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Die Erfindung betrifft ein Gleitsystem mit einem Gleitelement und einem in gleitendem Kontakt mit dem Gleitelement stehenden Gegenkörper, wobei das Gleitelement eine wenigstens teilweise mit amorphem Kohlenstoff (DLC) beschichtete Oberfläche aufweist.
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Amorphe Kohlenstoffschichten, sogenannte „Diamond-like carbon“-Schichten oder DLC-Schichten, sind in vielen Bereichen des Maschinenbaus von Nutzen. In tribologisch hoch belasteten Anwendungen werden amorphe Kohlenstoffschichten zur Verschleißreduzierung auf beanspruchte Bauteile aufgetragen. Aufgebracht werden die Kohlenstoffschichten beispielsweise im PVD- und/oder PA-CVD-Verfahren.
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Im Folgenden wird die Nomenklatur nach der Richtlinie des Vereins Deutscher Ingenieure zu Kohlenstoffschichten von November 2005 (VDI 2840) angewandt, die, abhängig von der überwiegenden Hybridisierung der Kohlenstoffatome in der Kohlenstoffschicht, amorphe Kohlenstoffschichten in zwei Kategorien einteilt. Bei überwiegender sp2-Hybridisierung spricht man von wasserstofffreien amorphen Kohlenstoffschichten (a-C). Enthält eine solche Schicht Metallatome oder Wasserstoffatome in einem Anteil von über 3 At.-%, so spricht man von metallhaltigen beziehungsweise wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoffschichten (a-C:Me bzw. a-C:H). Weist die Kohlenstoffschicht sowohl Metall- als auch Wasserstoffatome auf, so ist von metallhaltigen wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoffschichten (a-C:H:Me) die Rede. Liegt eine überwiegende sp3-Hybridisierung der Kohlenstoffatome in der Kohlenstoffschicht vor, werden die Schichten als tetraedrische wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschichten (ta-C) bezeichnet. Auch hier kann die Kohlenstoffschicht Wasserstoffatome enthalten. In diesem Fall spricht man von tetraedrischen wasserstoffhaltigen amorphen Kohlenstoffschichten (ta-C:H). Diese Aufzählung von verschiedenen Kohlenstoffschichttypen ist selbstverständlich nicht abschließend. Die verschiedenen Typen der amorphen Kohlenstoffschichten weisen unterschiedliche Eigenschaften auf, und somit ist die Wahl des Schichttyps für eine bestimmte Anwendung von den jeweiligen Anforderungen an die Kohlenstoffschicht abhängig.
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Gleitsysteme bestehen aus mehreren sich gegeneinander bewegenden Teilen, die einzeln gefertigt werden. Aufgrund von Fertigungstoleranzen passen die Einzelteile ab Werk nicht exakt zueinander, sodass zu Beginn der Lebenszeit eines Gleitsystems ein vergrößerter Verschleiß stattfindet, bis sich die einzelnen Bauteile aneinander angepasst haben. Man bezeichnet diesen Zeitraum der Anpassung als Einlaufen, und in der Regel beginnt dieses Einlaufen mit der ersten Inbetriebnahme des Gleitsystems. Im Folgenden wird jedoch der Begriff des Einlaufens oder der Einlaufphase für einen Zeitraum benutzt, in dem das Gleitsystem mit einem ersten Gleitmittel, welches nicht das langfristig benutzte Gleitmittel ist, betrieben wird. Bevorzugt beginnt dieses Einlaufen auch mit der ersten Inbetriebnahme des Gleitsystems, es ist aber nicht darauf beschränkt.
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Ein gattungsgemäßes Gleitsystem ist aus der
EP 1 510 594 bekannt. Darin ist ausgeführt, dass mit amorphem Kohlenstoff behandelte Oberflächen nicht mit herkömmlichen Schmierstoffen verträglich sind, die üblicherweise reibungsreduzierende Zusätze auf der Grundlage anorganischer Verbindungen wie Molybdändisulfid oder organischen Molybdänverbindungen enthalten. Es wird gezeigt, dass die Reibung solcher Systeme durch Verwendung von Gleitmitteln reduziert werden kann, die organische sauerstoffhaltige Verbindungen enthalten. Dieser Effekt wird auf die Bildung eines tribologischen Films zurückgeführt, der auf der Kohlenstoffoberfläche gebildete funktionelle Gruppen wie Etherbindungen, Oxide und Hydroxylgruppen aufweist.
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Gleitmittel, die in einem wesentlichen Anteil organische sauerstoffhaltige Verbindungen enthalten, finden keine große Verbreitung. Somit sind Gleitsysteme, die diese speziellen Gleitmittel benötigen, bisher nicht in Massenprodukten einsetzbar. Desweiteren sind auch in einem Gleitsystem, wie beispielsweise einem Motorblock, nicht alle zu schmierenden Teile mit amorphem Kohlenstoff beschichtet, da diese Beschichtung kostspielig ist. Der Einsatz eines speziell für die mit amorphem Kohlenstoff beschichteten Teile reibungsreduzierend wirkenden Gleitmittels kann somit die tribologischen Eigenschaften der unbeschichteten Teile nachteilig beeinflussen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gleitsystem bereitzustellen, das zumindest ein Gleitelement mit einer wenigstens teilweise mit amorphem Kohlenstoff beschichteten Oberfläche aufweist und das in Kombination mit einem herkömmlichen Gleitsystem verwendet werden kann.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Gleitsystem gemäß Anspruch 1.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, die wahlweise miteinander kombiniert werden können.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Gleitsystem mit einem Gleitelement und einem in gleitendem Kontakt mit dem Gleitelement stehenden Gegenkörper. Das Gleitelement weist eine wenigstens teilweise mit amorphem Kohlenstoff beschichtete Oberfläche auf, die durch Einlaufen mit einem ersten Gleitmittel behandelt ist, das wenigstens eine sauerstoffhaltige organische Verbindung enthält. Nach dem Einlaufen ist das erste Gleitmittel durch ein herkömmliches reibungsreduzierendes Gleitmittel mit einem Grundöl auf Kohlenwasserstoffbasis ersetzt.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine dauerhafte Schmierung des Gleitsystems mit einem Gleitmittel, das wenigstens eine sauerstoffhaltige organische Verbindung enthält, nicht notwendig ist, um die Reibung eines gattungsgemäßen Gleitsystems dauerhaft zu reduzieren. Vielmehr genügt es, während des Einlaufens ein erstes Gleitmittel, das eine sauerstoffhaltige organische Verbindung enthält, zu benutzen, das nach Beendigung des Einlaufens durch ein reibungsreduzierendes Gleitmittel mit üblichen Schmiermittelzusätzen ersetzt wird. Durch die Benutzung des ersten Gleitmittels während des Einlaufens wird die Verträglichkeit der mit amorphem Kohlenstoff behandelten Oberflächen mit herkömmlichen Schmierstoffen verbessert, sodass diese Schmierstoffe dauerhaft zur Reduktion der Reibung des Gleitsystems verwendet werden können. Eine chemische Veränderung der Oberfläche der Kohlenstoffschicht unter Bildung von funktionellen Gruppen wie Etherbindungen, Oxiden und Hydroxylgruppen auf der Oberfläche, stellt eine mögliche Erklärung für die verbesserte Verträglichkeit dar. Nach der Ausbildung dieser funktionellen Gruppen auf der Kohlenstoffoberfläche ist zur Aufrechterhaltung der Reibungsreduzierung kein Gleitmittel mit einer sauerstoffhaltigen organischen Verbindung vonnöten, sodass nach Beenden des Einlaufens auch herkömmliche reibungsreduzierende Gleitmittel, wahlweise mit üblichen Zusätzen zur Reibungsverminderung des Gleitsystems, benutzt werden können.
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Durch die Benutzung herkömmlicher und somit weitverbreiteter Gleitmittel ist das erfindungsgemäße Gleitsystem sofort für Massenprodukte benutzbar, da es auf die Verbreitung von Gleitmitteln auf der Grundlage spezieller sauerstoffhaltiger organischer Verbindungen am Markt nicht angewiesen ist. Zudem ist die Benutzung herkömmlicher Gleitmittel, die auf die Verwendung mit unbeschichteten Teilen optimiert sind, vorteilhaft für die Reibungsreduzierung der Bauteile, die nicht mit einer amorphen Kohlenstoffschicht versehen wurden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der amorphe Kohlenstoff aus der aus a-C, ta-C, a-C:Me, a-C:H, ta-C:H und a-C:H:Me bestehenden Gruppe ausgewählt. Die Kohlenstoffschichttypen dieser Gruppe sind wohlbekannt und lassen sich vorteilhafterweise durch PVD- und/oder PA-CVD-Verfahren herstellen.
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Besonders bevorzugt besteht der amorphe Kohlenstoff aus einer ta-C Kohlenstoffschicht, da diese durch die überwiegende sp3-Hybridisierung ihrer Kohlenstoffatome eine hohe Festigkeit und Härte aufweist.
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Das erste Gleitmittel enthält die vorzugsweise eine sauerstoffhaltige organische Verbindung, die aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff besteht und frei von weiteren Heteroatomen ist.
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Bevorzugt weist die sauerstoffhaltige Verbindung zumindest eine der folgenden funktionellen Gruppen auf: Hydroxylgruppe, Carboxylgruppe, Etherbindung, Esterbindung, Ketongruppe, Aldehydgruppe und Carbonylgruppe. Diese funktionellen Gruppen eignen sich aufgrund ihres Sauerstoffanteils besonders zur Umsetzung mit der amorphen Kohlenstoffschicht unter Bildung eines beständigen tribologischen Films.
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Besonders bevorzugt ist die sauerstoffhaltige Verbindung eine monomere organische Verbindung. Im Vergleich zu Polymeren ist die Reaktionsfähigkeit solcher monomeren Verbindungen gegenüber amorphen Kohlenstoffschichten erhöht.
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Die sauerstoffhaltige Verbindung kann beispielsweise aus der aus Alkoholen, Carbonsäuren, Ethern, Estern, Ketonen, Aldehyden und Carbonaten bestehenden Gruppe ausgewählt sein. Diese sauerstoffhaltigen Verbindungen wohlbekannt und als Grundchemikalien hinreichend verfügbar sind.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die sauerstoffhaltige Verbindung einen C8- bis C30-Fettsäureester von Glykol oder einem anderen mehrwertigen Alkohol, bevorzugt einen C10- bis C20-Fettsäureester und ganz besonders bevorzugt einen Oleinsäureester von Glykol, besonders bevorzugt Glycerolmonooleat (GMO). Versuche mit Gleitmitteln, die diese Verbindungsklasse enthalten, haben eine deutliche Reduzierung der Reibung des Gleitsystems in der Einlaufphase gezeigt.
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Im übrigen kann auf die in der
EP 1 510 594 A2 im einzelnen genannten sauerstoffhaltigen Verbindungen zurückgegriffen werden.l
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Das erste Gleitmittel enthält die sauerstoffhaltige Verbindungen vorzugsweise in einem Anteil von über 25 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 50 Gew.-% und besonders bevorzugt mindestens 70 Gew.-%, damit eine ausreichende Reaktivität gegenüber der amorphen Kohlenstoffschicht zur Bildung des tribologischen Films mit sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen auf der Oberfläche der Kohlenstoffschicht gewährleistet ist.
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Ganz besonders bevorzugt besteht das erste Gleitmittel aus der sauerstoffhaltigen Verbindung, wahlweise in wässriger Lösung, um eine verbesserte Bildung der sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen auf der Oberfläche der Kohlenstoffschicht zu gewährleisten.
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Das reibungsreduzierende Gleitmittel ist vorzugsweise ein Schmieröl auf Grundlage von Kohlenwasserstoffen und üblichen Zusätzen in einem Anteil von 0 bis 25 Gew.-%. Bevorzugt ist das Schmieröl auf der Grundlage von Mineralöl gebildet. Ganz besonders bevorzugt ist das Schmieröl ein herkömmliches Motoröl. Dies ist aufgrund der weiten Verfügbarkeit eines solchen Schmieröls und erprobten tribologischen Eigenschaften für Metall-Metall-Kontakte und/oder Metall/Kunststoff-Kontakte besonders vorteilhaft.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines reibungsreduzierten Gleitsystems angegeben. Dieses umfasst eine Einlaufbehandlung des Gleitsystems mit einem ersten Gleitmittel, bis das Gleitsystem einen nahezu konstanten, reduzierten Reibwert erreicht, und bei dem nach der Einlaufbehandlung das erste Gleitmittel durch ein reibungsreduzierendes Gleitmittel ersetzt wird.
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Gleiche oder ähnliche Vorteile, wie sie bereits im Hinblick auf das erfindungsgemäße Gleitsystem beschrieben wurden, treffen auch auf das erfindungsgemäße Verfahren zu und bedürfen daher keiner weiteren Erläuterung.
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Das erfindungsgemäße Gleitsystem wird vorzugsweise als Gleitringdichtung oder als Kolbenring-Zylinderwand-Kombination verwendet.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung des erfindungsgemäßen Gleitsystems in Kombination mit herkömmlichen Gleitsystemen, die Metall-Metall-Kontakte und/oder Metall-Kunststoff-Kontakte aufweisen. Bei diesen Kombinationen kann vorteilhaft das gleiche reibungsreduzierende Gleitmittel sowohl für das erfindungsgemäße als auch das herkömmliche Gleitsystem eingesetzt werden.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, die jedoch nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden soll. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Skizze eines beispielhaften Gleitsystems;
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2 den Reibwertverlauf eines Gleitsystems, bei dem ausschließlich ein Gleitmittel benutzt wurde, das eine sauerstoffhaltige organische Verbindung enthält; und
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3 den Reibwertverlauf eines erfindungsgemäßen Gleitsystems im Vergleich mit einem nicht-erfindungsgemäßen Gleitsystem.
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In der 1 ist ein Gleitsystem 10 schematisch dargestellt. Ein Gleitelement 12 steht in gleitendem Kontakt mit einem Gegenkörper 14. Die Oberfläche 16 des Gleitelementes 12 ist wenigstens teilweise mit amorphem Kohlenstoff, vorzugweise ta-C, beschichtet. Nicht gezeigt ist das Gleitmittel zwischen dem Gleitelement 12 und dem Gegenkörper 14, das die Reibung bei Bewegungen des Gleitelementes 12 gegenüber dem Gegenkörper 14 reduziert.
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Die 2 und 3 sind Messkurven, in denen der Reibwert von verschiedenen Versuchsanordnungen gegen die Laufzeit aufgetragen ist. Die Versuchsanordnungen bestehen jeweils aus einem Gleitsystem 10 gemäß 1, bei dem die Oberfläche 16 des Gleitelementes 12 wenigstens teilweise mit amorphem Kohlenstoff beschichtet wurde und das zunächst mit einem ersten Gleitmittel, das eine sauerstoffhaltige organische Verbindung enthält, vorzugsweise GMO, zum Einlaufen betrieben wird. Das Einlaufen erstreckt sich hierbei vom Start der Versuchsanordnung bis zum Zeitpunkt T.
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In der Versuchsanordnung gemäß 2 wird nach Beenden des Einlaufens zum Zeitpunkt T das erste Gleitmittel durch frisches Gleitmittel gleicher Zusammensetzung ersetzt. Der Reibwert fällt von einem relativ hohen Wert zu Beginn schnell auf einen nahezu konstanten Wert ab, den er auch über den Wechsel des Gleitmittels hinaus hält.
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In 3 zeigt die Messkurve A den Verlauf des Reibwerts einer Versuchsanordnung, bei der nach Beenden des Einlaufes zum Zeitpunkt T das erste Gleitmittel, vorzugsweise GMO, durch ein herkömmliches Gleitmittel auf Basis von Kohlenwasserstoffen wie Polyalphaolefin (PAO) ersetzt wird. Zum Vergleich ist zudem die Messkurve B einer Versuchsanordnung eingetragen, in der ausschließlich das herkömmliche Gleitmittel benutzt wurde.
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Wie auch in der Versuchsanordnung gemäß 2 fällt der Reibwert der Messkurve A während des Einlaufens schnell auf einen nahezu konstanten Wert ab. Ein Unterschied tritt erst nach dem Wechsel des Gleitmittels zum Zeitpunkt T auf. Nach dem Wechsel auf ein herkömmliches Gleitmittel ist ein kurzzeitiger Anstieg des Reibwertes zu beobachten, jedoch fällt der Reibwert schnell wieder auf einen nahezu konstanten Wert ab.
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Im Gegensatz dazu zeigt die Messkurve B des Vergleichsversuchs nur einen leichten Abfall des Reibwertes und anschließend einen kontinuierlichen Reibwertanstieg, sodass der Reibwert des Vergleichsversuchs zum Ende der Versuchsdauer deutlich über dem Reibwert Messkurve A liegt, die einem erfindungsgemäßen Gleitsystems entspricht.
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Eine Reduzierung der Reibung eines Gleitsystems mit wenigstens teilweise mit amorphem Kohlenstoff beschichteten Bauteilen wird also durch die Verwendung eines Gleitmittels auf Basis von Kohlenwasserstoffen nach Einlaufen des Gleitsystems unter Verwendung eines sauerstoffhaltige organische Verbindungen enthaltenden Gleitmittels erreicht.
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Zur Ermittlung der in den 2 und 3 gezeigten Messkurven wurden Modellversuche durchgeführt. Hierbei bestand das Gleitsystem 10 aus einer Prüfscheibe 12 und einer Kugel 14 aus 100Cr6 Stahl, wobei die Oberfläche 16 der Prüfscheibe 12 mit ta-C Kohlenstoff beschichtet wurde. Die Messungen wurden an einem Tribometer der Firma Optimol Instruments durchgeführt.
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Als reibungsreduzierendes Gleitmittel wurde ein Polyalphaolefin (PAO) benutzt, und als Gleitmittel mit einer sauerstoffhaltigen Verbindung wurde Glycerolmonooleat (GMO) gewählt.
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Während der Versuche wurde die Kugel 14 durch das Tribometer oszillatorisch mit einer Frequenz von 50 Hz bei einer Spurlänge von 1 mm bewegt. Dabei wurden Prüfscheibe 12 und Kugel 14 mit einer Normalkraft von 50 N aufeinander gepresst. Die Temperatur der Anordnung betrug 120°C. Der Zeitpunkt T, zu dem der Austausch des Gleitmittels stattfand, variierte zwischen den Versuchen und kann jeweils aus den 2 und 3 abgelesen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1510594 [0005]
- EP 1510594 A2 [0020]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Richtlinie des Vereins Deutscher Ingenieure zu Kohlenstoffschichten von November 2005 (VDI 2840) [0003]
