DE102010012489A1

DE102010012489A1 - Gleitlager und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102010012489A1
Application number: DE201010012489
Authority: DE
Inventors: Frank Straub; Dr. Schwarz Sergej
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-03-24
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2011-09-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gleitlager mit einem metallischen Trägerteil (3) mit einer auf dieses aufgesinterten, porösen Gleitschicht mit einem metallischen Anteil (MA) und einem Anteil eines polymeren Füllstoffs sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Um die Eigenschaften derartiger Gleitlager insbesondere bezüglich eines erhöhten Verschleißbereichs zu verbessern, wird die Gleitschicht entlang ihrer Dicke (t) in drei Bereiche (I, II, III) unterschiedlichen Anteils an Metall aufgeteilt, wobei ausgehend von einem ersten, mittleren Bereich (I) mit einem vorgegebenen metallischen Anteil ein dem Trägerteil (3) zugewandter zweiter Bereich (II) mit einem gegenüber dem ersten Bereich (I) höheren metallischen Anteil und geringerer Dicke und ein einer Gleitoberfläche zugewandter dritter Bereich (III) mit einem gegenüber dem ersten Bereich (I) geringeren metallischen Anteil und geringerer Dicke eingestellt wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Gleitlager mit einem metallischen Trägerteil mit einer auf dieses aufgesinterten, porösen Gleitschicht mit einem metallischen Anteil und einem Anteil eines polymeren Füllstoffs sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Hintergrund der Erfindung
Gattungsgemäße Gleitlager sind seit langem bekannt und weisen ein metallisches Trägerteil auf, auf das eine Trägerschicht wie Gleitschicht aufgesintert ist. Diese ist, wie beispielsweise aus der DE 10 2004 008 631 A1 bekannt, aus einem metallischen Anteil gebildet, in dessen Porenvolumen das Gleitschichtmaterial untergebracht ist. Dabei bildet die Gleitschicht den Reibkontakt zu dem gegenüber dem Gleitlager verdrehbaren Bauteil, beispielsweise eine Welle.
Die Herstellung eines derartigen Gleitlagers erfolgt in üblicher Weise, indem eine vorgegebene, pulverförmige Mischung der Gleitschicht auf plan ausgelegtes Blechmaterial ausgebracht und versintert wird. Anschließend wird das Gleitschichtmaterial mit dem Blechmaterial versintert und auf die vorgegebene Größe des Gleitlagers geschnitten wie gestanzt. Zum Schluss wird der Gleitring in eine runde Form gebogen.
Die Verteilung der Anteile der Gleitschicht – metallischer Anteil und Anteil an Füllstoffen – über die Dicke der Gleitschicht wird dabei im Wesentlichen durch das Fertigungsverfahren, das heißt, vorzugsweise durch die Auslegung der Mischung und den Sintervorgang vorgegeben. Dies führt dazu, dass die Konzentration der Füllstoffe von der Reiboberfläche in Richtung Trägerteil stark abfällt und ein entsprechender Konzentrationsgradient ausgebildet wird. Beispielsweise kann bei derartigen Herstellungsverfahren bereits nach einem Drittel der Stärke oder Dicke der Gleitschicht eine Verarmung des Füllstoffs so hoch sein, dass fast nur noch ein metallischer Anteil vorhanden ist. Tritt an dem Gleitlager Verschleiß auf, nimmt demzufolge bei abnehmender Dicke der Gleitschicht die Reibung des Lagers zu, so dass das Gleitlager durch erhöhte Reibkräfte, dadurch zunehmende Temperaturen, ungleichmäßiges Verhalten (Slip-Stick-Effekte) ausgewechselt werden muss, obwohl bei noch nicht zu beanstandendem Lagerspiel eine längere Einsatzdauer möglich wäre.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Gleitlager und ein Verfahren zu dessen Herstellung so zu verbessern, dass eine längere Einsatzdauer des Gleitlagers ermöglicht wird.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch ein Gleitlager mit einem metallischen Trägerteil mit einer auf dieses aufgesinterten, porösen Gleitschicht mit einem metallischen Anteil und einem Anteil eines polymeren Füllstoffs gelöst, wobei die Gleitschicht entlang ihrer Dicke in drei Bereiche unterschiedlichen Anteils an Metall aufgeteilt ist, indem ausgehend von einem ersten, mittleren Bereich mit einem vorgegebenen metallischen Anteil ein dem Trägerteil zugewandter zweiter Bereich mit einem gegenüber dem ersten Bereich höheren metallischen Anteil und geringerer Dicke und ein einer Gleitoberfläche zugewandter dritter Bereich mit einem gegenüber dem ersten Bereich geringeren metallischen Anteil und geringerer Dicke vorgesehen ist.
Durch die Bereitstellung eines breiten mittleren Bereichs mit den Eigenschaften eines gewünschten Reibverhaltens bleiben über einen sehr hohen Verschleißbereich von beispielsweise bis zu 90% der Dicke des Gleitbelags die Reibeigenschaften im Wesentlichen konstant. Gegenüber dem metallischen Anteil dieses mittleren, ersten Bereichs wird ein zweiter, dünner wie schmaler Bereich vorgesehen, der die Anhaftung der Gleitschicht an dem Trägerteil übernimmt und damit einen höheren Metallanteil aufweist als der mittlere Bereich. Schließlich ist ein dritter dünner Bereich vorgesehen, der einen sehr niedrigen Anteil an Metall aufweist und im Neuzustand den Reibkontakt zur der Gegengleitfläche an der Welle aufweist, wodurch in der Einlaufphase durch den hohen Füllstoffanteil ein weiches Einlaufen des Gleitlagers erzielt wird, indem beispielsweise in der Gegengleitfläche vorhandene Rauigkeiten mit Füllstoff ausgeglichen werden.
Als Materialien für das Trägerteil werden Metallbleche aus Stahl, Bronze und dergleichen verwendet. Die Komponenten des metallischen Anteils der Gleitschicht können Pulver oder Granulate aus Stahl, Bronze, Kupfer und dergleichen bilden. Als Füllstoffe können Pulver oder Granulate einzeln oder in Mischung polymere Kunststoffe, insbesondere Fluorpolymere wie Polytetrafluorethylen (PTFE), Graphit, Kohlefasern, Gesteinsmehle, Glaskugeln, Molybdänsulfid, Zinksulfid, Keramikverbindungen und dergleichen eingesetzt werden.
Gemäß dem erfinderischen Gedanken wird eine vorteilhafte Ausbildung der Bereiche so vorgesehen, dass der metallische Anteil des ersten Bereichs zwischen 10% und 50%, der metallische Anteil des zweiten Bereichs zwischen 50% bis 100% und der metallische Anteil des dritten Bereichs zwischen 0% bis 10% beträgt. Eine derartige Anteilsverteilung führt über den gesamten mittleren Bereich zu Reibkoeffizienten, deren funktionale Obergrenze je nach verwendetem Metall und Füllstoff unterhalb eines Fensters zwischen 0,08 und 0,11 liegen, so dass der gesamte mittlere Bereich als Funktionsteil für die Gleitreibung nutzbar ist und kein nicht-stationäres Verhalten der Gleitlager auftritt.
Dabei ist gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel eine Aufteilung der Bereiche bezüglich ihre Dicke beziehungsweise Stärke so vorgesehen, dass der erste Bereich eine erste Dicke von 70% bis 90%, der zweite Bereich eine zweite Dicke von 5% bis 15% und der dritte Bereich eine dritte Dicke von 5% bis 15% der Dicke der Gleitschicht aufweisen. Der nutzbare mittlere Bereich beträgt dabei zumindest 70% der Gesamtdicke der Gleitschicht. Unter Einbeziehung der Einlaufschicht im dritten Bereich steht daher abgesehen von dem dünnen Bereich von 5% bis 15% der Gesamtdicke zur Stabilisierung der Gesamtschicht gegenüber dem Trägerteil die gesamte Gleitschicht zu Funktionszwecken zur Verfügung, so dass die Funktion des Gleitlagers quasi nur noch durch das sich bei Verschleiß bildende Lagerspiel begrenzt ist. Hierzu haben sich beispielsweise Dicken der Gleitschicht als vorteilhaft erwiesen, die kleiner oder gleich einem Millimeter, vorzugsweise kleiner oder gleich 500 Mikrometer sind.
Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Herstellung des vorgeschlagenen Gleitlagers gelöst, wobei eine Verteilung des metallischen Anteils und des Anteils an Füllstoff über die Dicke der Gleitschicht mittels eines Aufbringens der Anteile auf eine plane Auslegung des Trägerteils, Sintern, Schneiden der planen Auslegung in die für das Gleitlager vorgegebene Größe und anschließendem Rundbiegen erfolgt. Nach dem erfinderischen Gedanken wird dabei nicht eine einzige Mischung mit metallischen Anteilen und Anteilen von Füllstoffen verwendet. Vielmehr werden die verschiedenen Anteile so auf das die Trägerteile der Gleitlager bildende Blechteil ausgebracht, dass während des Sintervorgangs sich eine entsprechende Verteilung der Anteile an Metall und Füllstoffen über die Dicke der Gleitschicht einstellt.
Nach dem erfinderischen Gedanken können hierzu Pulvermaterialen zur Bildung des metallischen Anteils und des Anteils an Füllstoff separat auf die Trägerschicht aufgetragen werden. Ein Auftrag kann parallel beispielsweise mittels parallel aktiver Streueinheiten erfolgen. Alternativ oder zusätzlich können mehrere Schichten von Pulvermaterialien nacheinander aufgetragen werden.
Dabei kann zumindest eine Schicht vollständig aus dem metallischen Anteil oder dem Anteil an Füllstoff gebildet sein. Hierzu können eine oder weitere Schichten aus entsprechenden Mischungen der Anteile verwendet werden. Diese Mischungen können vorgebbare Konzentrationen der Anteile enthalten. Beispielsweise kann die den zweiten Bereich bildende Schicht zuerst auf das Blechteil gestreut werden und vollständig aus dem metallischen Anteil gebildet sein. Anschließend kann eine Mischung der Anteile, beispielsweise eine 1:1-Volumenmischung aus Metall und Füllstoff, zur Bildung des mittleren Bereichs aufgetragen werden. Abschließend kann eine vollständig aus Füllstoff gebildete Schicht den dritten Bereich bilden.
Der mittlere Bereich muss nicht zwangsläufig einen über dessen Verlauf über dessen Dicke konstanten Anteil aufweisen. Vielmehr kann unter dem Einsatz entsprechender, beispielsweise auf die Fertigbarkeit abgestimmter Schichten der metallische Anteil in einem Toleranzbereich linear oder alternierend schwanken, der auf die Funktion des mittleren Bereichs als Gleitoberfläche keinen relevanten Einfluss hat, indem beispielsweise dessen Reibkoeffizient unter 0,11 bleibt. Beispielsweise kann ein Verfahren mit einfacher Handhabung vorteilhaft sein, bei dem lediglich eine einzige Schicht aufgetragen wird und dennoch die drei – stetig ineinander übergehenden – Bereiche ausgebildet werden, indem die Verteilung der Anteile über die Dicke der Gleitschicht durch Einstellung unterschiedlicher Partikelgrößen des metallischen Anteils und des Anteils an Füllstoff mit einer nachfolgenden Verrüttelung erfolgt. Beispielsweise können die Partikel des metallischen Anteils einen kleineren Durchmesser ausbilden als die Durchmesser des Anteils an Füllstoff, so dass bei einem Verrütteln beispielsweise mittels eines in Vibration versetzen Blechteils zur Bildung der Trägerteile ein Metallgradient eingestellt wird. Es versteht sich, dass die Partikelgrößen als entsprechende Partikelverteilungen beispielsweise aus Siebfraktionen bereitgestellt werden können.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird anhand des in der einzigen Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Diese zeigt einen schematisch dargestellten Verlauf des metallischen Anteils einer Gleitschicht über die Dicke der Gleitschicht.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die Figur zeigt das Diagramm 1 mit dem idealisiert dargestellten Verlauf 2 des metallischen Anteils MA einer Gleitschicht eines Gleitlagers entlang der Dicke t der Gleitschicht. Die Gleitschicht erstreckt sich von dem Dickenwert t = 0 an der Oberfläche des Trägerteils 3 des Gleitlagers bis zur Gleitoberfläche an dem Dickenwert t₃. Die Gleitschicht ist in drei Bereiche I, II, III unterschiedlicher metallischer Anteile aufgeteilt. Der mittlere Bereich I weist zwischen den Dickenwerten t₁ und t₂ einen konstanten metallischen Anteil von ca. 25% auf, der einem optimalen Reibkoeffizienten der Gleitschicht entspricht und nahezu 90% der Dicke der Gleitschicht entspricht. Der zwischen den Dickenwerten t₂ und t₃ ausgebildete metallische Anteil des Bereichs III beginnt beim Anteil des Bereichs I und fällt an der Reiboberfläche auf 0% ab und ist kleiner als der metallische Anteil des Bereichs I. Im Neuzustand des Gleitlagers dient der Bereich III dem Einlaufen der Gleitschicht auf der Gleitoberfläche der zugehörigen Welle. Nach Verschleiß des Bereichs III steht mit dem Bereich I ein weiter Bereich mit konstanten Gleiteigenschaften zur Verfügung, bis der Verschleiß der Gleitschicht den Dickenwert t₁ erreicht hat. Hier geht der Bereich I in den Bereich II über, in dem der metallische Anteil stark bis auf 100% an der Oberfläche des Trägerteils 3 ansteigt. Der Bereich II erstreckt sich lediglich über einen geringen Teil von ca. 6% der Gleitschicht und dient der stabilen Fixierung der Gleitschicht an dem Trägerteil 3.
Bezugszeichenliste

1: Diagramm
2: Verlauf
3: Trägerteil
I: Bereich
II: Bereich
III: Bereich
MA: metallischer Anteil
t: Dicke
t₁: Dickenwert
t₂: Dickenwert
t₃: Dickenwert

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102004008631 A1 [0002]

Claims

Gleitlager mit einem metallischen Trägerteil (3) mit einer auf dieses aufgesinterten, porösen Gleitschicht mit einem metallischen Anteil (MA) und einem Anteil eines polymeren Füllstoffs, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht entlang ihrer Dicke (t) in drei Bereiche (I, II, III) unterschiedlichen Anteils an Metall aufgeteilt ist, wobei ausgehend von einem ersten, mittleren Bereich (I) mit einem vorgegebenen metallischen Anteil ein dem Trägerteil (3) zugewandter zweiter Bereich (II) mit einem gegenüber dem ersten Bereich (I) höheren metallischen Anteil und geringerer Dicke und ein einer Gleitoberfläche zugewandter dritter Bereich (III) mit einem gegenüber dem ersten Bereich (I) geringeren metallischen Anteil und geringerer Dicke vorgesehen ist.
Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Anteil des ersten Bereichs (I) zwischen 10% und 50%, der metallische Anteil des zweiten Bereichs (II) zwischen 50% bis 100% und der metallische Anteil des dritten Bereichs (III) zwischen 0% bis 10% beträgt.
Gleitlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (I) eine erste Dicke von 70% bis 90%, der zweite Bereich (II) eine zweite Dicke von 5% bis 15% und der dritte Bereich (III) eine dritte Dicke von 5% bis 15% der Dicke der Gleitschicht aufweisen.
Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Gleitschicht kleiner gleich einem Millimeter, vorzugsweise kleiner gleich 500 Mikrometer ist.
Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verteilung des metallischen Anteils (MA) und des Anteils an Füllstoff über die Dicke (t) der Gleitschicht mittels eines Aufbringens der Anteile auf eine plane Auslegung des Trägerteils, Sintern, Schneiden der planen Auslegung in die für das Gleitlager vorgegebene Größe und anschließendem Rundbiegen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Pulvermaterial zur Bildung des metallischen Anteils und des Anteils an Füllstoff separat auf die Trägerschicht aufgetragen werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schichten von Pulvermaterialien nacheinander aufgetragen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Schicht vollständig aus metallischem Anteil oder Anteil aus Füllstoff gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Schicht aus einer Mischung vorgebbarer Konzentration der Anteile gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der Anteile über die Dicke der Gleitschicht durch Einstellung unterschiedlicher Partikelgrößen des metallischen Anteils und des Anteils an Füllstoff mit einer nachfolgenden Verrüttelung erfolgt.