AT524722A1 - Mehrschichtgleitlagerelement - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Mehrschichtgleitlagerelement (1) umfassend eine Gleit- schicht (4), die als Hauptbestandteil eine metallische Zusammensetzung umfasst, die aus zumindest drei Elementen A, B und C gebildet ist, wobei für jedes der Ele- mente A, B und C in axialer Richtung (7) und gegebenenfalls in radialer Richtung (8) des Mehrschichtgleitlagerelements (1) ein Konzentrationsgradient ausgebildet ist.
Description
mindest drei Elementen A, B und C gebildet ist.
Zudem betrifft die Erfindung eine Gleitlagerung umfassend zumindest ein Mehr-
schichtgleitlagerelement und einen darauf abgleitenden Gegenkörper.
In tribologischen Systemen, speziell in druckölgeschmierten Gleitlagerungen, sind die Anforderungen an die verwendeten Materialien in Abhängigkeit der Betriebspunkte, Temperaturen und Notlaufeigenschaften sehr divergent. Einerseits soll eine Dauerfestigkeit im definierten Serviceintervall sichergestellt werden, andererseits sollen der reibungsarme Verschleiß notwendige Oberflächenanpassungen ermöglichen und zusätzlich gute Notlaufeigenschaften zur Verfügung gestellt werden. Durch die im System auftretenden Momente und Kräfte (Zündkräfte, Massenkräfte, Fliehkräfte, etc.) kommt es in allen Betriebspunkten zu unterschiedlichen Verformungen, wie z.B. Biegungen, Ovalisierungen, etc. Zusätzlich ergeben sich aus dem Zusammenbau vieler Einzelkomponenten Summentoleranzen die einen Anpassungsverschleiß bei der Erstinbetriebnahme oder sogar eine spezielle Ein-
laufprozedur unabdingbar machen.
Diese Anpassungen finden in der Mischreibung oder sogar unter Festkörperrei-
bung statt. Viele Berechnungen werden bereits genutzt, um beispielsweise durch geeignete Form der Gleitlagerelemente Verformungen und Kantenträgern entgegenzuwirken. Auch eine kurzfristige Unterbrechung der Ölversorgung kann zu in-
tensiven Mischreibbedingungen und dadurch größerer Reibarbeit führen, die im
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z.B. bei Flugzeugtriebwerken.
All diese Anforderungen führen zu sehr verschiedenen Materialeigenschaften, die mit einem Material nicht darstellbar ist. Aus diesem Grund werden im Stand der Technik üblicherweise Mehrschichtgleitlagerelemente eingesetzt, die aus Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung hergestellt sind und beispielsweise eine Stützschicht für die Strukturfestigkeit, eine Lagermetallschicht als Notlaufschicht und eine Gleitschicht für den gleitenden Kontakt zum zu lagernden Bauelement aufweisen. Zudem ist auch bereits bekannt, dass innerhalb einer Schicht ein radialer Konzentrationsgradient von Bestandteilen der Schicht ausgebildet wird, um damit dieser Diskrepanz der Anforderungen an ein Gleitlager noch besser nachkommen zu können. Beispielsweise ist aus der AT 412 877 A eine Legierung bekannt, bestehend aus zumindest drei Komponenten A, B, C, die zumindest eine erste Matrix und eine darin dispergierte Weichphase bilden, mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten, dieser gegenüberliegenden Oberfläche, wobei die Anteile der Komponenten A, B, C an der Legierung in den Bereichen der ersten und der zweiten Oberfläche zueinander verschieden sind, und wobei zumindest eine der Komponenten eine Hartphase und zumindest eine weitere der Komponenten eine weitere, zur ersten Matrix unterschiedliche Matrix bilden, wobei die erste Matrix zumindest im Bereich der ersten Oberfläche und die weitere Matrix zumindest im Bereich der zweiten Oberfläche vorliegen, und die Hartphase sowohl in der ersten als
auch in der weiteren Matrix dispergiert ist.
Neben derartigen Konzentrationsgradienten ist aus AT 515 107 A4 ein Härtegradient in einer Zinnbasislegierung mit Magnesiumanteil bekannt, der hierfür zusätzlich Zink zugegeben wird, wobei der Zinkanteil ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,5 Gew.-% und einer oberen Grenze von 6,5 Gew.%. Das ternäre Eutektikum verbraucht nur einen Teil des Magnesiums, wodurch in
der Folge gröbere Mg2Sn-Körner ausgeschieden werden. Es kann damit eine Er-
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sungsfähigkeit der Schicht.
Weiter ist aus dem Stand der Technik auch ein „Formengradient“ innerhalb einer Schicht bekannt, um damit deren Eigenschaften an die Anforderungen besser anpassen zu können. So beschreibt z.B. die AT 517 383 A1 ein Gleitlagerelement umfassend eine Stützschicht und eine Gleitschicht, wobei die Gleitschicht aus Silber oder aus Silber mit einem Maximalgehalt an weiteren Metallen von 5 Gew.-%, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Cu, Sb, Mo, Co, besteht, wobei die Gleitschicht eine Mikrostruktur mit Körnern aufweist und eine Gleitschichtdicke hat, und wobei sich die Mikrostruktur über die Gleitschichtdicke von einem globularen Habitus der Körner im Bereich einer der Stützschicht näheren zweiten Oberfläche der Gleitschicht in einen zumindest annähernd stengeligen Habitus mit einer Längserstreckung der Körner im Bereich einer der Stützschicht entfernteren
ersten Oberfläche der Gleitschicht ändert.
Ebenfalls zur Verbesserung des Eigenschaftsprofils eines Gleitlagerelementes durch die Ausbildung eines geometrischen Gradienten beschreibt die AT 517 717 A4 ein Verfahren zur Abscheidung einer Schicht auf einem Gleitlagerelementrohling aus der Gasphase in einem Prozessgas, nach dem die Schicht aus zumindest einem Target, das eine Metallkombination mit einem metallischen Basiselement umfasst oder daraus besteht, durch zumindest teilweises Zerstäuben des Targets und anschließendes Niederschlagen der zerstäubten Targetbestandteile auf dem
Gleitlagerelementrohling hergestellt wird, wobei ein Target verwendet wird, das
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für die darüber liegenden grobkörnigeren Bereiche.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Gleitla-
gerung zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit dem eingangs genannten Mehrschichtgleitlagerelement gelöst, bei dem vorgesehen ist, dass für jedes der Elemente A, B und C in axialer Richtung und gegebenenfalls in radialer Richtung des Mehrschichtgleitlagerelements ein Konzentrationsgradient ausgebildet ist, und/oder bei dem vorgesehen ist, dass die Gleitschicht aus zumindest vier, Insbesondere zumindest fünf, Teilschichten aufgebaut ist, die in radialer Richtung übereinander angeordnet sind, und für jedes der Elemente A, B und C innerhalb der Gleitschicht ein Kon-
zentrationsgradient ausgebildet ist.
Weiter wird die Aufgabe der Erfindung mit der eingangs genannten Gleitlagerung
gelöst, die das erfindungsgemäße Mehrschichtgleitlagerelement aufweist.
Von Vorteil ist dabei, dass die Gleitschicht besser an die divergierenden Eigenschaftsanforderungen angepasst werden kann. Dadurch wird es möglich, in der Gleitschicht mehrere Eigenschaften besser zu vereinen, sodass die Gleitschicht auch besser als Direktbeschichtung eines Bauteils eingesetzt werden kann. Dies erlaubt nicht nur eine Verfahrensvereinfachung der Herstellung einer Gleitlagerung. Durch die Direktbeschichtung eines oder beider im tribologischen Kontakt
befindlichen Bauteile können auch Toleranzen reduziert werden. Mit dieser Ausbil-
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Bereichen (Zonen) aufweisen.
Zur weiteren Verbesserung der mit der Erfindung erzielten Effekte kann gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass die zumindest drei Elemente A, B und C in jeder der Teilschichten enthalten sind, wobei gemäß einer weiteren Ausführungsvariante dazu vorgesehen sein kann, dass jede der Teilschichten eine unterschiedliche Konzentration an den zumindest drei Elementen A, B und C aufweist.
Vorzugsweise weist die Gleitschicht gemäß einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung eine Schichtdicke von mindestens 40 um bis maximal 150 um auf. Bei weniger als 40 um besteht die Gefahr, dass aufgrund von Toleranzketten (z.B. Planetenträgerlagerung, Planetenträger, Planetenachse, Planetenachsenlagerung, Planetenrad, Sonnenrad, Hohlrad, etc.) kritische Einlaufanpassungen auftreten. Zudem ist auch Partikeleinbettfähigkeiten und Energiedissipation über Phasenumwandlungen reduziert. Bei mehr als 150 um werden die Toleranzen signifikant, die sich aus einer nicht nachbearbeiteten Beschichtung ergeben, ohne dabei weitere Vorteile aus Partikeleinbettung oder Phasenumwandlungsenergie zu er-
zielen.
Nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass jede der Teilschichten eine Mindestschichtdicke von 4 um aufweist. Bei einer geringen Schichtdicke werden die mechanischen und physikalischen Eigenschaften abrupt geändert. Diese sprunghafte Änderung kann zu mechanischen Maximalbelastungen an der Grenzfläche führen und dadurch zu einer Schwachstelle
im Gesamtsystem werden.
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- das Element A ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Aluminium, Kupfer, Nickel, Palladium, Silber, Eisen, Titan und/oder Legierungen dieser Elemente und weitere Legierungen, wie insbesondere austenitische Stähle, z.B. XSCrNiMoTi1712-2, Monel, Bronzen, CuSn6, CuSn8, CuAI10Fe, CuUAIS5Fe3Mn2, CuAI10Fe5NIi5, CuBe2, CuNiBe.
- das Element B ein Metall ist, das mit dem Element A intermetallische Phasen o-
der Mischkristalle bildet oder für das Element A kornfeinend wirkt, und/oder
- das Element B ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Cu, Si, Mg, Zn, Cr, Ni, Sn, Al, Fe, Ti, In, Ge, Te, W, C, Be, Sc, V, Mo, B, Pd, Au, mit der Maßgabe,
dass das Element B ungleich dem Element A ist, und/oder
- das Element C ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Cu, Al, Pd, Au, Ag, Pb, Bi, Sn, In, Sb, C, mit der Maßgabe, dass das Element C ungleich dem Ele-
ment A und dem Element B ist.
Insbesondere durch die Auswahl dieser Elemente werden die Anpassungsfähigkeit und Notlaufeigenschaften durch die Deckschicht speziell im Einlaufvorgang und bei extremen Störungen besser ausgebildet. Durch Anpassung des Materials an der Gegenfläche mit Berücksichtigung der Wechselwirkung mit den additiven im Öl kann auch dieses Potential in Hinsicht auf Systemstabilität verbessert wer-
den.
Nach einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die metallische Zusammensetzung noch ein Element D enthält, für das in axialer Richtung und/oder radialer Richtung ein Konzentrationsgradient ausgebildet ist, wobei das Element D ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Ag, Pb, Bi, Sn, In, Sb, C, mit der Maßgabe, dass das Element C ungleich dem Element A und dem Element B und dem Element C ist. Es ist damit eine noch bessere Abstimmung des Eigenschaftsprofils der Gleitschicht in Hinsicht auf Phasenumwand-
lungspunkte, wie z.B. Eutektika, etc., oder eine gezielte Diffusion bei erhöhten
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cherer Deckschicht, wie z.B. Reinblei, erzielbar. Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann vorgesehen sein, dass
- das Element A in einem Anteil enthalten ist, der ausgewählt ist aus einem Be-
reich von 10 Gew.-% bis 60 Gew.%, und/oder
- das Element B in einem Anteil enthalten ist, der ausgewählt ist aus einem Be-
reich von 3 Gew.-% bis 40 Gew.%, und/oder
- das Element C in einem Anteil enthalten ist, der ausgewählt ist aus einem Bereich von 20 Gew.-% bis 60 Gew.%, und/oder
- das Element D in einem Anteil enthalten ist, der ausgewählt ist aus einem Be-
reich von 5 Gew.-% bis 30 Gew.%.
Mit diesen Mengenanteilen kann den differenzierten Anforderungen jeder Einzelschicht im betrachteten Gesamtsystem besser gerecht werden. Dadurch können je nach gegebenen Grundsubstrat schon in der Schicht unterschiedlichste Materialien die erforderlichen Eigenschaften erzielen. Es können damit Spannungsmaxima im Interface durch angepasste Eigenschaften (E-Modul, Dauerfestigkeiten, Verformbarkeit, etc.) vermindern und die Haftfestigkeit am Substrat verbessert werden. Zusätzlich kann man in der Schicht einen Gradienten mit gewünschten mechanischen und physikalischen Eigenschaften erzeugen. Auch hier sind E-Modul, Dauerfestigkeiten und Verformbarkeit wichtige Eigenschaften, aber zusätzlich bekommen die tribologischen Eigenschaften, in Richtung zur Oberfläche des Schichtsystem, eine immer größere Bedeutung. Dazu zählen abrasiver und adhäsiver. Dazu zählen abrasiver und adhäsiver Verschleiß, Wechselwirkung mit dem Öl und Öladditiven, thermische Stabilität und Leitfähigkeit, Feinkorn oder Grobkornstruktur im Abscheidezustand, Änderung durch Zeit und Temperatur im Normalbetrieb, Änderungen bei hohem Energieeintrag, Verschweißneigung mit Mischreibung oder Festkörperkontakt.
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Element A durch Kupfer, das Element B durch Zinn und das Element C durch Blei gebildet ist, da sich diese Metalle in Gleitlagern bewährt haben und relativ einfach mittels einem PVD-Verfahren abgeschieden werden können, wodurch die Ausbil-
dung des/der Konzentrationsgradienten einfacher realisiert werden kann.
Um den Einlauf des Mehrschichtgleitlagerelements auch unter nicht geschmierten Bedingungen oder unter Mangelschmierung zu verbessern, kann nach einer Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass auf der Gleitschicht eine
additivierte Polymerschicht aufgebracht ist.
Bevorzugt weist diese Polymerschicht gemäß einer Ausführungsvariante dazu eine Schichtdicke von mindestens 4 um und höchsten 30 um auf. Mit einer Schichtdicke von weniger als 4 um konnte beobachtet werden, dass die Polymerschicht teilweise vor dem Ende der Einlaufphase verschleißt, womit die Gleitschicht bereits in der Einlaufphase einer höheren Belastung ausgesetzt ist. Mit einer Schichtdicke von mehr als 30 um würde nach dem vollständigen Verschleiß der Einlaufschicht ein Schmierpalt in einer Größenordnung entstehen, der den Be-
trieb des Mehrschichtgleitlagerelementes beeinträchtigen könnte.
Die optimale Schichtdicke der Polymerschicht ist stark von Rauheit des zu beschichteten Bauteils, den Summentoleranzen und Verformungen unter Last abhängig. Gute Ergebnisse wurden in Kombination Belastbarkeit und Einlaufunterstützung mit Schichtdicken der Polymerschicht im Bereich von 8 um bis 20 um er-
zielt.
Gemäß einer Ausführungsvariante der Gleitlagerung kann vorgesehen sein, dass der Gegenkörper ebenfalls eine Beschichtung aufweist, die hinsichtlich Notlaufeigenschaften optimiert ist, womit eine höhere Ausfallsicherheit der Gleitlagerung erreicht werden kann. Dies ist insbesondere in kritischen Anwendungen der Gleitla-
gerung, wie z.B. in der Luftfahrt, von Vorteil.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden
Figuren näher erläutert.
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Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Gleitschicht auf einem Träger im Querschnitt; Fig. 2 einen Ausschnitt aus einer Gleitlagerung.
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 diese Lage-
angaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
Sämtliche Angaben zu Zusammensetzungen in dieser Beschreibung sind in Gew. -
% zu verstehen, sofern nicht explizit etwas anderes angegeben ist.
In Fig. 1 ist ausschnittsweise ein metallisches Mehrschichtgleitlagerelement 1, insbesondere ein Radialgleitlagerelement, in Seitenansicht geschnitten dargestellt. Das Mehrschichtgleitlagerelement 1 ist bevorzugt zur Verwendung in der Motorenindustrie bzw. in Motoren vorgesehen, kann aber auch in anderen Gleitlageran-
wendungen eingesetzt werden.
Das Mehrschichtgleitlagerelement weist einen Träger 2 auf. Auf dem Träger 2, d.h. einer Oberfläche 3 des Trägers 2, ist eine Gleitschicht 4 angeordnet, insbe-
sondere unmittelbar auf der Oberfläche 3 des Trägers 2.
Der Träger 2 kann jede beliebige Form aufweisen, insbesondere wenn die Gleitschicht 4 als Direktbeschichtung des Trägers 2 vorgesehen ist. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass der Träger 2 übliche Gleitlagerelementformen aufweist. Beispielsweise kann der Träger 2 in Form einer Buchse oder in Form einer Halb-
schale ausgebildet sein. Es sind aber auch andere Teilungen möglich. Beispiels-
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weise kann das Gleitlager eine Drittelteilung aufweisen, sodass das Mehrschichtgleitlagerelement 1 mit zwei weiteren Gleitlagerelementen zu einem Gleitlager kombiniert wird, wobei zumindest eines der beiden weiteren Gleitlagerelemente ebenfalls durch das Mehrschichtgleitlagerelement 1 gebildet sein kann. In diesem Fall deckt das Mehrschichtgleitlagerelement nicht einen Winkelbereich von 180 ° sondern einen Winkelbereich von 120° ab. In der Ausbildung des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 als Schale oder als Buchse wird dieses in eine Lageraufnahme eingesetzt. Die Lageraufnahme kann beispielsweise ein Pleuelauge sein, kann
aber auch anders ausgebildet sein.
Insbesondere in der schalenförmigen oder buchsenförmigen Ausbildung des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 kann der Träger 2 auch mehrschichtig ausgebildet sein, wie dies in Fig. 1 strichliert angedeutet ist. Beispielsweise kann der Träger 2 eine Stützschicht 5 und eine darauf angeordnete Lagermetallschicht 6 aufweisen. Es sind auch andere Zwischenschichten alternativ oder zusätzlich dazu möglich, wie beispielswiese eine Diffusionssperrschicht oder eine Bindeschicht, wobei auch mehrere Zwischenschichten in Form von Kombinationen aus den ge-
nannten Schichten vorhanden sein können.
Die Stützschicht 5 bzw. der Träger 2 besteht vorzugsweise aus einem Stahl, kann aber auch aus anderen geeigneten Werkstoffen, wie z.B. einer Bronze, bestehen. Die Stützschicht 5 kann auch durch das Bauteil, das das Mehrschichtgleitlagerelement 1 aufweist, gebildet sein, indem dieses im Lagerbereich direkt beschichtet
wird, wie dies bereits ausgeführt wurde.
Eine allfällige vorhandene Lagermetallschicht kann aus einer Kupferbasislegierung oder einer Aluminiumbasislegierung bestehen, wie sie für diese Zwecke aus dem Stand der Technik bekannt sind. Beispielsweise kann die Lagermetallschicht aus einer Legierung auf Kupferbasis nach DIN ISO 4383, wie z.B. CuSn10, CuAI10Fe5Ni5, CuZn31Si, CuPb24Sn2, CuSn8Bi10, CuSn4Zn, bestehen. Diese Aufzählung an möglichen Lagermetalllegierungen soll jedoch nicht einschränkend
verstanden werden.
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Eine gegebenenfalls vorhandene Bindeschicht oder Diffusionssperrschicht kann ebenfalls aus einem für diese Zwecke aus dem Stand der Technik bekannten Werkstoff bestehen.
Die Gleitschicht 4 umfasst als Hauptbestandteil eine metallische Zusammensetzung, insbesondere eine metallische Legierung, die aus zumindest drei Elementen A, B, und C, insbesondere metallische Elemente oder Legierungen davon, gebildet ist.
Mit „Hauptbestandteil“ ist gemeint, dass die metallische Zusammensetzung einen Anteil an zumindest 80 Gew.-%, insbesondere zumindest 90 Gew.-%, an der Gleitschicht 4 hat. Der Rest auf 100 Gew.-% kann durch andere Bestandteile, wie beispielsweise keramische Partikel, oder Partikel aus einem organischen Polymer, oder Fasern, etc., gebildet sein. Bevorzugt besteht die Gleitschicht 4 jedoch zu 100 Gew.-% aus der metallischen Zusammensetzung aus den zumindest drei Ele-
menten A, B und C.
Für die drei Elemente ist in einer axialen Richtung 7 des Mehrschichtgleitlagerelements 1, die in Fig. 2 senkrecht auf die Papierebene verlaufend und mit einem Kreuz dargestellt ist, ein Konzentrationsgradient ausgebildet. D.h., dass sich die Konzentration der drei Elemente über die axiale Breite des Mehrschichtgleitla-
gerelementes 1 ändert.
Es kann nach einer Ausführungsvariante des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 zusätzlich zu den Konzentrationsgradienten in der axialen Richtung 7 vorgesehen sein, dass für zumindest eines der Elemente A, B und C in einer radialen Richtung 8 des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 ein Konzentrationsgradient ausgebildet ist. Bevorzugt können für alle drei Elemente A, B, und C in der radialen Richtung 8
des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 Konzentrationsgradienten ausgebildet sein.
Die Konzentrationsänderungen der Elemente A, B und C in der axialen Richtung 7 und gegebenenfalls der radialen Richtung 8 können stetig verlaufend ausgebildet
sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass die Konzentrationsänderungen in
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der radialen Richtung teilweise sprunghaft ausgebildet sind, sodass die Gleitschicht 4 nicht mehr einschichtig erscheint, sondern dass innerhalb der Gleitschicht 4 Teilschichten bzw. Lagen unterscheidbar werden. In der Fig. 1 ist dazu eine Ausführungsvariante mit fünf Teilschichten 9, 10, 11, 12 und 13 dargestellt. Die Gleitschicht 4 kann aber auch nur vier Teilschichten 9, 10, 11 und 12 oder mehr als fünf Teilschichten 9, 10, 11, 12 und 13, beispielsweise sechs oder sieben oder acht oder neun oder zehn, etc., aufweisen. Die Teilschichten 9 — 13 sind in radialer Richtung übereinander angeordnet, insbesondere sind die Teilschicht 13 unmittelbar auf der Teilschicht 12, die Teilschicht 12 unmittelbar auf der Teilschicht 11, die Teilschicht 11 unmittelbar auf der Teilschicht 10 und die Teilschicht 10 unmittelbar auf der Teilschicht 9 angeordnet. Innerhalb der Teilschichten 9 — 13 kann die Konzentration zumindest eines der Elemente A, B und C der metallischen Zusammensetzung gleichbleibend oder sich (stetig) verändernd ausgebildet sein. Es kann also auch bei der Ausführung der Gleitschicht 4 mit den Einzelschichten 9 — 13 innerhalb zumindest einer der Einzelschichten 9 — 13, vorzugsweise in mehreren Teilschichten 9 - 13, insbesondere in allen Teilschichten 9 — 13, in der radialen Richtung 8 und/oder in der axialen Richtung 7 ein Konzentrationsgradient für die Elemente A, B und C oder mehrere der Elemente A, B und C aus-
gebildet sein.
Gemäß einer Ausführungsvariante des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 kann dabei vorgesehen sein, dass jede der Teilschichten 9 — 13 jedes der Elemente A, B und C bzw. generell jedes der Elemente der metallischen Zusammensetzung aufweist. Dabei kann nach einer Ausführungsvariante dazu vorgesehen sein, dass jede der Einzelschichten 9 — 13 eine unterschiedliche Konzentration an den zu-
mindest drei Elementen A, B und C aufweist.
Nach einer weiteren Ausführungsvariante des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 kann vorgesehen sein, dass die metallische Zusammensetzung noch ein Element D enthält, für das in axialer Richtung und/oder radialer Richtung ein Konzentrati-
onsgradient ausgebildet ist. Für dieses Element D oder auch für jedes weitere Ele-
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ment der metallischen Zusammensetzung der Gleitschicht 4 können die Ausführungen zu den Konzentrationsgradienten der Elemente A, B und C entsprechend
angewandt werden.
Die Konzentrationsgradienten für die Elemente A — D können bei einer mikroskopisch einschichtig erscheinenden Ausführungsvariante der Gleitschicht 4 folgende in Tabelle 1 wiedergegebenen Werte aufweisen. Die Konzentrationen sind in
Gew.-% angegeben.
Tabelle 1: Mögliche Anfangs- und Endkonzentrationen der Element A-D
Element Anfangskon- | Endkonzent- | Anfangskon- | Endkonzentzentration in ration in axia- | zentration in ration in axiaaxialer Rich- | ler Richtung 7 | radialer Rich- | ler Richtung 8 tung 7 (beid- | (beidseitiger tung 8 (Mitte) | (Mitte) seitiger Rand) | Rand)
A 70 14 70 20 B 30 6 30 8 C 0 70 0 63 D 0 10 0 9
Die Konzentrationsgradienten können in der radialen Richtung 8 und gegebenenfalls in der axialen Richtung 7 einen linearen, exponentiellen, logarithmischen,
etc., Verlauf aufweisen.
In der Ausführungsvariante der Gleitschicht 4 mit den Teilschichten 9 — 13 sind die Werte der Konzentrationsgradienten für die Elemente A — D in Tabelle 2 für die radiale Richtung 8 und in Tabelle 3 für die axiale Richtung 7 wiedergegeben, wobei
auch hier wiederum die Angaben in Gew.-% zu verstehen sind.
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Tabelle 2: Mögliche Anfangs- und Endkonzentrationen der Element A-D in den
Teilschichten in radialer Richtung 8
Element Teilschicht 9 | Teilschicht | Teilschicht | Teilschicht | Teilschicht
10 11 12 13 A 70-70 70-7 7—3,5 3,5-0 0-0 B 30 - 30 30-3 3-1,5 1,5-0 0-0 C 0-0 0-90 90 - 95 95 - 80 80 - 80 D 0-0 0-0 0-0 0-20 20 - 20
Tabelle 3: Mögliche Anfangs- und Endkonzentrationen der Element A-D in den
Teilschichten in axialer Richtung 7
Element Teilschicht 9 | Teilschicht | Teilschicht Teil- Teilschicht 10 11 schicht 13 12 A 70 — 70 70 —8 8-4 4—0 0-0 B 30 —- 30 30 —- 3,5 3,5—1,7 1,75 —-0 0-0 C 0-0 0-—88,5 88,5—-84,3 |84,3-75 | 75 — 75 D 0-0 0-0 0-0 0-25 25-25
Das Element A kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend oder bestehend aus Aluminium, Kupfer, Nickel, Palladium, Silber, Aluminium, Kupfer, Nickel, Palladium, Silber, Eisen, Titan und/oder Legierungen dieser Elemente und
weitere Legierungen, wie insbesondere austenitische Stähle, z.B. X6CrNiMoTi17-
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12-2, Monel, Bronzen, CuSn6, CuSn8, CuAI10Fe, CuAISFe3Mn2, CuAI10Fe5Ni5, CuBe2, CuNiBe.
Das Element A kann in der Gleitschicht 4 in einem Anteil enthalten sein, der ausgewählt ist aus einem Bereich von 10 Gew.-% bis 60 Gew.%. Dieser Gesamtanteil kann sich dabei z.B. bei eine dreilagigen Gleitschicht 4 wie folgt auf die Teilschichten 9 — 12 aufteilen.
- Teilschicht 9: 70 Gew.-%,
- Teilschicht 10, am Übergang zur Teilschicht 9: 70 Gew.-%,
- Teilschicht 11, am Übergang zur Teilschicht 10: 8 Gew.-%,
- an der Gleitoberfläche: 0 Gew.-%.
In nachstehender Tabelle 4 ist ein anderes Beispiel für die Aufteilung des Gesamtgehalts an A in der Gleitschicht 4 auf die Teilschichten 9 — 13 wiedergegeben. Die Anteile sind in Gew.-% angegeben. „B“ bedeutet dabei Beginn und „E“ Ende der jeweiligen Teilschicht 9 - 13, jeweils in radialer Richtung betrachtet. Die Teilschichten 9- 13 sind nur mit dem Bezugszeichen angegeben. Beispielsweise bedeutet „9 B“ Teilschicht 9 am Beginn der Teilschicht 9. Zusätzlich sind in Tabelle 4 auch Konzentration für die weiteren Elemente B — D, und zudem auch ein Bei-
spiel eines konkreten Elementes in Klammer angegeben.
Tabelle 4: Beispiel einer Zusammensetzung der Teilschichten 9 — 13 über die Gleitschicht 4 betrachtet.
Schicht |9B |9E |10B |10E [11B /11E |12B |12E |13B |13E
A(Ni) | 70 70 70 35 35 5 5 2 2 0,5
B (Cu) | 30 30 30 15 15 2 2 0,6 0,6 0,2
C (Ag) 50 |50 [93 [93 [97,4 [87,4 [74,4
D (Bi) 10 [25
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Das Element B kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 ein Metall sein, das mit dem Element A intermetallische Phasen oder Mischkristalle bildet oder für das Element A kornfeinend wirkt. Insbesondere kann das Element B ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend oder bestehend aus Cu, Si, Mg, Zn, Cr, Ni, Sn, Al, Fe, Ti, In, Ge, Te, W, C, Be, Sc, V, Mo, B, Pd, Au mit der Maßgabe, dass das Element B ungleich dem Element A
ist.
Das Element B kann in der Gleitschicht 4 in einem Anteil enthalten sein, der ausgewählt ist aus einem Bereich von 3 Gew.-% bis 40 Gew.%. Dabei kann der Anteil an dem Element B z.B. von 0 Gew.-% in einem ersten Bereich auf 30 Gew.-% in
einem zweiten Bereich ansteigen.
Das Element C kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend oder bestehend aus Cu, Al, Pd, Au, Ag, Pb, Bi, Sn, In, Sb, C, mit der Maßgabe, dass
das Element C ungleich dem Element A und dem Element B ist.
Das Element C kann in der Gleitschicht 4 in einem Anteil enthalten sein, der ausgewählt ist aus einem Bereich von 20 Gew.-% bis 60 Gew.%. Dabei kann der Anteil an dem Element C z.B. von 50 Gew.-% in einem ersten Bereich auf 100 Gew.-
% in einem zweiten Bereich ansteigen.
Das Element D kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend oder bestehend aus Ag, Pb, Bi, Sn, In, Sb, C, mit der Maßgabe, dass das Element C
ungleich dem Element A und dem Element B und dem Element C ist.
Das Element D kann in der Gleitschicht 4 in einem Anteil enthalten sein, der ausgewählt ist aus einem Bereich von 5 Gew.-% bis 30 Gew.%. Dabei kann der Anteil an dem Element D z.B. von 0 Gew.-% in einem ersten Bereich auf 40 Gew.-% in
einem zweiten Bereich ansteigen.
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Neben den Element A, B, C und gegebenenfalls D kann die metallische Zusammensetzung der Gleitschicht noch zumindest ein Element aus einer Gruppe umfassend oder bestehend aus C, O, N aufweisen. Der Summenanteil des zumindest einen weiteren Elements an der Zusammensetzung kann ausgewählt sein aus ei-
nem Bereich von 0,2 Gew.-% bis 1 Gew.%.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante des Mehrschichtgleitlagerelements 1 ist das Element A durch Kupfer, das Element B durch Zinn und das Ele-
ment C durch Blei gebildet.
Die Summe der Anteile der Bestandteile der Gleitschicht 4 ergänzen sich immer auf 100 Gew.-%.
Im Rahmen der Erfindung sind auch Gleitschichten 4 unmischbare Systeme mit Wechsel z. B. im Gradienten der Gleitschicht 4 von Element C Matrix und Element D Einlagerung auf Element D Matrix mit Element C Einlagerungen oder Element D als Letztschicht ohne Einlagerungen möglich. Aber auch eine Element C Matrix mit Element A oder Element B oder Einlagerungen aus intermetallischen Verbindungen aus Element A und Element B zur Feinkornbildung und Festigkeitsoptimierung und eine daran anschließend Schicht mit einem Gradienten zu ausschließlich
Element C oder eine Mischung aus den Elementen C und D ist möglich.
Wie in Fig. 1 strichliert dargestellt, kann auf der Gleitschicht 4 eine additivierte PoIymerschicht 14 aufgebracht sein. Mit Hilfe dieser Polymerschicht 14 kann der Ein-
lauf des Mehrschichtgleitlagerelementes 1 verbessert werden. Die Polymerschicht 14 kann z.B. aus einem Gleitlack gebildet werden.
Der Gleitlack kann in fester Form oder vorzugsweise in flüssiger Form vorliegen. Die Verfahren zum Auftragen des Gleitlacks auf eine Trägerfläche sind bekannt und müssen daher nicht weiter vertieft werden. Der Gleitlack kann beispielsweise
aufgestrichen, aufgesprüht, aufgetaucht, etc., werden. Der Gleitlack kann zumindest ein organisches Bindemittel, zumindest einen Fest-
schmierstoff, Hartpartikel, Metallpartikel, zumindest ein Lösungsmittel, Farbstoffe,
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etc., aufweisen. Dadurch erlangt die Polymerschicht 14 ihre Additivierung mit zu-
mindest einen Festschmierstoff, Hartpartikel, Metallpartikel, einem Farbstoff, etc.,
Das organische Bindemittel bzw. die polymere Basis ist bevorzugt ein Polyimid, ein Poylamidimid, ein Polyester, ein Phenolharz. Es können aber auch andere organische Bindemittel auf organischer Basis eingesetzt werden, wie beispielsweise Epoxide oder Polybenzimidazol (PBI). Ebenso sind Mischungen aus zumindest zwei der genannten Polymere sowie Modifikationen dieser Polymere als or-
ganisches Bindemittel einsetzbar.
Das organische Bindemittel liegt im Gleitlack in nicht ausgehärteter (und bevorzugt gelöster) Form als Monomer bzw. generell als Vorstufe(n) des Polymers vor. Beim
Aushärten bzw. durch das Aushärten wird das Polymer gebildet. Bevorzugt ist das Polymer ein Polyamidimid.
Der Anteil des polymeren Bindemittels an der aus dem Gleitlack herstellbaren PoIymerschicht 14 ist bevorzugt ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren
Grenze von 25 Gew.-% und einer oberen Grenze von 50 Gew.-%.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass durch die Härtung bzw. beim Härten des Gleitlackes, das Lösungsmittel entfernt wird. Die Zusammensetzung des Gleitlacks kann daher zur Zusammensetzung der Polymerschicht unterschiedlich sind, wenn der Gleitlack ein Lösungsmittel enthält. In diesem Fall ist der Lösungsmittel-
anteil am Gleitlack zu berücksichtigen.
Die Festschmierstoffpartikel können ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend oder bestehend aus Graphit, MoS2, WSz2, Sn, SnS und SnSz2, ZnS, ZnSz2, hexagonales BN, Sn-Legierungen, CF2, PbF2, PTFE, etc. Ebenso sind Mischungen aus zwei oder mehreren verschiedenen Festschmierstoffpartikeln einsetzbar. Prinzipiell sind diese Festschmierstoffe bereits aus dem Stand der Technik hinlänglich für
diesen Verwendungszweck bekannt.
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Der Gesamtanteil der Festschmierstoffpartikel an der aus dem Gleitlack herstellbaren Polymerschicht 14 kann ausgewählt sein aus einem Bereich mit einer unte-
ren Grenze von 25 Gew.-% und einer oberen Grenze von 60 Gew.-%.
Die Polymerschicht 14 bzw. der Gleitlack kann Hartpartikel aufweisen, um die Härte der Polymerschicht anpassen zu können. Diese Hartpartikel können ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend oder bestehend aus Metalloxidpartikel, wie CrOs, Fe3sO4, ZnO, CdO, AlzOs, SiO2, MnO, TIiO2, Mischoxidpartikel, wie Bismutvanadate (BiVO4), Chrom-Antimon-Rutile, Ton, Talk, Aluminiumsilikate, wie z.B. Mullit, Magnesiumsilikate, wie z.B. Amosit, Antophyllit, Chrysotil, Carbide, wie z.B. SiC, CaC2, Mo2C, WC, Metallpartikel, wie z.B. Al, Ag, Sn, Zn, Ag, Ba, Bronze, Cd, Co, Cu, In, Legierungspartikel von diesen Metallen, Metallnitride, wie Si3Na, AIN, FesP, Metallboride, wie z.B. Fe2B, Niz2B, FeB, BaSOs, chlorinierte Hydrogencarbonate, Fluoride, wie z.B. CaF2, Metalloxifluoride, Crocidolit, Tremolit, Silizide,
Thiophosphate, wie z.B. Zinkthiophosphat.
Es sind auch Mischungen unterschiedlicher Zusatzstoffe bzw. Hartstoffe, beispielsweise von zwei, drei, vier oder mehreren unterschiedlichen Zusatzstoffen
bzw. Hartstoffen verwendbar.
Der Anteil der Hartpartikel an der Polymerschicht 14 kann ausgewählt sein aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1 Gew.-% und einer oberen Grenze
von 20 Gew.-%.
Das gegebenenfalls im Gleitlack vorhandene Lösungsmittel kann ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend bzw. bestehend aus Xylol, Dimethylformamid, Methylethylketon, Gamma-Butyrolacton, Dimethylacetamid, N-Methyl-2-pyrrolidon, 1Butylpyrrolidin-2-on, etc. Es sind auch Mischungen aus zumindest zwei verschie-
denen Lösungsmitteln verwendbar.
Der Anteil des zumindest einen Lösungsmittels am Gleitlack kann ausgewählt sein aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 50 Gew.-% und einer oberen
Grenze von 80 Gew.-%.
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Die Gleitschicht 4 kann eine Schichtdicke von mindestens 40 um bis maximal 150 um aufweisen. Dabei kann jede der Teilschichten 9 — 13 eine Schichtdicke 16 von mindestens 4 um aufweisen. Vorzugsweise weist keine der Teilschichten 9 — 13
eine Schichtdicker von mehr als 50 um auf.
Die Gleitschicht 4 weist bevorzugt über die gesamte Flächenausdehnung eine gleichbleibende Schichtdicke 15 auf. Bei axialen Konzentrationsgradienten sind Schichtdickenunterschiede über die gesamte Flächenausdehnung im Bereich von
+ 15 % möglich.
Die Polymerschicht 14 kann eine Schichtdicke 17 von mindestens 4 um und
höchsten 30 um aufweisen.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Gleitlagerung 18 ausschnittsweise dargestellt. Die Gleitlagerung 18 umfasst zumindest ein erfindungsgemäßes Mehrschichtgleitlagerelement 1 in Form des Trägers 2 mit der direkt darauf angeordneten Gleitschicht 4, und einen darauf abgleitenden Gegenkörper 19, beispielsweise
eine Welle, einen Zapfen, eine Achse, eine Bohrung ein Zahnrad, ein Pleuel, etc.
In der dargestellten Ausführungsvariante der Gleitlagerung 18 weist auch der Gegenkörper an einer der Gleitschicht 4 zugewandten Oberfläche 20 eine Beschichtung 21 auf, die hinsichtlich Notlaufeigenschaften optimiert ist. Diese Optimierung kann in der Wechselwirkung mit dem verwendeten Öl und gegebenenfalls Öl-Additiven und/oder auch hinsichtlich thermischer und mechanischer Stabilität und/oder auch hinsichtlich Verschweißneigung (adhäsiver Verschleiß) und/oder Anpassung beim Einlauf oder bei Betriebszuständen, die zu Mischreibungs- oder Festkörperreibungskontakten führen. Reine DLC a-C:H Schichten können den Reibkoeffizient signifikant senken sind aber in der Wechselwirkung mit Öl Additiven, z.B MoDTC, empfindlich, wodurch in tribologischen Anwendungen mit hohem Mischreibanteilen hoher Verschleiß auftreten kann. Es wurden Systeme von CrC/a-C:H Schichtsysteme geprüft, die trotz deutlich verminderter Härte der Schicht eine deutliche VerschleiRverbesserung in tribologischen Tests, auf Grund der Reaktion
mit MoDTC (Molybdän-Dithio-Carbamate), ergeben hat. In Gleitlagersystemen mit
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hohen Umfangsgeschwindigkeiten und signifikanten Belastungen werden typischerweise auf der einen Seite verschleißfeste Materialien eingesetzt (Stahl, gehärteter Stahl, Hartchromschichten, chemisch Nickel-Phosphorbeschichtung, etc.), an der Gegenlauffläche Systeme aus einer Kombination aus Anpassungsfähigkeit, Dauerfestigkeit, Korrosionsstabilität und Notlaufeigenschaften. Wenn der minimale Schmierspalt in Druckölgeschmierten Systemen im Bereich von einigen um liegt, sind kleine Formabweichungen die Ursache von sehr hohen punktuellen Überlastungen. Daher werden in kritischen Anwendungen Laufschichten und Einlaufschichten vorgesehen, die beim Auftreten von Mischreibung immer in Kombination mit sehr hohen spezifischen örtlichen Belastungen verschleißen und dadurch die Formabweichung und oder die Verformung der Bauteile unter Belastung kompensiert. Vor dem Verbot von Blei in Kraftfahrzeugen waren das weiche hochbleihältige Laufschichten, nach dem Verbot größtenteils substituiert mit Gleitlacksystemen. Der Nachteil dieser Systeme besteht in der Tatsache, dass sich die Anpassungen auf Grund des Unterschiedes in der Härte (und dadurch auch Verschleißfestigkeit) fast nur auf der Gleitlagerseite manifestieren. Um in kritischen Systemen noch mehr Sicherheit zu bekommen sind Systeme bekannt die durch Hartpartikeln in der Gleitlackschicht „Poliereffekte“ an der Gegenseite bei Mischreibkontakten generieren. Um die Stabilität (hinsichtlich Herstellungstoleranzen, Verformungen, etc.) weiter zu verbessern, wären Systeme mit Anpassungen auf beiden Seiten mit guten tribologischen Eigenschaften sinnvoll. Hier besteht die Möglichkeit eine metallische Gradientenschicht auf der einen Seite und eine dünne (5 um bis 20 um) Gleitlackschicht auf der Gegenlauffläche der Gleitlageranwendung einzusetzen. Auch unmischbare hochtemperaturstabile Systeme senken den adhäsiven Verschleißanteil und die Kaltverschweißneigung im Micro und Makrobereich (Spontanversagen — Fressen). Anhand von tribologischen Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass speziell im Festkörperkontakt die Verschweiß-
neigung deutlich reduziert werden kann.
Durch die Verwendung der Gleitschicht 4, deren Zusammensetzung aus mehreren Elementen sich über die Gesamtschichtdicke und/oder im axialen Verlauf ändert oder durch die Ausbildung der Gleitschicht 4 mit den Teilschichten 9 - 13 kann
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diese besser an die an sie gestellten Anforderungen angepasst werden und sogar
noch weitere Aufgaben übernehmen.
Beispielsweise kann damit die Haftung zum Träger 2 verbessert werden, womit auf eine gesonderte Bindeschicht verzichtet werden kann. Weiters kann damit die
Dauerfestigkeit verbessert werden.
Die Gleitschicht 4 wird vorzugsweise mittels eines PVD-Verfahrens (Physical Vapor Deposition) auf dem Träger 2 abgeschieden. Insbesondere wird die Gleit-
schicht 4 mittels einem Sputterverfahren abgeschieden.
Dazu können jeweils Reinmetalle als Targets für die metallischen Elemente A, B, C, gegebenenfalls D und/oder weitere Elemente, aus denen die metallische Zusammensetzung zusammengesetzt wird, eingesetzt werden. Es ist aber auch
möglich, teilweise Vorlegierungen einzusetzen.
In einem ersten Schritt der Abscheidung kann der Träger 2 (gegebenenfalls nach einer mechanischen Reinigung) einem sogenannten Sputter-Cleaning unterzogen werden, um dessen Oberfläche für die Abscheidung der Gleitschicht 4 vorzubereiten. Ziel der Oberflächenreinigung ist gegebenenfalls vorhandene Reaktionsschichten, die bei der Herstellung oder/und mit der umgebenden Atmosphäre entstanden sind, in der Beschichtungsanlage unmittelbar vor der Beschichtung zu
entfernen.
Die Reinigung kann z.B. mit einer Liniarionenquelle erfolgen. Dabei kann an das Substrat eine Biasspannung zwischen -200 V und -1000 V angelegt werden. Das Sputter-Cleaning erfolgt vorzugsweise mit einer gepulsten Spannung mit einer Frequenz ausgewählt aus einem Bereich zwischen 50 kHz und 500 kHz. Diese Reinigung kann über eine Zeitspanne zwischen 5 Minuten und 120 Minuten erfol-
gen. Weitere Parameter des Sputter-Cleanings: Atmosphäre: Argon
Druck: 5x10+4 mbar bis 1x10-" mbar
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Temperatur: maximal 260 °C
Danach erfolgt die Abscheidung der Gleitschicht 4. Dabei können durch entsprechende Steuerung der Targets aus diesem mehr oder weniger Partikel herausgeschlagen werden, womit die Konzentrationsgradienten eingestellt werden können. Zur Abscheidung kann an den Träger 2 eine Spannung angelegt werden, die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0 V und einer oberen Grenze von 150 V. Die Abscheidung kann zumindest teilweise mit einer gepulsten Spannung mit einer Frequenz ausgewählt aus einem Bereich zwischen 50 kHz und 500 kHz, und/oder zumindest teilweise mit einer Gleichspannung erfolgen. Die Zeit der Abscheidung richtet sich nach der gewünschten Schichtdicke entspre-
chend voranstehenden Ausführungen. Weitere Parameter:
Atmosphäre: Argon
Druck: 5x10* mbar bis 1x10:2 mbar Temperatur: 20 °C bis 280 °C
Spannung an den Targets: 200 V bis 1000 V
Nach einer Ausführungsvariante des Verfahrens zur Abscheidung der Gleitschicht 4 auf dem Träger 2 kann dieses so gestaltet werden, dass ungewollte Diffusionsvorgänge während der Abscheidung durch permanentes oder sequentielles einfügen eines Materiales mit guter Mischbarkeit zum diffundieren Element verhindert oder zumindest reduziert werden kann. Wenn z.B. unmischbare Systeme (Systeme mit Elementen, die nicht mischbar sind) feinkristallin abgeschieden werden haben Materialien mit hohem Volumsdiffusionsfaktor (die typischerweise einen niedrigen Schmelzpunkt haben) die Tendenz sich ständig an den Korngrenzen zu bewegen. Wenn an den Grenzen zu den benachbarten Schichten Materialien mit guten Mischbarkeit oder Eutektika vorhanden sind kommt es dort mit der Zeit zu
einer Anhäufung dieser Materialien mit hohem Volumsdiffusionsfaktor. Ein Beispiel
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hierfür ist das Ag-Bi Systeme auf einer Schicht aus den Elementen Ag, Ni und Cu. Es kommt dabei zu eine Bismut Anreicherung im Interface. Wenn man nun NiCu feinkristallin in die Schicht einfügt, kann diese Diffusion verhindert oder reduziert werden. Weitere Beispiele für diese Ausführungsvariante sind: Ag Grundschicht mit BiSnCu Laufschicht, oder CuSn Grundschicht Ni Diffusionssperrschicht mit AISn20 Laufschicht die geringe Anteile von Cu enthält, das an den Korngrenzen
bei Abkühlung ausgeschieden wird und Sn Diffusion reduzieren kann.
Weiter kann nach einer anderen Ausführungsvariante vorgesehen werden, dass in oberflächennahen Bereichen (insbesondere bis zu einer Tiefe, wo niedrigschmelzende Materialien vorhanden sind, typischerweise zwischen 5um und 50 um ab der Oberfläche der Gleitschicht 4) bei hohem Energieeintrag (z.B. im Notlauf oder durch Anpassungsverschleiß, etc.) durch Phasenumwandlungen Energie dissipiert wird (und gegebenenfalls Materialeigenschaften gezielt verändert werden). Ein Beispiel ist das Aufschmelzen eines PbSn Eutektikums im Mischreibungskontakt. Durch Diffusion gelangt Sn in die darunterliegende Cu-Matrix, womit es zu einer höheren Festigkeit kommt. Gleichzeitig wird das weiche hochplastische Blei durch die hohe Belastung und Mischreibung abrasiv abgetragen und dadurch die Belastung auf eine größere Fläche verteilt wo im Idealfall wieder hydrodynamische Bedingungen entstehen. Weitere Beispiele für diese Ausführungsvariante sind CuPb, AISn2O0, BiSn.
Im Zuge der Evaluierung der Gleitschicht 4 wurden folgende Mehrschichtgleitla-
gerelemente 1 hergestellt.
Als Träger 2 wurde für alle Beispiele ein Stahl verwendet. Die Abscheidung der Gleitschicht 4 erfolgte mittels einem Sputterverfahren unter Anwendung der voran-
stehenden Parameter. Beispiel 1:
Für die Gleitschicht 4 wurde als Element A Kupfer, als Element B Zinn und als Element C Blei eingesetzt. Dabei wurde das Element A mit einer Konzentration zwi-
schen 92 Gew.-% — 95 Gew.-% abgeschieden. Das Element B wurde mit einer
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Konzentration von 5 Gew.-% — 8 Gew.-% am Interface zum Träger 2 beginnend, und danach mit abnehmender Konzentration in Richtung Gleitfläche abgeschieden. Das Element C wurde erst nach einer Schichtdicke von ca. 4 um — 10 um mit min. 8 Gew.-% beginnend und in Richtung Gleitfläche steigend auf 90 Gew.-% — 100 Gew.-% abgeschieden. Es wurde damit eine Gleitschicht 4 erzeugt, die in der angegebenen Reihenfolge vom Substrat aus beginnend folgendes umfasst: eine Adhäsionslage (Teilschicht 9, Schichtdicke 8 + 1,5 um), eine unmittelbar daran anschließende Übergangslage (Teilschicht 10, Schichtdicke 4 + 1 um), eine unmittelbar daran anschließende Kernlage (Teilschicht 11, Schichtdicke 38 + 3 um), eine unmittelbar daran anschließende weitere Übergangslage (Teilschicht 12, Schichtdicke 10 + 2 um), eine unmittelbar daran anschließende Decklage (Teilschicht 13, Schichtdicke 5 + 2 um).
Die Gleitschicht 4 wies folgende, in Tabelle 5 wiedergegebene Zusammensetzung auf. Die Angabe Rest bezieht sich dabei auf den restlichen Mengenanteil auf 100
Gew.-%.
Tabelle 5: Zusammensetzung der Gleitschicht 4 in Gew.-%
Cu Pb Sn Fe Ni P Sb Zn andere Teil- 8-10 Rest |<0,5 1<0,7 |<0,5 | <0,1 <0,5 <0,5 |<0,5 schicht 13 Teil- Rest | von <0,5 |1<0,7 1<05 | <0,1 <0,5 <0,5 |<0,5 schicht 21-25 12 bis 23-38 Teil- Rest |21-25 | 3-4 <0,7 |<0,5 | <0,1 <0,5 <0,5 |<0,5 schicht 11
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Teil- Rest | von von <0,7 |1<0,5 | <0,1 <0,5 |1<0,55 |1<0,5 schicht 0-0,5 | 5,5-7 10 bis bis
21-25 | 3-4 Teil- Rest |<0,5 |5,55- 1<0,7 |<05 |<0,1 <0,5 1<0,5 |<0,5 schicht 7 9
Mit dieser Gleitschicht 4 konnte im Vergleich zu einem herkömmlichen Aufbau eines Mehrschichtgleitlagers 1 eine Verbesserung sowohl in Hinblick auf die Haftfestigkeit am Substrat als auch in Hinblick auf tribologische Eigenschaften erreicht
werden.
Beispiel 2:
Es wurde eine Gleitschicht mit einer Gesamtschichtdicke von 60 um hergestellt. Dabei wurden die folgenden Konzentrationsverläufe für die Elemente A, Bund C
ausgebildet. Die %-Angaben sind als Gew.-% zu verstehen.
Element 0-8 um 8—-12um |12-42um | 42-52 um | 52 — 60 um
A 94 % 94-73% |73% 60 % 5% B 6% 6-4% 4% 4-0 % 5% C 0% 0-23 % 23% 23-40% |95%
Dabei ist das Element A ein Matrixmaterial für die Ausbildung der Dauerfestigkeit der Gleitschicht, wie beispielsweise Cu, das Element B ein aufhärtendes, interme-
tallische Phasen mit A bildendes Element, um damit die Dauerfestigkeit und den
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Übergang zum Trägermaterial zu verbessern, wie beispielsweise Sn, und das Element C ein im Vergleich zu A weicheres Material zur Ausbildung der Gleiteigen-
schaften und der Einbettfähigkeit für Schmutzpartikel, wie beispielsweise Pb.
Beispiele 3 bis 10 für Gleitschichten 4 mit Teilschichten 9 — 13 sind: Beispiel 3
Teilschicht 9 CuAI9Ni3Fe2 — Teilschicht 10 CuAI9Ni3Fe2 80% mit Blei 20% — Teilschicht 11 CuAI9Ni3Fe2 65% mit Blei 35%, Teilschicht 12 Pb 85 % CuAI9Ni3Fe2 15% , Teischicht 13 Pb 88% CuAIl9Ni3Fe2 2%, Gesamtdicke der Gleitschicht 4 40 um bis 70 um.
Beispiel 4
Teilschicht 9 CuNi — Teilschicht 10 AgCuNIi — Teilschicht 11 AgCuNIiBi — Teilschicht 12 BiAg, Gesamtdicke der Gleitschicht 4 30 um bis 100 um.
Beispiel 5
Teilschicht 9 CuCr — Teilschicht 10 AgCuCr — Teilschicht 11 Ag - Polymerschicht 14 PAI mit MoS2 und Graphit, Gesamtdicke der Gleitschicht 4 30 um bis 80 um.
Beispiel 6
Teilschicht 9 FeCrNi — Teilschicht 10 FeCrNiAg — Teilschicht 11 AgFeCrNiAg — Teilschicht 12 Ag — Teilschicht 13 AgBi — weitere Teilschicht BiAg, Gesamtdicke der Gleitschicht 4 40 um bis 1000 um.
Beispiel 7
Teilschicht 9 NiCu30Fe 100% — Teilschicht 10 von NiCu30Fe 95% Ag 5% auf NIiCu30Fe 20% Ag 80% — Teilschicht 11 Ag 80% NiCu30Fe 5% Bi 15% — Teilschicht 12 Ag 71% NIiCu30Fe 4% Bi 25%, Teilschicht 13 Bi 100 %, Gesamtdicke der Gleitschicht 4 - 30 um bis 100 um.
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Beispiel 8
Teilschicht 9 CuCr — Teilschicht 10 CuCr 90% Ag 10% bis Ag 90% CuCr 10% — Teilschicht 11 Ag 90% CuCr10% Ag 97% CuCr 3% - Teilschicht 12 Ag 100% , Teilschicht 13 Polymerschicht 14 PAI mit MoS2 und Graphit, Gesamtdicke der Gleitschicht 4 - 30 um bis 80 um.
Beispiel 9
Teilschicht 9 1.4301 (X5CrNi18-10) 100% — Teilschicht 10 1.4301 100% Anfang Ag 90% 1.4301 10% Ende — Teilschicht 11 Ag 97% 1.4301 3% — Teilschicht 12 Ag 97% 1.4301 3% Anfang Ag 75% 1.301 2% Bi 23% Ende — Teilschicht 13 Bi 90% Ag 9 % 1.4301 0,5%, Gesamtdicke der Gleitschicht 4 40 um bis 100 um.
Beispiel 10
Teilschicht 9 1.4301 (X5CrNi18-10) 100% — Teilschicht 10 1.4301 100% Anfang Al 95% 1.4301 5% Ende -— Teilschicht 11 AICu1 95% Sn 5% Anfang, AICu1 80% 20% Sn -— Teilschicht 12 AICu1 80% Sn 20% Anfang, AICu1 68% Sn 32% Ende — Teilschicht 13 AICu1 68% Sn 32% Anfang Sn 97% Cu3% Ende, Gesamtdicke der Gleitschicht 4 40 um bis 100 um.
Die Ausführungsbeispiele zeigen bzw. beschreiben mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass auch Kombinationen der einzelnen
Ausführungsvarianten untereinander möglich sind.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus in den Figuren Elemente nicht notwendiger maßstäblich
dargestellt wurden.
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Bezugszeichenliste
Mehrschichtleitlagerelement Träger Oberfläche Gleitschicht Stützschicht Lagermetallschicht Richtung Richtung Teilschicht Teilschicht Teilschicht Teilschicht Teilschicht Polymerschicht Schichtdicke Schichtdicke Schichtdicke Gleitlagerung Gegenkörper Oberfläche Beschichtung
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Claims (20)
1. Mehrschichtgleitlagerelement (1) umfassend eine Gleitschicht (4), die als Hauptbestandteil eine metallische Zusammensetzung umfasst, die aus zumindest drei Elementen A, B und C gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes der Elemente A, B und C in axialer Richtung (7) und gegebenenfalls in radialer Richtung (8) des Mehrschichtgleitlagerelements (1) ein Konzentrationsgradient
ausgebildet ist.
2. Mehrschichtgleitlagerelement (1) umfassend eine Gleitschicht (4), die als Hauptbestandteil eine metallische Zusammensetzung umfasst, die aus zumindest drei Elementen A, B und C gebildet ist, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht (4) aus zumindest vier, insbesondere zumindest fünf, Einzelschichten (9 - 13) aufgebaut ist, die in radialer Richtung (7) übereinander angeordnet sind, und für jedes der Elemente A, B und C innerhalb der Gleitschicht (4), und gegebenenfalls innerhalb der Teilschichten (9 — 13)
ein Konzentrationsgradient ausgebildet ist.
3. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest drei Elemente A, B und C in jeder der Einzelschichten (9 - 13) enthalten sind.
4. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Einzelschichten (9 - 13) eine unterschiedliche Konzentra-
tion an den zumindest drei Elementen A, B und C aufweist.
5. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht (14) eine Schichtdicke (15) von
mindestens 40 um bis maximal 150 um aufweist.
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6. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Einzelschichten (9 - 13) eine Mindest-
schichtdicke (16) von 4 um aufweist.
7. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Element A ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Aluminium, Kupfer, Nickel, Palladium, Silber, Eisen, Titan und/oder Legierungen dieser Elemente und weitere Legierungen, wie insbesondere austenitische Stähle, z.B. X6CrNiMoTi17-12-2, Monel, Bronzen.
8. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Element B ein Metall ist, das mit dem Element A intermetallische Phasen oder Mischkristalle bildet oder für das Element A korn-
feinend wirkt.
9. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Element B ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Cu, Si, Mg, Zn, Cr, Ni, Sn, Al, Fe, Ti, In, Ge, Te, W, C, Be, Sc, V, Mo, B, Pd, Au, mit der Maßgabe, dass das Element B ungleich dem Element A ist.
10. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Element C ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Cu, Al, Pd, Au, Ag, Pb, Bi, Sn, In, Sb, C, mit der Maßgabe, dass das
Element C ungleich dem Element A und dem Element B ist.
11. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Zusammensetzung noch ein Element D enthält, für das in axialer Richtung (7) und/oder radialer Richtung (8) ein Konzentrationsgradient ausgebildet ist, wobei das Element D ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Ag, Pb, Bi, Sn, In, Sb, C, mit der MaRgabe, dass das
Element C ungleich dem Element A und dem Element B und dem Element C ist.
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12. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Element A in einem Anteil enthalten ist, der
ausgewählt ist aus einem Bereich von 10 Gew.-% bis 60 Gew. %.
13. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Element B in einem Anteil enthalten ist, der
ausgewählt ist aus einem Bereich von 3 Gew.-% bis 40 Gew. %.
14. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Element C in einem Anteil enthalten ist, der
ausgewählt ist aus einem Bereich von 20 Gew.-% bis 60 Gew. %.
15. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Element D in einem Anteil enthalten ist, der
ausgewählt ist aus einem Bereich von 5 Gew.-% bis 30 Gew. %.
16. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Element A durch Kupfer, Element B durch Zinn
und Element C durch Blei gebildet ist.
17. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Gleitschicht (4) eine additivierte Polymerschicht (14) aufgebracht ist.
18. Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass Polymerschicht (14) eine Schichtdicke (17) von mindestens 4 um
und höchsten 30 um aufweist.
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19. Gleitlagerung (18) umfassend zumindest ein Mehrschichtgleitlagerelement (1) und einen darauf abgleitenden Gegenkörper (18), dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrschichtgleitlagerelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18 gebildet ist.
20. Gleitlagerung (18) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenkörper (19) eine Beschichtung (21) aufweist, die hinsichtlich Notlaufei-
genschaften optimiert ist.
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| ATA50052/2021A AT524722A1 (de) | 2021-01-28 | 2021-01-28 | Mehrschichtgleitlagerelement |
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