DE102008037871A1

DE102008037871A1 - Gleitelement mit Mehrfachschicht

Info

Publication number: DE102008037871A1
Application number: DE200810037871
Authority: DE
Inventors: Dieter Hofmann
Original assignee: AMG COATING TECHNOLOGIES GmbH
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 2008-08-15
Filing date: 2008-08-15
Publication date: 2010-02-25
Also published as: US20110142384A1; JP2012500365A; CN102124238A; EP2324260A1; WO2010017984A1; KR20110042117A

Abstract

Gleitelement aus einem Trägerkörper 10 und einer Mehrfachschicht 30, umfassend eine Laufschicht 39 u35 eine Härte HUplast von größer 5 GPa aufweist und die Härte der Laufschicht 39 kleiner als 400 HV ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitelement mit Mehrfachschicht, das sich für mechanische Lager, insbesondere für hochbelastete Gleitlager, wie sie im Maschinen- und Automobilbau eingesetzt werden, eignet.
Mechanische Lager bestehen aus relative zueinander bewegten Gleitpartnern, die auch als Gleitelement und Gegenstück bezeichnet werden. Das Gleitelement dient in der Regel als Führung für das Gegenstück. Beispielsweise ist bei einem Gleitlager das Gegenstück als zylindrische Welle und das Gleitelement als hierzu passende Buchse bzw. Lagerschale ausgebildet. Die Innenseite der Lagerschale die mit der Außenfläche der Welle in Kontakt steht, fungiert als Lauffläche für die Welle. Die Gestalt der Lagerschale weicht gewöhnlich geringfügig von der zylindrischen Form der Welle ab, so daß zwischen der Welle und der Lagerschale ein Spalt mit einer Weite in der Größenordnung von Mikrometern verbleibt. In diesem Spalt befindet sich ein Schmiermittel, wie beispielsweise Öl.
Bei mechanischen Lagern im Allgemeinen und insbesondere bei Gleitlagern für Verbrennungsmotoren kommt dem sogenannten Einlaufvorgang eine wichtige Bedeutung zu. In den ersten Laufstunden tritt an den einzelnen Gleitstellen eine Anpassung der Gleitpartner und damit verbunden eine Glättung der Oberflächenunebenheiten auf. Dieser Vorgang ist verbunden mit einem gewissen Verschleiß. Bei modernen Pkw-Motoren ist der Einlaufvorgang nach ca. 20 bis 30 Betriebsstunden abgeschlossen, in Einzelfällen aber auch erst nach mehr als 100 Betriebsstunden.
Das Reibungsverhalten eines Lagers wird durch die Stribeck-Kurve beschrieben, die die Reibungszahl μ als Funktion der Gleitgeschwindigkeit v oder Drehzahl n (bei Gleitlagern) wiedergibt. In der Stribeck-Kurve werden drei Bereiche unterschieden:

– Festkörper- oder Haftreibung bei niedriger Gleitgeschwindigkeit bzw. Drehzahl,
– Mischreibung bei mittlerer Gleitgeschwindigkeit bzw. Drehzahl, und
– Flüssigkeitsreibung bei hoher Gleitgeschwindigkeit bzw. Drehzahl.

Im Bereich der Festkörperreibung steigt die Reibungszahl und damit verbunden der Verschleiß mit abnehmender Gleitgeschwindigkeit stark an. Im Bereich der Flüssigkeitsreibung nimmt die Reibungszahl mit wachsender Gleitgeschwindigkeit zu. Am Übergang von Festkörper- zu Flüssigkeitsreibung, im Bereich der sogenannten Mischreibung durchläuft die Reibungszahl ein Minimum; dieser Punkt der Stribeck-Kurve wird auch als Ausklinkpunkt bezeichnet.
Beim Betrieb eines Motors werden alle drei Bereiche des Reibungsverhaltens durchlaufen. Daher ist es erforderlich, die Lauffläche von Gleitlagern mit einer verschleißbeständigen und ermüdungsfesten Beschichtung auszustatten. Dies gilt in besonderem Maße für die Lager von Kurbelwellen in hochverdichtenden Diesel- und Benzinmotoren. Hierfür hat sich insbesondere eine mittels PVD bzw. Sputtern erzeugte Schicht aus einer Mischung der Metalle Aluminium (Al), Zinn (Sn) und ggf. Kupfer (Cu) mit einer Dicke im Bereich von 5 bis 30 μm bewährt (siehe z. B. DE 36 29 451 C2 ). Durch spezielle Sputterverfahren und simultan oder nachfolgend ausgeführte Temperprozesse wird in der Aluminium-Zinn-Schicht eine besondere metallurgische Gefügestruktur mit einer Mikrohärte im Bereich von etwa 80 bis 200 HV und guter Gleitfähigkeit erzeugt. Die gute Gleifähigkeit von Aluminium-Zinn-Schichten beruht auf der schwammartigen Gefügestruktur des Al, die den Austritt von Sn begünstigt, welches auf der Lauffläche als ”metallischer Schmiermittelfilm” fungiert. Die Aluminium-Zinn-Schicht weist zusätzlich zu ihrer Schmierwirkung eine gute Aufnahmefähigkeit für mikroskopisch kleine Abriebpartikel auf, die in mechanischen Lagern vor allem während der Einlaufphase und in geringerem Umfang während des fortgesetzten Betriebes erzeugt werden (sogenannter Urschmutz und Ölrückstände). Abriebpartikel, deren Härte einen gewissen Wert übersteigt, werden in die Aluminium-Zinn-Schicht gedrückt bzw. eingebettet. Die Aluminium-Zinn-Schicht erfüllt somit gegenläufige Anforderungen:

– Härte im Bereich von 80 bis 200 HV (Härte Vickers) und damit verbunden Standfestigkeit
– gute Gleitfähigkeit (Sn-Schmierung)
– Aufnahmefähigkeit (Einbettung) für harte Abriebpartikel Aufgrund der vorteilhaften Kombination dieser Eigenschaften werden Aluminium-Zinn-Legierungen zunehmend in Laufschichten für mechanische Lager eingesetzt.

WO 2007/079834 beschreibt ein Gleitelement mit einer ersten bzw. inneren Verschleißschicht und einer äußeren Einlaufschicht aus Kohlenstoff, die Wasserstoff und nanokristalline Karbidphasen enthält. Die Einlaufschicht besteht aus metallhaltigem, amorphem, hartem Kohlenstoff des Typs Me-C:H, wobei als Metall Wolfram bevorzugt ist. Insbesondere handelt es sich bei der Einlaufschicht um eine mittels PVD erzeugte Schicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC). Die Dicke der Einlaufschicht beträgt 1 bis 5 μm. Die Verschleißschicht ist als Nitrierschicht, als galvanische Schicht, als thermische Spritzschicht und/oder mittels Dünnschichttechnologie abgeschiedene Hartstoffschicht ausgebildet.
US 6,095,690 offenbart ein Gleitlager, umfassend einen metallischen Grundkörper und eine, auf den Grundkörper aufgbrachte metallische Grundschicht, die eine Vielzahl von Vertiefungen zur Aufnahme von Öl aufweist. Die Vertiefungen bzw. Öltaschen haben eine Tiefe von 0,03 bis 3 mm und ihre Weite beträgt das 10- bis 40-fache der Tiefe. Die Grundschicht wird bevorzugt galvanisch oder mittels Sputtern erzeugt und besteht aus Legierungen, wie AlNi2MnCu, AlZn5SiCuPbMg, AlSn6, CuPb22Sn, CuPb17Sn5, CuPb10Sn10, CuPb22S3, PbSn10Cu2, PbSn10Cu5 oder PbSn14Cu8, vorzugsweise aus AlSn20.
US 5,238,311 offenbart ein Gleitlager für Verbrennungsmotoren mit erhöhter Widerstandsfähigkeit gegenüber Abrieb. Die Lagerschale des Gleitlagers ist mit zylindrisch bzw. kreis- oder spiralförmig umlaufenden Nuten mit einer Weite von kleiner 0,6 mm und einer Tiefe von kleiner 15 μm ausgestattet. Außerdem ist die Lagerschale mit einer ersten und zweiten, jeweils galvanisch abgeschiedenen Schicht aus einer Aluminium-Blei-Legierung bzw. Nickel versehen. Die Druckbeständigkeit bzw. Mikrohärte der oberen Nickelschicht beträgt bis zu 60 MPa. Die beiden galvanischen Schichten werden auf einer mit Nuten versehenen Grundschicht abgeschieden, welche auf einen Lagerkörper aus Stahl aufgebracht worden ist. Die Grundschicht besteht aus Kelmet (Blei-Kupfer-Legierung) oder einer Aluminium-Legierung wie AlSnCu.
US 5,620,262 beschreibt ein Gleitlager, umfassend einen Lagerkörper mit Grundschicht und eine erste und zweite auf der Grundschicht abgeschiedene Beschichtung. Die Grundschicht ist mit zylindrisch bzw. kreisförmig umlaufenden Nuten versehen. Die erste und zweite Beschichtung weisen eine Dicke im Bereich von kleiner 2 μm bzw. von 1 bis 8 μm auf. Die Höhe der Stege zwischen benachbarten Nuten beträgt 70 bis 200% der Dicke der zweiten Beschichtung, d. h. 0,7 bis 16 μm. Als Materialien werden verwendet: für die Grundschicht eine Aluminium- oder Kupferlegierung, wie Cu-23/Pb-3/Sn oder Cu-1/Ag; für die erste Beschichtung galvanisch abgeschiedene Metalle, wie Ni, Cu, Cr oder Fe; und für die zweite Beschichtung eine Blei enthaltende Legierung, wie Pb-10/Sn-2/Cu, reines Zinn oder eine Zinn-Legierung.
US 6,059,460 lehrt ein Gleitelement für Gleitlager. Die Lauffläche des Gleitelements weist ein System aus zylindrisch bzw. kreisförmig umlaufenden Nuten und Stegen mit einer Tiefe und Weite bzw. Höhe und Breite im Bereich von wenigen Mikrometern auf. Die Nuten dienen zur Aufnahme eines Schmiermittels, wie Öl, während die Stege die Berührungsfläche zwischen dem Gleitelement und dem Gegenstück (Welle) minimieren. Das Querschnittsprofil der Nuten und Stege kann dreieckig, rechteckig, trapez- oder wellenartig ausgestaltet sein.
US 6,739,238 lehrt Lager für Verbrennungsmaschinen mit relativ zueinander beweglichen Gleitelementen und einem zwischen den Gleitelementen befindlichen Schmierölfilm, in welchem laminare Strömungsverhältnisse vorliegen. Die sich gegenüberliegenden Oberflächen der Gleitelemente weisen unregelmäßige mikroskopische Erhöhungen und eine Vielzahl von Grübchen (Dimples) auf, wobei die mittlere maximale Tiefe der Dimples größer ist als die maximale Höhe der Erhöhungen, und der mittlere maximale Durchmesser der Dimples des einen Gleitelements kleiner ist als der mittlere minimale Abstand der Dimples des gegenüberliegenden Gleitelements. In einer anderen Ausgestaltung weisen die Oberflächen der Gleitelemente Nuten auf, deren Abmessungen in bestimmten Relationen zueinander und zu dem Spalt zwischen gegenüberliegenden Gleitelementen stehen.
Die im Stand der Technik bekannten Lager weisen einen oder mehrere der folgenden Nachteile auf:

– bei Versagen der Laufschicht werden tieferliegenden Materialien freigelegt, die im Hinblick auf die Reibung mit dem Gegenstück des Lagers eine kritische Materialpaarung ergeben mit erhöhtem Verschleiß oder ungünstigem Fressverhalten und hiermit verbunden hoher Ausfallquote;
– bei Versagen der Laufschicht werden tieferliegende Materialien freigelegt, deren Abrieb umweltschädlich ist, beispielsweise bleihaltige Materialien, die u. a. über das Schmiermittel in die Umgebung gelangen; und
– bei hoch belasteten Lagern ist es nicht möglich, Laufschichten mit strukturierten Oberflächen, beispielweise Dimples, einzusetzen, weil die Härte der Laufschicht nicht ausreicht, hohen spezifischen bzw. punktuellen Flächenbelastungen standzuhalten.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und Gleitelemente für Lager mit erhöhter Verschleißbeständigkeit und Ermüdungsfestigkeit bereitzustellen. Im Rahmen dieser Aufgabe sollen auch ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Gleitelemente sowie Lager mit erhöhter Verschleißbeständigkeit und Ermüdungsfestigkeit, die diese Gleitelemente enthalten, zur Verfügung gestellt werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Gleitelement aus einem Trägerkörper mit Mehrfachschicht, umfassend eine außen liegende Laufschicht und eine innen liegende Schutzschicht mit einer Härte HU_plast von größer 5 GPa, vorzugsweise größer 10 GPa, insbesondere größer 20 GPa, und besonders bevorzugt größer 40 GPa.
Die plastische Härte HU_plast wird vorzugsweise gemäß DIN EN ISO 14577 gemessen, z. B. unter Verwendung eines Diamant-Prüfkopfs mit 200 μm Radius.
Als Werkstoff für die Schutzschicht eignen sich Materialien die diamantähnlichen Kohlenstoff (DLC) enthalten, beispielsweise DLC, Me-DLC, W-DLC, Ti-DLC, Cr-DLC.
Auch keramische Materialien, wie Siliziumnitrid, können für die Schutzschicht verwendet werden. Die Schutzschicht wird bevorzugt mittels PVD und/oder PCVD abgeschieden.
Die Laufschicht weist eine im Vergleich zur Schutzschicht geringe Härte von lediglich 10 bis 400 HV auf, zeichnet sich jedoch durch gute Gleitfähigkeit aus. Die Härte HV der Laufschicht wird beispielsweise gemäß DIN EN ISO 6507 gemessen. 400 HV entsprechen in etwa 0,4 GPa. Die Härte der Laufschicht ist ausreichend, um der unter normalen Betriebsbedingungen auftretenden Belastung gut zu widerstehen. Im Falle einer selten auftretenden Spitzenlast kann die Laufschicht lokal beschädigt werden, wobei die darunterliegende harte Schutzschicht freigelegt wird und mit dem Gegenstück des Lagers in Kontakt tritt. Eventuell vorhandene Abriebpartikel können aufgrund der großen Härte der Schutzschicht in diese nicht eindringen und werden in der verbliebenen Laufschicht eingebettet.
Bevorzugt hat die Laufschicht eine Härte von 60 bis 200 HV, und insbesondere von 80 bis 140 HV. Die Schutzschicht enthält insbesondere diamantähnlichen Kohlenstoff (DLC), vorzugsweise DLC mit einer Härte von größer 30 GPa. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung enthält die Schutzschicht ein Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend DLC, Me-DLC, W-DLC, Ti-DLC, Cr-DLC und Siliziumnitrid oder Mischungen davon. Die Schutzschicht wird bevorzugt mittels PVD und/oder PCVD hergestellt und hat eine Dicke von 0,2 bis 10 μm, vorzugsweise 0,5 bis 8 μm, und insbesondere 1 bis 5 μm. In Weiterbildung der Erfindung umfasst das Gleitelement eine oder mehrere strukturierte innere Oberflächen mit einer Vielzahl von Vertiefungen und/oder Erhöhungen. Dabei beträgt die senkrecht zur jeweiligen Oberfläche gemessene maximale Höhendifferenz (peak-to-valley Wert z. B. gemäß DIN 4768 Teil 1) weniger als 200 μm, vorzugsweise 100 μm, und insbesondere 20 μm. Vor dem Auftrag der Schutzschicht und ggf. weiterer Schichten können die Strukturparameter der inneren Oberflächen mittels bekannter Meßverfahren, z. B. gemäß DIN 4768 Teil 1, DIN EN ISO 4287, DIN EN 10049 oder DIN EN ISO 13565 bestimmt werden. Als Meßinstrumente werden hierbei bevorzugt Profilometer oder Atomic Force Mikroskope, wie beispielsweise Taylor Hobson Talysurf 6 oder Digital Instruments Dimension 3100 verwendet. Alternativ hierzu können Schnitte von Gleitelementen mit vollständiger Mehrfachschicht mittels licht- oder elektronenoptischer Mikroskopie analysiert und vermessen werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die inneren Oberflächen eine Vielzahl von Vertiefungen mit einer maximalen lateralen Abmessung von 0,5 bis 1500 μm, vorzugsweise 5 bis 100 μm, und insbesondere 10 bis 20 μm; und einer maximalen Tiefe von 0,5 bis 200 μm, vorzugsweise 1 bis 200 μm, und insbesondere 1 bis 20 μm; auf. In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung weisen die inneren Oberflächen eine Vielzahl von Nuten mit einer maximalen Breite von 0,5 bis 2000 μm, vorzugsweise 5 bis 200 μm, und insbesondere 10 bis 20 μm; und einer maximalen Tiefe von 0,5 bis 200 μm, vorzugsweise 1 bis 100 μm, und insbesondere 1 bis 20 μm; auf. Insbesondere kann die Oberfläche des Trägerkörpers strukturiert und mit einer Vielzahl von Vertiefungen und/oder Erhöhungen ausgestattet sein. Um die Haftfestigkeit zu erhöhen, ist zwischen der Schutzschicht und dem Trägerkörper eine Haftschicht angeordnet, die bevorzugt Ti, TiN_x, Cr, CrN_y, Ni, NiCr oder eine Cr/NiCr-Legierung enthält und eine Dicke von 0,2 bis 5 μm, vorzugsweise 0,5 bis 3 μm aufweist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeichnen sich dadurch aus, daß:

– die Mehrfachschicht eine zwischen der Schutzschicht und dem Trägerkörper angeordnete Grundschicht umfasst, wobei die Grundschicht bevorzugt aus Bronze, Messing oder einer Aluminium-Legierung besteht und eine Dicke von 100 bis 2000 μm, vorzugsweise 100 bis 800 μm, und insbesondere 200 bis 500 μm aufweist;
– die Oberfläche der Grundschicht als strukturierte Oberfläche mit Vertiefungen und/oder Erhöhungen ausgestaltet ist;
– die Mehrfachschicht eine zwischen der Schutzschicht und der Grundschicht angeordnete Haftschicht umfasst, wobei die Haftschicht bevorzugt Ti, TiNx, Cr, CrNy, Ni, NiCr oder eine Cr/NiCr-Legierung enthält und eine Dicke von 0,2 bis 5 μm, vorzugsweise 0,5 bis 3 μm aufweist;
– der Trägerkörper aus Metall, vorzugsweise aus Stahl besteht;
– der Trägerkörper aus Siliziumnitrid besteht;
– die Mehrfachschicht eine zwischen der Schutzschicht und der Laufschicht angeordnete Zwischenschicht umfasst, wobei die Zwischenschicht bevorzugt Cr, Ni, NiCr oder eine Cr/NiCr-Legierung enthält und eine Dicke von 0,2 bis 5 μm, vorzugsweise 0,5 bis 3 μm aufweist;
– die Laufschicht ein Metall oder eine Legierung mehrerer Metalle und/oder Siliziumkarbid (SiC) enthält;
– die Laufschicht AlSn, AlSn20, AlSn20Cu oder AlSn25Cu enthält;
– die Laufschicht mittels Kathodenzerstäubung oder Aufdampfverfahren erzeugt worden ist;
– die Laufschicht PbSn18Cu2, PbSn10TiO2, CuPb30 oder CuPb40 enthält;
– die Laufschicht mittels elektrolytischer Verfahren erzeugt worden ist;
– die Laufschicht AgSn85CuNi enthält;
– die Laufschicht mit Gleitlack beschichtet ist; und
– die Laufschicht aus Gleitlack besteht.

Das erfindungsgemäße Gleitelement eignet sich für den Einsatz in Zylindern, Kolben und Kolbenringen von Verbrennungsmotoren und kann vorteilhaft als Bestandteil eines Gleitlager verwendet werden, beispielsweise als Gleitlager-Halbschale. Für die Verwendung in Linearführungen eignen sich plane oder zylindrische Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gleitelements.
In verschiedenen Arten mechanischer Lager können ein oder mehrere erfindungsgemäße Gleitelemente verwendet werden, beispielsweise in hydrodynamischen und hydrostatischen Lagern, in Luftlagern, in Wälzlager, insbesondere in Kugellagern sowie in Magnetlagern.
Ein Verfahren zur Herstellung von erfindungsgemäßen, voranstehend beschriebenen Gleitelemente umfasst die Schritte:

a) optionales Strukturieren einer Oberfläche eines ggf. mit einer Grundschicht Haftschicht ausgestatteten Trägerkörpers;
b) Aufbringen einer Schutzschicht mit einer Härte HU_plast von größer 5 GPa auf der Oberfläche des Trägerkörpers, wobei die Schutzschicht vorzugsweise mittels PVD und/oder PCVD abgeschieden wird;
c) optionales Aufbringen einer Zwischenschicht auf die Schutzschicht;
d) Aufbringen einer Laufschicht auf die Schutzschicht oder optional auf die Zwischenschicht; und
e) optionales Auftragen von Gleitlack auf die Laufschicht.

Mit der Erfindung wird der Vorteil erzielt, daß das Gleitelement auch dann noch sehr gute Laufeigenschaften besitzt, wenn die Laufschicht partiell zerstört ist und das Gegenstück des Lagers in Kontakt mit der freigelegten, vorzugsweise strukturierten Schutzschicht steht. Abriebpartikel werden dann in die Vertiefungen der Schutzschicht eingebettet, in denen sich Material der Laufschicht befindet. Das Material der Laufschicht weist eine geringere Härte als das Material der Schutzschicht auf. Die sehr harte Schutzschicht kann keine Abriebpartikel aufnehmen und bleibt unbeschädigt. Die Schutzschicht weist zudem gute Gleiteigenschaften auf. Da die Abriebpartikel in den Vertiefungen der Schutzschicht deponiert werden, ist der Verschleiß am Gegenstück des Lagers minimiert.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch:
1 eine perspektivische Schnittansicht einer Lagerschale für ein Gleitlager;
2 einen Querschnitt durch ein Gleitlager mit Lagerschale und Welle;
3a–f verschiedene Ausführungsformen der Gleitelemente mit Schutzschicht; und
4a–b perspektivische Ansichten erfindungsgemäßer Gleitelemente mit innerer strukturierter Oberfläche.
1 zeigt ein Gleitelement 1 mit einem Trägerkörper 10, auf dem eine Mehrfachschicht 30 aufgebracht ist. Der grundlegende Aufbau aus Trägerkörper 10 und Mehrfachschicht 30 ist im Stand der Technik bekannt. Der in 1 dargestellte Trägerkörper 10 hat eine halbzylindrische Form, wie sie für Gleitlager geeignet ist. Erfindungsgemäß kann der Trägerkörper 10 auch eine beliebige andere Form aufweisen. Für Linearführungen z. B. eignet sich ein Trägerkörper 10 mit planer Oberfläche. Für Kolbenringe ist ein ringförmig ausgestalteter Trägerkörper 10 vorgesehen.
In 2 ist ein Gleitlager mit einem zylindrischen Gleitelement 1, einem Gegenstück 50 und einem Schmierfilm 51 dargestellt. Das Gleitelement 1 umfasst den Trägerkörper 10 und die Mehrfachschicht 30. Zwischen dem Gleitelement 1 und dem Gegenstück 50 befindet sich ein Schmierfilm 51, der in der Regel aus Öl natürlichen oder synthetischen Ursprungs besteht. Die Relativbewegung zwischen dem Gleitelement 1 und dem Gegenstück 50 ist durch einen Pfeil A angedeutet. In dem Schmierfilm 51 sind ggf. Abriebpartikel 52 vorhanden. Sofern ein Abriebpartikel 52' eine ausreichend hohe Härte aufweist, kann es durch das Gegenstück 50 in die Mehrfachschicht 30 eingedrückt bzw. eingebettet werden.
3a zeigt im Querschnitt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleitelements 1, bei der die Mehrfachschicht 30 eine Laufschicht 39 und eine Schutzschicht 35 umfasst. Die Schutzschicht 35 befindet sich auf dem Trägerkörper 10.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der die Mehrfachschicht 30 neben der Laufschicht 39 und der Schutzschicht 35 eine zwischen dem Trägerkörper 10 und der Schutzschicht 35 angeordnete Grundschicht 31 umfasst ist in 3b dargestellt.
Eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gleitelements 1 ist in 3c gezeigt, bei der die Mehrfachschicht 30 eine Haftschicht 32 und eine Zwischenschicht 36 umfasst. Die Haftschicht 32 und die Zwischenschicht 36 sind zwischen der Schutzschicht 35 und der Grundschicht 31 bzw. zwischen der Schutzschicht 35 und der Laufschicht 39 angeordnet.
In vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung sind eine oder mehrere innen liegende Oberflächen des Gleitelements 1 strukturiert. Bei der/den innen liegenden Oberfläche/n handelt es sich vorzugsweise um die Oberfläche des Trägerkörpers 10 oder um die Oberfläche der Grundschicht 31.
3d zeigt im Schnitt ein Gleitelement 1, dessen Trägerkörper 10 eine strukturierte Oberfläche 20 aufweist. Die Oberfläche 20 weist z. B. Einprägungen mit einer Tiefe T auf. Auf der Oberfläche 20 befindet sich die Schutzschicht 35, die einen vergleichbaren Verlauf wie die Oberfläche 20 hat. Auf der Schutzschicht 35 befindet sich die Laufschicht 39.
3e zeigt eine Ausführungsform des Gleitelements 1, bei der die Oberfläche 20 der Grundschicht 31 strukturiert ist. Die Bezugszeichen 30, 35, 39 und T haben die gleiche Bedeutung wie in 3d.
3f zeigt ein Gleitelement 1, das ähnlich aufgebaut ist wie das in 3c dargestellte Gleitelement, wobei die Oberfläche 20 der Grundschicht 31 strukturiert ist. Auf der Oberfläche 20 befindet sich die Haftschicht 32, welche die Schutzschicht 35 auf der Grundschicht 31 verankert. Die auf die Schutzschicht 35 aufgebrachte Zwischenschicht 36 dient der Verbindung zwischen Schutzschicht 35 und Laufschicht 39.
In den 3d–f und 4a–b ist die Oberfläche der Laufschicht 39 plan. Dies wird nur dann erreicht, wenn die Dicke der die strukturierte(n) Oberfläche(n) 20 bedeckenden Schutzschicht 35 und/oder der Laufschicht 39 sowie ggf. weiterer Schichten ausreichend groß ist, um die Vertiefungen/Erhöhungen der Oberfläche(n) 20 auszugleichen bzw. zu planarisieren. In der Regel ist dies nicht der Fall, sondern die Schutzschicht 35 und ggf. die Laufschicht 39 haben einen zu der/den strukturierten Oberflache(n) 20 konformen Verlauf. Dementsprechend umfasst die Erfindung auch solche Gleitelemente 1, bei denen die Schutzschicht 35 und ggf. die Laufschicht 39 im wesentlichen konform zu der/den strukturierten Oberfläche(n) 20 ausgebildet sind.
Ein erfindungsgemäßes Gleitelement 1, bei dem die Schutzschicht 35 einen zu der/den strukturierten Oberfläche(n) 20 konformen Verlauf mit einer Vielzahl von Vertiefungen aufweist, zeichnet sich durch eine besonders vorteilhafte Schutzwirkung aus, die auf folgenden Effekten beruht:

i) Im Falle einer großflächigen Zerstörung der Laufschicht 39 verbleibt Restmaterial der Laufschicht 39 in den Vertiefungen der Schutzschicht 35. Dieses Restmaterial steht zur Verfügung für die Einbettung von Abriebpartikeln, die aufgrund der großen Härte der Schutzschicht 35 in diese nicht eindringen können.
ii) Durch die zahlreichen Vertiefungen in der Schutzschicht 35 wird die Kontaktfläche mit dem Gegenstück des Lagers verkleinert und damit verbunden der Reibungswiderstand am Gegenstück verringert.

4a zeigt in perspektivischer Ansicht ein Gleitelement 1 mit strukturierter Oberfläche 20 mit einer Vielzahl von regelmäßig angeordneten Vertiefungen bzw. Grübchen 23 in der Grundschicht 31. Im Übrigen entspricht der Aufbau dieses Gleitelements 1 dem Aufbau des Gleitelements gemäß 3b. Die Vertiefungen 23 mit lateralen Abmessungen bzw. Länge Lx und Breite Ly können mittels bekannter Methoden, wie Prägen oder chemischem Ätzen erzeugt werden. Eine regelmäßige Anordnung ist nicht zwingend, sowohl die Form wie auch die relative Anordnung der Vertiefungen 23 kann unregelmäßig sein.
In 4b ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der die Oberfläche 20 der Grundschicht 31 mit Nuten bzw. Rillen strukturiert ist und Vertiefungen 23 und Erhöhungen 24 aufweist. Die Nuten können unregelmäßig dimensioniert und angeordnet sein.
Die innen liegende(n) Oberfläche(n) 20 wird/werden mittels verschiedener bekannter Methoden strukturiert. Hierbei kommen beispielsweise mechanische Methoden, wie Prägen, Fräsen, Drehen, Schleifen, Kugelstrahlen und dergleichen, energiereiche Strahlung, z. B. Laser- oder Elektronenstrahlung oder chemische Ätzverfahren ggf. in Verbindung mit photolithografisch strukturierten Ätzmasken zum Einsatz.
Für die Grundschicht 31 eignen sich insbesondere Legierungen auf Basis von Zinn, Wismuth, Indium, Blei oder Aluminium sowie Legierungen auf gegebenenfalls hochbleihaltiger CuPb-Basis oder auf AlSn- bzw. auf AlBi-Basis. Insbesondere sind hochzinnhaltige Zinnbasislegierungen von Vorteil. Auch bleifreie Kupferbasislegierungen sind verwendbar. Materialien auf Kupferbasis sind beispielsweise CuPb22Sn2, CuPb10 Sn10, CuPb15-Sn7, CuSn6, CuSn4Zn. Insbesondere bleifreie Kupferlegierungen auf CuAl-, CuSn-, CuZn-, CuZnSn- sowie CuBi-Basis sind im Hinblick auf die geringere Umweltbelastung von Vorteil. Materialien auf Zinnbasis sind beispielsweise Sn8Cu4, SnSb2, Cu6Pb. Materialien auf Bleibasis sind beispielsweise PbSb10Sn6, PbSb15Sn10, PbSb15-SnAs. Materialien auf Aluminiumbasis können z. B. AlSn40, AlSn20, AlSn25, AlSn10, AlSn6, etc. sein. Es ist außerdem möglich, für die Grundschicht 31 ein Material auf AlZn-Basis, wie z. B. AlZn4SiPb, oder AlSi-Basis, wie z. B. AlSiCuMgNi, oder AlSnSi-Basis, wie z. B. AlSn20Si4, zu verwenden. Die Grundschicht 31 kann auf den Trägerkörper z. B. galvanisch, durch Plattieren, Walzplattieren etc., wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist, aufgebracht werden.
Die Laufschicht 35 wird vorzugsweise mit Hilfe eines Sputterverfahrens, Aufdampfen oder Elektroplattieren abgeschieden. Hierbei können die aus dem Stand der Technik bekannten Legierungen bzw. Metalle, wie beispielsweise Aluminiumlegierungen, Aluminiumbasislegierungen mit Blei und/oder Wismut und/oder Indium und/oder Zinn als Legierungselementen, Kupferbasis, Silberbasislegierungen mit Blei und/oder Wismut und/oder Indium und/oder Zinn, Silber-Blei-Legierung oder dgl. abgeschieden werden. Die Aufzählung der möglichen zu verwendenden Legierungen ist nicht erschöpfend und es können selbstverständlich auch andere als die genannten Legierungen bzw. Gemische verarbeitet werden, wobei insbesondere wiederum vorzugsweise bleifreie Legierungen verwendet werden. Da Sputterverfahren an sich bekannt sind, sei an dieser Stelle auf die einschlägige Literatur verwiesen. Die Sputter-Legierungen können Aluminium im Bereich zwischen 50 Gew.-% bis 90 Gew.-%, beispielsweise im Bereich zwischen 55 Gew.-% und 80 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich zwischen 60 Gew.-% und 79 Gew.-%, insbesondere im Bereich zwischen 64 Gew.-% und 70 Gew.-%, sowie Zinn im Bereich zwischen 5 Gew.-% und 45 Gew.-%, beispielsweise im Bereich zwischen 10 Gew.-% und 39 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich zwischen 12 Gew.-% und 32 Gew.-%, insbesondere im Bereich zwischen 17 Gew.-% und 20 Gew.-%, enthalten.
Andere Legierungselemente, wie z. B. Mangan, Eisen, Kobalt oder dgl. können zur Bildung bestimmter Legierungsphasen, z. B. Hartstoffe, enthalten sein. Weitere Legierungselemente wären z. B. Ag, Al, Fe, Cu, Ni, Sc, Si, Zn, Mn, Co, Cr, Zr, Mg.
Wird für die Laufschicht 39 ein Gleitlack verwendet, so enthält dieser als Hauptbestandteil zumindest ein thermoplastisches Harz, wobei dieses thermoplastische Harz insbesondere ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Polyimide, insbesondere aromatische, Polyamidimide, insbesondere aromatische, Polyaryletherimide, gegebenenfalls modifiziert mit Isocyanaten, Phenolharze, Polyarylether-etherketone, Polyamide, insbesondere aromatische, Epoxyharze, Polytetrafluorethylen, fluorhaltige Harze, wie z. B. Polyfluoralkoxy-Polytetrafluorethylen-Copolymere, Ethylentetrafluorethylen, fluorierte Ethylen-Propylen Copolymere, Polyvinylidendifluorid, Polyvinylfluorid, Allylensulfid, Polytriazo-Pyromellithimide, Polyesterimide, Polyarylsulfide, Polyvinylensulfide, Polysulfone, Polyarylsulfone, Polyaryloxide, Copolymere und Mischungen daraus, wie z. B. Polyimide und/oder Polyamidimide und/oder Polyaryletherimide und/oder Phenolharze und/oder Polyarylether-etherketone und/oder Polyamide und/oder Epoxyharze und/oder Polytetrafluorethylen und/oder fluorhaltige Harze, wie z. B. Polyfluoralkoxy-Polytetrafluorethylen-Copolymere, Ethylentetrafluorethylen, fluorierte Ethylen-Propylen Copolymere, Polyvinylidendifluorid, Polyvinylfluorid, Allylensulfid und/oder Polytriazo-Pyromellitimid und/oder Polyesterimid und/oder Polyvinylensulfid und/oder Polysulfone und/oder Polyarylsulfone und/oder Polyaryloxide mit Polyimiden und/oder Polyamidimiden und/oder Polyaryletherimiden und/oder Phenolharzen und/oder oder Polyarylether-etherketonen und/oder Polyamiden und/oder Epoxyharzen und/oder Polytetrafluorethylen und/oder fluorhaltigen Harzen, wie z. B. Polyfluoralkoxy-Polytetrafluorethylen-Copolymeren, Ethylentetrafluorethylen, fluorierte Ethylen-Propylen Copolymere, Polyvinylidendifluoride, Polyvinylfluoride und/oder Allylensulfide und/oder Polytriazo-Pyromellitimide und/oder Polyesterimide und/oder Polyarylsulfide und/oder Polyvinylensulfide und/oder Polyarylsulfone und/oder Polyaryloxide. Von Vorteil ist dabei, dass durch den hauptsächlich aus dem thermoplastischen Harz bzw. Harzmischungen oder Copolymeren bestehende Gleitlack ein zyklischer temperaturabhängiger Erweichungs- und Verfestigungsmechanismus ermöglicht wird, wodurch die Lebensdauer der Gleitlackschicht erhöht werden kann. Es ist weiterhin von Vorteil, dass durch die speziell angeführten Harze bzw. Harzmischungen bzw. Copolymere eine Anpassung der Lagerfunktion an unterschiedliche Belastungsfälle möglich ist, so daß teure Harztypen nur für hoch belastbare Lagerelemente eingesetzt werden und in der Folge für weniger belastete Lagerelemente ein Kostenvorteil erreicht werden kann.
Der Harzanteil am Gleitlack kann ausgewählt sein aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 30% und einer oberen Grenze von 95%. Es wird damit eine Variation der Übertragbarkeit der Verformung auf den Untergrund ermöglicht, so daß die Laufeigenschaften der Gleitlackschicht, insbesondere in der Einlaufphase, besser an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden können.
Zur weiteren Verbesserung dieses Effektes ist es möglich, den Harzanteil des Gleitlacks auszuwählen 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.-%.
Das thermoplastische Harz kann zumindest einen Zusatzstoff enthalten, ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Gleitmittel, insbesondere MoS₂, h-BN, WS₂, Graphit, Polytetrafluorethylen, Pb, Pb-Sn-Legierungen, CF₂, PbF₂, weiters Hartstoffe, wie z. B. CrO₃, Fe₃O₄, PbO, ZnO, CdO, Al₂O₃, SiC, Si₃N₄, SiO₂, Si₃N₄, weiters Ton, Talk, TiO₂, Mullit, CaC2, Zn, AlN, Fe₃P, Fe₂B, Ni₂B, FeB, Metallsulfide, wie z. B. ZnS, Ag₂S, CuS, FeS, FeS₂, Sb₂S₃, PbS, Bi₂S₃, CdS, Fasern, insbesondere anorganische, wie z. B. Glas, Kohlenstoff, Kaliumtitanat, Whisker, beispielsweise SiC, Metallfasern, beispielsweise aus Cu oder Stahl, sowie Mischungen daraus, wie z. B. zumindest ein Gleitmittel, insbesondere der genannten Art, und/oder zumindest ein Hartstoff, insbesondere der genannten Art, und/oder zumindest ein Metallsulfid, insbesondere der genannten Art, und/oder zumindest ein faserförmiger Zusatzstoff, insbesondere der genannten Art, mit zumindest einem Gleitmittel und/oder einem Hartstoff und/oder einem Metallsulfid und/oder zumindest einem faserförmigen Zusatzstoff, sämtliche insbesondere der genannten Art.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3629451 C2 [0006]
- WO 2007/079834 [0007]
- US 6095690 [0008]
- US 5238311 [0009]
- US 5620262 [0010]
- US 6059460 [0011]
- US 6739238 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN EN ISO 14577 [0016]
- DIN EN ISO 6507 [0019]
- DIN 4768 Teil 1 [0020]
- DIN 4768 Teil 1 [0020]
- DIN EN ISO 4287 [0020]
- DIN EN 10049 [0020]
- DIN EN ISO 13565 [0020]

Claims

Gleitelement (1) aus einem Trägerkörper (10) mit Mehrfachschicht (30), umfassend eine außen liegende Laufschicht (39) und eine innen liegende Schutzschicht (35) mit einer Härte HU_plast von größer 5 GPa.
Gleitelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (35) eine Härte HU_plast von größer 10 GPa, vorzugsweise größer 20 GPa, und insbesondere größer 40 GPa aufweist.
Gleitelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschicht (39) eine Härte von 10 bis 400 HV, vorzugsweise von 60 bis 200 HV, und insbesondere von 80 bis 140 HV aufweist.
Gleitelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (35) diamantähnlichen Kohlenstoff (DLC), vorzugsweise DLC mit einer Härte von größer 30 GPa, enthält.
Gleitelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (35) ein Material enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend DLC, Me-DLC, W-DLC, Ti-DLC, Cr-DLC und Siliziumnitrid oder Mischungen davon.
Gleitelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (35) mittels PVD und/oder PCVD hergestellt ist und eine Dicke von 0,2 bis 10 μm, vorzugsweise 0,5 bis 8 μm, und insbesondere 1 bis 5 μm aufweist.
Gleitelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zumindest eine strukturierte innere Oberfläche (20) mit einer Vielzahl von Vertiefungen (23) und/oder Erhöhungen (24) umfasst.
Gleitelement (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrecht zu der/den Oberflache(n) (20) gemessene maximale Höhendifferenz (peak-to-valley Wert gemäß DIN 4768 Teil 1) kleiner 200 μm, vorzugsweise kleiner 100 μm, und insbesondere kleiner 20 μm ist.
Gleitelement (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die innere(n) Oberflache(n) (20) eine Vielzahl von Vertiefungen (23) mit einer maximalen lateralen Abmessung von 0,5 bis 1500 μm, vorzugsweise 5 bis 100 μm, und insbesondere 10 bis 20 μm; und einer maximalen Tiefe von 0,5 bis 200 μm, vorzugsweise 1 bis 200 μm, und insbesondere 1 bis 20 μm; aufweisen.
Gleitelement (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die innere(n) Oberflache(n) (20) eine Vielzahl von Nuten (23) mit einer maximalen Breite von 0,5 bis 2000 μm, vorzugsweise 5 bis 200 μm, und insbesondere 10 bis 20 μm; und einer maximalen Tiefe von 0,5 bis 200 μm, vorzugsweise 1 bis 100 μm, und insbesondere 1 bis 20 μm; aufweisen.
Gleitelement (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Trägerkörpers (10) als strukturierte Oberfläche (20) mit Vertiefungen (23) und/oder Erhöhungen (24) ausgestaltet ist.
Gleitelement (1) nach Anspruch 1 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrfachschicht (30) eine zwischen der Schutzschicht (35) und dem Trägerkörper (10) angeordnete Haftschicht (32) umfasst, wobei die Haftschicht (32) bevorzugt Ti, TiN_x, Cr, CrN_y, Ni, NiCr oder eine Cr/NiCr-Legierung enthält und eine Dicke von 0,2 bis 5 μm, vorzugsweise 0,5 bis 3 μm aufweist.
Gleitelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrfachschicht (30) eine zwischen der Schutzschicht (35) und dem Trägerkörper (10) angeordnete Grundschicht (31) umfasst, wobei die Grundschicht (31) bevorzugt aus Bronze, Messing oder einer Aluminium-Legierung besteht und eine Dicke von 100 bis 2000 μm, vorzugsweise 100 bis 800 μm, und insbesondere 200 bis 500 μm aufweist.
Gleitelement (1) nach Anspruch 7 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Grundschicht (31) als strukturierte Oberfläche (20) mit Vertiefungen (23) und/oder Erhöhungen (24) ausgestaltet ist.
Gleitelement (1) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrfachschicht (30) eine zwischen der Schutzschicht (35) und der Grundschicht (31) angeordnete Haftschicht (32) umfasst, wobei die Haftschicht (32) bevorzugt Ti, TiN_x, Cr, CrN_y, Ni, NiCr oder eine Cr/NiCr-Legierung enthält und eine Dicke von 0,2 bis 5 μm, vorzugsweise 0,5 bis 3 μm aufweist.
Gleitelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (10) aus Metall, vorzugsweise aus Stahl besteht.
Gleitelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (10) aus Siliziumnitrid besteht.
Gleitelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrfachschicht (30) eine zwischen der Schutzschicht (35) und der Laufschicht (39) angeordnete Zwischenschicht (36) umfasst, wobei die Zwischenschicht (36) bevorzugt Cr, Ni, NiCr oder eine Cr/NiCr-Legierung enthält und eine Dicke von 0,2 bis 5 μm, vorzugsweise 0,5 bis 3 μm aufweist.
Gleitelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschicht (39) ein Metall, eine Legierung mehrerer Metalle und/oder SiC enthält.
Gleitelement (1) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschicht (39) AlSn, AlSn20, AlSn20Cu, AlSn25Cu enthält.
Gleitelement (1) nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschicht (39) mittels Kathodenzerstäubung oder Aufdampfverfahren erzeugt worden ist.
Gleitelement (1) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschicht (39) PbSn18Cu2, PbSn10TiO₂, CuPb30 oder CuPb40 enthält.
Gleitelement (1) nach Anspruch 19 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschicht (39) mittels elektrolytischer Verfahren erzeugt worden ist.
Gleitelement (1) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschicht (39) AgSn85CuNi enthält.
Gleitelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschicht (39) mit Gleitlack beschichtet ist.
Gleitelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschicht (39) aus Gleitlack besteht.
Gleitelements (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß es als Halbschale für Gleitlager ausgestaltet ist.
Verwendung eines Gleitelements (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 26 in Zylindern, Kolben und Kolbenringen von Verbrennungsmotoren.
Verwendung eines Gleitelements (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 26 für Linearführungen.
Mechanisches Lager, umfassend ein oder mehrere Gleitelemente (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 26.
Verfahren zur Herstellung eines Gleitelements (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 27, umfassend die Schritte: a) optionales Strukturieren einer Oberfläche (20) eines ggf. mit einer Grundschicht (31) ausgestatteten Trägerkörpers (10); b) Aufbringen einer Schutzschicht (35) mit einer Härte HU_plast von größer 5 GPa auf der Oberfläche des Trägerkörpers (10), wobei die Schutzschicht (35) vorzugsweise mittels PVD und/oder PCVD abgeschieden wird; c) optionales Aufbringen einer Zwischenschicht (36) auf die Schutzschicht (35); d) Aufbringen einer Laufschicht (39) auf die Schutzschicht (35) oder optional auf die Zwischenschicht (36); und e) optionales Auftragen von Gleitlack auf die Laufschicht (39).