DE102014005805A1

DE102014005805A1 - Gleitelement mit Schichtsystem

Info

Publication number: DE102014005805A1
Application number: DE102014005805.0A
Authority: DE
Inventors: Volker Voggeser; Gerhard Thumm; Jürgen Meyer
Original assignee: CCT COMPOSITE COATING TECHNOLOGIES GmbH; Wieland Werke AG
Current assignee: CCT COMPOSITE COATING TECHNOLOGIES GmbH; Wieland Werke AG
Priority date: 2014-04-19
Filing date: 2014-04-19
Publication date: 2015-10-22
Also published as: US20150300408A1; US10082175B2; JP2015206460A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gleitelement, welches zumindest aus einem Grundkörper und einem darauf aufgebrachten Schichtsystem besteht. Das Schichtsystem umfasst mindestens eine erste Schicht der Dicke s1, die auf dem Grundkörper aufgebracht ist, und Hartstoffpartikel mit einer mittleren Ausdehnung d, die in die erste Schicht eingebracht und somit auf dem Grundkörper zumindest fixiert sind. Erfindungsgemäß ist durch die Hartstoffpartikel eine Oberflächenstrukturierung des Gleitelements gebildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleitelement mit einem Schichtsystem. Gleitelemente werden in Lagersystemen mit einer Lagerpaarung aus mindestens einem Lager und einem Gegenlaufpartner verwendet. Lager und Gegenlaufpartner weisen jeweils mindestens eine Lauffläche auf. Charakteristisch für Gleitlager ist eine Relativbewegung zwischen Lager und Gegenlaufpartner entlang der Laufflächen. Die Relativbewegung verursacht nicht unerhebliche Reibungskräfte und somit einen Leistungsverlust. Bei motorischen Anwendungen, wie beispielsweise bei Pleuellagern, muss dieser Leistungsverlust durch einen Mehraufwand an Kraftstoff kompensiert werden. Darüber hinaus führen die Reibungskräfte auch zum Verschleißen der Bauteile.
Es ist bekannt, dass durch geeignete Beschichtungen der Laufflächen die Reibungsverhältnisse in einem Gleitlager verbessert werden können. Insbesondere dienen Beschichtungen als Einlaufschichten. Einlaufschichten können Maßtoleranzen an den Bauteilen des Lagers ausgleichen.
Aus der Druckschrift US 7,229,699 B2 ist ein Gleitlager mit einem Schichtsystem mit Hartstoffpartikeln bekannt. Die Hartstoffpartikel sind in einer speziellen Hartpartikelschicht vollständig eingebaut. Sie haben eine mittlere Größe zwischen 0,5 und 150 μm und sie sind deutlich kleiner als die Dicke der Hartpartikelschicht.
Die Hartpartikelschicht befindet sich zwischen einem Lagermetall und weiteren Schichten. Die äußerste Schicht ist eine Schutzschicht. Eine Strukturierung der Oberfläche ist nicht näher spezifiziert.
Des Weiteren ist aus der DE 103 56 784 A1 ein Gleitelement mit einer Gleitschicht bekannt. Die Gleitschicht besteht aus einer Hohlräume bildenden Stützstruktur in Kombination mit einem Gleitmaterial. Das Material der Stützstruktur weist eine höhere Festigkeit auf als das Gleitmaterial. Eine Strukturierung der Oberfläche wird nicht offenbart.
Der EP 0 725 158 A1 ist eine gleitverschleißfeste Verbundbeschichtung als Laufschicht von Kolbenringen zu entnehmen. In einer Bindelegierung sind Hartstoffpartikel und Partikel aus einem festen Schmierstoff eingebettet, wobei die Hartstoffpartikel kleiner als die Schmierstoffpartikel sind. Die Beschichtung wird durch thermisches Spritzen aufgebracht. Die Dicke der Verbundbeschichtung ist wesentlich größer als die mittlere Größe der Pulverteilchen, die die Hartstoffpartikel und Bindelegierungsphasen enthalten. Eine Strukturierung der Oberfläche durch die Hartstoffpartikel wird nicht offenbart.
Ferner ist in der DE 198 24 310 C1 ein Gleitlager mit Gleitschicht beschrieben. Die Oberfläche der Gleitschicht weist runde Erhebungen und Senken auf. Die Gleitschicht besteht aus einer metallischen Legierung, die mittels Elektronenstrahlbedampfung auf einem Trägerkörper aufgebracht wird. Die Gleitschicht enthält keine Hartstoffpartikel.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, verbesserte Gleitelemente für Lagersysteme anzugeben. Insbesondere soll durch ein geeignetes Schichtsystem auf mindestens einer Lauffläche das Einlaufverhalten des Lagersystems verbessert werden. Das Schichtsystem soll für Lagersysteme mit hoher Passgenauigkeit geeignet sein und bereits bei geringer Dicke seine volle Funktionsfähigkeit zeigen.
Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfindung schließt ein Gleitelement ein, welches zumindest aus einem Grundkörper und einem darauf aufgebrachten Schichtsystem besteht. Der Grundkörper kann dabei bevorzugt eine Komponente umfassen, die aus einem metallischen Lagerwerkstoff besteht. Das Schichtsystem umfasst mindestens eine erste Schicht der Dicke s₁, die auf dem Grundkörper aufgebracht ist, und Hartstoffpartikel mit einer mittleren Ausdehnung d, die in die erste Schicht eingebracht und somit auf dem Grundkörper zumindest fixiert sind. Erfindungsgemäß ist durch die Hartstoffpartikel eine Oberflächenstrukturierung des Gleitelements gebildet.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass strukturierte Oberflächen ein verbessertes Einlaufverhalten von Gleitlagern bewirken. Hartstoffpartikel üben beim Einlaufvorgang einen Poliereffekt auf der Gegenlauffläche der Lagerpaarung aus. Die Hartstoffpartikel werden auf der Oberfläche des Grundkörpers mittels einer geeigneten Schicht fixiert. Die Fixierung der Hartstoffpartikel in der Schicht erfolgt durch mechanische Umklammerung. Erfindungsgemäß werden die Hartstoffpartikel derart in die Schicht eingebaut, dass auf der Oberfläche des Schichtsystems eine Oberflächenstrukturierung gebildet wird, die durch die Hartstoffpartikel verursacht ist. Dabei ist es einerseits möglich, dass Teile der Hartstoffpartikel wie Inseln aus der Oberfläche der obersten Schicht des Schichtsystems herausragen. Diese erhabenen, exponierten Bereiche stellen somit die Oberflächenstrukturierung direkt dar. Andererseits ist es auch möglich, dass die Hartstoffpartikel durch die oberste Schicht des Schichtsystems zwar bedeckt sind, das gesamte Schichtsystem jedoch so gestaltet ist, dass auf der Oberfläche des Schichtsystems eine Topographie mit erhabenen Bereichen gebildet ist. In den erhabenen Bereichen befinden sich Hartstoffpartikel unter der äußeren Oberfläche des Schichtsystems. Die Hartstoffpartikel sind unter Beibehaltung der Oberflächentopographie von der Schicht überwachsen. Durch die erhabenen Bereiche wird ebenfalls eine erfindungsgemäße Oberflächenstrukturierung geschaffen. Derartige Schichtsysteme können beispielsweise durch Verfahren der physikalischen oder chemischen Gasphasenabscheidung gebildet werden. Es ist auch möglich, dass eine Kombination der beiden beschriebenen Varianten vorliegt. Bevorzugt können die einzelnen Hartstoffpartikel voneinander beabstandet sein. Dadurch wird eine ausgeprägte Oberflächenstrukturierung ermöglicht.
Durch die erfindungsgemäße Oberflächenstrukturierung wird ein Gleitelement mit einer für gleitende Beanspruchung vorteilhaften Oberfläche geschaffen. In der Einlaufphase des Gleitlagers liegt zunächst nur an den höchsten Punkten der Oberflächenstrukturierung ein Kontakt zwischen der Lauffläche des Lagers und der Lauffläche des Gegenlaufpartners vor. Die Zwischenräume zwischen den erhabenen Bereichen der Oberflächenstrukturierung können mit Schmiermittel gefüllt sein und sorgen so für einen schonenden Einlaufvorgang. Falls während des Einlaufvorgangs Abriebpartikel auftreten, können diese in die Zwischenräume ausweichen und aus dem Lagerbereich ausgetragen oder vom Schichtmaterial absorbiert werden. Das Einlaufen der Lager ist mit einem stetigen, wenn auch geringem Abtrag der exponierten, erhabenen Bereiche der Hartstoffpartikel verbunden. Nach Abschluss des Einlaufvorgangs liegt eine eingeebnete Oberfläche vor und das Schichtsystem besteht aus verschleißfesten Strukturelementen mit einer Stützwirkung, nämlich den Hartstoffpartikeln, sowie vergleichsweise weichen, duktilen Zwischenbereichen. Bevorzugt weist das Schichtsystem hierzu mindestens eine Schicht auf, die aus einem Werkstoff besteht, dessen Härte mindestens 80 HV 0,1 und höchstens 250 HV 0,1 beträgt.
Bevorzugt weisen die Hartstoffpartikel eine einheitliche Größe auf. Dies bedeutet, dass die Ausdehnung d_i der einzelnen Partikel nur wenig um den Mittelwert d der Ausdehnung aller Hartstoffpartikel schwankt. Unter der Ausdehnung d_i eines einzelnen Partikels soll dabei der Durchmesser einer zum Partikel volumengleichen Kugel verstanden werden. Je einheitlicher die Größe der Hartstoffpartikel ist, desto leichter ist es, die Dicke s₁ der ersten Schicht so anzupassen, dass einerseits eine ausreichende Fixierung möglichst vieler Hartstoffpartikel erreicht wird und andererseits möglichst viele Hartstoffpartikel zur Bildung der Oberflächenstrukturierung beitragen. Kleine Hartstoffpartikel lassen sich zwar schon mit geringen Schichtdicken fixieren, mit zunehmender Schichtdicke können sie aber komplett in der Schicht verschwinden. Große Hartstoffpartikel sind zwar sehr hilfreich bei der Erzeugung einer Oberflächenstrukturierung, sie benötigen jedoch eine relativ große Schichtdicke zu ihrer Fixierung. Bevorzugt beträgt die Standardabweichung der Größenverteilung der Hartstoffpartikel höchstens 10% des Mittelwerts der Größenverteilung.
Die Hartstoffpartikel weisen bevorzugt eine Form ohne Ecken und Kanten auf. Insbesondere können sie eine ellipsoide oder sphärische Form haben.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann zumindest ein Teil der Hartstoffpartikel einen Überstand über die erste Schicht aufweisen. Die Hartstoffpartikel werden also so in die Schicht eingebaut, dass ein Teil der Hartstoffpartikel inselartig über die Schicht ragt. Dieser Überstand der Partikel kann je nach Form der Partikel beispielsweise die Form von Kuppen oder andersartig geformten Erhebungen haben. Bei einem Schichtsystem, das aus lediglich einer Schicht besteht, bildet dann der Überstand dieser Partikel selbst die Oberflächenstrukturierung des Gleitelements. Der besondere Vorteil eines solchen Schichtsystems ist ein rasches Einlaufen in Kombination mit einem einfachen und deshalb kostengünstigen Schichtaufbau. Die Hartstoffpartikel sollten in diesem Fall zu mindestens 60% ihrer Ausdehnung in die Schicht eingebettet sein, um eine ausreichende Umklammerung sicherzustellen. Bevorzugt können die Hartstoffpartikel maximal zu 90% ihrer Ausdehnung von der ersten Schicht umschlossen sein. Der Überstand über die erste Schicht beträgt dann mindestens 10% der Ausdehnung der Hartstoffpartikel. Dadurch wird eine ausreichende Oberflächenstrukturierung sichergestellt.
Vorteilhafterweise kann die Dicke s₁ der ersten Schicht so bemessen sein, dass sie mindestens 60% und höchstens 90% der mittleren Ausdehnung d der Hartstoffpartikel beträgt. Dieses Kriterium zur Bemessung der Schichtdicke eignet sich besonders dann, wenn die Hartstoffpartikel eine einheitliche Größe aufweisen.
Vorteilhafterweise kann auf der ersten Schicht eine zweite Schicht aufgebracht sein, durch die die Hartstoffpartikel eingefasst sind. Hierdurch ist es möglich, die Gleiteigenschaften des Lagers zu verbessern und das Schichtsystem an Randbedingungen, wie beispielsweise Lagerbelastung, Betriebstemperatur, Abriebpartikel und Kostenobergrenze, optimal anzupassen. Manche Schichten, die sehr gute Gleiteigenschaften haben, eignen sich nicht, um Hartstoffpartikel auf vorgegebenen Grundwerkstoffen zu fixieren. In solchen Fällen kann es vorteilhaft sein, die Hartstoffpartikel mit einer ersten, relativ dünnen Schicht auf dem Grundkörper zunächst nur zu fixieren und anschließend die eigentlich gewünschte Schicht als zweite Schicht auf der ersten Schicht zwischen den bereits fixierten Hartstoffpartikel aufzubringen. Die Hartstoffpartikel werden auf diese Weise eingefasst und ihre Umklammerung verstärkt. Damit nach dem Aufbringen der zweiten Schicht eine signifikante Oberflächenstrukturierung gebildet ist, müssen die Hartstoffpartikel einen ausreichenden Überstand über die erste Schicht aufweisen. Ferner kann es vorteilhaft sein, auf die zweite Schicht eine oder mehrere weitere Schichten aufzubringen.
Auch bei Schichtsystemen mit zwei oder mehr Schichten ist es möglich, dass Teile der Hartstoffpartikel wie Inseln aus der Oberfläche der obersten Schicht des Schichtsystems herausragen oder dass die Hartstoffpartikel durch die oberste Schicht des Schichtsystems zwar bedeckt sind, das gesamte Schichtsystem jedoch so gestaltet ist, dass auf der Oberfläche des Schichtsystems eine Topographie mit erhabenen Bereichen gebildet ist.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann zumindest ein Teil der Hartstoffpartikel einen Überstand über die zweite Schicht aufweisen. Die Hartstoffpartikel werden also von der zweiten Schicht so eingefasst, dass ein Teil der Hartstoffpartikel inselartig über die Schicht ragt. Bei dieser Ausführungsform kann der Überstand dieser Partikel selbst die Oberflächenstrukturierung des Gleitelements bilden. Der besondere Vorteil eines solchen Schichtsystems ist ein rasches Einlaufen einerseits sowie eine optimal anpassbare oberste Schicht andererseits. Insbesondere kann die zweite Schicht unabhängig vom Werkstoff des Grundkörpers des Gleitelements ausgewählt werden. Die Dicke s₂ der zweiten Schicht sollte so bemessen sein, dass die Hartstoffpartikel zu mindestens 60% ihrer Ausdehnung in die Schichten eingebettet sind, um eine ausreichende Umklammerung sicherzustellen. Bevorzugt können die Hartstoffpartikel maximal zu 90% ihrer Ausdehnung von der ersten und zweiten Schicht umschlossen sein. Der Überstand beträgt dann mindestens 10% ihrer Ausdehnung. Dadurch wird eine ausreichende Oberflächenstrukturierung sichergestellt.
Vorteilhafterweise können die Dicken s₁ und s₂ von erster beziehungsweise zweiter Schicht so bemessen sein, dass ihre Summe mindestens 60% und höchstens 90% der mittleren Ausdehnung d der Hartstoffpartikel beträgt. Dieses Kriterium zur Bemessung der Schichtdicken eignet sich besonders dann, wenn die Hartstoffpartikel eine einheitliche Größe aufweisen.
Bevorzugt kann bei einem Schichtsystem mit mindestens zwei Schichten die Dicke s₁ der ersten Schicht mindestens 10% und höchstens 30% der mittleren Ausdehnung d der Hartstoffpartikel betragen. Dadurch ist eine ausreichende temporäre Fixierung der Hartstoffpartikel bei gleichzeitig geringer Dicke der ersten Schicht möglich. Durch die zweite Schicht, die auf die erste Schicht aufgetragen wird, werden die Hartstoffpartikel dann weiter eingefasst und in das Schichtsystem eingebaut.
Bevorzugt können die Hartstoffpartikel als Monolage auf dem Grundkörper fixiert sein. In diesem Fall können alle Hartstoffpartikel ungefähr den gleichen Abstand von der Oberfläche des Grundkörpers haben und sie sind bevorzugt in unmittelbarer Nähe zur Oberfläche des Grundkörpers positioniert. Eine derartige Anordnung der Hartstoffpartikel kann beispielsweise durch Sedimentation erreicht werden. Der besondere Vorteil einer Monolage von Hartstoffpartikeln ist die effiziente Nutzung der eingesetzten Menge an Hartstoffpartikeln: Im Idealfall trägt jeder Hartstoffpartikel zur Oberflächenstrukturierung des Gleitelements bei und kein Partikel wird durch darüber liegende Partikel verdeckt. Somit ist es möglich, dass ein relativ dünnes Schichtsystem in vollem Maße die angestrebte Funktionsfähigkeit aufweist. Im Fall einer Monolage von Hartstoffpartikeln ist das Schichtsystem insgesamt kaum dicker als die mittlere Abmessung d der Hartstoffpartikel.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können die Hartstoffpartikel eine im Wesentlichen sphärische Form haben. Die Hartstoffpartikel haben also bevorzugt näherungsweise eine ideale Kugelform. Abweichungen von der idealen Kugelform im Rahmen üblicher Herstellungstoleranzen sind jedoch zulässig. Die Ausdehnung d_i der Hartstoffpartikel wird bei dieser Ausführungsform durch den Partikeldurchmesser beschrieben. Auch bei dieser Ausführungsform ist es günstig, wenn die Hartstoffpartikel eine einheitliche Größe aufweisen. Die Streuung des Partikeldurchmessers sollte also gering sein. Die mit dieser Ausführungsform der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die geometrisch nahezu perfekt gerundeten Partikelkuppen den schonenden Einlaufvorgang unterstützen und den abrasiven Verschleiß der Gegenlauffläche minimieren.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können die Hartstoffpartikel aus Siliciumdioxid bestehen. Sphärische Partikel aus Siliciumdioxid weisen vorteilhafte tribologische Eigenschaften auf. Außerdem sind sie kommerziell in hoher Qualität verfügbar. Alternativ können auch sphärische Partikel aus Borcarbid verwendet werden. Auch mit Borcarbid konnten überraschend gute Ergebnisse erzielt werden. Ein Kombination von Partikeln aus Siliciumdioxid und Borcarbid in einem Schichtsystem kann auch verwendet werden.
In bevorzugter Ausführungsform kann die mittlere Ausdehnung d der Hartstoffpartikel mindestens 1 μm und höchstens 20 μm betragen. Besonders bevorzugt kann die mittlere Ausdehnung der Hartstoffpartikel mindestens 3 μm und höchstens 15 μm betragen. Insbesondere kann die mittlere Ausdehnung der Hartstoffpartikel mindestens 5 μm und höchstens 10 μm betragen. Je kleiner die mittlere Ausdehnung der Hartstoffpartikel ist, desto schwieriger ist es, sie so in Schichten einzubetten, dass eine ausreichende Oberflächenstrukturierung gebildet wird. Je größer die mittlere Ausdehnung d der Hartstoffpartikel ist, desto dicker muss das Schichtsystem ausgeführt werden. Aus Kostengründen ist man jedoch an dünnen Schichtsystemen interessiert. Bevorzugt beträgt die gesamte Dicke des Schichtsystems höchstens 20 μm. Ferner wird mit zunehmender Schichtdicke die Passgenauigkeit der Lagerpaarung schlechter. Dickere Schichten haben bei gleicher relativer Genauigkeit der Schichtdicke eine größere absolute Schwankung der Schichtdicke. Bei Gleitelementen sind üblicherweise Abmessungstoleranzen von maximal 1 μm einzuhalten. Dies ist um so schwieriger zu erreichen, je größer die Dicke des Schichtsystems ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können auf 10% bis 50% der vom Grundkörper abgewandten Oberfläche des Schichtsystems Hartstoffpartikel vorhanden sein. Wenn auf weniger als 10% der vom Grundkörper abgewandten Oberfläche des Schichtsystems Hartstoffpartikel vorhanden sind, dann ist die Stützwirkung der verschleißfesten Strukturelemente zu gering. Besonders bevorzugt können auf mindestens 20% der vom Grundkörper abgewandten Oberfläche des Schichtsystems Hartstoffpartikel vorhanden sein, damit eine ausreichende Stützwirkung erzielt wird. Wenn auf mehr als 50% der vom Grundkörper abgewandten Oberfläche des Schichtsystems Hartstoffpartikel vorhanden sind, dann sind die Zwischenräume zwischen den einzelnen Hartstoffpartikeln zu klein, um in ausreichendem Maße Abriebpartikel aufnehmen zu können. Besonders bevorzugt beträgt der Anteil der mit Hartstoffpartikeln belegten Oberfläche mindestens 20% und höchstens 30%. Die Anzahl der Hartstoffpartikel pro Flächeneinheit ist in Abhängigkeit von der Partikelgröße geeignet zu wählen.
Vorteilhafterweise kann bei einem erfindungsgemäßen Gleitelement mit Schichtsystem die erste Schicht chemisch abgeschiedenes Nickel sein. Durch eine Schicht aus chemisch abgeschiedenem Nickel können Hartstoffpartikel, wie beispielsweise Siliciumdioxidpartikel, besonders leicht fixiert werden. Bei chemisch abgeschiedenen Nickelschichten kann die Schichtdicke bevorzugt 2 bis 3 μm betragen. Eine Schichtdicke von 2 μm stellt die Untergrenze dar, bis zu der solche Schichten reproduzierbar aufgebracht werden können. Da andererseits solche Schichten relativ aufwändig sind, ist man bestrebt, die Schichten dünn zu halten. Daraus leitet sich ein optimaler Bereich der Schichtdicke von mindestens 2 μm und höchstens 3 μm ab.
Besonders vorteilhaft kann es sein, dass bei einem erfindungsgemäßen Schichtsystem mit mindestens zwei Schichten die zweite Schicht eine chemisch oder galvanisch abgeschiedene Schicht ist, deren Härte mindestens 80 HV 0,1 und höchstens 250 HV 0,1 beträgt. In den Bereichen zwischen den Hartstoffpartikeln befindet sich also bevorzugt eine Schicht aus einem relativ weichen, duktilen Werkstoff. So ist sichergestellt, dass vagabundierende Fremdpartikel zwischen den Laufflächen der Lagerpartner in die weiche Schicht eingedrückt werden können und somit unschädlich gemacht werden.
Es ist möglich, dass sich die erste und die zweite Schicht in ihrer chemischen Zusammensetzung unterscheiden. Es ist auch möglich, dass die zweite Schicht durch ein anderes Verfahren als die erste Schicht aufgebracht ist. Insbesondere kann es zweckmäßig sein, zwei werkstoffgleiche Schichten durch unterschiedliche Verfahren aufzubringen. Ferner kann die zweite Schicht eine andere Rauheit an ihrer Oberfläche aufweisen als die erste Schicht. Insbesondere kann die zweite Schicht eine größere Rauheit aufweisen als die erste Schicht. Durch die größere Rauheit können Bereiche gebildet sein, die als Reservoir für Schmiermittel dienen.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform können in der zweiten Schicht weitere Partikel eingelagert sein, die eine deutlich kleinere Ausdehnung als die Hartstoffpartikel haben. Diese weiteren Partikel können insbesondere Hart- oder Schmierstoffpartikel sein. Sie verbessern die Verschleißbeständigkeit und die tribologischen Eigenschaften des Schichtsystems.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das Schichtsystem an seiner vom Grundkörper abgewandten Oberfläche Vertiefungen zwischen den Hartstoffpartikeln aufweisen. Dabei ist zumindest ein Teil der Vertiefungen von benachbarten Hartstoffpartikeln beabstandet. Der Begriff ,Vertiefung' meint in diesem Zusammenhang nicht die Bereiche zwischen den Hartstoffpartikeln, die bezogen auf die erhabenen Bereiche der Hartstoffpartikel tiefer liegen, sondern er meint lokale, bevorzugt muldenförmige Vertiefungen an Stellen zwischen den einzelnen Hartstoffpartikeln. Die tiefsten Punkte dieser Vertiefungen liegen dabei auf einem Niveau unterhalb der gemittelten Oberfläche der äußeren Schicht des Schichtsystems. Der besondere Vorteil dieser Vertiefungen besteht in einer Verbesserung der tribologischen Eigenschaften des Lagersystems. Einerseits können diese Vertiefungen ein Reservoir für Schmiermittel bilden, andererseits können Fremdpartikel von diesen Vertiefungen besonders gut aufgenommen werden und somit unschädlich gemacht werden.
Besonders vorteilhaft kann es hierbei sein, dass die Ausdehnung der Vertiefungen ungefähr gleich der mittleren Ausdehnung d der Hartstoffpartikel ist. Dadurch können auch Fremdpartikel dieser Größe besonders gut aufgenommen werden und somit unschädlich gemacht werden. Derartige Vertiefungen können entstehen, wenn Hartstoffpartikel durch die erste Schicht nicht ausreichend auf dem Grundkörper fixiert sind. Die Hartstoffpartikel brechen bereits bei geringer Belastung aus der Fixierschicht heraus und hinterlassen entsprechende Vertiefungen in der Schicht. Falls auf der ersten Schicht eine weitere Schicht aufgebracht wird, werden die Vertiefungen in der ersten Schicht durch die zweite Schicht nicht aufgefüllt, sondern im Höhenprofil der zweiten Schicht abgebildet. Die Abbildung kann in grober Näherung als konturgetreu beschrieben werden. Auf der Oberfläche der zweiten Schicht sind also die ursprünglichen Vertiefungen in der ersten Schicht noch zu erkennen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können auf 10% bis 50% der vom Grundkörper abgewandten Oberfläche des Schichtsystems Vertiefungen vorhanden sein. Wenn auf weniger als 10% der vom Grundkörper abgewandten Oberfläche des Schichtsystems Vertiefungen vorhanden sind, dann ist die vorteilhafte Wirkung der Vertiefungen zu gering. Wenn auf mehr als 50% der vom Grundkörper abgewandten Oberfläche des Schichtsystems Vertiefungen vorhanden sind, dann ist das Schichtsystem insgesamt zu instabil.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
1 einen Querschnitt durch ein Gleitelement mit Schichtsystem mit Hartstoffpartikeln und einer ersten Schicht,
2 einen Querschnitt durch ein Gleitelement mit Schichtsystem mit Hartstoffpartikeln, einer ersten und einer zweiten Schicht,
3 einen Querschnitt durch ein Gleitelement mit Schichtsystem mit Hartstoffpartikeln, einer Vertiefung, einer ersten und einer zweiten Schicht Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Gleitelement 1 mit einem Grundkörper 11 und mit einem Schichtsystem 2. Das Schichtsystem 2 weist eine erste Schicht 21 auf, in der Hartstoffpartikel 3 fixiert und eingefasst sind. Die Hartstoffpartikel 3 haben eine sphärische Gestalt und eine einheitliche Größe. Sie bilden eine Monolage und befinden sich in unmittelbarer Nähe zur Oberfläche des Grundkörpers 11. Die Dicke s₁ der ersten Schicht 21 beträgt ungefähr 75% des Durchmessers d der Hartstoffpartikel 3. Somit weisen die Hartstoffpartikel 3 einen Überstand 32 über die vom Grundkörper 11 abgewandte Oberfläche 25 des Schichtsystems 2 auf. Der Überstand 32 beträgt ungefähr 25% des Durchmessers d der Hartstoffpartikel 3. Die erste Schicht 21 kann weitere Partikel enthalten.
2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Gleitelement 1 mit einem Grundkörper 11 und mit einem Schichtsystem 2. Das Schichtsystem 2 weist Hartstoffpartikel 3, eine erste Schicht 21 und eine zweite Schicht 22 auf. Die Hartstoffpartikel 3 haben eine sphärische Gestalt und eine einheitliche Größe. Sie bilden eine Monolage und befinden sich in unmittelbarer Nähe zur Oberfläche des Grundkörpers 11. Durch die erste Schicht 21 werden die Hartstoffpartikel 3 auf der Oberfläche des Grundkörpers 11 fixiert. Die Dicke s₁ der ersten Schicht 21 beträgt ungefähr 20% des Durchmessers d der Hartstoffpartikel 3. Durch die zweite Schicht 22 sind die Hartstoffpartikel 3 eingefasst. Die Dicke s₂ der zweiten Schicht 22 wurde so gewählt, dass die Hartstoffpartikel 3 durch die erste 21 und die zweite 22 Schicht zu ungefähr 75% ihres Durchmessers d eingefasst sind. Somit weisen die Hartstoffpartikel 3 einen Überstand 32 über die vom Grundkörper 11 abgewandte Oberfläche 25 des Schichtsystems 2 auf. Der Überstand 32 beträgt ungefähr 25% des Durchmessers der Hartstoffpartikel 3. Die zweite Schicht 22 enthält weitere Partikel 4, deren Größe deutlich kleiner ist als der Durchmesser d der Hartstoffpartikel 3.
3 zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Gleitelement 1 mit einem Grundkörper 11 und mit einem Schichtsystem 2. Wie bei dem in 2 dargestellten Gleitelement 1 weist das Schichtsystem 2 der 3 Hartstoffpartikel 3, eine erste Schicht 21 und eine zweite Schicht 22 auf. Zusätzlich ist eine Vertiefung 5 in der äußeren Oberfläche 25 des Schichtsystems 2 dargestellt. Die Vertiefung 5 ist von den benachbarten Hartstoffpartikeln 3 beabstandet. Wie dargestellt ist, weist bereits die erste Schicht 21 dort eine Vertiefung auf. An dieser Stelle ist ein Hartstoffpartikel 3 nach dem Aufbringen der ersten Schicht 21 und vor dem Aufbringen der zweiten Schicht 22 aus der ersten Schicht 21 herausgebrochen. Das Aufbringen der zweiten Schicht 22 erfolgte mit konstanter Schichtdicke s₂, so dass die Vertiefung, die durch das Herausbrechen des Hartstoffpartikels 3 in der ersten Schicht 21 entstanden ist, auf der Oberfläche der zweiten Schicht 22 wieder abgebildet ist. Im Höhenprofil der zweiten Schicht 22 ist die Vertiefung 5 zu erkennen.
Es wurde eine Ausführungsform gemäß 3 untersucht. Auf einem metallischen Grundkörper 11 wurden Hartstoffpartikel 3 aus Siliciumdioxid mittels einer ersten Schicht 21 aus chemisch abgeschiedenem Nickel fixiert. Der mittlere Durchmesser der Siliciumdioxidpartikel betrug 8 μm. Die Dicke s₁ der Fixierschicht 21 betrug ungefähr 2 bis 3 μm. Untersuchungen der Probe nach diesem ersten Beschichtungsschritt zeigen, dass ein Teil der Siliciumdioxidpartikel 3 nach dem Aufbringen der Fixierschicht 21 verloren gegangen ist. Diese Partikel hinterließen in der Fixierschicht 21 Vertiefungen in entsprechender Größe. In einem zweiten Beschichtungsschritt wurden die Siliciumdioxidpartikel 3 durch eine galvanische abgeschiedene Kupferschicht 22 eingefasst. Ferner waren in dieser Schicht Teilchen 4 aus hexagonalem Bornitrid dispergiert. Untersuchungen der Probe nach dem zweiten Beschichtungsschritt zeigen, dass die ursprünglich in der Fixierschicht 21 festgestellten Vertiefungen beim Aufbringen der Einfassungsschicht 22 nicht eingeebnet wurden, sondern in der Oberfläche 25 der Einfassungsschicht 22 deutlich zu erkennen sind. Insgesamt zeigt die erzeugte Oberfläche eine grobkristalline Kupferschicht 22 mit eingebauten Siliciumdioxidpartikeln 3 und einer Vielzahl von Vertiefungen 5. Die Belegungsdichte der Siliciumdioxidpartikel 3 beträgt zwischen 4000 und 5000 Partikel pro mm². In weiteren REM-Untersuchungen wurden auch Teilchen 4 aus hexagonalem Bornitrid an der Oberfläche detektiert.
An dieser Probe wurden tribologische Untersuchungen, die als Dauerlauftest konzipiert sind, durchgeführt. Zur Simulation des Einlaufverhaltens wurde bei Versuchsbeginn die Belastung der Reibfläche schrittweise bis auf eine Flächenpressung von 9,0 N/mm² erhöht. Die Gleitgeschwindigkeit betrug 1 m/s und die Betriebstemperatur 120°C. Ein Vergleichsversuch wurde mit einem unbeschichteten Gleitlagerwerkstoff durchgeführt. Nach 6 Stunden Versuchsdauer wurden die Proben analysiert.
Die beschichtete Probe zeigt nach Abschluss der Einlaufphase einen Reibungskoeffizienten, der ungefähr 25% bis 30% unter dem des unbeschichteten Gleitlagerwerkstoffs liegt. Ferner zeigt diese Probe nach dem Versuch eine deutlich eingeebnete Oberfläche mit einer Vielzahl von Vertiefungen 5 mit einem Durchmesser etwas kleiner als der mittlere Durchmesser der Siliciumdioxidpartikel 3. Die überwiegende Anzahl der Vertiefungen 5 ist zumindest teilweise gefüllt. Das die Vertiefungen 5 ausfüllende Material ist vermutlich abgetragenes Material aus der Einfassungsschicht, also Kupfer. Auffallend ist, dass dieses Material in den Vertiefungen 5 häufig eine poröse Struktur aufweist. Die ursprünglich erhabenen Bereiche der eingebetteten Siliciumdioxidpartikel 3 sind nach dem Versuch weitgehend abgetragen, so dass das Gleitelement 1 eine eingeebnete Oberfläche 25 besitzt.
Bezugszeichenliste

1: Gleitelement
11: Grundkörper
2: Schichtsystem
21: erste Schicht
22: zweite Schicht
25: Oberfläche des Schichtsystems
3: Hartstoffpartikel
32: Überstand
4: weitere Partikel
5: Vertiefung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7229699 B2 [0003]
DE 10356784 A1 [0005]
EP 0725158 A1 [0006]
DE 19824310 C1 [0007]

Claims

Gleitelement (1), bestehend zumindest aus einem Grundkörper (11) und einem darauf aufgebrachten Schichtsystem (2), welches folgende Merkmale umfasst: a) eine erste Schicht (21) der Dicke s₁, die auf dem Grundkörper (11) aufgebracht ist, b) Hartstoffpartikel (3) mit einer mittleren Ausdehnung d, die in die erste Schicht (21) eingebracht und somit auf dem Grundkörper (11) zumindest fixiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Hartstoffpartikel (3) eine Oberflächenstrukturierung des Gleitelements (1) gebildet ist.
Gleitelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Hartstoffpartikel (3) einen Überstand (32) über die erste Schicht (21) aufweist.
Gleitelement (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der ersten Schicht (21) eine zweite Schicht (22) aufgebracht ist, durch die die Hartstoffpartikel (3) eingefasst sind.
Gleitelement (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Hartstoffpartikel (3) einen Überstand (32) über die zweite Schicht (22) aufweist.
Gleitelement (1) nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel (3) höchstens zu 90% ihrer Ausdehnung umschlossen sind.
Gleitelement (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke s₁ der ersten Schicht (21) mindestens 10% und höchstens 30% der mittleren Ausdehnung d der Hartstoffpartikel (3) beträgt.
Gleitelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel (3) als Monolage auf dem Grundkörper (11) fixiert sind.
Gleitelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel (3) eine im Wesentlichen sphärische Form haben.
Gleitelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel (3) aus Siliciumdioxid und/oder Borcarbid bestehen.
Gleitelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Ausdehnung d der Hartstoffpartikel (3) mindestens 1 μm und höchstens 20 μm beträgt.
Gleitelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf 10% bis 50% der vom Grundkörper (11) abgewandten Oberfläche (25) des Schichtsystems (2) Hartstoffpartikel (3) vorhanden sind.
Gleitelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (21) chemisch abgeschiedenes Nickel ist.
Gleitelement (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (22) eine chemisch oder galvanisch abgeschiedene Schicht ist, deren Härte mindestens 80 HV 0,1 und höchstens 250 HV 0,1 beträgt.
Gleitelement (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Schicht (22) weitere Partikel (4) eingelagert sind, die eine deutlich kleinere Ausdehnung als die Hartstoffpartikel (3) haben.
Gleitelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem (2) an seiner vom Grundkörper (11) abgewandten Oberfläche (25) Vertiefungen (5) zwischen den Hartstoffpartikeln (3) aufweist, wobei zumindest ein Teil der Vertiefungen (5) von benachbarten Hartstoffpartikeln (3) beabstandet ist.
Gleitelement (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung der Vertiefungen (5) ungefähr gleich der mittleren Ausdehnung d der Hartstoffpartikel (3) ist.
Gleitelement (1) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass auf 10% bis 50% der vom Grundkörper (11) abgewandten Oberfläche (25) des Schichtsystems (2) Vertiefungen (5) vorhanden sind.