DE102021106373A1

DE102021106373A1 - Verfahren zur Beschichtung sowie Gleitlagerschicht

Info

Publication number: DE102021106373A1
Application number: DE102021106373.6A
Authority: DE
Inventors: Mehmet Oete; Nazlim Bagcivan; Michael Plogmann; Ralf Ansorge
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-03-16
Filing date: 2021-03-16
Publication date: 2022-09-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur direkten Beschichtung eines Elements (1) für eine Windkraftanlage mittels eines thermischen Spritzverfahrens, wobei an einer Oberfläche des Elements (1) zumindest teilweise eine Gleitlagerschicht (2) aus mindestens einem ersten Werkstoff mit mindestens zwei räumlich voneinander getrennten Funktionsbereichen innerhalb der Gleitlagerschicht (2) ausgebildet wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Gleitlagerschicht (2) für ein Element (1) einer Windkraftanlage, wobei die Gleitlagerschicht (2) nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur direkten Beschichtung eines Elements für eine Windkraftanlage sowie eine Gleitlagerschicht für ein Element einer Windkraftanlage. Beispielsweise ist das Element der Windkraftanlage Teil eines Gleitlagers, also eine Lagerschale oder Buchse.
Die WO 2013/160664 A1 offenbart ein Windkraftanlagengetriebe mit zumindest einem Zahnrad, das auf einer Achse gelagert ist, wobei zwischen dem Zahnrad und der Achse eine Gleitschicht angeordnet ist. Die Gleitschicht ist mittels eines thermischen Spritzverfahrens direkt auf die Achse oder unter Zwischenanordnung von zumindest einer weiteren Schicht auf die weitere Schicht aufgespritzt. Ferner offenbart diese Druckschrift auch ein Verfahren zur Herstellung einer Achse für ein Windkraftanlagengetriebe umfassend die Schritte des Bereitstellen der Achse und des Aufspritzens der Gleitschicht aus einem Spritzwerkstoff mit einem thermischen Spritzverfahren direkt auf die Achse oder nach dem Auftrag zumindest einer metallischen Zwischenschicht auf die Zwischenschicht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur direkten Beschichtung eines Elements für eine Windkraftanlage, insbesondere eines Gleitlagers einer Windkraftanlage sowie eine Gleitlagerschicht für das Element der Windkraftanlage zu schaffen. Insbesondere soll durch die Gleitlagerschicht das tribologische Verhalten zwischen Kontaktpartner in der Windkraftanlage verbessert werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Gleitlagerschicht mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens zur direkten Beschichtung eines Elements für eine Windkraftanlage mittels eines thermischen Spritzverfahrens wird an einer Oberfläche des Elements zumindest teilweise eine Gleitlagerschicht aus mindestens einem ersten Werkstoff mit mindestens zwei unterschiedlichen sowie räumlich voneinander getrennten Funktionsbereichen innerhalb der Gleitlagerschicht ausgebildet.
Insbesondere weist die Gleitlagerschicht genau zwei Funktionsbereiche auf, die innerhalb der Gleitlagerschicht, also innerhalb des beschichteten Bereichs angeordnet sind. Unter einem Funktionsbereich ist ein Abschnitt innerhalb der Gleitlagerschicht zu verstehen, der bestimmte technische Funktionen aufweist. Die technischen Funktionen eines ersten Funktionsbereichs sind beispielsweise andere als die technischen Funktionen eines zweiten Funktionsbereichs. Beispielsweise weist ein erster Funktionsbereich gute Gleiteigenschaften auf. Beispielsweise weist ein zweiter Funktionsbereich gute Schmiereigenschaften auf.
Unter einer direkten Beschichtung ist zu verstehen, dass die Beschichtung unmittelbar auf die Oberfläche des Elements der Windkraftanlage aufgetragen wird. Insbesondere ist das Element der Windkraftanlage eine Welle, Achse oder ein Gehäuseabschnitt der Windkraftanlage. Das zu lagernde Element wird somit direkt beschichtet, sodass das eigentliche Gleitlager, bestehend aus Lagerschale und Buchse, entfallen kann. Beispielsweise ist das Element der Windkraftanlage ein Teil eines Gleitlagers, beispielsweise eine Lagerschale oder eine Buchse des Gleitlagers, das durch die erfindungsgemäße Gleitlagerschicht optimiert wird. Durch die Optimierung des Gleitlagers kann das Gleitlager beispielsweise an Lagerstellen in der Windkraftanlage eingesetzt werden, die bislang für Wälzlager vorgesehen waren. Insbesondere ermöglicht dies nicht nur eine Bauraum- und Gewichtseinsparung, sondern auch eine Kosten- und Teileeinsparung. Ferner ist insbesondere auch die Wartung eines Gleitlagers gegenüber eines Wälzlagers schneller und günstiger.
Beispielsweise kann die Oberfläche des Elements der Windkraftanlage entweder vollständig oder nur teilweise beschichtet sein. Für eine nicht vollständige Beschichtung der Oberfläche des Elements der Windkraftanlage kann eine Maskierung verwendet werden, die nicht zu beschichtende Abschnitte der Oberfläche des Elements der Windkraftanlage abklebt und so eine Beschichtung an diesen Stellen verhindert.
Bevorzugt wird zur Beschichtung des Elements der Windkraftanlage eines der nachfolgend aufgelisteten thermischen Spritzverfahren verwendet: Flammspritzen, insbesondere Lichtbogendrahtspritzen (LDS) oder Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, (HVOF oder HVAF), Plasmaspritzen, insbesondere atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), Vakuum-Plasmaspritzen (VPS), Niederdruckplasmaspritzen (LPPS) oder Suspensions-Plasmaspritzen (SPS), Kaltgasspritzen (CGS) oder Laserspritzen.
Bevorzugt wird die Gleitlagerschicht mit einer Schichtdicke von mindestens 0,1 mm bis höchstens 3 mm an der Oberfläche des Elements der Windkraftanlage ausgebildet. Beispielsweise wird die Gleitlagerschicht mit einer Schichtdicke von mindestens 0,5 mm bis höchstens 1 mm an der Oberfläche des Elements der Windkraftanlage ausgebildet. Die Schichtdicke kann mittels Lichtmikroskopischen Verfahren bestimmt werden. Insbesondere können dafür Schliffproben entnommen und geätzt werden, um die Schichtdicke zu bestimmen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Gleitlagerschicht strukturiert mit Erhebungen und Vertiefungen ausgebildet, wobei die Erhebungen einen ersten Funktionsbereich bilden, wobei die Vertiefungen einen zweiten Funktionsbereich bilden. Insbesondere sind die Erhebungen dazu eingerichtet, an einer Kontaktoberfläche eines Kontaktpartners des beschichteten Elements zur Anlage zu kommen, um diesen positionsgenau und verschleißarm gleitend zu führen. Zur Verbesserung des tribologischen Verhaltens der Kontaktpaarung bilden die Vertiefungen Hohlräume zwischen der Kontaktoberfläche des Kontaktpartners des beschichteten Elements und der Gleitlagerschicht, wodurch Ölrückhaltevolumen entstehen, die insbesondere verschleißmindernd und schmierend wirken können. Vorzugsweise dienen die Vertiefungen zur Verbesserung der Notlaufeigenschaften und/oder zum Auffangen von Verschleißpartikeln in der Schmierung. Vorteile aus dem Zusammenspiel zwischen den Erhebungen und den Vertiefungen ergeben sich beispielsweise aufgrund der Reibungsreduzierung durch die bessere Schmierung, die insbesondere daraus erwächst, dass durch die Vertiefungen Verschleißpartikel aus der Kontaktfläche zwischen den Kontaktpartnern entfernt werden, so dass ein sogenannter Drei-Körper-Kontakt weitestgehend vermieden wird.
Bevorzugt werden zumindest die Vertiefungen in der Gleitlagerschicht durch abtragende oder umformende Fertigungsverfahren ausgebildet. Mit anderen Worten erfolgt ein Abtragen oder Umformen eines Teils der Gleitlagerschicht, nachdem die Gleitlagerschicht auf die Oberfläche des Elements der Windkraftanlage aufgebracht wurde. Alternativ oder ergänzend wird die Gleitlagerschicht durch gezielte Führung einer Beschichtungsdüse auf der Oberfläche des Elements ausgebildet. Beispielsweise wird die Beschichtungsdüse derart auf der Oberfläche des Elements geführt, dass die Gleitlagerschicht strukturiert ausgebildet wird. Insbesondere wird die Gleitlagerschicht additiv ausgebildet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zumindest die Vertiefungen in der Gleitlagerschicht mit einer Sekundärschicht aus dem ersten Werkstoff oder einem zweiten Werkstoff teilweise oder vollständig aufgefüllt. Insbesondere ist die Gleitlagerschicht als Primärschicht vorgesehen und besteht zumindest aus dem ersten Werkstoff, wobei die Sekundärschicht, welche beispielsweise aus einem anderen Werkstoff besteht, teilweise oder vollständig Bereiche der Gleitlagerschicht abdeckt, und zwar die Bereiche, wo die Vertiefungen in der Primärschicht ausgebildet sind. Mit anderen Worten verbleiben die unterschiedlichen sowie räumlich voneinander getrennten Funktionsbereiche innerhalb der Gleitlagerschicht. Es werden somit auf der Oberfläche des Elements der Windkraftanlage keine räumlich voneinander getrennten Schichten erzeugt, sondern die Sekundärschicht wird auf Teilen der Gleitlagerschicht erzeugt, um den zweiten Funktionsbereich innerhalb der Gleitlagerschicht zu beeinflussen, insbesondere zu optimieren.
Beispielsweise wird zumindest die Sekundärschicht mit Trockenschmierstoffen und/oder Dotierungselementen versehen. Vorzugsweise werden als Trockenschmierstoffe Graphit, MoS₂, hexagonales BN und/oder Polymere Werkstoffe verwendet. Vorteilhaft ist, dass hexagonales BN reaktionsträge ist und beim Aufspritzen nicht oxidiert. Graphit verbrennt zwar teilweise während des Auftragens, die Oxide werden aber nicht in die Schicht eingebaut, sondern verflüchtigen sich gasförmig. Das Metallsulfid MoS₂ verbessert insbesondere die Selbstschmiereigenschaften der Gleitlagerschicht. Die Dotierungselemente sind dazu eingerichtet, beim Verschleißen der Beschichtung abgetragen zu werden und im Schmiermittel zu verbleiben, sodass diese bei einer chemischen Analyse des Schmiermittels detektiert werden können, um das tribologische Verhaltens bzw. die Verschleißtiefe der Beschichtung im Betrieb zu erfassen. Mithin lässt sich der Verschleißzustand der Beschichtung mittels messtechnisch erfassbarer Dotierungselemente überwachen, die in der Sekundärschicht enthalten sind.
Insbesondere sind die Dotierungselemente mit chemischen oder spektroskopischen Verfahren detektierbar, mit denen auch Schmiermittel, insbesondere Getriebeöle analysiert werden können. Beispielsweise eignen sich hierfür die Elektronenstrahlmikroanalyse (EDX), die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) und die Emissionsspektrometrie (OES). Alternativ ist es auch denkbar Dotierungselemente zu verwenden, die eine UV-Lichtempfindlichkeit aufweisen und über UV-Spektroskopie erfassbar sind oder durch Anregung mittels Lumineszenzspektroskopie erfassbar sind.
Bevorzugt wird zumindest die Gleitlagerschicht mit Hartstoffen versehen. Die Hartstoffe können als Metalloxide, Metallnitride, Metallkarbide, Metallboride oder Metallsilizide ausgebildet sein. Hartstoffe weisen eine größere Härte auf als die Matrix der Gleitlagerschicht, in der sie eingebettet sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Gleitlagerschicht, alternativ oder ergänzend auch die Sekundärschicht, aus mehreren Werkstoffen ausgebildet. Beispielsweise umfasst die Gleitlagerschicht und/oder die Sekundärschicht einlagige oder mehrlagige Schichtsysteme. Beispielsweise kann in mehrlagigen Schichtsystemen durch die Wahl der jeweiligen Schicht eine Verbesserung der Haftzugfestigkeit erfolgen. Insbesondere können verschleißvolumenabhängige Änderung der mechanischen Eigenschaften durch die Verwendung mehrlagiger Schichtsysteme erfolgen. Beispielsweise können die Schichten unterschiedliche Verschleißbeständigkeiten aufweisen.
Sowohl die Gleitlagerschicht aber auch die Sekundärschicht können aus dem gleichen Werkstoff oder unterschiedlichen Werkstoffen ausgebildet sein. Wenn die Gleitlagerschicht und die Sekundärschicht aus den gleichen Werkstoffen, insbesondere der gleichen Legierung ausgebildet sind, unterscheiden sich die Gleitlagerschicht und die Sekundärschicht insbesondere durch die Zugabe von Hartstoffen, Festschmierstoffen und/oder Dotierungselementen. Als Basiselement für die verschiedene Legierungen für die Gleitlagerschicht und die Sekundärschicht werden vorzugsweise Cu, Al, Co, Ni, Cr, Bi, Ag, Sn, Zn und/oder Fe verwendet. Weitere Elemente, die diesen Basiselementen zulegiert werden können, sind bevorzugt Mo, Si, P, W, Y, Mn, Mg und/oder Sb. Die Elemente, die als Legierungsbasis dienen (Cu, Al, Co, Ni, Bi, Ag, Sn, Zn, Fe) können Bestandteile der Legierungen auf Basis andere Elemente bilden. Mit anderen Worten kann eine Legierung die das Basiselement Kupfer aufweist, Nickel als Bestandteil der Legierung aufweisen. Die Legierungen können auch aus mehreren der zuvor genannten Legierungselemente gebildet sein. Ferner können auch Reinmetalle (nicht Legierungen) bestehend aus der Gruppe folgender Elemente verwendet werden: Cu, Al, Co, Ni, Cr, Bi, Ag, Sn, Zn, Fe.
Vorzugsweise wird zumindest die Gleitlagerschicht, alternativ oder ergänzend auch die Sekundärschicht, mit einer sich über die Schichtdicke verändernden chemischen Zusammensetzung ausgebildet. Dadurch lassen sich insbesondere die Schichteigenschaften verschleißabhängig verbessern. Bevorzugt erfolgt eine graduelle Änderung der Bestandteile, insbesondere die chemische Zusammensetzung bzw. die Legierungszusammensetzung der Beschichtung. Dadurch lässt sich das tribologische Verhaltens bzw. der Verschleißzustand der Beschichtung im Betrieb durch Analyse des Schmierstoffes erfassen. Die chemische Zusammensetzung bzw. Legierungszusammensetzung der Beschichtung und des Schmierstoffes lässt sich beispielsweise mittels Spektralanalyse (OES) oder mittels Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) bestimmen.
Ferner betrifft die Erfindung auch eine Gleitlagerschicht für ein Element einer Windkraftanlage, wobei die Gleitlagerschicht nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Beispielsweise ist die Gleitlagerschicht direkt auf einer Welle, Achse oder einem Gehäuseabschnitt der Windkraftanlage ausgebildet. Ferner ist es vorteilhaft die Gleitlagerschicht direkt auf einer Lagerschale oder einer Buchse eines Gleitlagers für eine Windkraftanlage auszubilden.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen

1 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur direkten Beschichtung eines Elements einer Windkraftanlage,
2 eine stark vereinfachte sowie vergrößerte schematische Schnittdarstellung eines teilweise dargestellten Elements einer Windkraftanlage, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, und
3 eine stark vereinfachte sowie vergrößerte schematische Schnittdarstellung eines teilweise dargestellten Elements einer Windkraftanlage gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.

Gemäß 1 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur direkten Beschichtung eines Elements 1 einer Windkraftanlage, das in den nachfolgenden Figuren stark vereinfacht dargestellt ist, gemäß eines Blockschaltbilds visualisiert.
In 1 wird in einem ersten Verfahrensschritt 10 das Element 1 bereitgestellt. Beispielsweise ist das Element 1 als Lagerschale eines Gleitlagers der Windkraftanlage ausgebildet. Alternativ kann das Element 1 als Buchse des Gleitlagers oder als anderes Element der Windkraftanlage ausgebildet sein.
In einem zweiten Verfahrensschritt 20 wird an der Oberfläche des Elements 1 teilweise eine Gleitlagerschicht 2 mittels eines thermischen Spritzverfahrens, beispielsweise mittels Flammspritzen ausgebildet. Die Gleitlagerschicht 2 besteht beispielsweise aus einer Kupferlegierung und weist zwei unterschiedliche sowie räumlich voneinander getrennte Funktionsbereiche auf, die innerhalb der Gleitlagerschicht 2 angeordnet sind.
In einem dritten Verfahrensschritt 30 werden Vertiefungen 4 in der Gleitlagerschicht 2 durch abtragende Fertigungsverfahren ausgebildet, wobei dadurch die Gleitlagerschicht 2 strukturiert wird und gleichzeitig auch Erhebungen 3 ausgebildet werden. Die gemäß des dritten Verfahrensschritts 30 ausgebildeten Erhebungen 3 und Vertiefungen 4 in der Gleitlagerschicht 2 sind in 2 dargestellt. Die Erhebungen 3 bilden den ersten Funktionsbereich und die Vertiefungen 4 bilden den zweiten Funktionsbereich innerhalb der Gleitlagerschicht 2. Insbesondere ermöglichen die Erhebungen 3 die gleitende Führung eines hier nicht dargestellten Kontaktpartners. Insbesondere verbessern die Vertiefungen 4 durch Aufnahme von Schmiermittel die Gleiteigenschaften der Gleitlagerschicht 2.
Optional kann sich an dem dritten Verfahrensschritt 30 ein vierter Verfahrensschritt 40 anschließen, wobei im vierten Verfahrensschritt 40 die Vertiefungen 4 in der Gleitlagerschicht 2 mit einer Sekundärschicht 5 aus dem gleichen Werkstoff wie die Gleitlagerschicht 2 oder aus einem anderen Werkstoff, beispielsweise einer Aluminiumlegierung, aufgefüllt werden. Dadurch wird die Gleitlagerschicht 2 mit den beiden Funktionsbereichen gemäß 3 an der Oberfläche des Elements 1 der Windkraftanlage erzeugt. Die Sekundärschicht 5 ist somit innerhalb der primär aufgetragenen Gleitlagerschicht 2 angeordnet und weist gegenüber den Erhebungen 3, die die ersten Funktionsbereiche bilden, weitere zweite Funktionsbereiche auf. Vorliegend ist die Sekundärschicht mit Trockenschmierstoffen und Dotierungselementen versehen. Demgegenüber ist die Gleitlagerschicht 2 mit Hartstoffen versehen. Die Trockenschmierstoffe verbessern die Selbstschmiereigenschaften der Gleitlagerschicht 2. Die Dotierungselemente dienen zur Erfassung des Verschleißzustandes der Gleitlagerschicht 2. Die Hartstoffe erhöhen die Verschleißbeständigkeit der Gleitlagerschicht 2.
Bezugszeichenliste

1: Element
2: Gleitlagerschicht
3: Erhebung
4: Vertiefung
5: Sekundärschicht
10: erster Verfahrensschritt
20: zweiter Verfahrensschritt
30: dritter Verfahrensschritt
40: vierter Verfahrensschritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013/160664 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur direkten Beschichtung eines Elements (1) einer Windkraftanlage mittels eines thermischen Spritzverfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Oberfläche des Elements (1) zumindest teilweise eine Gleitlagerschicht (2) aus mindestens einem ersten Werkstoff mit mindestens zwei unterschiedlichen sowie räumlich voneinander getrennten Funktionsbereichen innerhalb der Gleitlagerschicht (2) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitlagerschicht (2) strukturiert mit Erhebungen (3) und Vertiefungen (4) ausgebildet wird, wobei die Erhebungen (3) einen ersten Funktionsbereich bilden, wobei die Vertiefungen (4) einen zweiten Funktionsbereich bilden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (4) in der Gleitlagerschicht (2) durch abtragende oder umformende Fertigungsverfahren ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (4) in der Gleitlagerschicht (2) mit einer Sekundärschicht (5) aus dem ersten Werkstoff oder einem zweiten Werkstoff zumindest teilweise aufgefüllt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärschicht (5) mit Trockenschmierstoffen und/oder Dotierungselementen versehen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitlagerschicht (2) durch gezielte Führung einer Beschichtungsdüse auf der Oberfläche des Elements (1) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitlagerschicht (2) mit Hartstoffen versehen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitlagerschicht (2) und/oder die Sekundärschicht (5) aus mehreren Werkstoffen ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitlagerschicht (2) und/oder die Sekundärschicht (5) mit einer sich über die Schichtdicke verändernden chemischen Zusammensetzung ausgebildet wird.
Gleitlagerschicht (2) für ein Element (1) einer Windkraftanlage, wobei die Gleitlagerschicht (2) nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.