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Die Erfindung betrifft Gleitlager und ein Verfahren zur Herstellung von Gleitlagern, die auch für den Trockenlauf unter Verzicht von zusätzlich zugeführtem Schmiermittel einsetzbar sind. Sie sind dabei als Verbundbauteil ausgebildet.
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Gleitlager, die auch für einen trockenlaufenden Einsatz geeignet sind, verfügen Beispielsweise über Reibschichten aus polymeren Werkstoffen, wie z. B. PE, PP, PTFE oder Phenolharzen. Diese weisen vorteilhafte Eigenschaften, wie kleine Reibwerte, chemische, elektrische und biologische Charakteristika auf.
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Der Einsatz von Hochpolymeren ist jedoch durch die vergleichsweise niedrige thermische Beständigkeit begrenzt. Außerdem weisen Thermoplaste bei stetigen mechanischen Belastungen und hohen Temperaturen eine ausgeprägte Kriechneigung auf. Dieses Werkstoffverhalten ist für die Einhaltung der Lage- und Formstabilität von Bauteilen aus diesen Kunststoffen problematisch.
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Polyimid (PI) und Polybenzimidazol (PBI) sind die am häufigsten hierfür eingesetzten Kunststoffe für Hochtemperaturanwendungen. Dabei weist PI nach DIN EN ISO 75-1 (HDT/A 1,8 MPa) eine Wärmeformbeständigkeit (HDT) von 360°C und einen relativen Temperaturindex (RTI) von 250°C auf. Diese Kennwerte sind für PBI etwas besser (HDT = 425°C und RTI = 310°C).
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Ein Betrieb von Gleitlagern ist häufig aber auch bei Temperaturen oberhalb von 400°C erforderlich.
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Als hochtemperaturbeständige Gleitlager, die auch im Trockenlauf einsetzbar sind, wurden insbesondere in Luft- und Raumfahrttechnik solche eingesetzt, die aus kohlefaserverstärktem Siliciumcarbid (nachfolgend mit C/SiC bezeichnet) als Werkstoff hergestellt worden sind. Dieser Werkstoff ist bei Temperaturen bis zu 1000°C und darüber hinaus in inerter Atmosphäre einsetzbar. In einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre ist jedoch die geringe Oxidationsbeständigkeit der Kohlenstofffasern im C/SiC-Verbund zu berücksichtigen. Je nach Art der Fasern zeigen diese bereits ab 400°C eine starke Oxidationsneigung. Dies führt insbesondere bei porösen C/SiC-Verbunden zu einer Degradation der Kohlenstofffasern, die nicht vollständig vom keramischen Matrixwerkstoff umschlossen sind, und zu einer Verschlechterung der mechanischen und tribolo- gischen Eigenschaften. Als Verbundwerkstoff weist C/SiC eine kleine physikalische Dichte, hohe Festigkeit, kleine Sprödheit im Vergleich zu monolythischen Keramiken, einen kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf und ist verschleißarm.
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Wegen seiner hohen Härte und seiner Porosität ist der Einsatz von Gleitlagern, die allein aus diesem Verbundwerkstoff hergestellt sind, begrenzt. Insbesondere die Werkstoffe, die als Reibpartner in Frage kommen, sind reduziert. Dies trifft in der Regel auf alle Metalle zu, die als Reibpartner einem hohen Verschleiß unterliegen. Außerdem kann es zu einer Tribooxidation eines solchen Reibpartnerwerkstoffs kommen.
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Metallische Gleitlagerwerkstoffe weisen bei hohen Temperaturen nicht ausreichende Festigkeiten, hohe Kriechneigung und schlechte tribologische Eigenschaften auf.
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Aus
De 24 15 035 A1 ist ein Gleitstück bekannt, das aus einer Metallzusammensetzung aus dispergierten und mit dieser metallurgisch verbundenen Feststoffteilchen aus Kohlenstoff gebildet ist.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Gleitlager zur Verfügung zu stellen, das auch bei hohen Temperaturen einsetzbar ist und dabei Reibeigenschaften aufweist, die einen verschleißarmen Betrieb zulassen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäße Gleitlager können gemäß Anspruch 8 hergestellt werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Ein erfindungsgemäßes Gleitlager ist als Verbundbauteil ausgebildet. Dabei ist ein Teil aus kohlenfaservertärktem Siliciumcarbid gebildet und an tribologisch beanspruchten Gleitflächen ist eine Gleitschicht ausgebildet. Diese Gleitschicht ist mit einer Kupfer-Zinn-Legierung gebildet, in der der Anteil von Kupfer und Zinn mindestens 60%, bevorzugt mindestens 80% beträgt. Das kohlenstoffverstärkte Siliciumcarbid ist mit der Kupfer-Zinn-Legierung stoff- und/oder formschlüssig verbunden.
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Bei einem erfindungsgemäßen Gleitlager besteht aber auch die Möglichkeit, den Verbund zwischen dem Teil aus kohlenstoffverstärktem Siliciumcarbid und der Kupfer-Zinn-Legierung so herzustellen, dass mit der Legierung nicht nur die eigentliche tribologisch genutzte Fläche mit der Kupfer-Zinn-Legierung überdeckt ist. Also neben der Gleitschicht auch an weiteren Oberflächenbereichen eine stoff- und/oder formschlüssige Verbindung zwischen dem C/SiC und der Kupfer-Zinn-Legierung ausgebildet ist. So können beispielsweise die stirnseitigen Ränder des aus dem C/SiC gebildeten Teils eingefasst sein. Diese Ränder greifen dabei quasi in eine Nut ein. So kann die durch Formschluss erreichbare Verbindung weiter verbessert und der gesamte Verbund fester gemacht werden. Das Teil aus dem C/SiC kann aber auch innen und außen oder vollständig mit der Kupfer-Zinn-Legierung eingeschlossen bzw. umschlossen sein, die dann eine Hülle um einen Kern, der mit dem Teil aus C/SiC gebildet ist, bildet. Dadurch kann zusätzlich die gesamte Oberfläche des Gleitlagers vor Oxidation, insbesondere des Kohlenstoffs geschützt werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn in der Kupfer-Zinn-Legierung Titan mit einem Anteil von mindestens 0,5 Masse-% bis maximal 20 Masse-% enthalten ist. Dadurch ist es möglich, dass zumindest in der Grenzschicht zwischen kohlenfaserverstärktem Siliciumcarbid und der Gleitschicht reaktiv gebildetes Titancarbid vorhanden ist. Die Carbidbildung kann mit einer Wärmebehandlung bei der Herstellung erreicht werden. Die Temperatur kann dabei oberhalb bzw. geringfügig unterhalb der Schmelztemperatur der Kupfer-Zinn-Legierung liegen. Es kann dabei ein erhöhter Druck ausgenutzt werden. Mit Titancarbidhaltigen Reaktionszonen, die fest und beständig sind, kann die Festigkeit der stoffschlüssigen Verbindung zwischen C/SiC und der Legierung erhöht werden.
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Insbesondere wenn die Verbindung der Legierung mit dem C/SiC-Verbund durch eine Wärmebehandlung, z. B. also durch Schmelzgießen oder pulvermetallurgisch hergestellt wird, können weitere chemische Reaktionen erfolgen. So kann durch Reaktion von Kupfer und dem SiC eine Zersetzung der Keramik erfolgen und es zu einer Anreicherung der Schmelze mit Silicium unter Ausbildung einer Reaktionszone aus freiem Kohlenstoff in einer CuSnSi-Matrix kommen. Das Zinn ist hierbei nicht reaktiv und kann je nach enthaltenem Anteil die Si-Gleichgeweichtskonzentration beeinflussen.
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Das Dotieren der Kupfer-Zinn-Legierung mit dem Titan verbessert die Benetzbarkeit der Schmelze auf dem SiC und ermöglicht einen vergleichsweise festen Verbund. Dabei kommt es in der Reaktionsschicht zwischen der Schmelze und dem SiC zur Ausbildung von Reaktionszonen, in denen TiC und Ti5Si3 enthalten sind.
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Neben Titan kann auch mindestens ein weiteres Legierungselement in der Kupfer-Zinn-Legierung enthalten sein. Als Legierungselemente kommen Pb, Cr, Ta und Ni in Frage. Dabei sollte der in der Kupfer-Zinn-Legierung enthaltene Anteil eines oder aller dieser enthaltenen Legierungselemente 19,5 Masse-% nicht übersteigen.
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Zur Verbesserung der Eigenschaften kann zusätzlich ein Festschmierstoff in der Gleitschicht enthalten sein. Als Festschmierstoff können Graphit, MoS2, Calciumfluorid oder temperaturbeständige Mineralien, wie z. B. Glimmer o. ä. eingesetzt werden.
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Bei der Herstellung der Gleitlager wird so vorgegangen, dass auf oxidativ und tribologisch beanspruchte Gleitflächen des aus kohlenfaservertärktem Siliciumcarbid gebildeten Teils eine Gleitschicht, die mit einer Kupfer-Zinn-Legierung gebildet wird, bei einer Wärmebehandlung schmelzmetallurgisch oder pulvermetallurgisch aufgebracht und dabei eine stoffschlüssige Verbindung ausgebildet wird.
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Das aus C/SiC gebildete Teil kann so vorab in an sich bekannter Weise hergestellt werden, indem ein Wickelkörper mit Kohlenstofffasern, die mit einem siliciumorganischen Polymer beschichtet oder an der Oberfläche benetzt worden sind, einem auch als LPI bezeichneten Verfahren unterzogen wird. Als siliciumorganisches Polymer kann Polycarbosilan oder ein anderer geeigneter Precursor eingesetzt werden. Die Fasern können bevorzugt als Kreuzwicklungen mit großen Wickelwinkeln im Bereich 60° bis 80° gewickelt sein. Bei einer Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 1000°C bis 1300°C wird das Polymer pyrolisiert und mit dem darin vorab gebundenen Silicium wird SiC gebildet. Hier wird in inerter Atmosphäre oder im Vakuum gearbeitet. Dabei reduzieren sich die Masse und das Volumen, des Grünkörpers, der mit den Kohlenstofffasern und dem Polymer gebildet war. Der danach erhaltene Grundkörper weist einen verhältnismäßig kleinen Faservolumenanteil und eine hohe Porosität auf.
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Dies kann aber durch sogenannte Nachinfiltration mit dem siliciumorganischen Polymer verändert werden.
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Nach einer erneuten infiltration mit siliciumorganischen Polymeren kann bei anschließender Wärmebehandlung weiteres SiC gebildet werden. Dadurch kann die Porosität verringert und die Festigkeit erhöht werden. Diese Nachinfiltration kann mehrfach wiederholt werden, bis die gewünschten Parameter erreicht worden sind.
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Ein so erhaltenes Halbzeug kann spanend nachbearbeitet und gereinigt werden, um die gewünschte geometrische Gestalt und Dimensionierung zu erreichen.
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Die Herstellung eines Halbzeugs aus C/SiC kann aber auch durch Flüssigsilicierung oder chemische Gasphaseninfiltration (CVI) erfolgen. Bei einer Flüssigsilicierung wird durch Wickeln, Pressen oder Laminieren ein kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff bereitgestellt, der anschließend einem Pyrolyseprozess unterzogen wird. Der dadurch gebildete poröse C/C-Körper kann danach, bei Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur von Silicium, mit flüssigem Silicium infiltriert werden. Dabei bildet sich auch SiC. Bei der chemischen Gasphaseninfiltration wird so vorgegangen, dass auf einer Kohlenstofffaserpreform eine SiC-Matrix abgeschieden wird. Als Reaktionsgase können Chlormethylsilane und als Trägergas Wasserstoff eingesetzt werden.
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Auf tribologisch und oxidativ beanspruchte Oberflächen wird dann die Kupfer-Zinn-Legierung für die Gleitschicht aufgebracht. Dies kann in Form einer Schmelze der Legierung erfolgen.
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Es ist aber auch der Einsatz eines Pulvers dieser Legierung möglich. Die Wärmebehandlung für die Ausbildung der Gleitschicht und die Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung kann dann ein Sinterprozess sein. Bevorzugt kann hier das selektive Lasersintern eingesetzt werden.
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Das Legierungspulver kann lose auf die entsprechenden Oberflächen des anderen Teils des Gleitlagers, aber auch mit einem geeigneten Binder, wie z. B. PVA oder Polyvenylpirrolidon, aufgebracht und dann das Sintern durchgeführt werden.
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Es ist aber auch möglich ein Legierungspulver einzusetzen und dieses bei einer Nachinfiltration einer Suspension, in der auch das silciumorganische Polymer enthalten ist, zuzugeben. Bei der Wärmebehandlung mit Pyrolyse bildet das C/SiC, je nach Porosität, eine Barriere für die Legierungspulverpartikel. Die einzelnen Partikel setzen sich je nach Partikelgröße an der Oberfläche auf dem C/SiC ab und bilden dort eine äußere Schicht. Die Gleitschicht kann dann gleichzeitig im selben Verfahrensschritt bei der Nachinfiltration durch Sintern ausgebildet werden.
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Eine Gleitschicht kann auch durch eine Gasphasenabscheidung der Kupfer-Zinn-Legierung ausgebildet werden.
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Eine weitere Alternative für die Herstellung eines Gleitlagers besteht darin, ein Halbzeug in Form einer Buchse aus der Kupfer-Zinn-Legierung einzusetzen und diese mit einem C/SiC-Preform zu verpressen und dabei oder danach beides einer Wärmebehandlung in einer inerten Atmosphäre oder im Vakuum zu unterziehen, bei der die Schmelztemperatur nicht erreicht wird. Bei einer ausreichenden Haltezeit kann so ein Verbund analog zum Diffusionsschweißen erreicht werden.
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Bei allen einsetzbaren Fügeverfahren sollte darauf geachtet werden, dass bei einem Energieeintrag von außen ausgebildete Oxidschichten auf der Legierung vor Ausbildung der Verbindung zwischen Gleitschicht und dem Teil aus kohlenfaserverstärktem Siliciumcarbid diese Oxidschichten entfernt werden oder eine solche Oxidschicht erst gar nicht ausgebildet worden ist. Eine Entfernung kann beispielsweise durch mechanischen Abtrag erfolgen. Dieser Sachverhalt sollte beachtet werden, da bei in der Legierung enthaltenem Titan eine Bildung von Titanoxid vermieden werden soll. Dieses Oxid ist sehr stabil und es kann keine chemische Reaktion des Titans mit dem Kohlenstoff zur Ausbildung von Titancarbid mehr erfolgen. Der Anteil an gebildetem Titancarbid würde so zumindest reduziert werden, wenn Titanoxid gebildet worden ist.
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Das erfindungsgemäße Gleitlager verbindet als Verbundbauteil die vorteilhaften Eigenschaften der unterschiedlichen Werkstoffe und insbesondere die tribologischen Eigenschaften höheren Betriebstemperaturen sind verbessert. Es ist außerdem oxidationsbeständiger.
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Durch einfach durchzuführende spanende Bearbeitung kann eine Formgebung für die Endbearbeitung erfolgen und die Einhaltung kleiner Toleranzen erreicht werden.
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Die im Verhältnis zum C/SiC weiche Kupfer-Zinn-Legierung schützt die Kohlenstofffasern, die an der Oberfläche bzw. oberflächennah angeordnet sind, vor einer oxidativen Degradation. Die Kupfer-Zinn-Legierung reagiert dabei selbst mit Sauerstoff und es wird an der Oberfläche der Gleitschicht eine geschlossene stabile Oxidschicht ausgebildet.
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Erfindungsgemäße Gleitlager sind auch bei hohen Temperaturen formbeständig und ausreichend fest.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Es wird ein Wickelkörper aus C/SiC, bei dem Kohlenstofffasern mit Poycarbosilan imprägniert waren, eingesetzt. Die Kohlenstofffasern waren mit Wickelwinkeln von 60° bis 80° als Kreuzwicklungen gewickelt. Die Wicklung erfolgte auf einen zylindrischen Kern. Nach einer Aushärtung und Entformung wurde der so vorbereitete Grünkörper einer Wärmebehandlung in inerter Atmosphäre unterzogen. Bei Einhaltung der Temperatur im Bereich 1000°C bis 1300°C wurde das Polycarbosilan pyrolisiert und das freie Silicium chemisch in SiC umgewandelt. Da der Anteil an SiC zu klein und die Porosität zu hoch waren wurden mehrfach wiederholend Nachinfiltrationen durchgeführt, bei denen jeweils eine erneute Beschichtung/Benetzung der Oberflächen mit Polycarbosilan und die Wärmebehandlung durchgeführt wurden.
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Um das Kohenstoffangebot an bzw. in der Nähe der Oberfläche für die Titancarbidbildung zu erhöhen, kann an der Oberfläche SiC entfernt und dort Kohlenstofffasern zumindest partiell frei gelegt werden. Dies kann in geeigneter Form durch ein Abtragsverfahren, wie z. B. Schleifen erfolgen.
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Zur Erhöhung der Festigkeit der Verbindung, ist es günstig die Oberfläche des Teils aus C/SiC zu konturieren, so dass eine erhöhte Rauhigkeit auftritt und ggf. auch die Faserstruktur ausgenutzt werden kann.
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Nach Erreichen einer vorgegebenen Porosität und eines Anteilsverhältnis von SiC zu Kohlenstofffasern wurde an Oberflächen eine vorbereitende spanende Bearbeitung vorgenommen und eine Reinigung mit Aceton durchgeführt.
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Auf tribologisch und oxidativ beanspruchte Oberflächen wurde dann eine Kupfer-Zinn-Legierung mit folgender Zusammensetzung (Cu90Sn10)96Ti4 als Schmelze aufgebracht und eine Temperatur von 1150°C über 5 min bis 60 min gehalten. Diese Wärmebehandlung erfolgte im Hochvakuum bei einem Maximaldruck von 1·10–2 Pa.
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Im Anschluss daran erfolgte eine spanende Bearbeitung der Gleitschicht. Diese hatte eine Dicke von 0,6 mm.
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Das so hergestellte Gleitlager wurde schwimmend auf eine Welle aus Edelstahl A-286 (Wst. Nr. 14944) mit einer Lagerbuchse aus TiAl6V4 (Wst. Nr. 3.71164) zu einer Reibpaarung zusammengestellt.
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Diese wurde bei einer Temperatur von 400°C in oxidierender Atmosphäre bei maximaler Gleitgeschwindigkeit von 300 mm/s und einem Druck von 50·105 Pa betrieben.
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Das Lager hatte einen Innendurchmesser von 16 mm, einen Außendurchmesser von 18 mm und eine Breite von 12 mm.
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Es wurde durch Schleifen eine Gleitschicht der (Cu90Sn10)96Ti4-Legierung mit einer mittleren Dicke von 0,3 mm ausgebildet und ein solches Lager gegen eine Edelstahlwelle (A286) über 24 h bei wirkender Normalkraft von 98 N und einer Reibgeschwindigkeit von 0,18 m/s gefahren. Als Buchsenwerkstoff kam Ti-Al6V4 zum Einsatz.
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Dabei konnte ein Reibwert f = 0,4, eine Verschleißrate am Lager von 0,2 mm3/km und ein Verschleißkoeffizient des Lagers k = 2,2·10–6 mm3/Nm ermittelt werden. An der Welle und der Titanbuchse trat kein messbarer Verschleiß auf.
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Obwohl die für die Lagerbuchse eingesetzt Titanlegierung normalerweise stark verschleißt, konnte mit dem erfindungsgemäßen Gleitlager der Verschleiß klein gehalten werden, Die Reibpaarung bot ausreichende Notlaufeigenschaften.