DE102017216110A1

DE102017216110A1 - Gleitlack, Gleitelement mit einem solchen und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102017216110A1
Application number: DE102017216110.8A
Authority: DE
Inventors: Dr. Adam Achim; Joachim Schlüter
Original assignee: Federal Mogul Wiesbaden GmbH
Current assignee: Federal Mogul Wiesbaden GmbH
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2017-09-12
Publication date: 2019-03-14
Also published as: EP3681956A1; JP2020533475A; KR20200054973A; US11668346B2; US20200208680A1; WO2019052903A1; US20230003254A1; US11466732B2; JP7227256B2; CN111094467A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gleitlack mit einem Polymer als Harzmatrix und mit funktionalen Füllstoffen, wobei die funktionalen Füllstoffe Mischphasenoxide und wahlweise weitere funktionale Füllstoffe enthalten. Die Erfindung betrifft ferner ein Gleitelement mit einer metallischen Substratschicht und einem darauf aufgebrachten Überzug aus wenigstens einem solchen Gleitlack.

Description

Gleitelemente in Motoren bestehen meist aus mehrschichtigen Materialien mit speziell modifizierten Oberflächen, die die Gleiteigenschaften optimieren. In der Regel handelt es sich bei den Oberflächen von Gleitlagern um metallische Schichten, etwa auf der Basis von Blei, Zinn oder Aluminium, die durch galvanische Prozesse, Bedampfung oder durch mechanische Plattierung aufgebracht werden.
Es sind auch nichtmetallische Schichten auf Kunstharzbasis, die sogenannten Gleitlacke, bekannt, die hinsichtlich ihrer Gleiteigenschaften, Belastbarkeit und Verschleißfestigkeit durch Zugabe von Füllstoffen modifiziert sind.
Gleitbeschichtungen auf Kunstharzbasis werden seit vielen Jahren als Hilfsmittel zur Verringerung der Reibung ganz allgemein in mechanischen Konstruktionen eingesetzt. In der Regel werden Metall-, Kunststoff- und Gummiteile beschichtet, die ohne weitere Schmierung dauerhaft leicht beweglich sein müssen. In den typischen Anwendungen sind die Belastungen eher gering und die Randbedingungen wie Temperatur oder Medien unkritisch.
Aus verschiedenen Patentanmeldungen, wie beispielsweise der EP 0 984 182 A1 sowie ersten auf dem Markt befindlichen Gleitlagerprodukten sind auch bereits Anwendungen im Motor, z.B. für die Kurbelwellenlagerung, bekannt. Als Substrat ist üblicherweise das bekannte Spektrum der Kupfer- und Aluminiumlegierungen genannt, die Lackmatrix besteht aus Polyamidimid (PAI), Polyimid (PI), Epoxid- und Phenolharz, Polybenzimidazol (PBI) oder Polyetheretherketon (PEEK). Beispielhaft wird auf die Schrift EP 1 775 487 A1 verwiesen. Zur Verbesserung von Gleiteigenschaften und Belastbarkeit wird der Matrixkunststoff mit funktionalen Füllstoffen wie Festschmierstoffen, z.B. MoS₂, WS₂, BN, PTFE, keramischen Pulvern, z.B. Oxide, Nitride, Carbide, Silikate, Metallen, z.B. Al, Cu, Ag, W, Ni, Au gefüllt, siehe z.B. WO 2004/002673 A1 . Weitere Füllstoffe wie ZnS oder BaSO₄ sind in der Schrift WO 2015097159 A1 genannt.
Die Aufbringung der Schicht erfolgt durch Sprüh- oder Druckverfahren und anschließendes thermisches Aushärten.
Die bekannten Beschichtungen weisen dennoch bei Mangelschmierzuständen unter hohen Drehzahlen eine Verschleißrate auf, durch die die Schicht bei häufigerem Auftreten dieses Zustands vollständig verschleißt. Dies kann insbesondere bei Substratmaterialien mit begrenzten Gleiteigenschaften, was allgemein bei den kupferbasierten Lagermetallen der Fall ist, zum Totalversagen der Lagerung durch Fressen führen.
In der Schrift WO 2010076306 wird der Einsatz von Eisen-(III)-Oxid als funktionaler Füllstoff vorgeschlagen, um dem entgegenzuwirken. Tatsächlich kann durch das feinverteilte Oxid eine verbesserte Verschleißbeständigkeit erzielt werden, die sich insbesondere bei Motoren im Start-Stop-Betrieb, bei Zusatzbelastungen der Kurbelwelle durch Riemenantriebe und bei Wellen mit höherer Rauheit auszahlt. Bei hohen Drehzahlen, Mangelschmierzuständen und Anpassungsbedarf aufgrund von geometrischen Abweichungen der Form von Lager und Gegenläufer, oder bei Kantenbelastungen durch Schiefstellungen kann es aber zu einem reibungsbedingten lokalen Aufheizen des Wellenzapfens und nachfolgend zur thermischen Schwächung der Polymermatrix kommen, die zum Ausfall der Schicht und wiederum zum Fressen auf dem Substratmaterial führen kann.
Die Aufgabe der Erfindung ist demgemäß einen Gleitlack mit geringer Verschleißrate bereitszustellen, der trotzdem auch noch bei kritischen Schmierungszuständen, Anpassungsbedarf und hohen Drehzahlenausreichende Notlaufeigenschaften aufweist, so dass ein lokales Versagen der Schicht vermieden wird.
Die Aufgabe wird durch einen Gleitlack gemäß Anspruch 1 und ein Gleitelement gemäß Anspruch 15 gelöst.
Der erfindungsgemäße Gleitlack weist ein Polymer als Harzmatrix und funktionale Füllstoffe auf, wobei die funktionalen Füllstoffe Mischphasenoxide und wahlweise weitere funktionale Füllstoffe enthalten.
Das erfindungsgemäße Gleitelement weist eine metallische Substratschicht und einen darauf aufgebrachten Überzug aus wenigstens einem Gleitlack mit diesen Merkmalen auf.
Als „Mischphasenoxide“ werden feinteilige Mischphasenoxide verstanden, die auch als Mischphasenoxidpigmente bezeichnet werden. Als „Gleitlack“ wird hier der fertig ausgehärtete Gleitlack ohne Lösungsmittel bezeichnet.
Die Erfinder haben bei der Analyse der Fälle, in denen Eisen-(III)-Oxid als funktionaler Füllstoff zum Einsatz kommt, festgestellt, dass es sich nachteilig auswirken kann, wenn die Verschleißfestigkeit zu hoch ist, da dies die Dauer der Anpassungsprozesse und der damit verbundenen lokalen Erhitzung verlängert. Deshalb sieht die Erfindung vor, die Verschleißfestigkeit des Gleitlackes so zu modifizieren, dass etwas mehr Anpassungsverschleiß zugunsten eines geringeren Aufheizens möglich ist.
Die Schrift EP 2 563 590 A1 beschreibt die Verwendung von Mischphasenoxidpigmenten in Gleitschichten von Gleitlagerverbundwerkstoffen die einen porösen Unterbau aufweisen, zum Beispiel aus Bronze, in welchen ein polymeres Gleitschichtmaterial auf Fluorpolymerbasis, insbesondere PTFE, einimprägniert ist. Das Gleitschichtmaterial besteht zu mindestens 60 Vol.-% aus Fluorpolymeren und weist ferner mindestens 5 Vol.-% hexagonales Bornitrid auf. Nach einer Einlaufphase wird bei solchen Gleitschichten die Bronze an der Kontaktfläche freigelegt und bildet die tragende Oberfläche. In der Einlaufphase sollen die Mischphasenoxidpigmenten zusammen mit dem hexagonalen Bornitrid die Verschleißfestigkeit erhöhen.
Diese Gleitschichten werden also nicht aus Gleitlacken gebildet. Sie werden hauptsächlich für ungeschmierte oder gering geschmierte Anwendungen eingesetzt. Lager mit soclhen Geltischichten können die Aufgabenstellung aber nicht lösen, weil sie für den Einsatz an der Kurbelwelle in Verbrennungsmotoren generell ungeeignet sind. Das poröse Substrat weist hierfür keine ausreichende Ermüdungsfestigkeit auf und das Gleitschichtmaterial alleine besitzt keine ausreichende Belastbarkeit.
Die Mischphasenoxide in dem erfindungsgemäßen Gleitlack sind einerseits hart genug, um einen verschleißmindernden Effekt in der Oberfläche zu erreichen. Sie sind deshalb geeignet, das zu diesem Zweck bekanntermaßen eingesetzte Eisen-(III)-Oxid zu ersetzen. Jedoch sind sie nicht so hart, dass durch mechanische Wechselwirkung die Wellenoberfläche bearbeitet, also geglättet oder abgetragen werden kann, während Eisen-(III)-Oxid gerade so hart ist, dass es sogar zum Polieren von Stahl geeignet ist. Es wird deshalb angenommen, dass durch die geringere Härte der Mischphasenoxide in dem erfindungsgemäßen Gleitlack keine so hohe Reibungsenergie in das System aus Gleitlager und Gegenläufer eingetragen wird wie beispielsweise beim Einsatz von Eisen-(III)-Oxid, sodass die Gleitlackschicht zwar etwas weniger verschleißfest ist, aber kurze Mangelschmierzustände auch bei sehr hoher Drehzahl länger übersteht. Die Rosiwal-Schleifhärte der Mischphasenoxide sollte folglich vorzugsweise unter der von Eisen-(III)-Oxid, also unter 55 liegen, um den Energieeintrag in den Gegenläufer zu minimieren.
Es wurde ermittelt, dass die Spitzenbelastbarkeit von Kurbelwellenlagern bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Gleitlackes auf bis zu 120 MPa gesteigert werden konnte, ein Wert, der sonst nur von aluminiumbasierten Sputterschichten erreicht wird.
Die Lebensdauer bei Mangelschmierbedingungen wurde gegenüber Beschichtungen mit härteren Oxiden mehr als verdreifacht.
Bevorzugt sind die Mischphasenoxide in einem Anteil von 0,1 bis 15 Vol.-%, besonders bevorzugt von 0,5 bis 8 Vol.-%, bezogen auf den ausgehärteten Gleitlack enthalten.
Wie auch „Gleitlack“ bezeichnen die Begriffe „ausgehärteter Gleitlack“ oder „ausgehärtete Gleitlackschicht“ hierin den Gleitlack bzw. die aus diesem gebildete Schicht nach dem Aushärten ohne Berücksichtigung des Lösungsmittels.
Bei kleineren Anteilen als 0,1 Vol.-% ist keine Verbesserung in Bezug auf die Verschleißfestigkeit feststellbar. Anteile von über 15 Vol.-% führen zu einer Schwächung der Matrix des Gleitlackes. Besonders bevorzugt sind die Mischphasenoxide aus diesen Gründen in einem Anteil von 0,5 bis 8 Vol.-% bezogen auf den ausgehärteten Gleitlack enthalten.
Mischphasenoxide sind keine Mischungen von Oxiden sondern Oxide, bei denen bestimmte Kristallgitterplätze von den verschiedenen Metallionen besetzt sind. Die Mischphasenoxide enthalten vorzugsweise wenigstens zwei der Elemente Titan, Cobalt, Aluminium, Nickel, Antimon, Chrom, Eisen oder Zink.
Besonders bevorzugt sind die Mischphasenoxide aus Titan und wenigstens zwei der Elemente Cobalt, Aluminium, Nickel, Antimon, Chrom, Eisen oder Zink gebildet.
Ganz besonders bevorzugt sind die Mischphasenoxide Co-Al-Oxid, Ni-Sb-Ti-Oxid, Fe-Al-Oxid und Co-Ti-Ni-Zn-Oxid.
Die Mischphasenoxide liegen bevorzugt in Form von Rutil-, Spinell- oder Hämatitstruktur vor. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere feinverteilte Rutil-Mischphasenoxide die Anforderungen in Bezug auf die Verschleißfestigkeit und den Trockenlauf erfüllen, weil ihre Härte knapp unterhalb der des Stahls liegt.
Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die Mischphasenoxide eine mittlere Partikelgröße in Form des D50-Wertes im Bereich von 0,05 bis 2,0 µm, besonders bevorzugt von 0,1 bis 0,5 µm, aufweisen.
Zur Anpassung der Schichteigenschaften des Gleitlackes an die Zielsetzung in der jeweiligen Anwendung kommen besagte weitere funktionale Füllstoffe zum Einsatz. Alle funktionalen Füllstoffe, insbesondere also auch die Mischphasenoxide, liegen möglichst gleichmäßig dispergiert in dem Gleitlack vor.
Bevorzugt enthalten die funktionalen Füllstoffe wahlweise einen oder mehrere der Stoffe Festschmierstoffe, Hartstoffe und die Wärmeleitfähigkeit verbessernde oder die Benetzung der Lackoberfläche beeinflussende Stoffe.
Der Zusatz von Festschmierstoffen verbessert die Notlaufeigenschaften, d.h. das Verhalten bei nicht hydrodynamischen Betriebszuständen. Als Verschleißminderer oder zur Konditionierung einer Welle kommen kleinere Mengen weiterer harter Stoffe (Hartstoffe) zum Einsatz und die Wärmeleitfähigkeit verbessernde Stoffe dienen dem schnellen Abtransport von Reibungswärme und damit der Dauerbelastbarkeit.
Als Festschmierstoffe kommen bevorzugt Metallsulfide mit Schichtstruktur wie MoS₂, WS₂, SnS₂, Graphit, hexagonales BN, Polytetraflourethylen (PTFE) oder ZnS/BaSO₄-Gemische zum Einsatz.
Als Hartstoffe werden vorzugsweise Nitride, Carbide, Boride, Oxide, z.B. SiC, Si₃N₄, B₄C₃, kubisches BN, oder SiO₂ verwendet.
Als die Wärmeleitfähigkeit verbessernde Stoffe sind vorzugsweise eines oder mehrere Metallpulver, insbesondere bestehend aus Ag, Pb, Au, Sn, Al, Bi oder Cu enthalten.
Durch sehr feinkörnige Füllstoffe wie z.B. Fe₂O₃ oder TiO₂ oder dessen Mischoxide können die Benetzung und Oberflächeneigenschaften beeinflusst werden.
Die gesamte Menge aller funktionaler Zusätze einschließlich des Mischphasenoxids ist so zu wählen, dass deren Gesamtvolumenanteil 75 % des ausgehärteten Gleitlackes nicht übersteigt. Dabei ist der Volumenanteil der Hartstoffe vorteilhafter Weise nicht größer als 10 %, besonders bevorzugt nicht größer als 5 Vol.-%, und der der Metallpulver nicht größer als 30 %
Größere Hartstoffanteile verschlechtern die Gleiteigenschaften und wirken sich abrasiv auf die Wellenlauffläche aus. Größere Metallanteile lassen sich schlecht dispergieren und sind daher schlecht für die Verarbeitungseigenschaften.
Das Polymer ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyimiden (PI), Polyamidimiden (PAI), Poletherimiden (PEI) und Polyesterimid, Epoxyharze (EP), Phenolharz, Polybenzimidazol (PBI), Silikonharz, hochschmelzende Thermoplaste, insbesondere mit Schmelzpunkt oberhalb von 220°C, Polyarylate, Polyetheretherketon (PEEK) und Poly(oxy-1,4-phenylsulfonyl-1,4-phenyl) (PES).
Das erfindungsgemäße Gleitelement weist eine metallische Substratschicht und einen darauf aufgebrachten Überzug aus wenigstens einem Gleitlack der vorstehend beschriebenen Art auf.
Die Dicken der vernetzten Gleitlackschichten in dem fertigen Gleitelement betragen vorteilhafter Weise zwischen 1 und 50 µm. Dabei ist die Dicke, wie für Gleitelemente üblich, der Bauteilgröße angepasst, d.h. besonders bevorzugt sind Dicken von 5 bis 25 µm für Lager mit Durchmessern bis 130 mm. Unter 5 µm geht die Anpassungsfähigkeit verloren und über 25 µm nimmt die Belastbarkeit der Schicht stark ab. Bei Großlagern mit einem Durchmesser über 130 mm sind dennoch Schichtdicken der Gleitlackschichten bis zu 50 µm vertretbar, weil bei diesen ein erhöhter Einlaufverschleiß durch Geometriefehler bzw. größere Toleranzbereiche zu erwarten ist.
Die exponierte Oberfläche der metallischen Substratschicht, die mit dem Überzug versehen ist, hat vorzugsweise eine Rauheit von R_z = 1 bis 10 µm, besonders bevorzugt von R_z = 3 bis 8 µm. In diesem Bereich wurde einerseits eine verbesserte Haftung festgestellt und andererseits führt die raue Oberfläche dazu, dass bei teilweisem Verschleiß des Überzuges zunächst nur die Spitzen, d.h. sehr geringe Oberflächenanteile der metallischen Substratschicht freigelegt werden, was die Tragfähigkeit der Oberfläche erhöht, ohne gleich die Fressanfälligkeit größerer freigelegter Bereiche des metallischen Substrats aufzuweisen.
Die benötigten Rauheiten können durch mechanische Verfahren wie Sandstrahlen oder Schleifen, jedoch auch chemisch durch Phosphatieren oder Ansätzen erzeugt werden. Neben den unregelmäßigen Rauheiten sind auch regelmäßige Substratstrukturen vorteilhaft, die etwa durch Bohren, Räumen oder Prägen entstehen können.
Als besonders vorteilhaft hat sich das Strahlen mit Hartpartikeln erwiesen. Es wird angenommen, dass durch geringe Partikelrückstände in der Oberfläche eine zusätzliche Verbesserung der Verschleißbeständigkeit erreicht werden kann, wenn das Lagermetall durch Anpassungseffekte oder anders verursachten Verschleiß der Lackschicht lokal freigelegt wird.
Die metallische Substratschicht kann ihrerseits aus einer einzelnen Metallschicht oder einem Schichtverbund mehrerer funktional unterschiedlicher Metallschichten bestehen. Die jeweils exponierte Schicht der Substratschicht, auf welcher der Überzug aus dem Gleitlack aufgebracht ist, kann daher aus unterschiedlichen Metallen oder Metalllegierungen, insbesondere einer Cu-, Al-, Ni-, Sn-, Zn-, Ag-, Au-, Bi- oder Fe-Legierung, gebildet sein.
Die metallische Substratschicht kann eine Stahlstützschicht oder eine metallische Lagermetallschicht oder eine Stahlstützschicht und eine metallische Lagermetallschicht, wahlweise eine metallische Zwischenschicht und wahlweise eine (dünne) metallische Deck- oder Gleitschicht umfassen. Sowohl die Stahlstützschicht als auch die Lagermetallschicht können, je nach den geforderten Eigenschaften, insbesondere der Festigkeit, einzeln oder in Kombination in der Substratschicht vorliegen oder diese bilden.
Bildet eine Gleitschicht die exponierte Schicht der Substratschicht, ist der Überzug des Gleitlackes vorzugsweise als Einlaufschicht zur Anpassung oder zur Konditionierung des Gegenläufers, bei einem Radiallager des Wellenmaterials, ausgebildet.
Eine „Einlaufschicht zur Konditionierung eines Gegenläufers“ im Sinne dieser Lehre setzt wenigstens den Zusatz von Hartstoffen von mindestens 0,5 Gew.-%, bezogen auf die ausgehärtete Gleitlackschicht voraus.
Eine „Einlaufschicht zur Anpassung“ im Sinne dieser Lehre erhält man ohne zusätzliche Hartstoffe, zum Beispiel durch Erhöhung des Gehaltes an Schmierstoffen oder Verringerung des Binderanteils, wenn man von der Zusammensetzung der eigentlichen Gleitschicht ausgeht.
Beide Einlaufschichten haben vorzugsweise eine Schichtdicke von 1 bis 5 µm und können besonders vorteilhaft auf hochbelastbaren Sputterschichten, insbesondere auf solchen auf AlSn-Basis, sein. Aber auch auf galvanischen Gleitschichten sind die Einlaufschichten von Vorteil, insbesondere wenn die Oberfläche des Gegenläufers besonderes aggressiv ist.
Bildet die Lagermetallschicht die exponierte Metallschicht, auf welcher der Überzug aus dem Gleitlack aufgebracht ist, ist der Überzug des Gleitlackes vorzugsweise als eigenständige Gleitschicht mit hoher Lebensdauer ausgebildet. Eine „Gleitschicht mit hoher Lebensdauer“ setzt im Sinne dieser Lehre wenigstens eine Schichtdicke zwischen 5 und 25 µm voraus. Die Lebensdauerschicht soll möglichst lange halten. Dazu benötigt sie eine gewisse Verschleißfestigkeit und eine ausreichende Dicke.
Vorteilhaft ist der Einsatz des Überzuges als Gleitschicht auf CuSn-, CuNiSi-, CuZn-, CuSnZn-, AlSn-, AISi-, AlSnSi-, AlZn- Lagermetall-Legierungen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die metallische Substratschicht des Gleitelements eine Zwischenschicht, vorzugsweise aus Sn, Ni, Ag, Cu, Fe oder deren Legierungen auf der Stahlstützschicht oder, wenn vorhanden, auf der Lagermetallschicht auf, auf welcher Zwischenschicht entweder die Deck- oder Gleitschicht oder unmittelbar der Überzug aus dem Gleitlack ausgebildet ist. In letzterem Fall bildet die Zwischenschicht die exponierte Schicht der Substratschicht. Besonders bevorzugt sind Zwischenschichten aus Ni oder Ag sowie deren Legierungen.
Die Zwischenschicht ist optional und dient der Verbesserung der Bindung und/oder der Gleiteigenschaften, wenn der Überzug und, soweit vorhanden, die Deck- oder Gleitschicht vollständig verschlissen sein sollten. Die Zwischenschicht kann ihrerseits aus einer oder mehreren Einzelschichten aufgebaut sein, beispielweise aus einer Kombination einer Ni- und einer NiSn-Schicht.
Eine besondere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Überzug ein Mehrschichtsystem aus wenigstens zwei Gleitlacken ist, von denen wenigsten ein Gleitlack gemäß der vorstehend beschriebenen Art ausgebildet ist, wobei die Gleitlacke so gestaltet sind, dass eine obere Gleitlackschicht als Einlaufschicht zur Konditionierung eines Gegenläufers auf einer unteren Gleitlackschicht ausgebildet ist, die als Gleitschicht mit hoher Lebensdauer ausgebildet ist.
Ein alternatives Mehrschichtsystem gemäß dieser Erfindung ist so aufgebaut, dass unter einer oberen Gleitlackschicht als Gleitschicht mit guten Gleit- und Anpassungseigenschaften eine untere Gleitlackschicht als Gleitschicht mit hoher Verschleißfestigkeit ausgebildet ist.
Eine „Gleitschicht mit guten Gleit- und Anpassungseigenschaften“ im Sinne dieser Lehre setzt wenigstens den Zusatz von Festschmierstoffen von in Summe 30 bis 60 Vol.-%, bezogen auf die ausgehärtete Gleitlackschicht und eine Schichtdicke zwischen 1 und 10 µm voraus. Der Anteil der Mischphasenoxide ist eher gering oder nicht vorhanden. Hier geht es also zuerst um eine Optimierung der Gleiteigenschaften, d.h. eine Reduzierung der Reibung und eine Erhöhung der Anpassungs- und Einbettfähigkeit, worauf auch die mechanische Beständigkeit abgestimmt ist.
Eine „Gleitschicht mit hoher Verschleißfestigkeit“ im Sinne dieser Lehre hat die Aufgabe, die Betriebssicherheit des Gleitelements oder Lagers dadurch weiter zu erhöhen, dass sie insbesondere bezüglich ihrer Verschleißfestigkeit optimiert ist und so ein vollständiges Durchlaufen auf das Lagermetall herauszögert. Sie enthält zu diesem Zweck auch die Mischphasenoxide. Die Gleitschicht mit hoher Verschleißfestigkeit ist der Lebensdauerschicht hinsichtlich des Gehaltes an Mischphasenoxiden ähnlich, jedoch kommt es bei letzterer eben auch noch auf deren Dicke an, die die Lebensdauer mitbestimmt.
Ein Mehrschichtsystem kann auch so aufgebaut sein, dass unter der Lebensdauerschicht eine zusätzliche Gleitlackschicht aufgebracht ist, die die Betriebssicherheit der Lager dadurch weiter erhöht, dass sie insbesondere bezüglich ihrer Verschleißfestigkeit optimiert ist und so ein vollständiges Durchlaufen auf das Lagermetall herauszögert. Hierfür können Mischphasenoxide optional beigemischt werden.
Ein weiteres Gleitelement mit einem Mehrschichtsystem gemäß dieser Erfindung sieht vor, dass der Überzug aus wenigstens zwei Gleitlacken besteht, von denen wenigstens ein Gleitlack gemäß der vorstehend beschriebenen Art ausgebildet ist, wobei eine zusätzliche, gering oder gar nicht additivierte untere Gleitlackschicht zwischen dem metallischen Substrat und einer oberen als Gleitschicht mit guten Gleit- und Anpassungseigenschaften oder als Gleitschicht mit hoher Verschleißfestigkeit oder als Gleitschicht mit hoher Lebensdauer ausgebildeten Gleitlackschicht angeordnet ist.
Eine „gering oder gar nicht additivierte Gleitlackschicht“ im Sinne dieser Lehre setzt folgende Maßnahme voraus, dass der Anteil der funktionalen Füllstoffe 0 bis 25 Vol.-% bezogen auf den ausgehärteten Gleitlack beträgt. Diese Schicht ist bezüglich der Haftung zum Substrat optimiert und hat wie eine Grundierung den Zweck, die Anbindung der darüber liegenden Gleitlackschicht zu verbessern. Diese gering oder gar nicht additivierte Gleitlackschicht ist zudem bevorzugt dünner als die darüber liegende Gleitlackschicht und besonders bevorzugt nur von 0,5 bis 5 µm dick.
Demgemäß ist der Überzug des Gleitelements bevorzugt ein Mehrschichtsystem aus wenigstens zwei Gleitlacken, von denen wenigstens ein Gleitlack gemäß der vorstehend beschriebenen Art ausgebildet ist, wobei die Gleitlacke wenigstens hinsichtlich einer Substanz ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Mischphasenoxiden, Festschmierstoffen, Hartstoffen und die Wärmeleitfähigkeit verbessernden Stoffen je nach Anwendung unterschiedliche Anteile aufweisen.
Im Gegensatz zu Mehrschichtensystem mit diskreten Lagen von Gleitlackschichten sieht eine Weiterbildung der Erfindung ein Gleitelement mit einem Überzug aus einem Gradientenschichtsystem vor. Das Gradientenschichtsystem besteht aus wenigstens zwei Gleitlacken, von denen wenigstens ein Gleitlack gemäß der vorstehend beschriebenen Art ausgebildet ist, wobei über wenigstens einen Abschnitt der Schichtdicke betrachtet wenigstens eine Substanz ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Mischphasenoxiden, Festschmierstoffen, Hartstoffen und die Wärmeleitfähigkeit verbessernden Stoffen je nach Anwendung einen ansteigenden oder abfallenden Anteil aufweist.
Besonders bevorzugt kommen die vorstehend beschriebenen Gleitelemente, ausgebildet als Gleitlagerschale oder -buchse (als Pleuellager oder Kurbelwellenlager), in einem Verbrennungsmotor zur Verwendung. Ebenso eignet sich der Gleitlack unmittelbar als Beschichtung im Verbrennungsmotor, beispielsweise für die Kolben als Hemdbeschichtung, oder die Kolbenringe als Anti-Microwelding-Flankenbeschichtung.
Weitere Merkmale, Vorteile, und Anwendungen werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Heranziehung der Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigen:

1 einen schematischen Schichtaufbau eines Gleitelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 einen schematischen Schichtaufbau eines Gleitelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 einen schematischen Schichtaufbau eines Gleitelements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 einen schematischen Schichtaufbau eines Gleitelements gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
5 einen schematischen Schichtaufbau eines Gleitelements gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Alle Ausführungsbeispiele weisen eine metallische Substratschicht 11, 21, 31, 41, 51 und einen darauf aufgebrachten Überzug 12, 22, 32, 42, 52 aus wenigstens einem erfindungsgemäßen Gleitlack auf, wobei der innere Aufbau der Substratschicht und/oder des Überzuges variieren. Die Dicke des Überzuges beträgt zwischen 1 und 50 µm, wobei die schematischen Darstellungen die realen Schichtdickenverhältnisse weder exakt noch proportional korrekt wiedergeben, sondern lediglich der Anschauung der Reihenfolge der Schichten dienen.
Die metallische Substratschicht 11 des Gleitelements gemäß 1 weist eine Stützschicht 13, üblicherweise aus Stahl, und ein Lagermetall 14, meist basierend auf einer Cu- oder Al-Legierung, sowie eine Zwischenschicht 15 auf, die ihrerseits aus einer oder mehreren Einzelschichten aufgebaut sein kann und der Verbesserung der Bindung zwischen der Lagermetallschicht und dem Überzug 12 dient. Je nach Anwendung kann die Zwischenschicht auch so konfiguriert sein, dass sie bei Verschleiß der darüberliegenden Schicht verbesserte Gleit- oder Notlaufeigenschaften aufweist. Der Überzug 12 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einer einzelnen Schicht 16 des erfindungsgemäßen Gleitlackes.
Grundsätzlich kann bei ausreichender Festigkeit des Lagermetalls in diesem und den folgenden Ausführungsbeispielen auf die Stützschicht aus Stahl verzichtet werden. Ebenso kann bei einigen Anwendungsbedingungen grundsätzlich auch die Lagermetallschicht entbehrlich sein. Die Zwischenschicht ist ebenfalls optional, wie einige der folgenden Ausführungsbeispiele zeigen.
In 2 besteht die metallische Substratschicht 21 des Gleitelements wieder aus einer Stahlstützschicht 23 und einer Lagermetallschicht 24, auf der der Überzug 22 diesmal ohne Zwischenschicht wieder in Form einer einzelnen Schicht 26 des erfindungsgemäßen Gleitlackes aufgebracht ist.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 weist eine metallische Substratschicht 31 auf, welche aus einer Stahlstützschicht 33, einer Lagermetallschicht 34, einer Zwischenschicht 35 und einer darauf aufgebrachten dünnen metallischen Gleit- oder Deckschicht 37 besteht. Die Gleit- oder Deckschicht 37 ist auf die Zwischenschicht 35 gesputtert oder dort galvanisch abgeschieden. In diesem Fall dient die Zwischenschicht 35 zur verbesserten Bindung der metallischen Gleit- oder Deckschicht 37 auf der Lagermetallschicht 34. Der Überzug 32 ist in Form einer einzelnen Schicht 36 des erfindungsgemäßen Gleitlackes auf der Gleitschicht 37 aufgebracht und dient als Einlaufschicht. Als Einlaufschicht kann sowohl eine Lackkomposition Verwendung finden, die für die Konditionierung des Gegenläufers optimiert ist, als auch eine Lackkomposition, die im Hinblick auf die Anpassung optimiert ist.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer metallischen Substratschicht 41, welche aus einer Stahlstützschicht 43 und einer Lagermetallschicht 44 besteht. Darauf ist der Überzug 42 in Form eines Mehrschichtsystems aus wenigstens zwei Gleitlacken angeordnet, von denen wenigstens ein Gleitlack erfindungsgemäß ausgebildet ist. Der Überzug 42 weist konkret eine obere Gleitlackschicht 46, die als Einlaufschicht ausgebildet ist, und darunter eine Gleitlackschicht 48 auf, die in Kontakt mit dem Metallsubstrat 41 steht und als Gleitschicht mit hoher Lebensdauer ausgebildet ist. Die Lebensdauer-Lackschicht 48 besteht aus dem erfindungsgemäßen Gleitlack mit Mischphasenoxiden, die darauf aufgebrachte Einlaufschicht 46 kann diese optional enthalten. Als Einlaufschicht kann auch hier eine Lackkomposition Verwendung finden, die für die Konditionierung des Gegenläufers optimiert ist, oder eine Lackkomposition, die im Hinblick auf die Anpassung optimiert ist.
Zuletzt ist in 5 ein Ausführungsbeispiel mit einer metallischen Substratschicht 51 gezeigt, welche aus einer Stahlstützschicht 53 und einer Lagermetallschicht 54 besteht. Darauf ist der Überzug 52 in Form eines Mehrschichtsystems aus wenigstens zwei Gleitlacken angeordnet, von denen wenigstens ein Gleitlack erfindungsgemäß ausgebildet sind. Der Überzug 52 weist auf dem metallischen Substrat 51 eine untere Gleitlackschicht 58 und darauf einer oberen Gleitlackschicht 56 auf. Die obere Gleitlackschicht 56 bildet eine Gleitschicht mit guten Gleit- und Anpassungseigenschaften oder eine Gleitschicht mit hoher Lebensdauer und enthält die Mischphasenoxide. Die untere Gleitlackschicht ist bezüglich der Haftung zum Substrat optimiert und hat wie eine Grundierung den Zweck, die Anbindung der darüber liegenden Gleitlackschicht zu verbessern und kann die Mischphasenoxide optional enthalten.
Beispiele:

Nachfolgende Tabelle 1 gibt einige Beispielzusammensetzungen des erfindungsgemäßen Gleitlackes an. Tabelle 1

Matrix-Polymer	Weitere Füllstoffe	Metallphasenoxide
PAI	hBN / SiC	Co-Al-Oxid
PAI	BaSO₄ / ZnS / hBN / SiC	Ni-Sb-Ti-Oxid
PAI	MoS₂	Fe-Al-Oxid
PAI	PTFE / hBN / MoS₂	Ni-Sb-Ti-Oxid
PI	MoS2 / BaSO₄ / ZnS	Co-Ti-Ni-Zn-Oxid
PI	PTFE / Si₃N₄	Co-Al-Oxid
PEI	MoS₂	Co-Ti-Ni-Zn-Oxid

Die exponierten Schichten des Substrats bestehen beispielsweise aus den in der Tabelle 2 angegebenen Legierungen und haben die jeweils zugeordnete Funktion in dem Gleitelement: Tabelle 2

CuNi2Si	Lagermetall
CuSn8Ni	Lagermetall
CuSn6Bi3	Lagermetall
CuPb23Sn	Lagermetall
Ni	Zwischenschicht
AlSn20CuMn	Lagermetall und Gleitschicht
AlSn8Ni2MnCu	Lagermetall und Gleitschicht
AlNi2MnCu	Lagermetall und Gleitschicht
AlSn10Si3CuCr	Lagermetall und Gleitschicht
AlSn6Si4CuNiCr	Lagermetall und Gleitschicht
AlZn5Mg3Cu	Lagermetall
AlZnMgCu1,5	Lagermetall.
AlSn20	Lagermetall und Gleitschicht
AlCu4MgSi	Lagermetall
AlSi10Cu	Lagermetall
Sn, galvanisch oder pvd	Gleitschicht
SnCu6, galvanisch oder pvd	Gleitschicht
Bi, galvanisch oder pvd	Gleitschicht
BiCu3, galvanisch oder pvd	Gleitschicht
Ag, galvanisch oder pvd	Gleit- oder Zwischenschicht

Bezugszeichenliste

11: metallisches Substrat
12: Überzug
13: Stahlstützschicht
14: Lagermetallschicht
15: Zwischenschicht
16: Gleitlackschicht
21: metallisches Substrat
22: Überzug
23: Stahlstützschicht
24: Lagermetallschicht
26: Gleitlackschicht
31: metallisches Substrat
32: Überzug
33: Stahlstützschicht
34: Lagermetallschicht
35: Zwischenschicht
36: Gleitlackschicht, Einlaufschicht
37: metallische Gleit- oder Deckschicht
41: metallisches Substrat
42: Überzug
43: Stahlstützschicht
44: Lagermetallschicht
46: Gleitlackschicht, Einlaufschicht
48: Gleitlackschicht, Lebensdauerschicht
51: metallisches Substrat
52: Überzug
53: Stahlstützschicht
54: Lagermetallschicht
56: Gleitlackschicht, Lebensdauerschicht
58: Gleitlackschicht, Grundierung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0984182 A1 [0004]
EP 1775487 A1 [0004]
WO 2004/002673 A1 [0004]
WO 2015097159 A1 [0004]
WO 2010076306 [0007]
EP 2563590 A1 [0014]

Claims

Gleitlack mit einem Polymer als Harzmatrix und mit funktionalen Füllstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionalen Füllstoffe Mischphasenoxide und wahlweise weitere funktionale Füllstoffe enthalten.
Gleitlack nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischphasenoxide in einem Anteil von 0,1 bis 15 Vol.-%, vorzugsweise 0,5 bis 8 Vol.-%, bezogen auf den ausgehärteten Gleitlack enthalten sind.
Gleitlack nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischphasenoxide wenigstens zwei der Elemente Titan, Cobalt, Aluminium, Nickel, Antimon, Chrom, Eisen oder Zink enthalten.
Gleitlack nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischphasenoxide gebildet sind aus Titan und wenigstens zwei der Elemente Cobalt, Aluminium, Nickel, Antimon, Chrom, Eisen oder Zink und ganz besonders bevorzugt aus Titan, Nickel und Antimon.
Gleitlack nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischphasenoxide in Form von Rutil-, Spinell- oder Hämatitstruktur vorliegen.
Gleitlack nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischphasenoxide eine mittlere Partikelgröße in Form des D50-Wertes im Bereich von 0,05 bis 2,0 µm, vorzugsweise 0,1 bis 0,5 µm, aufweisen.
Gleitlack nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Anteil der funktionalen Füllstoffe 75 Vol.-% bezogen auf den ausgehärteten Gleitlack nicht übersteigt.
Gleitlack nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weitere funktionale Füllstoffe enthalten sind, die einen oder mehrere der Stoffe Festschmierstoffe, Hartstoffe und die Wärmeleitfähigkeit verbessernde Stoffe enthalten.
Gleitlack nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Festschmierstoffe einen oder mehrere der Stoffe Metallsulfide mit Schichtstruktur, insbesondere MoS₂, WS₂, SnS₂; Graphit, hexagonales BN, Polytetrafluorethylen (PTFE), ZnS, BaSO₄ und Gemische davon enthalten.
Gleitlack nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffe einen oder mehrere der Stoffe Nitride, Carbide, Boride, Oxide enthalten, insbesondere SiC, Si₃N₄, B₄C₃, kubisches BN oder SiO₂.
Gleitlack nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit verbessernden Stoffe eines oder mehrere Metallpulver aus der Gruppe bestehend aus Ag, Pb, Au, Sn, Al, Bi oder Cu enthalten.
Gleitlack nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Metallpulver nicht größer als 30 Vol.-% bezogen auf den ausgehärteten Gleitlack ist.
Gleitlack nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Hartstoffe nicht größer als 10 Vol.-%, bevorzugt nicht größer als 5 Vol.-%, bezogen auf den ausgehärteten Gleitlack ist.
Gleitlack nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyimiden (PI), Polyamidimiden (PAI), Poletherimiden (PEI) und Polyesterimid, Epoxyharze (EP), Phenolharz, Polybenzimidazol (PBI), Silikonharz, hochschmelzende Thermoplaste, insbesondere mit Schmelzpunkt oberhalb von 220°C, Polyarylate, Polyetheretherketon (PEEK) und Poly(oxy-1,4-phenylsulfonyl-1,4-phenyl) (PES).
Gleitelement mit einer metallischen Substratschicht und einem darauf aufgebrachten Überzug aus wenigstens einem Gleitlack nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Gleitelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Überzuges zwischen 1 und 50 µm beträgt.
Gleitelement nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitelement ein Radiallager mit einem Durchmesser von bis zu 130 mm ist, wobei die Dicke des Überzuges zwischen 5 und 25 µm beträgt.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Substratschicht aus einer einzelnen Metallschicht oder einem Schichtverbund mehrerer Metallschichten besteht, wobei auf einer exponierten Schicht der Substratschicht der Überzug aufgebracht ist.
Gleitelement nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die exponierte Schicht der Substratschicht aus einer Cu-, Al-, Ni-, Sn-, Zn-, Ag-, Au-, Bi- oder Fe-Legierung gebildet ist.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Substratschicht eine Stahlstützschicht oder eine metallische Lagermetallschicht oder eine Stahlstützschicht und eine metallische Lagermetallschicht, wahlweise eine metallische Zwischenschicht und wahlweise eine Gleitschicht umfasst.
Gleitelement nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gleitschicht die exponierte Schicht der Substratschicht bildet, auf der der Überzug als Einlaufschicht zur Konditionierung eines Gegenläufers oder als Einlaufschicht zur Anpassung ausgebildet ist.
Gleitelement nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht wahlweise als Sputterschicht, insbesondere aus AlSn, oder als galvanische Gleitschicht ausgebildet ist.
Gleitelement nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lagermetallschicht die exponierte Schicht der Substratschicht bildet, auf der der Überzug als Gleitschicht mit hoher Lebensdauer ausgebildet ist.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagermetallschicht auf einer CuSn-, CuNiSi-, CuZn-, CuSnZn-, AlSn-, AISi-, AlSnSi- oder AlZn-Lagermetall-Legierung basiert.
Gleitelement nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zwischenschicht aus Sn, Ni, Ag, Cu, Fe oder deren Legierungen die exponierte Schicht der Substratschicht bildet, auf der der Überzug ausgebildet ist.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug ein Mehrschichtsystem aus wenigstens zwei Gleitlacken ist, von denen wenigstens ein Gleitlack gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet ist, wobei eine obere Gleitlackschicht als Einlaufschicht zur Konditionierung eines Gegenläufers auf einer unteren Gleitlackschicht als Gleitschicht mit hoher Lebensdauer ausgebildet sind.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug ein Mehrschichtsystem aus wenigstens zwei Gleitlacken ist, von denen wenigstens ein Gleitlack gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet ist, wobei unter einer oberen Gleitlackschicht als Gleitschicht mit guten Gleit- und Anpassungseigenschaften eine untere Gleitlackschicht mit hoher Verschleißfestigkeit ausgebildet ist.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 15 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug ein Mehrschichtsystem aus wenigstens zwei Gleitlacken ist, von denen wenigstens ein Gleitlack gemäß einem der Ansprüche 9 bis 18 ausgebildet ist, wobei zwischen der metallischen Substratschicht und einer oberen als Gleitschicht mit guten Gleit- und Anpassungseigenschaften oder als Gleitschicht mit hoher Verschleißfestigkeit ausgebildeten Gleitlackschicht eine zusätzliche gering oder gar nicht additivierte Gleitlackschicht angeordnet ist.
Gleitelement nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die gering oder gar nicht additivierte Gleitlackschicht dünner als die Gleitschicht ausgebildet ist.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 15 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug ein Mehrschichtsystem aus wenigstens zwei Gleitlacken ist, von denen wenigstens ein Gleitlack gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet ist, wobei die wenigstens zwei Gleitlacke wenigstens hinsichtlich einer Substanz ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus difunktionalen oder cyclisierten difunktionalen Verbindungen, Festschmierstoffen, Hartstoffen und die Wärmeleitfähigkeit verbessernden Stoffen unterschiedliche Anteile aufweisen.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 15 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug ein Gradientenschichtsystem aus wenigstens zwei Gleitlacken ist, von denen wenigstens ein Gleitlack gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet ist, wobei das Gradientenschichtsystem über wenigstens einen Abschnitt der Schichtdicke betrachtet wenigstens eine Substanz ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus difunktionalen oder cyclisierten difunktionalen Verbindungen, Festschmierstoffen, Hartstoffen und die Wärmeleitfähigkeit verbessernden Stoffen mit einem ansteigenden oder abfallenden Anteil aufweist.
Gleitelement nach einem der Ansprüche 15 bis 31 ausgebildet als Gleitlagerschale oder -buchse, insbesondere für einen Verbrennungsmotor.
Verwendung eines Gleitlackes nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Beschichtung von Kolben, Kolbenringen, Lagerschale oder Buchse für einen Verbrennungsmotor.