DE102016213352A1 - Bleifreies Aluminiumgleitlagermaterial mit Funktionsoberfläche - Google Patents

Bleifreies Aluminiumgleitlagermaterial mit Funktionsoberfläche Download PDF

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DE102016213352A1
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Holger Schmitt
Daniel Meister
Michael Wagner
Ralph Herber
Stefanie Katharina Weidmann
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Federal Mogul Wiesbaden GmbH
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Abstract

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Gleitelement mit einer Beschichtung, die zumindest eine Funktionsschicht aufweist, wobei die Funktionsschicht eine Mischoxid-Matrix aufweist und in der Mischoxid-Matrix Feststoffschmiermittelpartikel und/oder Hartpartikel eingebettet sind.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitelement mit einer Mischoxidmatrix-Funktionsschicht. Ein erfindungsgemäßes Gleitelement zeichnet sich durch vorteilhafte Oberflächeneigenschaften sowie einfache Herstellbarkeit aus.
  • Stand der Technik
  • Aus dem Stand der Technik ist die Nutzung von Oxidschichten als Bestandteil von Gleitlagerbeschichtungen bekannt.
  • So offenbart die DE 10 2007 042 382 B3 ein Bauteil, welches als Gleitlager geeignet ist, wobei im Aufbau des Bauteils eine Schicht aus einem Leichtmetallwerkstoff vorgesehen ist, welcher hin zur Gleitfläche des Bauteils mit einer Poren aufweisenden Oxidschicht versehen ist und wobei in diese Poren ein Hartstoff eingebracht ist.
  • Die DE 196 12 109 C1 betrifft ein Lagerbauteil mit einer tribologisch beanspruchbaren Fläche. Hierzu ist vorgesehen, dass das Lagerbauteil aus einem Metall-Matrix-Composit-Werkstoff besteht, dessen Matrix durch eine Aluminiumlegierung gebildet ist, die mit SiC-Partikeln in einem Anteil von mehr als 1 Gewichtsprozent verstärkt ist, und dass die tribologisch beanspruchbare Fläche die Oberfläche einer Anodisierschicht ist.
  • Der Abschlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 302 ZBG „Nanopartikelverstärkte Hartanodisierschichten als innovativer Verschleiß- und Korrosionsschutz für Aluminiumwerkstoffe“ von Fürbeth et al. befasst sich mit dem Einbringen von Nanopartikeln in Hartanodisierschichten von Aluminiumwerkstoffen.
  • Schließlich lehrt der Abschlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 321 ZBG „Optimierung der Modifizierung von Anodisierschichten auf Aluminiumwerkstoffen durch chemische Nanotechnologie und industrielle Anpassung des Verfahrens“ von Fürbeth et al. die Imprägnierung von Anodisierschichten mit Nanopartikeln zur Verbesserung des Korrosionsschutzes.
  • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleitelement zur Verfügung zu stellen, das verbesserte Oberflächeneigenschaften, insbesondere hinsichtlich zumindest einer der Eigenschaften Härte, Duktilität, Wärmeleitfähigkeit, Benetzungsverhalten, Reibkoeffizient, Verschleißverhalten, Rauheit und/oder Topographie aufweist.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das in Anspruch 1 beschriebene Gleitelement.
  • Das Einbetten von Feststoffschmiermittelpartikeln und/oder Hartpartikeln in die Mischoxid-Matrix der Funktionsschicht der Gleitelementbeschichtung führt dabei zu besonders vorteilhaften mechanischen Eigenschaften des Gleitelements.
  • Insbesondere kann das Eigenschaftsprofil des Gleitelementes durch gezielte Auswahl der Feststoffschmiermittelpartikel und/oder Hartpartikel auf den jeweiligen Anwendungsfall spezifisch zugeschnitten werden. Gegenüber der Nutzung von Poren in Oxidbeschichtungen von Gleitlagern als Reservoir für Schmiermittel ergibt sich zudem der Vorteil einer homogeneren Verteilung sowie einer größeren Flexibilität hinsichtlich der einzusetzenden Partikel.
  • Bevorzugte Weiterbildungen sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
  • Mit Vorteil weist die Beschichtung, von innen nach außen, zumindest eine Aluminiumlegierungsschicht, bestehend aus einer Aluminium-basierten Legierung, und die Funktionsschicht auf. Ein derartiger Aufbau lässt sich besonders einfach durch elektrolytische Oxidation der Aluminiumlegierungsschicht herstellen. Die Begriffe Aluminiumlegierungsschicht bzw. Aluminium-basierte Legierung umfassen hierbei auch Reinaluminium bzw. Reinaluminiumschichten.
  • Bevorzugt besteht die Aluminium-basierte Legierung aus bis zu 10,0 Gew.-% Fe, bis zu 10,0 Gew.-% Mg, bis zu 15,0 Gew.-% Zn, bis zu 15,0 Gew.-% Si, bis zu 30,0 Gew.-% Sn, bis zu 5,0 Gew.-% Cu, bis zu 5,0 Gew.-% Ni, bis zu 5,0 Gew.-% Mn, bis zu 5,0 Gew.-% Cr, bis zu 1,0 Gew.-% Zr, V, Sr und/oder Ti und als Rest aus Aluminium und unvermeidlichen Verunreinigungen. Die genannte chemische Zusammensetzung der Aluminium-basierten Legierung ermöglicht es, eine Gleitelement-Metallhärte zwischen 30 und 100 HBW 1/5/30 zu erzielen.
  • Besonders bevorzugt ist die Funktionsschicht auf der Aluminiumlegierungsschicht aufgebracht. Die Aluminiumlegierungsschicht ist wiederum bevorzugt auf einem Substratrücken aus Stahl, vorzugsweise aus einer der Stahlsorten C06–C45, aufgebracht. Die genannten Stähle zeichnen sich durch gute Verfügbarkeit aus und lassen sich besonders gut mit der Aluminiumlegierungsschicht zu einem Gleitelement verbinden.
  • Zudem ist vorgesehen, zwischen dem Substratrücken und der Aluminiumlegierungsschicht eine Zwischenschicht, vorzugsweise aus Reinaluminium bestehend, einzubringen. Die Zwischenschicht verbessert die Bindung zwischen Substratrücken und der Beschichtung.
  • Mit Vorteil umfassen die Feststoffschmiermittelpartikel BaSO4, h-BN, Graphit, MoS2, PTFE, WS2, ZnS und/oder SnS2. Die genannten Partikel eignen sich besonders zur Verbesserung der Schmiereigenschaften der Gleitelementoberfläche.
  • Bevorzugt umfassen die Hartpartikel Oxide, Nitride, Phosphide, Phosphate, Fluoride, WC, TiC, TaC, CrC, B4C, CaC2 und/oder Al4C3 zur Steigerung des Verschleißwiderstands.
  • Ferner ist vorgesehen, in der Mischoxid-Matrix organisch modifizierte Partikel, mit Sinteradditiven, vorzugsweise NaHCO3, versehene Partikel, Core-Shell-Partikel, Nanokapseln, welche vorzugsweise mit Feststoffschmiermittel gefüllt sind, und/oder in ein polymeres Sol eingebettete Partikel einzubetten. Diese führen zu einer besonders homogenen Verteilung der Partikel in der Mischoxid-Matrix.
  • Mit Vorteil weist die Beschichtung eine Härte von 10 bis 1500 HV, bevorzugt 10–500 HV0.1 auf. Zu weiche Schichten geben unter Last nach und führen zum Fressen durch Materialübertrag und verringern die Wirkung der Hartpartikel und Feststoffschmiermittel. Zu harte Schichten können dagegen den Gegenläufer des Gleitelementes mittels Abrieb angreifen.
  • Die Funktionsschicht ist ferner bevorzugt zwischen 10 nm und 100 µm dick. Bei einer Schichtdicke unter 10 nm stellt sich keine ausreichende Verbesserung des Verschleißschutzes ein, wohingegen Schichten mit Schichtdicken von über 100 µm nur unter hohem wirtschaftlichen Aufwand zu fertigen sind.
  • Bevorzugt weist die Aluminiumlegierungsschicht eine Dicke von bis zu 500 µm auf. Größere Schichtdicken haben keine weitere Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Gleitelementes zur Folge.
  • Zur Verbesserung der Funktionsschichteigenschaften weisen die eingebetteten Partikel bevorzugt einen durchschnittlichen Durchmesser von 1 nm bis 15 µm auf.
  • Mit Vorteil weist die Funktionsschicht eine Wärmeleitfähigkeit von 5 bis 100 W/m·K, vorzugsweise 20 bis 40 W/m·K, auf. Diese Werte liegen auf dem Niveau von reinem Aluminiumoxid, so dass eine gute Wärmeabfuhr unter Mischreibungsbedingungen erzielt wird.
  • Zudem ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Verteilung der Feststoffschmiermittelpartikel und/oder Hartpartikel in der Mischoxid-Matrix von innen nach außen einen Gradienten aufweist. Somit können im Oberflächenbereich der Beschichtung andere Strukturen eingestellt werden als im inneren Bereich, ohne durch Diskontinuitäten die Haftung zu schwächen.
  • Bevorzugt weist die Beschichtung schließlich außen eine vorzugsweise elektrolytisch aufgebrachte Deckschicht auf. Eine solche Deckschicht kann, je nach Anwendungsfall, den Verschleißwiderstand erhöhen und/oder die Reibeigenschaften verbessern.
  • Bevorzugte Ausführungsform
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Gleitlager mit einer Beschichtung auf einem C06-Stahlsubstratrücken bereitgestellt. Besonders bevorzugt ist dabei folgender Schichtaufbau: Auf dem Stahlrücken befindet sich eine sogenannte Aluminiumlegierungsschicht, die die in Anspruch 3 genannten Elemente enthält. Durch chemisch-physikalische Prozesse (Eloxieren) wird dann die Funktionsschicht erzeugt, welche wiederum Feststoffschmiermittel- und/oder Hartpartikel enthalten kann. Dabei wird eine Aluminiumlegierung zunächst mittels Bandguss vergossen und anschließend durch die nachfolgenden Walzschritte auf eine Dicke von max. 1,5 mm abgewalzt. Bei Einsatz einer Zwischenfolie zur Haftverbesserung, wird anschließend das Band und die Folie, mittels Walzplattieren, zu einem Strang verbunden. Anschließend wird der Strang geschliffen und durch Walzplattieren auf den C06-Stahl aufgebracht. Durch übliche Umformschritte wird der Gleitlagerwerkstoff nachfolgend in Lagerschalendimensionen überführt. Die Mischoxid-Matrix wird anschließend durch elektrolytische Oxidation der Aluminiumlegierungsschicht unter Anwendung von Gleichstrom-, Wechselstrom- oder Pulsstromquellen galvanostatisch oder potentiostatisch erzeugt. Die hierzu benötigte Methodik ist dem Fachmann aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus dem Abschlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 321 ZBG („Optimierung der Modifizierung von Anodisierschichten auf Aluminiumwerkstoffen durch chemische Nanotechnologie und industrielle Anpassung des Verfahrens"; Fürbeth et al.; Kapitel 2.5) bekannt. Gleichzeitig werden parallel mittels elektrophoretischer Abscheidung B4C-Partikel abgeschieden, die hierdurch in der Mischoxid-Matrix eingebettet werden. Um eine homogene Verteilung der Partikel sicherzustellen, wird die Agglomeration der Partikel durch Verwendung stabilisierter Dispersionen sichergestellt. Zum Abschluss erfolgt eine Nachbearbeitung der Gleitlageroberflächen.
  • 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 102007042382 B3 [0003]
    • DE 19612109 C1 [0004]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • „Optimierung der Modifizierung von Anodisierschichten auf Aluminiumwerkstoffen durch chemische Nanotechnologie und industrielle Anpassung des Verfahrens“; Fürbeth et al.; Kapitel 2.5 [0026]

Claims (15)

  1. Gleitelement mit einer Beschichtung, die zumindest eine Funktionsschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht eine Mischoxid-Matrix aufweist und in der Mischoxid-Matrix Feststoffschmiermittelpartikel und/oder Hartpartikel eingebettet sind.
  2. Gleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung, von innen nach außen, zumindest folgende Schichten aufweist: eine Aluminiumlegierungsschicht, bestehend aus einer Aluminium-basierten Legierung, und die Funktionsschicht.
  3. Gleitelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminium-basierte Legierung aus bis zu 10,0 Gew.-% Fe, bis zu 10,0 Gew.-% Mg, bis zu 15,0 Gew.-% Zn, bis zu 15,0 Gew.-% Si, bis zu 30,0 Gew.-% Sn, bis zu 5,0 Gew.-% Cu, bis zu 5,0 Gew.-% Ni, bis zu 5,0 Gew.-% Mn, bis zu 5,0 Gew.-% Cr, bis zu 1,0 Gew.-% Zr, V, Sr und/oder Ti und als Rest aus Aluminium und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.
  4. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht auf der Aluminiumlegierungsschicht aufgebracht ist und diese wiederum mit einem Substratrücken verbunden ist und der Substratrücken aus Stahl, vorzugsweise aus einer der Stahlsorten C06-C45, besteht.
  5. Gleitelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substratrücken und der Beschichtung eine Zwischenschicht, vorzugsweise aus Reinaluminium bestehend, vorgesehen ist.
  6. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststoffschmiermittelpartikel BaSO4, h-BN, Graphit, MoS2, PTFE, WS2, ZnS und/oder SnS2 umfassen.
  7. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartpartikel Oxide, Nitride, Phosphide, Phosphate, Fluoride, WC, TiC, TaC, CrC, B4C, CaC2 und/oder Al4C3 umfassen.
  8. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mischoxid-Matrix organisch modifizierte Partikel, mit Sinteradditiven, vorzugsweise NaHCO3, versehene Partikel, Core-Shell-Partikel, Nanokapseln, welche vorzugsweise mit Feststoffschmiermittel gefüllt sind, und/oder in ein polymeres Sol eingebettete Partikel eingebettet sind.
  9. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Härte von 10 bis 1500 HV0.1, bevorzugt 10-500 HV0.1 aufweist.
  10. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht eine Dicke von 10 nm bis 100 µm aufweist.
  11. Gleitelement nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierungsschicht eine Dicke von bis zu 200 µm aufweist.
  12. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eingebetteten Partikel einen durchschnittlichen Durchmesser von 1 nm bis 15 µm aufweisen.
  13. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsschicht eine Wärmeleitfähigkeit von 5 bis 100 W/m·K, vorzugsweise 20 bis 40 W/m·K aufweist.
  14. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der Feststoffschmiermittelpartikel und/oder Hartpartikel in der Mischoxid-Matrix von innen nach außen einen Gradienten aufweist.
  15. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung außen eine vorzugsweise elektrolytisch aufgebrachte Deckschicht aufweist.
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