DE102018107471B3

DE102018107471B3 - Metall/Kunststoff-Gleitlagerverbundwerkstoff

Info

Publication number: DE102018107471B3
Application number: DE102018107471.9A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Windrich; Franz Cieslik; Gunter Bürkle; Rolf Reinicke
Original assignee: KS Gleitlager GmbH
Current assignee: KS Gleitlager GmbH
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2019-03-28
Anticipated expiration: 2038-03-29

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Metall/Kunststoff-Gleitlagerverbundwerkstoff (2), insbesondere zur Herstellung einer Gleitlagerschale zur Lagerung einer Kurbelwelle oder einer Nockenwelle oder eines Pleuels, mit einer metallischen Stützschicht (4), insbesondere aus Stahl, und mit einer dem Gleitpartner zugewandten und exponierten Gleitschicht (6) aus einem Gleitschichtmaterial (8) auf Polymerbasis mit die tribologischen Eigenschaften verbessernden Festschmierstoffen (10) und Verstärkungsstoffen (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstoffe eine Mischung aus Metallpulver (14) und weiteren Füllstoffen (16) umfassen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Metall/Kunststoff-Gleitlagerverbundwerkstoff, insbesondere zur Herstellung einer Gleitlagerschale zur Lagerung einer Kurbelwelle oder einer Nockenwelle oder eines Pleuels, mit einer metallischen Stützschicht, insbesondere aus Stahl, und mit einer dem Gleitpartner zugewandten und exponierten Gleitschicht aus einem Gleitschichtmaterial auf Polymerbasis mit die tribologischen Eigenschaften verbessernden Festschmierstoffen und Verstärkungsstoffen, wobei die Verstärkungsstoffe eine Mischung aus Metallpulver und weiteren Füllstoffen umfassen. Ein derartiger Metall/Kunststoff-Gleitlagerverbundwerkstoff ist bekannt aus DE 10 2013 227 186 B4 .
Aufgrund der zunehmenden Verwendung von Start/Stop-Automatik zur Treibstoffeinsparung bei Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen ergibt sich bei den Gleitlagerelementen häufig der Zustand der Mangelschmierung, währenddessen die Gleitlagerelemente einer deutlich höheren abrasiven Belastung ausgesetzt sind. Insbesondere im Hinblick auf diese spezifische Belastung soll die Verschleißbeständigkeit derartiger Gleitlagerverbundwerkstoffe und hieraus hergestellter Gleitlagerelemente verbessert werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gleitlagerverbundwerkstoff der vorstehend genannten Art bereit zu stellen, der auf kostengünstige Weise herstellbar ist und der sich zur Herstellung eines verschleißbeständigen Gleitlagers für motorische Anwendungen, insbesondere der vorstehend genannten Art eignet.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Gleitlagerverbundwerkstoff der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Polymerbasis dadurch erhalten ist, dass Polymere mit einem Reaktivverdünner und einem Härter zusammengebracht sind.
Durch die Zugabe von Metallpulver wird die Wärmeleitfähigkeit der betreffenden Gleitschicht erhöht. Je mehr Metallpulver eingebracht wird, desto besser ist die an der Schnittstelle zum Gleitpartner entstehende Abführung von Reibwärme und desto verschleißbeständiger ist der Gleitlagerverbundwerkstoff. Es erweist sich weiter als vorteilhaft, wenn solche weiteren Füllstoffe verwendet werden, die eine gute Wärmeableitung gestatten.
Die Verschleißbeständigkeit wird weiter dadurch verbessert, dass die weiteren Füllstoffe verschleißmindernde Hartstoffe umfassen.
Ein ganz wesentlicher Aspekt ist jedoch auch die Einbindung der Verstärkungsstoffe in das Gleitschichtmaterial. Um diese zu verbessern, wird weiter vorgeschlagen, dass das Metallpulver und/oder die weiteren Füllstoffe vor deren Einbindung in die Gleitschicht bzw. in das Gleitschichtmaterial mit Metallalkoholaten behandelt sind. Durch die Behandlung mit Metallalkoholaten können die Oberflächen des Metallpulvers bzw. der weiteren Füllstoffe derart modifiziert werden, dass sie sich chemisch, insbesondere über einen organischen Rest, mit dem matrixbildenden Gleitschichtmaterial auf Polymerbasis verbinden und somit im Betrieb vor einem Ausbrechen aus der Gleitschicht geschützt sind. Durch diese weitere Maßnahme wird die Einbindung der Verstärkungsstoffe in die Gleitschicht, das heißt, in das matrixbildende Gleitschichtmaterial auf Polymerbasis, verbessert.
Es wird weiter vorgeschlagen, dass die Polymerbasis eine Polyamidbasis oder eine Epoxidharzbasis ist.
Es wird weiter vorgeschlagen, dass die Polymerbasis dadurch erhalten ist, dass der Härter Isocyanat oder Polyoxyalkylenamin ist.
Es wird weiter vorgeschlagen, dass das Gleitschichtmaterial in einem solchen Maße mit Metallpulver aufgefüllt ist, dass die Wärmeleitfähigkeit der Gleitschicht nahezu an die Wärmeleitfähigkeit einer metallischen Schicht herankommt.
Es wird weiter vorgeschlagen, dass die Hartstoffe Keramikpulver umfassen.
Es wird weiter vorgeschlagen, dass das Keramikpulver Metalloxide, insbesondere Al₂O₃, TiO₂, ZnO, CeO, und/oder Fluoride umfasst.
Es wird weiter vorgeschlagen, dass die weiteren Füllstoffe Schichtsilikate, insbesondere Caolin, Glimmer, blockförmiges Wollastonit, Talg, Bentonit, umfassen.
Es wird weiter vorgeschlagen, dass die weiteren Füllstoffe Fasern umfassen, insbesondere Mineralfasern, Kunststofffasern, Metallfasern, Kohlenstofffasern, einschließlich Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
Es wird weiter vorgeschlagen, dass die Festschmierstoffe Metallsulfide, insbesondere SnS₂, MoS₂, WS₂, ZnS, und/oder PTFE, BaSo₄, hexagonales Bornitrid, Grafen, Graphit, und/oder Ruß, und/oder polymere Festschmierstoffe, wie insbesondere PTFE, umfassen.
Um den erfindungsgemäßen Metall/Kunststoff-Gleitlagerverbundwerkstoff so kompakt und kostengünstig wie möglich herzustellen, wird bei einer Ausführungsform vorgeschlagen, dass die Gleitschicht direkt auf die metallische Schutzschicht aufgebracht ist. Sie umfasst hierbei eine Dicke von vorzugsweise wenigstens 100 µm bis wenige Millimeter. Typischerweise von 100 µm bis 500 µm. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ist einerseits sichergestellt, dass aufgrund des Metallpulvers die Wärme rasch an die metallische Stützschicht abgeführt werden kann. Durch die weiteren Maßnahmen ist die Einbindung der Verstärkungsstoffe in das Gleitschichtmaterial verbessert.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass auf die Stützschicht eine Lagermetallschicht aus einer Aluminiumlegierung oder aus einer Kupferlegierung aufgebracht ist und dass die Gleitschicht in Form einer Gleitlackschicht, insbesondere auf Polyamidimid-Basis oder Epoxidharz-Basis, auf die Lagermetallschicht aufgebracht ist. In diesem Fall umfasst die Gleitlackschicht eine geringere Dicke von vorzugsweise 5 - 30 µm, insbesondere von 5 - 12 µm.
Gegenstand der Erfindung ist weiter ein Metall/Kunststoff-Gleitlagerverbundwerkstoff mit den Merkmalen der Ansprüche 16 und 17. Sämtliche vorausgehend beschriebenen Maßnahmen und Merkmale werden auch im Hinblick auf die Ansprüche 16 und 17 als zur Erfindung gehörig angesehen.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen und aus der zeichnerischen Darstellung und nachfolgender bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung. In der Zeichnung zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Gleitlagerverbundwerkstoffs nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines Gleitlagerverbundwerkstoffs nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

1 zeigt einen Metall/Kunststoff-Gleitlagerverbundwerkstoff 2 mit einer metallischen Stützschicht 4 und einer darauf aufgebrachten Gleitschicht 6 aus einem Gleitschichtmaterial 8 auf Polymerbasis. Das Gleitschichtmaterial 8 umfasst schematisch angedeutete Festschmierstoffe 10 und Verstärkungsstoffe 12. Die Verstärkungsstoffe 12 umfassen eine Mischung aus Metallpulver 14 und weiteren Füllstoffen 16, vorzugsweise in Form von verschleißmindernden Hartstoffen 18. Die Polymerbasis ist vorzugsweise eine Polyamidbasis oder eine Epoxidharzbasis.
Durch eine Oberflächenbehandlung der Verstärkungsstoffe mit Metallalkoholaten wird deren Einbindung in das Gleitschichtmaterial verbessert.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform, wonach auf die metallische Stützschicht 4 eine Lagermetallschicht 20 aus Aluminium-Legierung oder aus Kupfer-Legierung aufgebracht ist. Auf die Lagermetallschicht 20 ist eine eher dünne Gleitschicht 6 in Form einer Gleitlackschicht 22 aufgebracht, deren Dicke vorzugsweise 5 - 30 µm beträgt. Die als Gleitlackschicht 22 ausgebildete Gleitschicht 6 umfasst ebenfalls Festschmierstoffe 10 sowie Verstärkungsstoffe 12 in Form einer Mischung aus Metallpulver 14 und weiteren Füllstoffen 16, vorzugsweise in der Form von verschleißmindernden Hartstoffen 18.

Claims

Metall/Kunststoff-Gleitlagerverbundwerkstoff (2), insbesondere zur Herstellung einer Gleitlagerschale zur Lagerung einer Kurbelwelle oder einer Nockenwelle oder eines Pleuels, mit einer metallischen Stützschicht (4), insbesondere aus Stahl, und mit einer dem Gleitpartner zugewandten und exponierten Gleitschicht (6) aus einem Gleitschichtmaterial (8) auf Polymerbasis mit die tribologischen Eigenschaften verbessernden Festschmierstoffen (10) und Verstärkungsstoffen (12), wobei die Verstärkungsstoffe eine Mischung aus Metallpulver (14) und weiteren Füllstoffen (16) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbasis dadurch erhalten ist, dass Polymere mit einem Reaktivverdünner und einem Härter zusammengebracht sind.
Metall/Kunststoff-Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver (14) und/oder die weiteren Füllstoffe (16) vor deren Einbindung in die Gleitschicht (6) bzw. in das Gleitschichtmaterial mit Metallalkoholaten behandelt sind.
Metall/Kunststoff-Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Füllstoffe (16) Hartstoffe (18) umfassen.
Metall/Kunststoff-Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbasis eine Polyamidbasis oder eine Epoxidharzbasis ist.
Metall/Kunststoff-Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Härter Isocyanat oder Polyoxyalkylenamin ist.
Metall/Kunststoff-Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitschichtmaterial (8) in einem solchen Maße mit Metallpulver (14) aufgefüllt ist, dass die Wärmeleitfähigkeit der Gleitschicht (6) nahezu an die Wärmeleitfähigkeit einer metallischen Schicht herankommt.
Metall/Kunststoff-Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffe (18) Keramikpulver umfassen.
Metall/Kunststoff-Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikpulver Metalloxide, insbesondere Al₂O₃, TiO₂, ZnO, CeO, und/oder Fluoride umfasst.
Metall/Kunststoff-Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Füllstoffe (16) Schichtsilikate, insbesondere Caolin, Glimmer, blockförmiges Wollastonit, Talg, Bentonit, umfassen.
Metall/Kunststoff-Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Füllstoffe (16) Fasern umfassen, insbesondere Mineralfasern, Kunststofffasern, Metallfasern, Kohlenstofffasern, einschließlich Kohlenstoff-Nanoröhrchen.
Metall/Kunststoff-Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Festschmierstoffe (10) Metallsulfide, insbesondere SnS₂, MoS₂, WS₂, ZnS, und/oder PTFE, BaSo₄, hexagonales Bornitrid, Grafen, Graphit, und/oder Ruß, und/oder polymere Festschmierstoffe, wie insbesondere PTFE, umfassen.
Metall/Kunststoff-Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht (6) direkt auf die Stützschicht (4) aufgebracht ist.
Metall/Kunststoff-Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht (6) eine Dicke von wenigstens 100 µm bis wenige mm aufweist.
Metall/Kunststoff-Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Stützschicht (4) eine Lagermetallschicht (20) aus einer Aluminiumlegierung oder aus einer Kupferlegierung aufgebracht ist und dass die Gleitschicht (6) in Form einer Gleitlackschicht (22), insbesondere auf Polyamidimid-Basis oder Epoxidharz-Basis, auf die Lagermetallschicht (20) aufgebracht ist.
Metall/Kunststoff-Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitlackschicht (22) eine Dicke von 5 - 30 µm, insbesondere 5-12 µm, aufweist.
Metall/Kunststoff-Gleitlagerverbundwerkstoff (2), insbesondere zur Herstellung einer Gleitlagerschale zur Lagerung einer Kurbelwelle oder einer Nockenwelle oder eines Pleuels, mit einer metallischen Stützschicht (4), insbesondere aus Stahl, mit einer auf die Stützschicht (4) aufgebrachten Lagermetallschicht (20) aus einer Aluminiumlegierung oder aus einer Kupferlegierung und mit einer dem Gleitpartner zugewandten und exponierten Gleitschicht (6) aus einem Gleitschichtmaterial auf Polymerbasis mit die tribologischen Eigenschaften verbessernden Festschmierstoffen (10) und Verstärkungsstoffen (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht (6) eine 5-30 µm dicke Lackschicht (22) auf Basis von PAI und/oder Epoxidharz ist und dass bezogen auf das gesamte Gleitschichtmaterial 0,1 - 15 Gew.-% Festschmierstoffe und 0,1 - 15 Gew.-% Verstärkungsstoffe enthalten sind dass die Polymerbasis dadurch erhalten ist, dass Polymere mit einem Reaktivverdünner und einem Härter zusammengebracht sind.
Metall/Kunststoff-Gleitlagerverbundwerkstoff nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstoffe (12) vor deren Einbindung in die Gleitschicht (6) bzw. in das Gleitschichtmaterial mit Metallalkoholaten behandelt sind.