AT503987A1

AT503987A1 - Gleitlack

Info

Publication number: AT503987A1
Application number: AT0130106A
Authority: AT
Original assignee: Miba Gleitlager Gmbh
Priority date: 2006-08-02
Filing date: 2006-08-02
Publication date: 2008-02-15
Also published as: US20090305916A1; DE112007001800A5; US8324138B2; CN101553543A; AT503987B1; CN101553543B; WO2008014531A1

Description

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Die Erfindung betrifft einen Gleitlack mit einer polymeren Matrix, in der zumindest ein Zusatzstoff verteilt enthalten ist, eine Gleitschicht für ein Lagerelement, ein Verfahren zum Schutz einer Gleitschicht eines Lagerelementes, insbesondere eines Gleitlagers, vor Überhitzung, wobei die Gleitschicht eine Matrix umfasst, in die zumindest ein Zusatzstoff eingebracht wird, sowie die Verwendung eines metallischen Zusatzstoffes in einer Gleitschicht.

Gleitlacke, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, werden unter anderem dazu verwendet, um eine Gleitschicht für ein Lagerelement, insbesondere ein Gleitlager, auszubilden. Derartige Gleitschichten unterliegen im Betrieb des Lagerelementes einer erhöhten Temperaturbelastung, unter anderem durch Temperaturentwicklung im Motor bzw. aufgrund der Temperatur eines gegebenenfalls vorhandenen Schmieröles. Es können dabei oberflächlich unter Umständen lokal Temperaturen bis zu 1.000 °C und mehr entstehen. Wird die dabei auftretende Wärme, d.h. Energie, nicht abgeführt, so kann dies zu örtlichen Überhitzungen der Gleichschicht und damit zu deren Zerstörung oder zur Verdünnung des Ölfilms und im schlechtesten Fall zum Ausfall des Lagerelementes führen.

Zur Vermeidung dieser Überhitzung wurde in der DD 283 853 A5 beispielsweise vorgeschlagen, in eine Gleitschicht aus Polyamid, Polyetheretherketon oder Polytetraflurethylen Siliziumkarbidpartikel einzumischen, um damit die Wärmeleitfähigkeit des Gleitlackes zu verbessern. Es wird damit erreicht, dass die entstehende Wärme an der Oberfläche des Gleitlackes in die darunter liegenden Metallschichten abgeleitet wird. Für diese Zwecke wurden bereits auch Metallpartikel aus Bronze vorgeschlagen, die dieselbe Wirkungsweise zeigen. N2006/05800 -2-

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Temperaturverhalten einer Gleitschicht zumindest annähernd ohne Verschlechterung der tribologischen Eigenschaften zu verbessern.

Diese Aufgabe wird jeweils unabhängig dadurch gelöst, dass der Zusatzstoff des erfindungsgemäßen Gleitlackes ein Stoff ist, der durch Temperaturänderung im Temperaturbereich bis zu einer oberen Grenze von 600 °C, insbesondere 500 °C, einer energieverbrauchenden Umwandlung unterliegt, durch die erfindungsgemäße Gleitschicht, die aus diesem Gleitlack gebildet ist sowie durch das Verfahren zum Schutz einer Gleitschicht eines Lagerelementes, bei dem dieser Zusatzstoff der Matrix zugemengt wird.

Die energieverbrauchende Umwandlung des Zusatzstoffes kann z.B. eine Phasenumwandlung oder eine Modifikationsänderung sein. Es ist somit nicht erforderlich, die auftretende Wärme, d.h. die auftretende Energie, in weiter darunter liegende Schichten eines Lagerelementes abzuleiten, sondern wird diese Energie innerhalb dieser Schicht selbst durch die Umwandlung verbraucht bzw. gespeichert. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn diese Umwandlung reversibel ist, sodass also bei Abkühlung der Zusatzstoff wieder in seine ursprüngliche Form übergeht und dabei die aufgenommene Energie wieder abgibt, sodass er in der Folge für den gesamten Zyklus wieder zur Verfügung steht. Durch eine langsame Abgabe der aufgenommenen Energie können im Gleitlack schroffe Temperaturwechsel abgefangen werden, wodurch die Matrix geschont wird. Eine thermische Ermüdung kann damit über einen längeren Zeitraum vermieden werden. Es kann weiters das Temperaturverhalten des Gleitlackes über einen längeren Zeitraum positiv beeinflusst werden bzw. ist es damit möglich, den Füllungsgrad des Gleitlackes mit diesem Zusatzstoff und damit auch die Kosten für die Herstellung des Gleitlackes zu reduzieren.

Obwohl als obere Grenze für den Temperaturbereich, innerhalb dessen die Umwandlung stattfinden soll, 600 °C angegeben ist, ist es möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, diese obere Grenze zu höheren Temperaturen zu verschieben, sofern dies aufgrund der Temperaturverhältnisse, die auf den Gleitlack bzw. das Lagerelement einwirken, erforderlich ist. So ist es beispielsweise auch möglich, diese obere Grenze bis auf 700 °C auszudehnen. Mit einer oberen Grenze von 600 °C, insbesondere 500 °C, wird jedoch er- N2006/05800 -3- • · • · • ·· • · ♦ reicht, dass der Zusatzstoff schon früher auf die Umwandlung anspricht, sodass die Sicherheit für das Lagerelement erhöht werden kann.

Es ist aber auch möglich, diese obere Grenze der Maximaltemperatur für die Umwandlung zu tieferen Temperaturen zu verschieben, wenn die zu erwartende Temperatur im Lagerelement ebenfalls niedriger als oben erwähnt ist.

Bevorzugt ist der zumindest eine Zusatzstoff aus der Gruppe der Metalle oder metallischen Legierungen ausgewählt. Dies insbesondere deswegen, da mit Metallen bzw. Legierungen für den Einsatzzweck des Gleitlackes in Lagerelementen dieser Zusatzstoff gegebenenfalls auch tribologische Aufgaben, wie sie für Lagerelemente wünschenswert sind, übernehmen kann. Es sind dabei Metalle geeignet, die einen Schmelzpunkt aufweisen oder eine Modifikationsänderung bei einer Temperatur erfahren, der bzw. die unterhalb der Zersetzungsgrenze der Matrix liegt. Allerdings werden im Rahmen der Erfindung Legierungen bevorzugt, da diese ein breiteres Umwandlungsintervall aufweisen. Dies können binäre, ternäre, quaternäre oder Mehrstoffsysteme sein. Von Vorteil ist dabei, wenn die Legierung aus einem System ausgewählt ist, in dem die Soliduskurve deutlich beabstandet zur Liqui-duskurve ist, also viel Flüssigphase vorhanden ist, wodurch mehr Energie bei gleichem Anteil an Zusatzstoff umgewandelt werden kann.

Die Legierung kann aus einem eutektischen oder peritektischen System ausgewählt sein. Sie kann dabei genau die eutektische oder peritektische Zusammensetzung oder einer unter- bzw. übereutektische oder eine unter- bzw.- überperitektische Zusammensetzung aufweisen. Zum einen wird damit eine Feinkörnigkeit des Zusatzstoffes erreicht, sodass dieser in die polymere Matrix des Gleitlackes relativ einfach mit hoher Gleichmäßigkeit der Verteilung eingemischt werden kann. Zum anderen wird damit der Vorteil erreicht, da Eutek-tika bekannter Weise einen genau definierten Schmelzpunkt aufweisen, also kein Schmelzintervall, dass das Temperaturverhalten des Gleitlackes sehr genau eingestellt werden kann. Weiters wird der Vorteil erreicht, dass damit Metalle verwendbar sind, die einen Schmelzpunkt von über 600 °C aufweisen, wodurch die Bandbreite der einsetzbaren Stoffe bzw. Metalle nicht imwesentlich erweitert werden kann. Mithilfe des breiten Erstarrungsin-terwalles von eutektischen Systemen kann einerseits ein bestimmter Umwandlungspunkt und andererseits auch ein breiteres Wirkungsspektrum bei Bedarf eingestellt werden. N2006/05800 -4-

Das Metall kann insbesondere ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend Bismut, Lithium, Cadmium, Gallium, Indium, Blei, Tellur, Zinn und Zink oder Mischungen davon. Von Vorteil ist dabei, dass neben der „Wärmevemichtung“ diese Elemente auch einen Beitrag zur Strukturfestigkeit bzw. zur Tribologie des Gleitlackes liefern.

Die Legierung wiederum kann ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Basislegierungen von Gallium, Indium, Cadmium, Antimon, Zink, Aluminium, Magnesium, Kupfer, Silber, Bismut, Zinn oder Blei bzw. Mischungen daraus. Von Vorteil ist dabei, dass Legierungen ein breites Umwandlungsintervall zeigen. Auch hierbei kann zumindest teilweise die trio-bologische Wirksamkeit dieser Legierungen, wie z.B. bei Al/Si Legierungen, genutzt werden.

Es können aber auch Salze bzw. Salzmischungen, wie z.B. Oxide oder Nitride, als Zusatzstoff eingesetzt werden. Auch hier besteht wieder die Möglichkeit eutektische Salze bzw. Salzmischungen zu verwenden und damit Salze einzusetzen, die an sich einen höheren Schmelzpunkt bzw. eine höhere Umwandlungstemperatur aufweisen.

Wie bereits erwähnt ist es von Vorteil, wenn gemäß einer Ausfuhrungsvariante der Zusatzstoff pulverförmig ist, um eine zumindest annähernd homogene Verteilung dieses Zusatzstoffes im Gleitlack zu erreichen.

Die Partikel des Zusatzstoffes können einen mittlere Korngröße aufweisen, bei der 95 % der Partikel einen Wert von mindestens 0,1 % und maximal 5 % der Partikel einen Wert von maximal 95 % der Schichtdicke der Gleitschicht aufweisen. Unter mittlerer Korngröße wird im Sinne der Erfindung verstanden, dass unrunde, beispielsweise längliche, Partikel mit ihrer kleinsten Abmessung, also nicht mit der Längserstreckung, berücksichtigt werden.

Unterhalb der unteren Grenze der Korngröße konnte keine ausreichende Wirksamkeit der energieverbrauchenden Umwandlung festgestellt werden bzw. ist eine Agglomeratbildung beobachtbar. Zudem sind diese Partikelgrößen teurer in der Herstellung. Oberhalb der oberen Grenze treten unter Umständen Probleme hinsichtlich des Zusammenhaltes der Matrix auf bzw. könnte der Fall eintreten, dass einzelne Körner dieses Zusatzstoffes aus der Oberfläche herausragen und gegebenenfalls aus der Matrix herausgerissen werden. Darüber N2006/05800 -5- • · • · • ·· • · · ··· • · · hinaus können oberhalb dieser oberen Grenze unter Umständen Probleme in der Verarbeitung des Gleitlackes, beispielsweise durch Spritzen, auftreten bzw. kann das oberflächliche Erscheinungsbild des Gleitlackes hierdurch gestört werden.

Es sei jedoch an dieser Stelle erwähnt, dass es mitunter durchaus wünschenswert ist, das einzelne Körner aus der Matrix des Gleitlackes herausragen, insbesondere dann, wenn der Zusatzstoff zusätzliche tribologische Eigenschaften aufweist, die im Hinblick auf die Ausgestaltung Lagerelement wünschenswert sind.

Neben der pulverförmigen bzw. körnigen Ausbildung des Zusatzstoffes ist es gemäß einer weiteren Ausfuhrungsvariante vorgesehen, diesen mit blättchenförmigen oder länglichen, stängelförmigen Habitus auszugestalten. Hierbei ist insbesondere beim blättchenförmigen Habitus von Vorteil, wenn sich diese Blättchen zumindest annähernd parallel zu jener O-berfläche ausrichten, auf welche ein zu lagerndes Element, beispielsweise eine Welle, abgestützt wird, da damit ein zusätzliches gegenseitiges Abgleiten dieser Blättchen aufeinander möglich wird und damit die Gleiteigenschaft des Gleitlackes zusätzlich verbessert werden kann.

Bei der länglichen, stängelförmigen Ausgestaltung des Zusatzstoffes wird der Vorteil erreicht, dass diese mitunter durch die gesamte Schichtdicke des Gleitlackes ragen, sodass neben der energieverbrauchenden Umwandlung auch eine Ableitung der Wärme in darunter liegenden Schichten, wie dies aus dem Stand der Technik an sich bekannt ist, möglich wird, wodurch eine weitere Verbesserung des Temperaturverhaltens des Gleitlackes erreicht werden kann.

Der Anteil an dem zumindest einen Zusatzstoff kann ausgewählt sein aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 2 Gew.-%, insbesondere 8 Gew.-% bzw. 15 Gew.-%, und einer oberen Grenze von 75 Gew.-%, insbesondere 60 Gew.-% bzw. 45 Gew.-%, bezogen auf das Trockengewicht des Gleitlackes, d.h. also ohne Lösungsmittel. Unterhalb dieser unteren Grenze wurde keine ausreichende Wirksamkeit des Zusatzstoffes festgestellt. Ein Anteil größer als mit der oberen Grenze angegeben, zeigt hingegen keine zusätzliche Wirkung, basierend auf der energieverbrauchenden Umwandlung alleine. N2006/05800 -6- • · • · • ·

Es kann jedoch mitunter vorteilhaft sein, wenn aus bereits erwähnten tribologischen Gründen der Zusatzstoff in einem höheren Anteil als mit der oberen Grenze festgelegt, vorhanden ist.

In einer Weiterbildung der Gleitschicht ist vorgesehen, dass die Konzentration des zumindest einen Zusatzstoffes von einer ersten Oberfläche in Richtung auf eine zweite Oberfläche zunimmt, also ein Konzentrationsgradient über die Schichtdicke der Gleitschicht ausgebildet ist. Damit wird ermöglicht, dass insbesondere in jenen Bereichen, welche der erhöhten Temperatur ausgesetzt sind, als jenen Oberflächenbereichen, die dem von der Gleitschicht zu lagernden Element am nächsten liegen, mit einem höheren Anteil an dem Zusatzstoffen versehen sind und jene Bereiche, die der Temperaturbelastung nur mehr in einem geringeren Ausmaß ausgesetzt sind, einen deutlich geringen Anteil an dem Zusatzstoff aufweisen können. Darüber hinaus kann damit erreicht werden, dass gerade aus diesem Grunde, dass nämlich in den Bereichen mit geringerer Temperaturbelastung der Anteil an dem Zusatzstoff verringert ist, eine bessere Haftfestigkeit der Gleitschicht zu einer weiteren Schicht, beispielsweise einer Lagermetallschicht, erreicht werden kann.

Der Konzentrationsgradient kann dabei stufenförmig oder stetig zunehmend ausgebildet sein, wobei diese Zunahme je nach Bedarf linear oder in Form eine Kurve mit stärkerer oder weniger starker Zunahme - im Vergleich zu linearem Verlauf - ausgebildet sein.

Bei dem erfindungsgemäßen Lagerelement kann zwischen der Gleitschicht und dem Stützelement zumindest eine weitere Schicht angeordnet sein, insbesondere - wie bereits erwähnt - eine Lagermetallschicht, eine Haftvermittlerschicht, eine Diffusionssperrschicht, um damit das tribologische Verhalten oder die Haftfestigkeit zumindest einzelner Schichten aneinander zu verbessern bzw. die Diffusion von Bestandteilen einzelner Schichten in andere Schichten zu vermeiden.

Weiters betrifft die Erfindung die Verwendung eines metallischen Zusatzstoffes, der in einem Temperaturbereich bis 500 °C eine Phasenumwandlung oder Modifikationsänderung erfährt, als Zusatz in einer Matrix einer Gleitschicht als Überhitzungsschutz. Diese Verwendung ist also nicht ausschließlich auf Gleitlacke beschränkt, sondern generell auf Gleitschichten gerichtet, sodass also auch herkömmliche, aus dem Stand der Technik bereits bekannte metallische Gleitschichten vom Schutzbereich mit umfasst sind. Derartige N2006/05800 ·· ··· -7- metallische Schichten bestehen üblicherweise aus Legierungen, in welche Weichphasen bzw. Hartphasen eingelagert sind. Bislang wurde jedoch im Stand der Technik nicht aufgezeigt, dass derartigen metallischen Schichten zumindest ein Zusatzstoff zu dem Zweck hinzugefügt wird, um einen Energieabbau, d.h. eine Wärmevemichtung durch Umwandlung dieses Zusatzstoffes, beispielsweise durch eine Phasenumwandlung oder Modifikationsänderung herbeizufuhren. Dies war vielmehr bislang nicht erforderlich, da metallische Schichten an sich eine entsprechende Wärmeleitfähigkeit aufweisen, sodass die auf die Oberfläche der Gleitschicht einwirkende Wärme in darunter liegende Schichten abgeleitet wird. Es kann jedoch mit der Erfindung das Temperaturverhalten auch derartiger metallischer Gleitschichten verbessert werden, wodurch die Standzeit von Lagerelementen verbessert werden kann, es also auch bei metallischen Gleitschichten nicht zu einer Ausdünnung des Ölfilmes, wodurch die Baugruppe an sich, in welcher das Lagerelement eingebaut ist, eine höhere Standzeit aufweist.

In einer Weiterbildung der Verwendung ist vorgesehen, dass dieser Zusatzstoff nicht mischbar mit der Matrix ist. Damit liegt also dieser Zusatzstoff diskret in der metallischen Matrix vor. Infolge dessen kann die energieverbrauchende Umwandlung beispielsweise auch einen Übergang in den schmelzflüssigen bzw. plastischen Zustand mit umfassen, da die Festigkeit der Gleitschicht durch die den Zusatzstoff umgebende Matrix bzw. weitere Zusatzstoffe, wie z.B. Harzpartikel, etc. gewährleistet wird. Da der Zusatzstoff innerhalb der Matrix angeordnet ist, besteht auch nicht die Gefahr, dass durch das Aufschmelzen desselben dieser aus Matrix herausgerissen wird. Bei Abkühlung der Gleitschicht erstarrt der Zusatzstoff wieder und liegt zumindest annähernd unverändert innerhalb der Gleitschicht wiederum vor.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.

Es zeigen jeweils in schematisch vereinfachter Darstellung:

Fig. 1 eine Ausfuhrungsvariante eines erfindungsgemäßen Lagerelementes in Form einer Gleitlagerhalbschale;

Fig. 2 einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Gleitschicht; N2006/05800 -8-

Fig. 3 einen QuerschlifF einer erfindungsgemäßen Gleitschicht mit eingelagerten Zinnpartikeln.

Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. Weiters können auch Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.

Fig. 1 zeigt ein Lagerelement 1 in Form einer Gleitlagerhalbschale. Dieses besteht aus einem Stützelement 2, einer darauf angeordneten Lagermetallschicht 3 und einer auf dieser angeordneten Gleitschicht 4.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf derartige Lagerelemente in Form von Dreischichtgleit-lagem beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung auch Lagerelemente 1 in Form von Lagerbüchsen, Lagervollschalen, wie dies in Fig. 1 strichliert angedeutet ist, Lagerungen von Zylindern - in Form von Beschichtungen -, etc. bzw. generell Lagerelemente 1, in denen weitere Elemente, wie z.B. Wellen, relativ gegen das Lagerelement 1 bewegbar, insbesondere drehbar, gelagert sind.

Darüber hinaus ist es nicht zwingend erforderlich, dass das erfindungsgemäße Lagerelement drei Schichten umfasst. Vielmehr kann dieses auch ein so genanntes Zweischichtlagerelement, umfassend ein Stützelement 2 und eine darauf angeordnete Gleitschicht 4 sein, also tribologische beanspruchte Flächen direkt mit der erfindungsgemäßen Gleitschicht 4 beschichtet sein. Daneben können aber auch zusätzlich zu diesen bereits angesprochenen drei Schichten weitere Zwischenschichten angeordnet sein, wie z.B. eine Haftvermittler-schicht zwischen dem Stützelement 2 und der Lagermetallschicht 3 und/oder der Lagermetallschicht 3 und der Gleitschicht 4 bzw. dem Stützelement 2 und der Gleitschicht 4. Ebenso können so genannte Diffusionssperrschichten zwischen einzelnen dieser Schichten bzw. N2006/05800 -9-

! zwischen allen Schichten angeordnet sein, um damit das Diffundieren einzelner Bestandteile von Schichten in andere Schichten zu vermeiden.

Als Stützelement können beispielsweise Streifen oder Halbschalen aus Stahl oder dgl. verwendet werden, wie sie für diesen Anwendungszweck dem Fachmann bekannt sind. Für die Lagermetallschicht 3 können beispielsweise folgende Legierungen verwendet werden:

Lagermetalle auf Aluminiumbasis (zum Teil nach DIN ISO 4381 bzw. 4383):

AlSnöCuNi, AlZn5SiCuPBMg, AlSn20Cu, AlSi4Cd, AlCd3CuNi, AlSillCu, AlSnöCu, AlSn40, AlSn25CuMn, AlSil lCuMgNi, AlZn4SiPb;

Lagermetalle auf Kupferbasis (zum Teil nach DIN ISO 4383):

CuPblOSnlO, CuSnlO, CuPbl5Sn7, CuPb20Sn4, CuPb22Sn2, CuPb24Sn4, CuPb24Sn, CuSn8P, CuPb5Sn5Zn, CuSn7Pb7Zn3, CuPblOSnlO, CuPb30;

Lagermetalle auf Bleibasis:

PbSblOSnö, PbSbl5SnlO, PbSbl5SnAs, PbSbl4Sn9CuAs, PbSnlOCu2, PbSnl8Cu2, PbSnl0TiO2, PbSn9Cd, PbSnlO;

Lagermetalle auf Zinnbasis:

SnSb8Cu4, SnSbl2Cu6Pb.

Selbstverständlich können auch andere als die genannten Lagermetalle auf Aluminium-, Kupfer-, Blei- oder Zinnbasis verwendet werden.

Vorzugsweise werden jedoch bleifreie Lagermetalle verwendet.

Als Haftmittelschichten können z.B. Schichten aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, wie z.B. AISC3, etc. verwendet werden.

Als Diffusionssperrschichten können ebenfalls Aluminium bzw. Aluminiumlegierungsschichten oder Nickelschichten, etc. verwendet werden.

Die Gleitschicht 4 kann eine Legierung sein oder durch einen Gleitlack ausgefuhrt sein. N2006/05800 -10- fi

Als Gleitlacke können beispielsweise verwendet werden Polymere ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Polytetrafluorethylen, fluorhältige Harze, wie z.B. Perfluoralkoxy-Copolymere, Polyfluoralkoxy-Polytetrafluorethylen-Copolymere, Ethylentetrafluorethylen, Polychlortrifluorethylen, fluorierte Ethylen-Propylen Copolymere, Polyvinylfluorid, Polyvinylidenfluorid, alternierende Copolymere, statistische Copolymere, wie z.B. Perfluorethylenpropylen, Polyesterimide, Bismaleimide, Polyimidharze, wie z.B. Car-boranimide, aromatische Polyimidharze, wasserstofffreie Polyimidharze, Poly-triazo-Pyromellithimide, Polyamidimide, insbesondere aromatische, Polyaryletherimide, gegebenenfalls modifiziert mit Isocyanaten, Polyetherimide, gegebenenfalls modifiziert mit Iso-cyanaten,Epoxyharze, Epoxyharzester, Phenolharze, Polyamid 6, Polyamid 66, Polyoxy-methylen, Silikone, Polyarylether, Polyarylketone, Polyaryletherketone, Polyaryletheretherketone, Polyetheretherketone, Polyetherketone, Polyvinylidendiflouride, Polyethylensulfide, Allylensulfid, Poly-triazo-Pyromellithimide, Polyesterimide, Polyarylsulfide, Polyvinylensulfide, Polyphenylensulfide, Polysulfone, Polyethersulfone, Polyarylsulfone, Polyaryloxide, Polyarylsulfide, Nitrilgummi, Fluorkautschuke, Mischungen und Copolymere daraus. Der Anteil des Polymers am Gleitlack kann ausgewählt sein aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 25 Gew.-% und einer oberen Grenze von 98 Gew.-% bzw. aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 50 Gew.-% und einer oberen Grenze von 85 Gew.-% bzw. aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 70 Gew.-% und einer oberen Grenze von 75 Gew.-%.

In dem Gleitlack kann zumindest ein zum Polymer unterschiedlicher Hilfsstoff enthalten sein, ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Gleitmittel, wie z.B. M0S2, h-BN, WS2, Graphit, Polytetrafluorethylen, Pb, Pb-Sn-Legierungen, CF2, PbF2, Hartstoffe, wie z.B. CrC>3, Fe3Ü4, PbO, ZnO, CdO, AI2O3, SiC, S13N4, Si02,Si3N4, Ton, Talk, T1O2, Mullit, CaC2, Zn, A1N, FesP, Fe2B, N12B, FeB, Metallsulfide, wie z.B. ZnS, Ag2S, CuS, FeS, FeS2, Sb2S3, PbS, B12S3, CdS, Fasern, insbesondere anorganische, wie z.B. Glas, Kohlenstoff, Kaliumtitanat, Whisker, beispielsweise SiC, Metallfasem, beispielsweise aus Cu oder Stahl, sowie Mischungen daraus, um das Gleitverhalten zu verbessern.

Als Lösungsmittel fiir den Gleitlack kommen sämtliche aus dem Stand der Technik hierfür bekannten Lösungsmittel in Frage, insbesondere organische, wie z.B. Xylol. N2006/05800 -11 - • · • ·« • » ♦ ♦ ··«

Von Vorteil ist es, wenn ein Gleitlack verwendet wird, der als polymere Matrix ein Polyimid, insbesondere ein Polyamidimid, sowie Molybdändisulfid (M0S2) und Graphit als Festschmierstoffe umfasst. Der Anteil des Polyimids an dem Gleitlack kann ausgewählt sein aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 20 % und einer oberen Grenze von 80 %, der Anteil an Molybdändisulfid aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 15 % und einer oberen Grenze von 50 % und der Anteil von Graphit ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 5 % und einer oberen Grenze von 30 %.

Der Anteil an Polyimid kann auch ausgewählt sein aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 30 % und einer oberen Grenze von 70 % bzw. mit einer unteren Grenze von 40 % und einer oberen Grenze von 50 % bzw. kann der Anteil an Molybdändisulfid ausgewählt sein aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 20 % und einer oberen Grenze von 45 % bzw. mit einer unteren Grenze von 35 % und einer oberen Grenze von 40 % bzw. kann der Anteil des Graphits ausgewählt werden aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 10 % und einer oberen Grenze von 25 % oder aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 15 % und einer oberen Grenze von 20 %.

Das Verhältnis von Molybdändisulfid zu Graphit kann ausgewählt sein aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1,5:1 und einer oberen Grenze von 4,5:1. Es kann damit das selbstschmierende Verhalten der Gleitlackschicht variiert werden, sodass gegebenenfalls unter Berücksichtigung der jeweiligen Anteile an Molybdändisulfid bzw. Graphit, d.h. bei Variierung der Anteilsverhältnisse dieser Zusatzstoffe zum Polyimid, wiederum zumindest eine der Eigenschaften der Gleitlackschicht dem jeweiligen Anwendungsfall besonders angepasst werden.

Das Molybdändisulfid ist vorzugsweise in Form von Plättchen im Gleitlack enthalten, wobei diese Plättchen eine mittlere Länge aufweisen, die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 10 pm und einer oberen Grenze von 40 pm und/oder eine mittlere Breite, die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 10 pm und einer oberen Grenze von 40 pm und/oder eine mittlere Höhe, die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 2 nm und einer oberen Grenze von 20 nm. Es kann damit eine deutliche Richtungsabhängigkeit der selbstschmierenden Eigenschaften erreicht werden, wobei sich die Molybdändisulfid-Plättchen bevorzugt parallel zur mit dem N2006/05800 -12- • · · · · • · · · • f · ♦ · • · · · · • #« ··· • · · · • · · t

Gleitlack beschichteten Fläche ausrichten, sodass diese Plättchen bei Belastung gegeneinander verschiebbar sind und damit die Schmiereigenschaft des Gleitlackes verbessert wird.

Um diese Eigenschaften weiter zu verbessern bzw. zu optimieren, ist es möglich, dass die Molybdändisulfid-Plättchen eine mittlere Länge, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 15 pm und einer oberen Grenze von 35 pm und/oder eine mittlere Breite ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 15 pm und einer oberen Grenze von 35 pm und/oder eine mittlere Höhe ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 5 nm und einer oberen Grenze von 15 nm aufweisen bzw. können gemäß diese Plättchen eine mittlere Länge ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 18 pm und einer oberen Grenze von 25 pm und/oder eine mittlere Breite aus-gewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 18 pm und einer oberen Grenze von 25 pm und/oder einer mittleren Höhe, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 5 nm und einer oberen Grenze von 8 nm aufweisen.

Erklärend sei hierzu angeführt, dass diese Plättchen nicht Zwingenderweise eine quadratische Fläche aufweisen müssen, sondern vielmehr diese Plättchen einen unregelmäßigen Habitus aufweisen können, sodass also die mittlere Länge bzw. Höhe bzw. Breite auch Einzelwerte einschließen kann, welche außerhalb der angegebenen Bereiche liegen, jedoch die gemittelten Einzelwerte innerhalb der Bereiche.

Der Graphit wird vorzugsweise mit einer Korngröße eingesetzt, die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 2 pm und einer oberen Grenze von 8 pm.

Der Gleitlack kann als Antifriktionspaste bzw. Antifriktionsdispersion verarbeitet werden, je nachdem wie hoch der Anteil an dem Lösungsmittel ist.

Die Antifriktionspaste kann dabei zumindest annähernd obige Zusammensetzung aufweisen. Die Antifnktionsdispersion kann einen an Polyimidanteil ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 20 % und einer oberen Grenze von 40 %, einen Anteil an Molybdändisulfid ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 15 % und einer oberen Grenze von 25 % und einen Anteil an Graphit ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 5 % und einer oberen Grenze von 15 % aufweisen, wobei den Rest das Dispersionsmittel bildet. N2006/05800 .1' -13- .1' -13- » « · · • ·· • · fr ··· • · · • · ♦ • ♦ ♦

Des Weiteren kann der Gleitlack ansonsten dem Stand der Technik entsprechend ausgebildet sein, beispielsweise auch Zusätze enthalten, welche die Verarbeitbarkeit verbessern.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass in diesem Gleitlack bzw. der Gleitschicht 4 zumindest ein Zusatzstoff 5 angeordnet ist, insbesondere darin verteilt ist, wie dies aus Fig. 2 ersichtlich ist.

Der erfindungsgemäße Zusatzstoff 5 ist ein Material, welches in einem Temperaturbereich bis zu einer oberen Grenze von 600 °C, insbesondere 500 °C, eine temperaturabhängige Umwandlung erfahrt. Diese Umwandlung kann einerseits eine Phasenumwandlung sein, beispielsweise indem dieser Zusatzstoff zur Gänze oder teilweise von der festen in die flüssige Phase wechselt, andererseits kann diese Phasenumwandlung auch eine Veränderung der Modifikation sein. Durch diese Umwandlung wird Energie verbraucht, sodass also die auf die Oberfläche der Gleitschicht 4 einwirkende Wärme durch diese Umwandlung verbraucht wird und damit die Gleitschicht 4 vor Überhitzung geschützt wird.

Die Phasen bzw. Modifikationsübergänge sind dabei mit den so genannten Umwandlungsenthalpien verbunden. Unter Umwandlungsenthalpie versteht man eine Sammelbezeichnung für Wärmeumsätze, die bei derartigen Übergängen verbraucht oder freigesetzt werden. Erfindungsgemäß wird der Energieverbrauch dazu verwendet, um die Gleitschicht 4 zu kühlen bzw. eine weitere Temperaturerhöhung zu vermeiden. Es ist aber bevorzugt möglich, dass die durch die Umwandlung verbrauchte Wärmeenergie in Folge des Abküh-lens des Lagerelements 1 bzw. der Gleitschicht 4 bzw. des Gleitlackes wieder freigesetzt wird, d.h. also, dass diese Umwandlung reversibel ist, wodurch in der Gleitschicht 4 in gewisser Weise eine Temperierung erfolgt, sodass große Temperaturschwankungen abgefedert werden können und damit die Gefahr einer vorzeitigen thermischen Ermüdung vermindert wird.

Im Hinblick auf die Existenz mehrerer Modifikationen eines Elementes ist der Ausdruck Allotropie, bezüglich Verbindungen der Ausdruck Di-, Trimorphie bzw. Polymorphie bekannt. Diese Modifikationen unterscheiden sich in ihren Kristallgittern und ihre Stabilität zeigt in der Regel andere Druck- und Temperaturabhängigkeiten. Bevorzugt sind dabei so genannte enantiotrope Modifikationen, die reversibel ineinander überführt werden können. Im Sinne der Erfindung können aber auch monotrope Modifikationen, also irreversible N2006/05800 -14-ί! m ** ♦* lf ·««« ·* λ:

Modifikationen verwendet werden, sofern eine ausreichende Menge hiervon im Gleitlack vorhanden ist.

Wie aus Voranstehendem hervorgeht, sind bevorzugt Metalle bzw. deren Legierungen als Zusatzstoffe 5 im Sinne der Erfindung eingesetzt. Es können - wie dies ebenfalls bereits voranstehend verdeutlicht wurde - aber auch Salze bzw. Salzmischungen, insbesondere eutektische, eingesetzt werden. Dies bedeutet jedoch nicht, dass andere als metallisch Zusatzstoffe, welche ebenfalls eine energieverbrauchende Umwandlung in diesem Temperaturbereich zeigen, eingesetzt werden können, beispielsweise können Keramiken, Hartstoffe, etc. verwendet werden. Mögliche Legierungen für Zusatzstoffe 5 sind in nachfolgender Tabelle 1 angeführt.

Nr. Legierungszusammensetzung [%] Ga In Sn Bi Pb Cd Sb Zn Al Cu A§ Si 1 62,50 21,50 16,00 2 19,10 8,30 44,70 22,60 5,30 3 21,00 12,00 49,00 18,00 4 13,10 49,50 27,30 10,10 5 12,00 ‘ 50,00 25,00 12,50 6 26,00 17,00 57,00 7 44,00 42,00 14,00 8 15,50 52,50 32,00 9 34,00 46,00 20,00 10 52,20 46,00 1,80 11 52,00 48,00 12 55,50 44,50 13 42,75 54,54 2,71 14 43,47 55,85 0,68 15 42,00 58,00 16 97,00 3,00 N2006/05800 -15- • ·· ·· ·· Ι· ·· ····*· · »* ··· • ·· ·· · ·· ·· · • · ·· ·· ·· · 17 50,00 32,00 18,00 18 48,00 50,00 2,00 19 91,00 9,00 20 91,80 4,80 3,40 21 95,50 0,70 3,80 22 96,50 3,50 23 99,25 0,75 24 10,00 90,00 25 97,50 2,50 26 95,25 5,75 27 97,73 2,27 28 65 35 29 88,30 11,7

Beispiel Nr. 23 zeigt eine allotrope Umwandlung im festen Zustand bei eutektischer Zusammensetzung (Umwandlung der intermetallischen Phase bei 187,5 °C, Cu6Sn5 nach Cu6Sn5').

Vorzugsweise können die Partikel des Zusatzstoffes 5 in diskretem Zustand innerhalb der Matrix vorliegen.

Um die Verwendung von Metallen mit höheren Umwandlungstemperaturen zu ermöglichen, können eutektische Systeme verwendet werden. Diese können entweder genau die eutektische Zusammensetzung aufweisen, oder Zusammensetzungen, die von dem genauen Eutektikum abweichen und auch ein zumindest annähernd partielle Umwandlung erfahren.

Im Rahmen der Erfindung wurden in diesem Zusammenhang bisher die eutektischen Zusammensetzungen aus den Systemen Al-Ca, Al-Cu, Al-Si, Mg-Ni, Mg-Sb, Mg-Si und Cu-Sb getestet.

Da eine der bevorzugten Ausfuhrungsvarianten der Erfindung ein Lagerelement 1, insbesondere eine Gleitlagerhalbschale, ist, ist es von Vorteil, wenn der Zusatzstoff 5 weitere N2006/05800 -16- • · • · ·· ·«· • · ·

Eigenschaften, welche tribologisch wirken, aufweist. So ist es möglich, dass dieser Zusatzstoff 5 relativ weich ist, um der Gleitschicht 4 eine gewisse Einbettfähigkeit für Fremdpartikel, welche aus dem Abrieb stammen, zu verleihen. Andererseits besteht die Möglichkeit, dass dieser Zusatzstoff hart ist, um eine gewisse Anpassbarkeit im Einlaufverhalten der Gleitschicht zu ermöglichen.

Es sind aber auch hier Mischungen verschiedener Zusatzstoffe 5 möglich, sodass mehrere dieser tribologischen Eigenschaften in einer Schicht vereint sind, beispielsweise kann der Gleitlack Zusatzstoff 5 enthalten, welche relativ weich sind, andererseits kann der Gleitlack Zusatzstoffe 5 enthalten, welche eine sehr hohe Härte nach Vickers aufweisen.

In Fig. 3 ist ein Querschliff durch eine erfindungsgemäße Gleitschicht 4 dargestellt. Diese ist direkt auf die Lagermetallschicht 3 auf Aluminiumbasis aufgetragen. Deutlich sichtbar in der Gleitschicht 4 ist der Zuatzstoff 5, der durch Zinnpartikel gebildet wird, die einen annähernd kugelförmigen Habitus aufweisen. Der Gleitlack der Gleitschicht enthält 20 % Zinnpartikel.

Der Gleitlack kann in bekannter Weise verarbeitet werden, beispielsweise durch aufsprü-hen, streichen, tauchen, Siebdruck, Offsetdruck etc. Es können somit direkt beschichtete Lagerelemente 1 hergestellt werden.

In Hinblick auf die Herstellung des Lagerelementes selbst sei der Fachmann an die einschlägige Literatur verwiesen. Beispielsweise kann zuerst ein Streifen aus Stahl als Stützelement 2 durch Walzen oder galvanisch oder Abscheidung über ein PVD-Verfahren, z.B. Sputtern, mit einer Lagermetallschicht 3 versehen werden. Auf letztere kann dann die Gleitschicht 4, insbesondere aus dem erfindungsgemäßen Gleitlack aufgetragen werden.

Im Falle der Ausbildung der Gleitschicht 4 als Legierung kann diese ebenfalls nach einem der genannten Verfahren aufgebracht werden.

Selbstverständlich sind Zwischenschritte in Form von Wärmebehandlungen möglich, und sind diese dem Fachmann aus der einschlägigen Literatur bekannt. Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verstehen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mit umfassen, z.B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 N2006/05800 -17- % ···#+« · ·# ··· • ♦ · · · · · · «· · • t ♦ · « · · · · t · und der oberen Grenze 10 mit umfasst sind, d.h. sämtliche Teilbereich beginnen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z.B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8,1 oder 5,5 bis 10.

Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten des Gleitlackes bzw. eines Lagerelementes 1, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt. Es sind also auch sämtliche denkbaren Ausführungsvarianten, die durch Kombinationen einzelner Details der dargestellten und beschriebenen Ausführungsvariante möglich sind, vom Schutzumfang mit umfasst.

Der Ordnung halber sei abschließend daraufhingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus Lagerelementes 1 dieses bzw. dessen Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.

Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrunde liegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden. N2006/05800

Bezugszeichenaufstellung 1 Lagerelement 2 Stützelement 3 Lagermetallschicht 4 Gleitschicht 5 Zusatzstoff N2006/05800

Claims

-1 - • _ , ·····* I ·« ♦·· • 4 · 4 · · 4 * · · · ······· ···· Patentansprüche 1. Gleitlack mit einer polymeren Matrix in der zumindest ein Zusatzstoff (5) verteilt enthalten ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff (5) durch Temperaturänderung im Temperaturbereich bis zu einer oberen Grenze von 600 °C, insbesondere 500 °C, einer, insbesondere reversiblen, energieverbrauchenden Umwandlung, wie z.B. einer Phasenumwandlung oder Modifikationsänderung, unterliegt.
2. Gleitlack nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Zusatzstoff (5) durch ein Metall oder eine Legierung oder ein Salz bzw. Mischungen davon gebildet ist.
3. Gleitlack nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung oder das Salz bzw. die Salzmischung eine eutektische ist bzw. aus einem eutektischen System ausgewählt ist oder dass die Legierung eine peritektische Legierung ist oder aus einem peritektischen System ausgewählt ist.
4. Gleitlack nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Bismut, Lithium, Cadmium, Gallium, Indium, Blei, Tellur, Zinn und Zink oder Mischungen davon.
5. Gleitlack nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Basislegierungen von Gallium, Indium, Cadmium, Antimon, Zink, Aluminium, Magnesium, Kupfer, Silber, Bismut, Zinn oder Blei bzw. Mischungen daraus.
6. Gleitlack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff (5) pulverförmig ist. N2006/05800 -2- -2- • 99 999 9 » 9 · · • · · · «* • 9 · « · 9 • 9 9 9 9 ·
7. Gleitlack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff (5) eine mittlere Korngröße aufweist, bei der 95 % der Partikel einen Wert von mindestens 0,1 % und maximal 5 % der Partikel einen Wert von maximal 95 % der Schichtdicke des Gleitlackes auf weisen.
8. Gleitlack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff (5) einen plättchenförmigen oder länglichen, stängelförmigen Habitus aufweist.
9. Gleitlack nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des zumindest einen Zusatzstoffes (5) ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 2 Gew.-% und einer oberen Grenze von 75 Gew.-%, bezogen auf das Trockengewicht des Gleitlackes.
10. Gleitschicht (4) für ein Lagerelement (1), dadurch gekennzeichnet, dass diese aus einem Gleitlack nach einem der vorhergehenden Ansprüche gebildet ist.
11. Gleitschicht (4) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Konzentration des zumindest einen Zusatzstoffes (5) von einer ersten Oberfläche in Richtung auf eine zweite Oberfläche zunimmt.
12. Lagerelement (1), insbesondere Gleitlager(buchse), umfassend ein Stützelement (2) und eine darauf angeordnete Gleitschicht (4), dadurch gekennzeichnet dass die Gleitschicht (4) nach Ansprüche 10 oder 11 gebildet ist.
13. Lagerelement (1) nach Anspruch 12 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Gleitschicht (4) und dem Stützelement (2) zumindest eine weitere Schicht angeordnet ist, insbesondere eine Lagermetallschicht (3) und/oder eine Haftvermittlerschicht und/oder eine Diffusionssperrschicht. N2006/05800 -3- -3-
• ·· ··# * · · · 14. Verfahren zum Schutz einer Gleitschicht (4) eines Lagerelementes (1), insbe sondere eines Gleitlagers, vor Überhitzung, wobei die Gleitschicht (4) eine Matrix umfasst, in die zumindest ein Zusatzstoff (5) eingemischt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff (5) in einem Temperaturbereich bis 600 °C, insbesondere 500 °C, durch Temperaturänderung eine energieverbrauchende Umwandlung, wie z.B. eine Phasenumwandlung oder Modifikationsänderung, erfährt.
15. Verwendung eines metallischen Zusatzstoffes (5) der in einem Temperaturbereich bis 600 °C, insbesondere 500 °C, eine Phasenumwandlung oder Modifikationsänderung erfährt als Zusatz in einer Matrix einer Gleitschicht (4) als Überhitzungsschutz.
16. Verwendung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff (15) nicht mischbar mit der Matrix ist. Miba Gleitlager GmbH durch

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