DE102019113442A1

DE102019113442A1 - Lagerhalbschale und Lager

Info

Publication number: DE102019113442A1
Application number: DE102019113442.0A
Authority: DE
Inventors: Daisuke IWAKI
Original assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Current assignee: Taiho Kogyo Co Ltd
Priority date: 2018-05-23
Filing date: 2019-05-21
Publication date: 2020-01-23
Also published as: JP2019203553A

Abstract

Bereitgestellt wird ein Lager, bei dem Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdungen, Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb und Widerstandsfähigkeit gegen Fremdkörper ausgeglichener sind. Eine Lagerhalbschale gemäß einer Ausführungsform hat eine Unterfütterungsschicht, die aus einer Kupferlegierung gebildet ist und eine Härte von höchstens 120 HV 0,2 aufweist, sowie eine Deckschicht, die auf der Unterfütterungsschicht gebildet ist, zumindest ein Kunststoffbindemittel beinhaltet und deren Oberflächenrauigkeit höchstens 0,6 µm Ra beträgt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lager.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Es sind Gleitelemente bekannt, bei denen eine Kunststoffdeckschicht auf einem Basismaterial gebildet ist. Zum Beispiel offenbart die JP 2012-514170A ein Gleitelement, bei dem eine Deckschicht mit einem Kunststoffbinder und Fe₂O₃ auf einem Basismaterial gebildet ist.
VORBEKANNTE DOKUMENTE
PATENTDOKUMENTE
JP 2012-514170A ist aus dem Stand der Technik bekannt.
ABRISS DER ERFINDUNG
VON DER ERFINDUNG ZU LÖSENDES PROBLEM
Auch in der JP 2012-514170A gibt es noch Raum für Verbesserung dahingehend, dass Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdungen, Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb und Widerstandsfähigkeit gegen Fremdkörper ausgeglichener sein könnten. Die vorliegende Erfindung stellt ein Lager bereit, bei dem Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdungen, Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb und Widerstandsfähigkeit gegen Fremdkörper ausgeglichener sind.
MITTEL ZUM LÖSEN DES PROBLEMS
Erfindungsgemäß wird eine Lagerhalbschale bereitgestellt mit einer Unterfütterungsschicht, die aus einer Kupferlegierung gebildet ist und eine Härte von höchstens 120 HV 0,2 aufweist, und einer Deckschicht, die auf der Unterfütterungsschicht gebildet ist, zumindest ein Kunststoffbindemittel beinhaltet und deren Oberflächenrauigkeit höchstens 0,6 µm Ra beträgt.
Die Härte der Unterfütterungsschicht kann auch höchstens 100 HV 0,2 betragen.
Die Oberflächenrauigkeit der Deckschicht kann auch höchstens 0,2 µm Rz JIS betragen.
Die Kupferlegierung kann 0,5 bis 15 Masse% Bi und 1 bis 15 Masse% Sn beinhalten.
Ferner wird erfindungsgemäß ein Lager bereitgestellt, das eine erste Lagerhalbschale, und eine zweite Lagerhalbschale aufweist, die einer geringeren Belastung ausgesetzt ist als die erste Lagerhalbschale, wobei die erste Lagerhalbschale eine erste Unterfütterungsschicht aus einer Aluminiumlegierung und eine erste Deckschicht, die zumindest ein Kunststoffbindemittel beinhaltet, aufweist, und die zweite Lagerhalbschale, eine zweite Unterfütterungsschicht, die aus einer Kupferlegierung gebildet ist und mit einer Härte von höchstens 120 HV, und eine zweite Deckschicht, die auf der zweiten Unterfütterungsschicht gebildet ist, zumindest ein Kunststoffbindemittel (bzw. Bindeharz) beinhaltet und deren Oberflächenrauigkeit höchstens 0,6 µm Ra beträgt, aufweist.
EFFEKT DER ERFINDUNG
Mit der vorliegenden Erfindung kann ein Lager bereitgestellt werden, bei dem Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdungen, Widerstandsfähigkeit gegen Abrieb und Widerstandsfähigkeit gegen Fremdkörper ausgeglichener sind.
Figurenliste

1 ist eine exemplarische Ansicht des Aufbaus eines Lagers 1 gemäß einer Ausführungsform.
2 zeigt exemplarisch die Querschnittsstruktur der Lagerhalbschale 2 (bzw. der Lagerhalbschale 3).
3 ist ein Diagramm, das die Bedingungen des Tests zu Fremdkörpereinschlüssen zeigt.
4 ist ein Diagramm, das die Bedingungen eines Tests zum partiellen Kontakt zeigt.

AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Struktur
1 ist eine exemplarische Ansicht des Aufbaus eines Lagers 1 gemäß einer Ausführungsform. Das Lager 1 ist ein Gleitlager, in dem eine Lagerhalbschale 2 und eine Lagerhalbschale 3 zusammengesetzt sind. Das Lager 1 wird zum Beispiel als sogenanntes Verbindungsstangenlager für eine Verbindungsstange verwendet. Die Lagerhalbschale 2 ist eine obere Lagerhalbschale (ein Beispiel für eine erste Lagerhalbschale) und die Lagerhalbschale 3 ist eine untere Lagerhalbschale (ein Beispiel für eine zweite Lagerhalbschale). Auf der Lagerhalbschale 2 wirkt eine größere Last als auf der Lagerhalbschale 3. Der Anwendungsbereich des Lagers 1 ist nicht auf Verbindungsstangenlager beschränkt, und es kommen auch andere Anwendungen, wie z.B. als Hauptlager oder dergleichen in Betracht.
2 zeigt exemplarisch die Querschnittsstruktur der Lagerhalbschale 2 (bzw. der Lagerhalbschale 3). 2 zeigt einen Querschnitt parallel zur Achsrichtung und senkrecht zur Gleitfläche der Lagerhalbschale 2. Die Lagerhalbschale 2 umfasst eine rückwärtige Schicht 21, eine Unterfütterungsschicht 22 und eine Deckschicht 23. Die rückwärtige Schicht 21 verleiht der Lagerhalbschale 2 ihre Form und mechanische Festigkeit und ist beispielsweise aus Stahl, Gusseisen oder Kunststoff gebildet.
Die Unterfütterungsschicht 22 ist zur Verbesserung der Gleiteigenschaften. Als Material für die Unterfütterungsschicht 22 wird ein Material gewählt, welches die für die Anwendung der Lagerhalbschale 2 (bzw. des Lagers 1) erforderlichen Eigenschaften erfüllt. Im vorliegenden Beispiel ist die Unterfütterungsschicht 22 aus einer Kupferlegierung gebildet. Eine Kupferlegierung ist eine Legierung, die Kupfer als ihren Hauptbestandteil aufweist. Zum Beispiel kann die Kupferlegierung 0,5 bis 15 Masse% Bi, 1 bis 15 Masse% Sn und als Rest Kupfer (Cu) sowie unvermeidliche Verunreinigungen aufweisen.
Im Hinblick auf die Widerstandsfähigkeit gegen Fremdkörper (bzw. die Fähigkeit Fremdkörper einzubetten) hat die Unterfütterungsschicht 22 bevorzugt eine Härte von höchstens 120 HV 0,2, mehr bevorzugt eine Härte von höchstens 100 HV 0,2 und noch bevorzugt eine Härte von höchstens 90 HV 0,2. Ferner kann dadurch, dass für die Unterfütterungsschicht 22 eine Kupferlegierung verwendet wird, im Vergleich zum Verwenden einer Aluminimumlegierung als Unterfütterungsschicht die Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdungen verbessert werden. Die Dicke der Unterfütterungsschicht 22 kann beispielsweise 0,15 bis 0,30 mm betragen.
Die Deckschicht 23 ist eine Schicht zur Verbesserung der Gleiteigenschaften. Als Material für die Deckschicht 23 wird ein Material gewählt, das die für die Anwendung der Lagerhalbschale 2 (bzw. des Lagers 1) erforderlichen Eigenschaften erfüllt. Im vorliegenden Beispiel umfasst die Deckschicht 23 zumindest ein Bindemittel aus Kunststoff. Als Kunststoffbindemittel kann beispielsweise ein wärmehärtender Kunststoff verwendet werden. Genauer gesagt kann das Kunststoffbindemittel mindestens eins aus der Gruppe von Polyamidimid (PAI)-Kunststoff, Polyimid (PI)-Kunststoff, Polyamid-Kunststoff, Epoxy-Kunststoff, Phenol-Kunststoff, Polyazetal-Kunststoff, Polyetheretherketon und Polyphenylensulfid umfassen.
Zusätzlich zum Kunststoffbindemittel kann die Deckschicht 23 auch in dem Kunststoffbindemittel dispergierte Zusatzstoffe aufweisen. Die Zusatzstoffe können beispielsweise mindestens eins aus der Gruppe von Festschmierstoffen, weiche bzw. flexible Materialien, harte Materialien und Haftmitteln umfassen.
Festschmierstoffe werden hinzugegeben, um die Reibungseigenschaften zu verbessern. Als Festschmierstoff kann beispielsweise mindestens einer aus der Gruppe von MoS₂, WS₂, Polytetrafluoroethylen (PTFE), Graphit, h-BN und Sb₂O₃ hinzugegeben werden. So gibt beispielsweise MoS₂ günstige Gleiteigenschaften. Ferner hat PTFE nur geringe intermolekulare Kohäsionskräfte, so dass es den Effekt hat, den Reibungskoeffizienten zu verringern. Des Weiteren verbessert Graphit die Benetzbarkeit und erhöht das anfängliche Formanpassungsvermögen. Das anfängliche Formanpassungsvermögen bezeichnet die Eigenschaft, dass eine Gleitfläche nach dem Beginn des Gleitens beim Gleitkontakt mit einem Gegenstück abreibt und geglättet wird, so dass sich die Gleiteigenschaften verbessern. Wenn infolge des anfängliche Formanpassungsvermögens die Gleiteigenschaften verbessert werden, dann wird die Verschleißmenge der Gleitschicht insgesamt verringert.
Ein weiches bzw. flexibles Material wird hinzugegeben, um die Fähigkeit, Fremdkörper einzubetten zu verbessern. Als weiches bzw. flexibles Material kommt beispielsweise mindestens eins aus der Gruppe von Sn, Al und Bi in Betracht. Das harte Material wird hinzugegeben, um die Verschleißfestigkeit zu verbessern. Als hartes Material kann beispielsweise mindestens eins aus der Gruppe von SiC, Al₂O₃, TiN, AlN, CrO₂, Si₃N₄, ZrO₂ und Fe₃P hinzugegeben werden.
Das Haftmittel stärkt die Bindung zwischen dem Kunststoffbindemittel und dem Basismaterial (Unterfütterungsschicht 22). Als Haftmittel kann beispielsweise ein Silanhaftmittel verwendet werden.
Im Hinblick auf die Widerstandsfähigkeit gegen Fremdkörper ist die Oberflächenrauigkeit der Deckschicht 23 bevorzugt höchstens 0,6 µm Ra, mehr bevorzugt höchstens 0,4 µm Ra, und noch mehr bevorzugt höchstens 0,2 µm Ra. Ferner kann durch die Verwendung eines Deckmittels, welches einen Kunststoff aufweist, für die Deckschicht 23, im Vergleich zu einer Lagerhalbschale, bei der eine Plattierung als Deckschicht verwendet wird, die Verschleißfestigkeit verbessert werden.
In einem repräsentativen Beispiel besteht die Deckschicht 23 aus 35 bis 55 Masse% Polyamidimid (PAI), 43 bis 63 Masse% Graphit (Gr.), und 0,1 bis 10 Masse% SiC und zum Rest aus unvermeidlichen Verunreinigungen. SiC kann dabei auch durch ein anderes hartes Material ersetzt werden und es ist auch möglich, überhaupt kein hartes Material hinzuzugeben. In einem repräsentativen Beispiel ist die Deckschicht 23 0,001 bis 0,02 mm dick.
Die Lagerhalbschale 3 und die Lagerhalbschale 2 haben dieselbe Querschnittsstruktur. Dabei ist das in dem vorliegenden Beispiel für die Unterfütterungsschicht 32 verwendete Material weicher als das Material für die Unterfütterungsschicht 22. In einem repräsentativen Beispiel ist das Material für die Unterfütterungsschicht 32 eine Aluminiumlegierung. Eine Aluminiumlegierung ist eine Legierung, die Aluminium als ihren Hauptbestandteil aufweist. Zum Beispiel kann die Aluminiumlegierung 1 bis 15 Masse% Sn, 1 bis 8 Masse% Si und als Rest Al sowie unvermeidliche Verunreinigungen aufweisen. Durch Verwendung einer Aluminimumlegierung als Unterfütterungsschicht 32 kann die Widerstandsfähigkeit gegen Fremdkörper im Verglich zur Verwendung beispielsweise einer Kupferlegierung verbessert werden.
Testbeispiele
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben tatsächliche Proben der oben beschriebenen Lager angefertigt. Ferner haben die Erfinder diese Proben Tests zu ihren physikalischen und mechanischen Eigenschaften unterworfen. In den folgenden Testbeispielen werden Proben mit konkreten Abmessungen, Bestandteilen und Zusammensetzungen vorgestellt, allerdings handelt es sich dabei lediglich um Beispiele und die vorliegende Erfindung ist keineswegs darauf beschränkt.
Proben
Tabelle 1 listet für zwei von den Erfindern der vorliegenden Erfindung angefertigte Proben (Probe 1 und Probe 2) die Zusammensetzung (in Masse%) der Unterfütterungsschicht 22 und der Deckschicht 23 der oberen Lagerhalbschale 2 auf. In keiner der Proben ist ein nicht aufgeführtes Material absichtlich enthalten (allerdings kann es sein, dass ein nicht in der Tabelle aufgeführtes Material als Verunreinigung enthalten ist). Wie in Tabelle 1 aufgeführt, ist in beiden Proben die Unterfütterungsschicht aus einer Kupferlegierung. In der Deckschicht wurde als Kunststoffbindemittel PAI verwendet. Als Festschmierstoff wurde Graphit (Probe 1), BN (Probe 2) bzw. MoS₂ (nicht in der Tabelle angezeigt) verwendet. Als weitere Zusatzstoffe wurden SiC (Probe 1) bzw. Fe₂O₃ (Probe 2) verwendet. Tabelle 1

Probe Unterf.schicht Deckschicht

Cu Bi Sn Ni Fe In PAI MoS₂ Gr. BN SiC Fe₂O₃

1 Rest 6,5 4 - - - 45 - 53 - 2 -

2 Rest - - 2 1 - 50 - - 35 15
Härtetest
Die Erfinder haben die Härte der Unterfütterungsschicht der Proben 1 und 2 getestet. Die Härtetests wurden nach JIS Z 2244 (Vickers Härtetest) durchgeführt. Die Tests wurden mit einer Testkraft von 200g durchgeführt. Die Testergebnisse waren wie folgt:

Probe 1: 90 HV 0,2

Probe 2: 150 HV 0,2
Härtetest
Die Erfinder haben die Oberflächenrauigkeit der Proben 1 und 2 getestet. Hierbei wurde als Oberflächenrauigkeit der arithmetische Mittenrauwert Ra gemessen. Zur Messung wurde ein Oberflächenunebenheitsmessgerät (Kosaka Laboratory, Ltd., SE-3400) verwendet. Die Testergebnisse waren wie folgt:

Probe 1: 0,146 µm Ra

Probe 2: 0,733 µm Ra
Test zu Fremdkörpereinschlüssen
3 ist ein Diagramm, das die Bedingungen des Tests zu Fremdkörpereinschlüssen zeigt. Die Erfinder haben Lager A bis C, bei denen die Proben 1 und 2 als obere (lastseitige) Lagerhalbschale (Beispiel für die zweite Lagerhalbschale) verwendet wurden einem Test zu Fremdkörpereinschlüssen unterzogen. Im Test zu Fremdkörpereinschlüssen gleitet ein Lager auf einer Gegenwelle unter Hinzuführung von Schmieröl, in welchem Fremdkörper enthalten sind, und der Festfressflächendruck wird gemessen. Der Test wurde unter folgenden Bedingungen durchgeführt.

Lagerbelastung: (alle 3 Minuten) hochgesetzt um jeweils 3,6 MPa
Rotationsgeschwindigkeit: 6000 rpm (Gleitgeschwindigkeit: 15,01 m/s)
Schmieröltemperatur: 160°C
Gegenwelle: gehärteter Stahl
Lagerform: Φ 47,8 mm × 17,5 mm
Fremdkörper: Eisenspäne (1 mm × 0,6 mm × 0,1 mm)

Für die Lager A bis C wurden die im Folgenden aufgeführten Lager als untere (nicht lastseitige) Lagerhalbschale (Beispiel für eine erste Lagerhalbschale) in Kombination mit der Probe 1 bzw. 2 verwendet. Tabelle 2

Lager A Lager B Lager C

Unterseite Unterf.schicht Aluminiumlegierung Aluminiumlegierung Probe 1

Deckschicht Kunststoff Kunststoff

Oberseite Probe 1 Probe 2 Probe 1
Der als Ergebnis des Tests zu Fremdkörpereinschlüssen erhaltene Einbrennflächendruck ist wie folgt. Dabei wurde für die Lager A und C der Test zweimal und für das Lager B dreimal durchgeführt. Die unten aufgeführten Flächendrücke sind Durchschnittswerte:

Lager A: 77,4 MPa

Lager B: 54,0 MPa

Lager C: 46,8 MPa
Wenn man das Lager A mit dem Lager B vergleicht, dann ist ersichtlich, dass die Widerstandsfähigkeit gegen Fremdkörper dadurch verbessert wird, dass in der oberen Lagerhalbschale eine Unterfütterungsschicht aus einem weicheren Material verwendet wird und eine Deckschicht mit einer geringeren Oberflächenrauigkeit (also eine ebenere Deckschicht) verwendet wird. Und wenn man das Lager A mit dem Lager C vergleicht, dann ist ersichtlich, dass die Widerstandsfähigkeit gegen Fremdkörper dadurch verbessert wird, dass in der unteren (nicht lastseitigen) Lagerhalbschale als Unterfütterungsschicht eine Aluminiumlegierung verwendet wird.
Test zum Partiellen Kontakt
4 ist ein Diagramm, das die Bedingungen des Tests zum partiellen Kontakt zeigt. Die Erfinder haben den Test zum partiellen Kontakt mit Lagern durchgeführt, bei denen jeweils zwei Lagerhalbschalen der Proben 1 und 2 miteinander kombiniert wurden. Im Test zum partiellen Kontakt wird eine Gegenwelle 51 von Stützlagern 52 und 53 sowie dem zu testenden Lager 1 gelagert, die Gegenwelle 51 gleitet in einem Zustand, in dem sie gegen die Mitte dieser Lager verkippt ist, und der Einbrennflächendruck wird gemessen. Das Lager 1 ist dabei ein Lager für eine Verbindungsstange 54. Die Testbedingungen waren wie folgt:

Testgerät: Gerät zum Testen der statischen Last
Schmieröltemperatur: 140°C
Last: (alle 3 Minuten) hochgesetzt um jeweils 3 kN
Rotationsgeschwindigkeit: 8000 rpm
Neigungswinkel: 0,2°

Die folgenden Einbrennflächendrücke wurden als Ergebnis des Tests zum partiellen Kontakt erhalten. Die Tests wurden jeweils dreimal durchgeführt. Die unten angegebenen Drücke sind Durchschnittswerte.

Probe 1: 42 MPa

Probe 2: 15 MPa
Ein Vergleich von Probe 1 und Probe 2 zeigt, dass die Eigenschaften zum partiellen Kontakt (Widerstandsfähigkeit gegen partiellen Kontakt) bei Probe 1 besser sind. Dies scheint auch daher zu rühren, dass für die Unterfütterungsschicht der lastseitigen Lagerhalbschale ein weiches Material verwendet wird.
Bezugszeichenliste

1: Lager
2: Lagerhalbschale
3: Lagerhalbschale
21: rückwärtige Schicht
22: Unterfütterungsschicht
23: Deckschicht
32: Unterfütterungsschicht
51: Gegenwelle
52: Stützlager
53: Stützlager
54: Verbindungsstange

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

JP 2012514170 A [0002, 0003, 0004]

Claims

Lagerhalbschale mit: einer Unterfütterungsschicht, die aus einer Kupferlegierung gebildet ist und eine Härte von höchstens 120 HV 0,2 aufweist; einer Deckschicht, die auf der Unterfütterungsschicht gebildet ist, zumindest ein Kunststoffbindemittel beinhaltet und deren Oberflächenrauigkeit höchstens 0,6 µm Ra beträgt.
Lagerhalbschale gemäß Anspruch 1, wobei die Härte der Unterfütterungsschicht höchstens 100 HV 0,2 beträgt.
Lagerhalbschale gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Oberflächenrauigkeit der Deckschicht höchstens 0,2 µm Rz JIS beträgt.
Lagerhalbschale gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kupferlegierung 0,5 bis 15 Masse% Bi und 1 bis 15 Masse% Sn beinhaltet.
Lager mit: einer ersten Lagerhalbschale, und einer zweiten Lagerhalbschale, die einer geringeren Belastung ausgesetzt ist als die erste Lagerhalbschale; wobei die erste Lagerhalbschale: eine erste Unterfütterungsschicht aus einer Aluminiumlegierung und eine erste Deckschicht, die zumindest ein Kunststoffbindemittel beinhaltet, aufweist, und die zweite Lagerhalbschale: eine zweite Unterfütterungsschicht, die aus einer Kupferlegierung gebildet ist und mit einer Härte von höchstens 120 HV, und eine zweite Deckschicht, die auf der zweiten Unterfütterungsschicht gebildet ist, zumindest ein Kunststoffbindemittel beinhaltet und deren Oberflächenrauigkeit höchstens 0,6 µm Ra beträgt, aufweist.