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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung zweier Körper nach dem Oberbegriff des nebengeordneten Anspruchs.
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Stand der Technik
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Bei einigen Gleit-Wälz-Kontakten müssen zwischen zwei Körpern hohe Pressungen übertragen werden. Unter Gleit-Wälz-Kontakt werden Kontakte mit Rollen und gleichzeitigem Gleiten verstanden. Unter Dauerlast sind bei Verwendung von Stahl Pressungen von etwa 1500 MPa möglich. Dabei bestimmen die zulässigen Pressungen der Kontaktstelle der beiden beteiligten Körper die konstruktiven Merkmale dieser Körper. So wird die Geometrie von beispielsweise Zahnrädern oder anderen Maschinenelementen auch durch die maximal möglichen Pressungen bei vorgegebener Last beeinflusst. So ermöglichen höhere zulässige Pressungen kleinere Bauteile mit geringeren Radien oder größere Übersetzungen in Zahnradstufen.
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Es besteht daher grundsätzlich ein Bedürfnis nach möglichst hohen zulässigen Pressungen bei Gleit-Wälz-Kontakten in der Technik. Um die ertragbaren Pressungen zu erhöhen, sind eine hohe Härte und eine geringe Rauhheit wünschenswert.
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Eine weitere Anforderung sind eine hohe Standzeit und eine geringen Spielzunahme, d. h. ein geringer Verschleiß. Der Verschleiß wird in der Regel maßgeblich durch Adhäsions-Effekte beeinflusst, wobei eine geringe Werkstofffestigkeit unmittelbar an der Oberfläche gegenüber einer höheren Werkstofffestigkeit in darunter liegenden Schichten vorteilhaft ist. Um einen solchen Festigkeitsgradienten zu erreichen, können Schmierstoffe eingesetzt werden.
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Stand der Technik bei leistungsübertragenden Verzahnungen sind tribologische Systeme, welche mit flüssigen oder pastösen Schmierstoffen geschmiert werden, um hohe Pressungen bei einem möglichst geringen Materialabtrag oder Verschleiß zu erreichen.
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In vielen Bereichen der Technik ist die Schmierung mit flüssigen oder pastösen Schmierstoffen zwar grundsätzlich unproblematisch, gleichwohl bedingt der Einsatz dieser Schmierstoffe einen großen Rohstoffverbrauch und auch einen Energieeinsatz. Zusätzlich müssen Maschinenbauteile entsprechend konstruiert werden, um eine Schmierung zu gewährleisten.
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Darüber hinaus stellen Schmierstoffe ein Gefahrenpotenzial im Hinblick auf Umweltverschmutzung dar. Ein weiterer Nachteil sind Schmierstoffwechsel während der Lebensdauer der Maschinenteile. Schmierstoffwechsel sind Kosten- und Zeitaufwendig, da sie Anlagenstillstände bedingen. Außerdem muss der ausgewechselte Schmierstoff entsorgt werden, wobei zusätzliche Kosten entstehen. Weiterhin gibt es Anwendungsbereiche, in welchen flüssige oder pastöse Schmierstoffe nicht eingesetzt werden können. Dies betrifft beispielsweise die Lebensmittelindustrie. Daher besteht grundsätzlich ein Interesse an trocken laufenden tribologischen Systemen, um auf den Einsatz von diesen Schmierstoffen verzichten zu können.
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Nachteilig an bekannten trocken laufenden tribologischen Systemen ist allerdings, dass sie gegenüber herkömmlichen tribologischen Systemen teilweise deutlich geringere Standzeiten oder deutlich geringere Leistungskennwerte aufweisen.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, Vorrichtungen aus dem Stand der Technik, insbesondere trocken geschmierte tribologische Systeme mit zwei oder mehr Körpern, zu verbessern, wobei insbesondere eine möglichst hohe Standzeit bei möglichst guten Leistungskennwerten erreicht werden soll.
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Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 und einem Verfahren zur Herstellung von zwei Körpern nach dem nebengeordneten Anspruch gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung weisen einen ersten Körper mit einer thermokinetisch hergestellten ersten Beschichtung und einen zweiten Körper mit einer zweiten Beschichtung auf, wobei die zweite Beschichtung mit einem Gasphasenabscheide-Verfahren hergestellt ist. Als Gasphasenabscheide-Verfahren kommen insbesondere PVD- (physikalische Gasphasenabscheidung) und CVD(chemische Gasphasenabscheidung)-Verfahren und insbesondere HVOF-(High Velocity Oxygen Fuel), HVSFS- (High Velocity Suspension Flame Spray) oder APS-(Atmospheric Plasma Spraying)Verfahren in Betracht. Vorzugsweise steht der zweite Körper mit dem ersten Körper in einem Gleit-Wälz-Kontakt, insbesondere um eine Kraft zu übertragen. Der Ausdruck „Kraft” ist dabei allgemein zu verstehen, d. h. dass auch eine Momentenübertragung eingeschlossen ist.
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Besonders bevorzugt wird als zweite Beschichtung eine Schicht mit dem Hauptbestandteil Kohlenstoff aufgetragen oder verwendet. Hauptbestandteil bedeutet, dass zumindest 50 Masse-% oder zumindest 50 mol-% der Schicht Kohlenstoff sind. Besonders bevorzugt wird eine DLC(diamond like carbon)-Schicht als zweite Beschichtung. DLC-Schichten mit Metall oder DLC-Schichten ohne Metall haben Vorteile. DLC-Schichten bieten den Vorteil, eine geringe Neigung zu Adhäsion mit den ersten Beschichtungen des ersten Körpers aufzuweisen. Beispiele für DLC-Schichten sind die von der OC Oerlikon Balzers AG in LI-9496 Balzers vertriebenen Beschichtungswerkstoffe Balinit C (C:H-Verbindung) oder Balinit C Star (Wolframkarbid-Schicht mit zusätzlicher Bindungsschicht aus CrN auf dem zweiten Körper) oder Balinit DLC Star (Markennamen). Allgemein werden wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten (a-C:H oder ta-C:H) bevorzugt, in welche gegebenenfalls Metalle eingelagert sein können. Allgemein werden Me-C:H-Schichten (Me: Metall) bevorzugt, da bei diesen durch die Einlagerung von Metallen die tribologischen Eigenschaften verbessert werden können. Bei Anwendungen, welche eine große Härte und Verschleißfestigkeit erfordern, können tretragonale amorphe Kohlenstoffschichten ta-C vorteilhaft sein, welche zumindest im Wesentlichen frei von Wasserstoff sind. Der Ausdruck „im wesentlichen frei von Wasserstoff” bedeutet dabei vorzugsweise, dass weniger als 10 Massen-% oder weniger als 10 mol-% Wasserstoff in der zweiten Beschichtung vorhanden sind.
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Allgemein wird bevorzugt, dass die zweite Beschichtung in einem Gasphasenabscheidungsverfahren, vorzugsweise im Vakuum, durchgeführt wird. Dabei wird die Beschichtung atomar bzw. epitaktisch aufgebracht. Die Härte der zweiten Beschichtung beträgt vorzugsweise mindestens 1000 HV 10, bevorzugter mindestens 1400 HV 10. Die große Härte bietet den Vorteil eines geringen Verschleißes bei großen Pressungen.
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Die erste Beschichtung wird vorzugsweise thermokinetisch in einem Verfahren hergestellt, bei welchem Tröpfchen des Beschichtungsmaterials auf die Oberfläche aufgeschossen werden. Vorzugsweise wird dieser Prozess unter atmosphärischen Umgebungsbedingungen oder zumindest Niederdruck durchgeführt. Vakuum ist in der Regel nicht notwendig. Geeignete Verfahren zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass ein pulverförmiger Beschichtungswerkstoff an- oder aufgeschmolzen wird, sodass es zu einer Tröpfchen- oder Partikel-Bildung kommt, wobei die Partikel eine angeschmolzene Oberfläche aufweisen.
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Vorzugsweise werden die Tröpfchen oder die Partikel mit Geschwindigkeiten von mindestens 200, bevorzugter mindestens 300 m/s oder maximal 1500, bevorzugter maximal 1000 m/s auf den ersten Körper aufgeschossen. Die während des Beschichtungsvorgangs der ersten Beschichtung auf den ersten Körper aufgeschossenen Tröpfchen oder Partikel weisen vorzugsweise eine Größe von wenigstens 0,5 μm, bevorzugter 1 μm auf. Vorzugsweise haben die Tröpfchen oder Partikel von wenigstens 50 Massenprozent mindestens 0,5 μm oder mindestens 1 μm Durchmesser. Beim Aufprall werden die Partikel oder Tröpfchen scheibchenförmig verformt und verbinden sich mit dem Substrat oder mit einer bereits aufgebrachten Beschichtung mechanisch. Zwischen an- oder aufgeschmolzenen Partikeln können auch ungeschmolzene Partikel oder Teilchen eingelagert werden.
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Als Werkstoffe für die thermokinetisch hergestellte erste Beschichtung werden vorzugsweise oxidkeramische Werkstoffe, metallische Werkstoffe oder cermetische Werkstoffe verwendet. Bei den oxidkeramischen Werkstoffen werden Aluminiumoxid, Titanoxid, Chromoxid, Zirkonoxid bevorzugt, wobei auch Mischungen aus den genannten Oxiden bevorzugte Werkstoffe für die erste Beschichtung sind, beispielsweise Chromoxid/Titanoxid oder Aluminiumoxid/Zirkonoxid. Als metallische Werkstoffe werden Eisenbasis-Legierungen wie beispielsweise FeCrAl, Bronze, Lagermetalle oder Nickelbasislegierungen bevorzugt. Bevorzugte cermetische Werkstoffe umfassen vorzugsweise eine metallische Binderphase und eine keramische Hartstoffphase. Die metallische Binderphase ist vorzugsweise auf Nickel-Kobalt- oder Eisenbasis, beispielsweise NiCr, CoCr oder Ni. Die keramische Hartstoffphase umfasst vorzugsweise Karbide, Boride oder Oxide, beispielsweise Wolframkarbid, Chromkarbid oder Titankarbid.
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Vorzugsweise ist auf der ersten Beschichtung ein Gleitlack, ein gebundener, insbesondere ein polymergebundener Festschmierstoff oder eine reine Polymerschicht angeordnet. Der polymergebundene Festschmierstoff wird vorzugsweise in einem Lackierverfahren, vorzugsweise mit Sprühen, Tauchen oder Streichen, auf die erste Beschichtung aufgetragen. Daher wird allgemein diese Lackschicht als Gleitlack bezeichnet. Für den Gleitlack, d. h. die Deckschicht auf der ersten Beschichtung, werden anorganische, graphitische oder organische Festschmierstoffe bevorzugt. Bevorzugte Festschmierstoffe sind im Einzelnen BNhex (hexagonales Bornitrid), Graphit, MoS2 oder WS2. Bevorzugte organische Festschmierstoffe sind PTFE, FEP (Perfluorethylenpropylen) oder PFA (Perfluoralkoxylalkan).
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Der Gleitlack ist vorzugsweise eine Kombination aus einer Matrix mit eingelagertem Festschmierstoff, wobei als Matrix vorzugsweise Polymere verwendet werden. Besonders bevorzugt werden als Matrix der Werkstoff PAI (Polyamidimide) oder als Festschmierstoffe MoS2 oder PTFE. Der Füllgrad der Festschmierstoffe in der Matrix beträgt bei PTFE vorzugsweise mindestens 10% oder maximal 20%, bei Metallen vorzugsweise mindestens 40% oder höchstens 80%, bevorzugter höchstens 60%, jeweils Masse-%, des trockenen Lacks. Die genannten Werkstoffe haben sich als besonders geeignet erwiesen, Oberflächenspannungen herabzusetzen. Weiterhin ist das Herstellen der Gleitlackschicht unproblematisch und kostengünstig. Unebenheiten der Gleitlackschicht laufen sich im Betrieb schnell ein, wobei in der Regel ein Abrieb der Gleitlackschicht auftritt, bis Spitzen der darunter liegenden ersten Beschichtung an die Oberfläche treten.
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Vor dem Auftragen des Gleitlacks wird die erste Beschichtung vorzugsweise nachbearbeitet, insbesondere poliert, Laser-strukturiert, Elektronenstrahl-strukturiert, Ionenstrahl-strukturiert, geläppt, geglättet oder geschliffen. Der Hintergrund ist, dass die thermokinetisch hergestellte erste Beschichtung eine vergleichsweise unregelmäßige Oberfläche aufweist.
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Vorzugsweise wird die zweite Beschichtung auf dem zweiten Körper nicht nachbehandelt. Die zweite Beschichtung ist also vorzugsweise unbehandelt. Die Gasabscheide-Verfahren bieten den Vorteil, dass sie sehr glatte Oberflächen ermöglichen, wobei in der Regel die Rauheit des Grundkörpers abgebildet wird.
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Bei vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung ist der zweite Körper metallisch oder stählern und insbesondere ein Werkzeugstahl, insbesondere ein Warmarbeits-Vergütungsstahl oder einsatzgehärteter Stahl. Allgemein bieten wärmebehandelte Stähle Vorteile. Diese Materialien bieten Vorteile, da die zweite Beschichtung sehr dünn ist und außerdem eine große Härte aufweist. So kommt es auch bei dem darunter liegenden zweiten Körper zu vergleichsweise hohen Pressungen unterhalb der Kontaktstelle der zweiten Beschichtung mit der Beschichtungsoberfläche des ersten Körpers. Vorzugsweise weist der zweite Körper eine Oberflächenhärte von mindestens 500 HV 10 auf, bevorzugter mindestens 600 HV 10. Die Einsatzhärtetiefe beträgt vorzugsweise mindestens 0,1 mm, bevorzugter mindestens 0,3 mm. Eine bevorzugte maximale Einsatzhärtetiefe beträgt 1 mm. Auf diese Weise wird ein Tragsystem für die zweite Beschichtung geschaffen, welches geeignet ist, die Pressung in der zweiten Beschichtung aufzunehmen und eine Beschädigung der zweiten Beschichtung im Betrieb zu vermeiden.
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Vorzugsweise besteht der erste Körper im Wesentlichen aus einem Stahl, insbesondere einem Vergütungsstahl. Dabei weist der Stahl oder der Vergütungsstahl vorzugsweise eine Festigkeit von wenigstens 700 MPa, bevorzugter wenigstens 800 MPa auf. Bevorzugte maximale Festigkeiten liegen bei 1100 MPa, bevorzugter bei 1000 MPa. Die Schichtdicke der ersten Beschichtung ist vergleichsweise dick, sodass der erste Körper eine geringere Härte und Festigkeit benötigt als die Oberfläche des zweiten Körpers. Der erste Körper weist daher vorzugsweise eine geringere Oberflächenhärte auf als die des zweiten Körpers. Der relativ weiche erste Körper erleichtert das thermokinetische Aufbringen der ersten Beschichtung, da eine mechanische Verbindung der ersten Beschichtung mit dem Material des ersten Körpers bei einem relativ weichen Grundmaterial des ersten Körpers erleichtert wird. Die Härte des ersten Körpers beträgt vorzugsweise weniger als 600 HV10, bevorzugter weniger als 500 HV10.
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Vorzugsweise weist die zweite Beschichtung eine Dicke von höchstens 20 μm, bevorzugter höchstens 10 μm, noch bevorzugter höchstens 5 μm auf. Die dünne Schicht erleichtert die Herstellung und vergünstigt die Herstellkosten.
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Vorteilhafterweise weist die erste Beschichtung eine Dicke von mindestens 25 μm, bevorzugter mindestens 40 μm auf. Dies schafft eine ausreichend dicke Schicht, um die Pressungen gleichmäßig auf den ersten Körper, welcher aus einem relativ weichen Material ist, zu verteilen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Getriebe mit einer Vorrichtung in einer der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen oder Kombinationen, insbesondere ein tribologisches System mit den genannten Kombinationen von erstem Körper und zweitem Körper, wobei der erste Körper und der zweite Körper verzahnt sind. Vorzugsweise sind der erste Körper und der zweite Körper Maschinenbauteile, welche zu einer verzahnten Kraft- oder Momentenübertragung eingesetzt werden können.
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Das tribologische System dieser Erfindung bietet im Zusammenhang mit Getrieben und Zahnrädern besondere Vorteile, da in solchen Getrieben Gleit-Wälz-Kontakte mit hohen Pressungen auftreten. Weiterhin sind bei Getrieben zahlreiche Anwendungen bekannt, bei welchen eine Trockenschmierung wünschenswert ist. Bevorzugte Anwendungsbereiche sind die Papierindustrie, die Lebensmittelindustrie oder die Medizintechnik. Bei offenen Zahnstangenantriebe oder offenen Antrieben bietet die Erfindung besondere Vorteile.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung einer Vorrichtung in einer der beschriebenen vorteilhaften Ausführungsvarianten für eine Kraftübertragung mit einem Gleit-Wälz-Kontakt mit maximalen Pressungen von mindestens 400 MPa, bevorzugter mindestens 600 MPa oder einem maximalen Schlupf bezogen auf den langsameren der beiden Körper von mindestens 50%, bevorzugter mindestens 80%, noch bevorzugter mindestens 100%. Vorzugsweise ist die Vorrichtung für eine Kraftübertragung mit einem Gleit-Wälz-Kontakt mit maximalen Pressungen von mindestens 400 MPa, bevorzugter mindestens 600 MPa oder einem maximalen Schlupf bezogen auf den langsameren der beiden Körper von mindestens 50%, bevorzugter mindestens 80%, noch bevorzugter mindestens 100% geeignet. Dabei bezieht sich der geforderte Mindest-Maximalwert jeweils auf einen Wert, welcher im Betrieb als Maximalwert mindestens erreicht wird, d. h. dass auch Verwendungen mit höheren Maximalwerten umfasst sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert, wobei die Zeichnung zeigt:
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1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht den Kontakt zwischen einem ersten Körper und einem zweiten Körper, welche in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beschichtet sind.
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Bevorzugtes Ausführungsbeispiel
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Kombination von zwei Körpern gezeigt, die ein tribologisches System bilden. Ein erster Körper 1 und ein zweiter Körper 2 sind geschnitten teilweise dargestellt. Die beiden Körper 1 und 2 stehen in einem Gleit-Wälz-Kontakt, wobei zur Vereinfachung der Darstellung auf die Darstellung einer Krümmung verzichtet wurde. Die Prinzipskizze der 1 zeigt lediglich das Prinzip des tribologischen Systems, welches vorteilhaft beispielsweise bei Verzahnung eingesetzt werden kann.
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Der zweite Körper 2 besteht aus 18 CrNiMo7-6, welches einsatzgehärtet wurde. Die Einsatzhärtetiefe beträgt 0,5 mm, wobei die Oberflächenhärte zwischen 650 und 750 HV 10 beträgt. Der mit dem zweiten Körper 2 in Gleit-Wälz-Kontakt stehende erste Körper 1 besteht aus einem relativ weicheren Material, nämlich 42 CrMo4, welches auf eine Festigkeit zwischen 850 und 900 MPa vergütet wurde. Der erste Körper 1 ist nicht einsatzgehärtet.
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Auf den zweiten Körper 2 wurde in einem PVD-Verfahren eine Balzers BALINIT® C-Star-(Markenname)-Schicht als zweite Beschichtung 2 aufgetragen. Die zweite Beschichtung 2 weist eine Dicke von 4 μm auf.
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Auf den ersten Körper 1 wurde mit einem thermokinetischen Verfahren ein Nano3-Pulver aufgetragen, welches von der Firma DURUM Verschleissschutz GmbH Linsellesstraße 125 DE-47877 Willich, Deutschland erhältlich ist. Nano3 ist eine Eisen-Basislegierung. Zum Auftragen wird das Pulver mit Hilfe eines Fördergases einer Brennkammer zugeführt. Dort werden durch Entzünden eines Brenngas-Sauerstoff-Gemisches die Partikel des Pulver an- oder aufgeschmolzen. Durch eine Expansionsdüse werden die Gase mit den Partikeln in Richtung des Substrats beschleunigt, wo sie beim Auftreffen zu so genannten Splats scheibchenförmig verformt werden. Eine Bindung mit dem Körper 1 erfolgt mechanisch und durch Auskühlen und Verfestigung der Beschichtung.
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Bei der Herstellung mit dem thermokinetischen Beschichtungsverfahren wird die erste Beschichtung 3 bis auf eine Dicke von etwa 100 μm aufgetragen. Nach dem Auftragen wird die erste Beschichtung 2 geschliffen und laserstrukturiert, um eine möglichst glatte Oberfläche zu erhalten. Auf die polierte erste Beschichtung 3 wurde ein Gleitlack 5 aufgetragen. Der Gleitlack 5 besteht aus einer 25%-igen PAI-Matrix mit eingelagertem MoS2-Festschmierstoff. Alternativ kann auch von Klüber Klüber Lubrication München KG, Geisenhausenerstr. 7, 81379 München der Gleitlack unimoly C 220 verwendet werden.
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Nach Abschleifen oder nach Einlauf des tribologischen Systems füllt der Gleitlack 5 lediglich Unebenheiten der ersten Beschichtung 3 aus, wobei die Spitzen der ersten Beschichtung 3 in unmittelbaren Kontakt mit der zweiten Beschichtung 2 geraten. An der Grenzfläche zwischen der ersten Beschichtung 3 mit dem Gleitlack 5 einerseits und der zweiten Beschichtung 4 andererseits ist nun ein trocken geschmierter Gleit-Wälz-Kontakt entstanden, welcher bei hohen Pressungen geringen Verschleiß aufweist.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene beispielhafte tribologische System beschränkt, vielmehr wird der Umfang der Erfindung durch die Ansprüche definiert.
