DE102017218592A1

DE102017218592A1 - Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers sowie ein mit dem Verfahren hergestelltes Gleitlager

Info

Publication number: DE102017218592A1
Application number: DE102017218592.9A
Authority: DE
Inventors: Maria Manuel Barbosa; René Bischoff; Steffen Nowotny; Filotheia-Laura Toma
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2017-10-18
Filing date: 2017-10-18
Publication date: 2019-04-18
Also published as: WO2019076677A1

Abstract

Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers wird an einer Oberfläche eines Substrates eine auf Gleitreibung beanspruchte Schicht ausgebildet, in der Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) in ein Basismetall eingebettet werden. Dabei erfolgt das Einbetten der CNTs bei Ausbildung der jeweiligen Schicht durch einen Energieeintrag, bei dem das Basismetall bis oberhalb seiner Schmelztemperatur erwärmt wird und das Basismetall in Form eines Pulvers oder einer Suspension und die CNTs in Form einer Suspension oder als Pulvergemisch mit pulverförmigem Basismetall für die Ausbildung der Schicht an der Oberfläche des Substrats, die durch Gleitreibung beansprucht wird, zugeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers sowie ein mit dem Verfahren hergestelltes Gleitalger.
Gleitlager auf Kupfer-Basis werden in erster Linie im Motorenbau eingesetzt. Durch diese können die Ansprüche, wie steigende Maschinendrehzahlen, hohe Lagerkräfte und Wartungsarmut gut abgebildet werden. Die wesentlichen Legierungskomponenten in Lagern auf Kupfer-Basis sind Zinn und Blei. Kupfer und Zinn bilden spröde Mischkristalle die für den Anstieg der Festigkeit und Härte des Werkstoffes verantwortlich sind. Blei ist in der Kupfer-Zinn-Matrix hingegen unlöslich. Somit bleibt Blei als weiche Phase im Mischkristall bestehen und dient bei der Bearbeitung des Werkstoffes als Spanbrecher und verleiht dem Lager bei trockener Reibung Notlaufeigenschaften.
Angestoßen durch die europäischen Direktive 2000/53/EC zur Bleireduzierung in Automobilen aus dem Jahr 2000 und deren Weiterentwicklung im Jahr 2010 wurden die Legierungsentwicklungen von bleifreien Alternativen vorangetrieben. Zunehmend finden höchstfeste, bleifreie Lagerwerkstoffe auf Kupfer-Zinn-Nickel-Basis Verwendung. Das Legierungselement Nickel erhöht die Festigkeiten, jedoch werden die Walzbarkeit und die mechanische Bearbeitbarkeit sowie die Notlaufeigenschaften eingeschränkt. Auch mit schleudergegossenenen, bleifreien Bronzelagern mit Grafitpartikeln als Bleiersatz konnten die inhomogenen Verteilungen der Grafitpartikel und die damit einhergehenden inhomogenen tribologischen und mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes nicht verhindern. Somit ist noch kein wirtschaftlicher Ersatz für die, durch den Bleizusatz, verbesserte Notlaufeigenschaft und Spanbarkeit gefunden worden.
Gleitlager, die nur geringen Belastungen und niedrigen Gleitgeschwindigkeiten stand halten müssen, werden mittels pulvermetallurgischer Verarbeitung von Kupfer-Zinn-Pulver wirtschaftlich produziert. Die durch das Heisspressen einstellbare Porosität der Lager kann dazu genutzt werden das Lager mit Öl zu tränken. Das Öl wird während des Betriebes kontinuierlich in die Kontaktfläche zwischen Lager und Welle abgegeben. So wird ein Schmierfilm aufgebaut, der den Zustand hydrodynamischer Reibung ermöglicht und einen nahezu wartungsfreien Einsatz zulässt. Die Temperaturbeständigkeit des ölgetränkten Lagers ist jedoch nur bis ca. 200 °C gewährleistet. Bei Einsatztemperaturen darüber hinaus verliert das Öl an Viskosität, fließt aus dem Lager und ein Lagerverschleiß durch Trockenreibung wird riskiert. Bei höheren Einsatztemperaturen wird bis zu 1,5 Masse-% freier Grafit unter das Kupfer-Zinn-Pulver gemischt. Grafit übernimmt hier ebenso wie Blei die Trockenschmierung der Kontaktstelle. Durch die Grafitpartikel verliert das Lager jedoch ca. 20% an Festigkeit.
Die Entwicklung neuer Gleitlagerwerkstoffe ist getrieben von steigenden Belastungen im Betrieb sowie von sich ändernden Marktanforderungen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Gleitlager zur Verfügung zu stellen, die bleifrei sind und über gute Gleitreibeigenschaften, bei gleichzeitig guten mechanischen Eigenschaften und guter mechanischer Bearbeitbarkeit verfügen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Anspruch 9 betrifft mit dem Verfahren hergestellte Gleitlager. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird an einer Oberfläche eines Substrates eine auf Gleitreibung beanspruchte Schicht ausgebildet, in der Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) in ein Basismetall eingebettet werden.
Das Einbetten der CNTs bei Ausbildung der jeweiligen Schicht erfolgt durch einen Energieeintrag, bei dem das Basismetall bis oberhalb seiner Schmelztemperatur erwärmt wird. Das Basismetall wird in Form eines Pulvers oder einer Suspension und die CNTs werden in Form einer Suspension oder als Pulvergemisch mit pulverförmigem Basismetall für die Ausbildung der Schicht an der Oberfläche des Substrats, die durch Gleitreibung beansprucht wird, zugeführt.
Der Energieeintrag kann dabei mit einer Flamme, einem Plasma, einem hochenergetischen Gasstrom und/oder einem Laserstrahl erreicht werden. Ein hochenergetischer Gasstrom kann beispielsweise beim Kaltgasspritzen genutzt werden, um ein Pulver des Basismetalls, eine Suspension in der pulverförmiges Basismetall gegen eine Oberfläche eines Substrats mit ausreichender Energie zu beschleunigen. Dabei kann ggf. ein zusätzlicher Energieeintrag mit einer weiteren Energiequelle, beispielsweise einem Laserstrahl, der von einer Laserstrahlungsquelle emittiert wird, zum Überschreiten der Schmelztemperatur des Basismetalls eingesetzt werden.
Als Basismetall kann eine Basiskupfer- oder -aluminiumlegierung, insbesondere mit Zn, Sn, Al, Ni und/oder Sc als weitere Legierungselemente eingesetzt werden. Mit Legierungselementen kann eine Anpassung der Werkstoffeigenschaften je nach Belastung (Wärme, Kantentragen, Notlaufeigenschaften, Dämpfung u.a.) erfolgen.
Die Schicht, die auf Gleitreibung beansprucht wird, kann durch thermisches Spritzen, insbesondere Flamm-, Kaltgas- oder Plasmaspritzen ausgebildet werden und dabei pulverförmiges Basismetall oder eine pulverförmiges Basismetall enthaltende Suspension und eine CNTs enthaltende Suspension einer Flamme, einem hochenergetischen Gasstrom oder einem Plasma in Form eines in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche des Substrates gerichteten Strahles, bevorzugt an verschiedenen Positionen dem Strahl zugeführt werden.
Die Schicht kann auch durch thermisches Spritzen, insbesondere Flamm-, Kaltgas- oder Plasmaspritzen ausgebildet werden und dabei ein Gemisch bestehend aus pulverförmigem Basismetall und CNTs einer Flamme, einem Plasma oder einem hochenergetischen Gasstrom in Form eines in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche des Substrates gerichteten Strahles oder das Gemisch kann durch Laserauftragsschweißen zur Ausbildung der Schicht eingesetzt werden.
Zur Ausbildung der Schicht durch Laserauftragsschweißen kann pulverförmiges Basismetall durch eine Zuführung eines Laserbearbeitungskopfes koaxial in Richtung auf die zu beschichtende Oberfläche gefördert und CNTs dabei nicht koaxial in einem Winkel ungleich 0° zur optischen Achse des Laserstrahls zugeführt werden.
Für die Ausbildung der Schicht kann die jeweilige Oberfläche mit CNTs beschichtet und anschließend daran eine temporäre Schicht durch thermisches Spritzen oder Laserauftragsschweißen mit dem Basismetall auf die mit CNTs beschichtete Oberfläche aufgebracht werden. Die CNTs können durch Aufsprühen, Aufrakeln oder Aufstreichen auf die jeweilige Oberfläche aufgebracht werden, bevor die temporäre Schicht darauf ausgebildet wird.
Dabei treten die CNTs in das geschmolzene Basismetall ein. Infolge des Dichteunterschieds zwischen Basismetall und CNTs steigen CNTs in Richtung Oberfläche der Schicht auf. Nach dem Erstarren des Basismetalls können sie so oberflächennah in der Schicht eingebettet werden.
Es kann eine Suspension oder ein Pulvergemisch eingesetzt werden, in der CNTs mit einem Anteil im Bereich 0,05 Masse-% bis 5 Masse-% enthalten sind.
Für ein mit dem Basismetall gebildetes Pulver sollte eine mittlere Partikelgröße d₅₀ im Bereich 0,3 µm bis 150 µm eingesetzt werden. Dies trifft auch auf ein Pulver zu, mit dem eine Suspension gebildet wird.
So kann man beim thermischen Spritzen oder Kaltgasspritzen Partikelgrößen d₅₀ im Bereich 5 µm bis 25 µm, in einer Suspension Partikelgrößen d₅₀ im Bereich 0,3 µm bis 3 µm und bei einem Laserauftragsschweißen Partikelgrößen d₅₀ im Bereich 45 µm bis 150 µm einsetzen.
Mittels pulvermetallurgischer und/oder schmelzmetallurgischer Herstellung und CNTs enthaltenden Gleitlagerwerkstoffen für eine Schicht, die auf Gleitreibung beansprucht wird, können bis zu 10 % höhere Kennwerte für die Dehngrenze, die Bruchdehnung und/oder die Makrohärte) im Vergleich zu einem Referenzwerkstoff aus reinem Kupfer erreichen.
In einem Basismetall als Matrix eingebettete CNTs sollten in homogener Verteilung der CNTs in der Matrix enthalten sein, um die „Blei-Effekte“ zu erreichen. Dabei sollten CNTs zumindest an der Oberfläche bzw. in einem oberflächennahen Bereich einer Schicht, die Gleitreibung beim Betrieb des jeweiligen Gleitlagers ausgesetzt ist, homogen verteilt angeordnet sein.
Die Ausrichtung der Längsachsen von CNTs kann dabei zumindest nahezu parallel oder in völlig zufälliger Ausrichtung vorteilhaft gewählt sein.
Der Stand der Technik für Gleitlagerherstellung basiert aber auf einem aufwendigen Mehrstofflagersystem:

1. Stahlrücken, 2. Binderschicht (Verbindungszone), 3. Gleitlagerwerkstoff, 4. Anti-friction coating (AFC) und 5. Korrosionsschutz (Finish).

Durch eine Direktbeschichtung des Gleitlagerwerkstoffs beispielsweise auf einen Stahlrücken als Substrat können folgende Vorteile erreicht werden:

1. Beseitigung vorgespannter Bauteilzustände
2. Masseersparnis oder Leistungssteigerung des Bauteils
3. Einsparpotential durch vereinfachte Fertigungskette gegenüber konventionell hergestellten Lagersystemen

CNTs sind ein geeigneter Bleiersatz bei gleichzeitiger Verhältnisoptimierung von Duktilität und Festigkeit des Werkstoffs mit dem eine auf Gleitreibung beanspruchte Schicht ausgebildet ist.

CNTs Grafit

Notlaufeigenschaften + +

Spanbarkeit + +

Festigkeitswerte + - (ca. 20%)
Bei der Erfindung kann thermisches Spritzen oder Laserauftragsschweißen mit dem Einsatz einer Suspension, in der CNTs enthalten sind, kombiniert werden. Die Suspension kann mit Wasser, Alkohol oder aus einer Mischung von beiden hergestellt werden. Die CNTs in der Suspension können mit 0,05 Masse-% bis 5 Masse-% enthalten sein. Ein Anteil der enthaltenen CNTs kann bedingt durch das Herstellungsverfahren geschädigt werden. Dies kann bis zur Disfunktionalität einiger CNTs führen. Der jeweilige Anteil sollte in der Ausgangssuspension, einem Pulvergemisch mit Basismetall oder bei direkt auf einer Oberfläche eines Substrats aufgetragenen CNTs mit einem dementsprechend erhöhten CNT-Gehalt berücksichtig werden.
Bei der Erfindung können im Wesentlichen fünf Varianten genutzt werden, die jeweils mit einem herkömmlichen Beschichtungsprozess für CNTs kombiniert werden können.
Insbesondere Multiwall CNTs sind unter Luftatmosphäre bis 600°C und unter Schutzatmosphäre bis 2000°C stabil, was bei der Ausbildung der Schicht beachtet werden sollte.
Variante A: Hybrid Prozess Thermisches Spritzen Pulver/Suspension mit CNTs
Dabei kann ein konventionelles Beschichtungsverfahren, wie z.B. hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF mit Sauerstoff oder HVAF mit Druckluft), Kaltgasspritzen, atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) mit interner oder externer, radialer oder axialer Pulverzufuhr eingesetzt werden. Kombiniert mit einem zweiten Injektor kann eine CNTs enthaltende-Suspension in einen als Flamme/Plasma oder einen Gasstrom vorliegenden Strahl injiziert werden. Die zwei Injektoren sollten an verschiedenen Positionen mit ihren Öffnungen für den Austritt von Pulver und Suspension angeordnet sein. Die Temperatur am Austritt des Injektors für das Pulver sollte höher als an der Austrittsöffnung des Injektors für die CNTs enthaltende Suspension sein, so dass die Suspension bei niedrigeren Temperaturen in den jeweiligen Strahl injiziert werden kann, als das Pulver.
Durch den freien Flug der Pulverpartikel und deren Verwirbelung innerhalb des Strahls wird eine Vermischung des Pulvers mit den CNTs erreicht.
Variante B: Thermisches Spritzen Suspension/Suspension mit CNTs
Es kann ähnlich, wie bei Variante A vorgegangen werden. Anstelle eines reinen Pulvers als Basismetall werden bei dieser Variante B eine Suspension in der das Basismetall des Schichtwerkstoffs in Pulverform enthalten ist, und eine Suspension in der CNTs enthalten sind, eingesetzt. Die zwei Injektoren für die Zuführung der jeweiligen Suspensionen sollten an unterschiedlichen Positionen in Bezug zu einer Flamme, eines Gasstroms bzw. eines Plasma, die einen in Richtung der Substratoberfläche gerichteten Strahl bilden, angeordnet sein.
Die jeweilige Temperatur sollte an einer Austrittsöffnung eines Injektors für die Zufuhr der das Basismetall des Schichtwerkstoffs enthaltenden Suspension höher, als an der Austrittsöffnung des Injektors, mit dem die Zufuhr der CNTs enthaltenden Suspension erfolgt, sein. Durch den freien Flug der Pulverpartikels und deren Verwirbelung innerhalb des Strahls, wird einer Vermischung der Pulverpartikel mit den CNTs erreicht.
Variante C: Laserpulverauftragsschweißen mit off-axis Suspensionszuführ
Die bereits beschriebene Suspension, in der CNTs enthalten sind, wird zusätzlich zu der Zufuhr von pulverförmigem Basismetall des Schichtwerkstoffs, der durch eine koaxiale Pulverdüse injiziert wird, injiziert. Diese Zufuhr der Suspension sollte off-axis (nicht koaxial), also in einem Winkel ungleich 0°, der kleiner als 90 ° ist, erfolgen und durch einen unabhängigen Förderer für die CNTs enthaltende Suspension realisiert werden. Die Zufuhr des pulverförmigen Basismetalls und der CNTs kann vorteilhaft an unterschiedlichen Positionen in einen Laserstrahl erfolgen.
Variante D: Vorlegiertes Gleitlager-CNT-Komposite
Es wird ein pulverförmiger Schichtwerkstoff aus dem Basismetall, in dem CNTs mit einem Anteil zwischen 0,05 Masse-% und 5 Masse-% und das Basismetall enthalten sind, durch Mahlen, bevorzugt mit einer Hochenergie-Kugelmühle hergestellt und wie ein konventioneller Pulverzusatzwerkstoff beim thermisches Spritzen (HVOF, HVAF, Kaltgas) oder beim Laserpulverauftragsschweißen eingesetzt.
Variante E: Multilagenschichtsystem
Bei dieser Variante wird zuerst mittels ein „Sprühpistole“ oder einem Pinsel die CNTs-Suspension auf eine Oberfläche eines Substrats aufgetragen. Danach wird eine Schicht mit einer Schichtdicke im Bereich 100 µm bis 500 µm aus dem Basismetall des Schichtwerkstoffs mittels thermischem Spritzen (HVOF, HVAF, Kaltgasspritzen) aufgetragen. Diese Schicht wird anschließend mittels einer Laserbehandlung (Laserumschmelzung) thermisch behandelt, so dass das Basismetall schmilzt und die CNTs in die Schmelze eintreten und demzufolge nach deren Erstarren auch in das Basismetall, mit dem die Schicht gebildet wird, im oberflächennahen Bereich einer Gleitfläche des jeweiligen Gleitlagers, die mit der Schicht gebildet ist, eingebettet werden. Eine qualitativhochwertige Anbindung der CNTs an das Basismetall kann so erreicht werden. Aufgrund des Dichteunterschiedes können die CNTs in dem schmelzflüssigen Basismetall aufsteigen, so dass sie im Wesentlichen im oberflächennahen Bereich eingebettet werden.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden.
Dabei zeigen:

1 in schematischer Darstellung ein Beispiel für die Herstellung einer auf Gleitreibung beanspruchten Schicht;
2 in schematischer Darstellung ein zweites Beispiel für die Herstellung einer auf Gleitreibung beanspruchten Schicht;
3 in schematischer Darstellung ein drittes Beispiel für die Herstellung einer auf Gleitreibung beanspruchten Schicht;
4 in schematischer Darstellung ein viertes Beispiel für die Herstellung einer auf Gleitreibung beanspruchten Schicht und
5 in schematischer Darstellung ein fünftes Beispiel für die Herstellung einer auf Gleitreibung beanspruchten Schicht.

Bei dem in 1 gezeigten Beispiel kann eine Schicht 2 auf einer Oberfläche eines Substrats 1 durch thermisches Spritzen gemäß der Variante A ausgebildet werden.
Dabei wird pulverförmiges Basismetall mit einer Cu-Basislegierung CuZn31Si1 in einen Strahl 4, der von einer an sich bekannten Vorrichtung zum thermischen Spritzen 3 in Richtung der Oberfläche des Substrates 1 gerichtet ist, über einen ersten Injektor 5 zugeführt. In Strömungsrichtung des Strahls 4 nach dem ersten Injektor 5 ist ein zweiter Injektor 6 angeordnet, mit dem eine CNTs mit einem Anteil von 2 Masse-% enthaltende Suspension dem Strahl 4 zugeführt wird, in dem bereits die Partikel der Cu-Basislegierung enthalten und durch die zugeführte Energie erwärmt worden sind. Die Temperatur im Strahl 4 ist im Bereich, in dem die Zufuhr der Suspension erfolgt kleiner als im Bereich, in dem die Zufuhr der pulverförmigen Cu-Basislegierung erfolgt ist.
Spätestens bei Erreichen der Oberfläche des Substrates 1 sind die Partikel der Cu-Basislegierung, als Basismetall für die Ausbildung der Schicht 2 bis oberhalb der Schmelztemperatur erwärmt und die Partikel des Basismetalls mit den CNTs vermischt worden. Zumindest ein Teil des Wassers, mit dem die Suspension als Flüssigkeit gebildet ist, ist bis zum Auftreffen auf die Oberfläche des Substrates 1 verdampft.
Durch die an die Cu-Basislegierung übertragene thermische und kinetische Energie bildet sich die Schicht 2 auf der Oberfläche des Substrats 1 aus. In der Schicht 2 sind die CNTs verteilt und nach dem Erstarren der Cu-Basislegierung in ihr als Basismetall eingebettet. Dies kann man in dem vergrößertem Ausschnitt in 1 erkennen.
Das in 2 gezeigte Beispiel entspricht der Variante B und unterscheidet sich vom Beispiel nach 1 lediglich dadurch, dass die Cu-Basislegierung nicht rein pulverförmig, sondern in Form einer Suspension über den ersten Injektor 5 zugeführt wird.
Die Suspension ist mit Wasser als Flüssigkeit gebildet. Partikel der Cu-Basislegierung sind in der Suspension mit einem Anteil von 50 Masse-% bis 70 Masse-% enthalten.
Das in 3 gezeigte Beispiel kann die Variante C realisieren. Dabei wird die pulverförmige Cu-Basislegierung über einen Laserbearbeitungskopf 7, der zum Laserauftragsschweißen ausgebildet in Richtung auf die Oberfläche eines Substrates 1 mittels einer Pulverfördereinrichtung 7.1 konzentrisch um einen Laserstrahl 8 zugeführt und mit der Energie des Laserstrahls 8 geschmolzen.
Die Suspension in der CNTs enthalten sind, wird durch einen zweiten Injektor 6 in einen Bereich, der oberhalb der sich ausbildenden Schicht 2 in einem Abstand zur Oberfläche des Substrates 1 von einer Seite in einem Winkel zwischen 0° und 90°, bevorzugt zwischen 30° und 60° in Bezug zur optischen Achse des Laserstrahls 8 (off axis) zugeführt. Mit dem in 3 zusätzlich in vergrößerter Darstellung gezeigten Ausschnitt kann dies noch besser verdeutlicht werden.
Es kann die gleiche Suspension und die gleiche pulverförmige Cu-Basislegierung, wie beim Beispiel nach 1 eingesetzt werden.
In 4 sind zwei Möglichkeiten gezeigt, mit denen die Variante D realisiert werden kann.
Dabei wird ein Pulvergemisch eingesetzt, dass mit Partikeln des Basismetalls und CNTs gebildet ist. Auf die Zufuhr einer Suspension kann dabei verzichtet werden.
Das Pulvergemisch wurde mit einem Mahlprozess erhalten. CNTs sind mit einem Anteil von 0,05 Masse-% bis 5 Masse-% neben den Basismetallpartikeln enthalten.
Im in 4 links gezeigten Beispiel erfolgt die Pulvergemischzufuhr in den mit einer Vorrichtung 3 generierten Strahl 4 mit einem ersten Injektor 5. Auf einen zweiten Injektor 6 kann dabei verzichtet werden.
Im in 4 rechts gezeigten Beispiel erfolgt die Zufuhr des Pulvergemischs über die Pulverzufuhreinrichtung 7.1 des Laserbearbeitungskopfes 7 in den Einflussbereich des Laserstrahls 8 zur Ausbildung der Schicht 2.
Der Laserbearbeitungskopf 7 kann, wie beim Beispiel nach 3 auch über eine Schutzgaszuführung 7.2 verfügen.
In 5 ist in drei Schritten die Ausbildung einer Schicht gemäß Variante E gezeigt.
Dabei werden CNTs in einem 1. Schritt in einer Suspension mittels einer Sprühpistole 9 auf die Oberfläche des Substrats 1 aufgetragen. Dabei sollen die CNTs gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt angeordnet werden. Es kann dazu eine mit Wasser gebildete Suspension, in der zusätzlich ein Tensid enthalten sein kann, eingesetzt werden. Die Oberfläche sollte dadurch mit CNTs so belegt werden.
Enthaltenes Tensid kann ggf. durch Waschen entfernt werden, bevor die mit CNTs belegte Oberfläche mit Basismetall, das auch hier die gleiche Cu-Basislagierung sein kann, in Form einer temporären Schicht 10 abgedeckt wird (2. Schritt). Dies kann mittels HVOF, HVAF oder Kaltgasspritzen oder auch durch einfache Pulverförderung erreicht werden
In einem dritten Schritt erfolgt eine Energiezufuhr, die wie gezeigt mit einem Laserstrahl 8, aber auch in anderer geeigneter Form erfolgen kann, um ein Schmelzen des Basismetalls zu bewirken.
Die CNTs können nach dem Schmelzen des Basismetalls in die Schmelze eindringen. Da sie eine erheblich kleinere Dichte als das geschmolzene Basismetall aufweisen, können sie in der Schmelze in Richtung der äußeren Oberfläche der sich ausbildenden und später auf Gleitreibung beanspruchten Schicht 2 aufsteigen. Sie können so beim Erstarren der Schmelze im oberflächennahen Bereich der Schicht 2 eingebettet werden und ihre vorteilhaften Eigenschaften, was insbesondere das Gleitreibverhalten betrifft, dort zur Wirkung bringen.
Das Aufsteigen kann durch die gezielte Einhaltung von Temperaturen in der Schicht 2 und deren jeweilige Haltezeit beeinflusst werden. Dabei können die auch Dichteunterschiede zwischen Basismetall und CNTs sowie die jeweilige temperaturabhängige Viskosität der Schmelze berücksichtigt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers, bei dem an einer Oberfläche eines Substrates (1) eine auf Gleitreibung beanspruchte Schicht (2) ausgebildet wird, in der Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) in ein Basismetall eingebettet werden, dabei erfolgt das Einbetten der CNTs bei Ausbildung der jeweiligen Schicht (2) durch einen Energieeintrag, bei dem das Basismetall bis oberhalb seiner Schmelztemperatur erwärmt wird und das Basismetall in Form eines Pulvers oder einer Suspension und die CNTs in Form einer Suspension oder als Pulvergemisch mit pulverförmigem Basismetall für die Ausbildung der Schicht (2) an der Oberfläche des Substrats (1), die durch Gleitreibung beansprucht wird, zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag mit einer Flamme, einem Plasma, einem hochenergetischen Gasstrom und/oder einem Laserstrahl (8) erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Basismetall eine Basiskupfer- oderaluminiumlegierung eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (2) durch thermisches Spritzen, insbesondere Flamm-, Kaltgas- oder Plasmaspritzen ausgebildet wird und dabei pulverförmiges Basismetall oder eine pulverförmiges Basismetall enthaltende Suspension und eine CNTs enthaltende Suspension einer Flamme, einem Gasstrom oder einem Plasma in Form eines in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche des Substrates (1) gerichteten Strahles (4), bevorzugt an verschiedenen Positionen dem Strahl (4) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (2) durch thermisches Spritzen, insbesondere Flamm-, Kaltgas- oder Plasmaspritzen ausgebildet wird und dabei ein Gemisch bestehend aus pulverförmigem Basismetall und CNTs einer Flamme, einem Plasma oder einem hochenergetischen Gasstrom in Form eines in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche des Substrates (1) gerichteten Strahles (4) oder das Gemisch durch Laserauftragsschweißen zur Ausbildung der Schicht (2) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der Schicht (2) durch Laserauftragsschweißen pulverförmiges Basismetall durch eine Zuführung (7.1) eines Laserbearbeitungskopfes (7) koaxial in Richtung auf die zu beschichtende Oberfläche gefördert und CNTs nicht koaxial in einem Winkel ungleich 0° zur optischen Achse des Laserstrahls (8) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ausbildung der Schicht (2) die jeweilige Oberfläche mit CNTs beschichtet und anschließend daran eine temporäre Schicht (10) durch thermisches Spritzen oder Laserauftragsschweißen mit dem Basismetall auf die mit CNTs beschichtete Oberfläche aufgebracht wird; wobei die CNTs in das geschmolzene Basismetall eintreten und infolge des Dichteunterschieds zwischen Basismetall und CNTs in Richtung Oberfläche der Schicht (2) aufsteigen und nach dem Erstarren des Basismetalls oberflächennah in der Schicht (2) eingebettet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Suspension oder ein Pulvergemisch eingesetzt wird, in der CNTs mit einem Anteil im Bereich 0,05 Masse-% bis 5 Masse-% enthalten sind.
Gleitlager hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem auf einer Oberfläche eines Substrats (1) eine einer Gleitreibung während des Einsatzes des Gleitlagers ausgesetzte Schicht (2) ausgebildet ist, in der CNTs in einem Basismetall eingebettet sind.