900
Mercedes-Benz Pkw: CDI-Motoren BR 600
PSA Serie HDI: 1,4 / 1,6 / 2,0 / 2,2 / 2,7 l