DE19612109C1 - Lagerbauteil und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Lagerbauteil nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1 und ein Verfahren nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 10.

Derartige Lagerbauteile sind in Gleit- und Wälzlageranord­ nungen eingesetzt. Dabei kann es sich zum Beispiel um La­ gerbüchsen, Lagerschalen, Wellen, Lagerringe oder Bord­ scheiben handeln.

Die DE 42 44 502 C1 zeigt ein Lagerbauteil mit einer tri­ bologisch beanspruchbaren Fläche, welches aus einem Me­ tall-Matrix-Composit-Werkstoff besteht. Die Matrix ist durch eine Aluminiumlegierung gebildet, die mit SiC-Partikeln in einem Anteil von mehr als 1 Gewichtsprozent verstärkt ist. Die tribologisch beanspruchbare Fläche ist nicht die Oberfläche einer Anodisierschicht.

Die DE 40 38 139 A1 betrifft ein Lagerbauteil mit einer tribologisch beanspruchbaren Fläche, welches aus einer Aluminiumlegierung besteht. Die tribologisch beanspruchba­ re Fläche stellt die Oberfläche einer Anodisierschicht dar. Die Aluminiumlegierung bildet weder eine Matrix eines Metall-Matrix-Composit-Werkstoffes noch ist die Matrix mit SiC-Partikeln verstärkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lagerbauteil zu schaffen, das einerseits eine hohe Verschleißfestigkeit und andererseits gute Notlaufeigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 10 (nebengeordneter Her­ stellungs-Verfahrensanspruch) gelöst.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß aufgrund einer speziellen Werkstoffauswahl in Verbindung mit einer speziellen Oberflächenvergütung eine überraschend tribo­ logisch überaus geeignete Oberflächenstruktur erzielt wird. Durch die Anodisierung erzeugt man eine besondere Topographie fit vorstehenden SiC-Partikeln, die für eine hohe Verschleißfestigkeit sorgen. Nach der Bearbeitung auf Fertigmaß bilden die Kuppen der SiC-Partikel nach der Ano­ disierung die Kontur der endbearbeiteten Oberfläche ab und sind somit die tribologisch primär beanspruchten Kontakt­ punkte zum Gegenkörper. Zwischen den tragenden Oberflä­ chenstützpunkten füllt Schmierstoff zu einen den Volu­ menbereich zwischen den SiC-Spitzen und der tiefer liegen­ den Oberfläche der Anodisierschicht aus. Durch das Anodi­ sieren des in Anspruch 1 definierten Metall-Natrix-Compo­ sit-Werkstoffes erzeugt man zu anderen eine poröse Oxid­ schicht. In den Poren dieser Oxidschicht lagern sich Schmierstoffe ein und bilden Schmierstoffdepots, die für gute Notlaufeigenschaften sorgen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung geben die Un­ teransprüche 2 bis 9 und 11 und 12 an.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an­ hand der Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen

Fig. 1 ein Lagerbauteil mit einer tribologisch bean­ spruchbaren Fläche im Schnitt als schematische Darstellung und abgeleitet von einer Aufnahme eines Elektronenstrahlmikroskops;

Fig. 2 eine Anordnung zur Lagerung einer Welle, in Schnittdarstellung;

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung der in Fig. 2 einge­ zeichneten Einzelheit III;

Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung der in Fig. 2 einge­ zeichneten Einzelheit IV;

Fig. 5 eine Halbschale mit Befestigungsteil zur Pleuel­ lagerung an einer Kurbelwelle;

Fig. 6 eine perspektivische Teildarstellung eines Wälz­ lagers mit Scheibenkäfig;

Fig. 1 zeigt ein Lagerbauteil 1 mit einer tribologisch be­ anspruchbaren Fläche 30 im Schnitt. Der Grundwerkstoff 10 ist ein Metall-Matrix-Composit-Werkstoff, dessen Matrix durch eine Aluminiumlegierung gebildet ist, die mit SiC-Partikeln in einem Anteil von mehr als 1 Gewichtspro­ zent verstärkt ist.

Im vorliegenden Fall handelt es sich bei der Aluminiumle­ gierung um AlNg1Sicu. Der Anteil an SiC-Partikeln beträgt 17 Gewichtsprozent. Der Gehalt an diesen Hartteilen wirkt sich auf die tribologischen Eigenschaften aus, die sich erst aus einer besonderen Oberflächenvergütung ergeben. Hierzu sieht man auf einer feinstbearbeiteten Ober­ fläche 11, wie man sie z. B. durch Schleifen erzielt, eine Anodisierschicht 20 vor. Im vorliegenden Fall erfolgte die Anodisierung in 20%iger Schwefelsäure mit einer Strom­ dichte von 2 A/dm². Die Temperatur des Elektrolyten wurde zwischen 17° und 19°C eingestellt. Hinsichtlich der Ano­ disierung kann der Fachmann auch andere Elektrolyten, Stromdichten, Strom-Zeitkurven (z. B. Wechselstrom be­ stimmter Frequenz) auswählen. Die erzielte Schichtdicke lag bei 5 µm.

Je nach Einsatzgebiet des Lagerbauteils 1 kann der Fach­ mann auch andere Aluminiumlegierungen auswählen. Entspre­ chendes gilt für den Anteil an SiC-Partikeln. Eine tribo­ logisch geeignete Oberflächenstruktur erhält man ab einem Anteil von 1 Gewichtsprozent an SiC-Partikeln. Von Vorteil hat sich ein Anteil von 5 bis 70 Gewichtsprozent an SiC-Partikeln erwiesen, wobei sich besonders günstige Werk­ stoffeigenschaften bei einem Anteil von 15 bis 50 Ge­ wichtsprozent ergeben.

Entsprechend der Darstellung in Fig. 1 erzeugt man durch die Anodisierung eine besondere Topographie mit vorstehen­ den SiC-Partikeln 21, die für eine hohe Verschleißfestig­ keit sorgen. Die poröse Anodisierschicht 20 dient als Schmierstoffdepot.

Im Gegensatz zu galvanisch aufgetragenen Schichten sind Anodisierschichten 20 fest mit dem Grundwerkstoff 10 ver­ wachsen, wodurch die Schicht selbst bei durch Verformung entstehenden Rissen noch fest am Grundwerkstoff haftet. Dies belegen Versuche, bei denen man das Bauteil 1 in flüssigem Stickstoff kühlt, und anschließend gewaltsam bricht. Dabei zeigt sich, daß die Anodisierschicht 20 entlang der Bruchlinie fest am Grundwerkstoff 10 haftet. Das Lagerbauteil 1 hat die Eigenschaft, daß sich durch Verformung in der Anodisierschicht 20 entstandene Risse bei Rückverformung wieder schließen können. Zudem bildet die anodisierte Oberfläche einen zusätzlichen Korrosions­ schutz.

Die Vertiefungen und Poren der Anodisierschicht 20 können mit Schiiermitteln wie Öl, Fett, PTFE, Graphit, MOS₂ oder Vergleichbarem gefüllt werden. Besonders geeignet sind Gleitlacke, weil sie festhaftende, trockene Schmierfilme hoher Wirksamkeit bilden. Das Lagerbauteil 1 erhält da­ durch hervorragende Gleit- und Notlaufeigenschaften.

Selbst wenn auf eine Füllung der Vertiefungen und Poren mit beispielsweise einem Festschmierstoff verzichtet wird, so lagert sich hier im Betrieb zwangsläufig Fett oder Öl ab, welches bei Ausfall der Schmierung und beginnendem ver­ schleiß als Schmiermitteldepot wirkt und eine Notlauf­ schmierung bereitstellt.

Der Korrosionsschutz der Oberfläche kann noch erhöht wer­ den, wenn die Vertiefungen mit einer Zink-Legierung ge­ füllt werden. Die Zinklegierung dann in einer dünnen Schicht (wenige µm) durch bekannte Verfahren aufgetragen werden, beispielsweise galvanotechnisch oder mittels PVD (Physical Vapor Deposition)- oder CVD(Chemical Vapor De­ position)-Verfahren.

Da Zink ein relativ weiches Metall ist, werden die vorste­ hend erwähnten dünnen Zinkschichten beim Gleit- oder Ab­ wälzvorgang fest in die Vertiefungen und Poren der Gleit­ fläche eingedrückt und versiegeln gleichsam die tribolo­ gisch beanspruchte Fläche, wodurch ein Korrosionsangriff im Bereich der Hartteilchen verhindert wird.

Der Gleitpartner des Lagerbauteils kann für spezifische Anwendungsfälle aus keramischem Werkstoff bestehen.

Grundsätzlich läßt sich das Lagerbauteil 1 sowohl für Gleitlagerungen als auch Wälzlagerungen verwenden. Wegen der guten Notlaufeigenschaften und wegen der hohen Ver­ schleißfestigkeit im Falle von Mischreibungszuständen eig­ net sich das Lagerbauteil besonders für Gleitlagerungen.

Fig. 2 zeigt das Lagerbauteil 1 in Form einer Bund­ büchse 1, die zur Lagerung einer Welle 41 in einem Ge­ häuseteil 40 dient.

Die in Fig. 3 stark vergrößert dargestellten Hartteil­ chen 21 bilden eine Punktabstützung für die Welle 41. Die zwischen den Hartteilchen liegenden Bereiche der Anodi­ sierschicht 20 sind mit Schmiermittel gefüllt. Das Lager­ bauteil 1 kann zum Zweck erhöhter Korrosionsbeständigkeit mit einer Zinklegierung beschichtet sein. Beim Gleitvor­ gang werden die über die Hartteilchen 21 radial hinaus­ stehenden Bereiche der Beschichtung relativ rasch abge­ tragen, während die tiefer liegenden Bereiche der Gleit­ fläche vollständig mit der Beschichtung ausgefüllt werden.

Fig. 4 stellt vergrößert im Schnitt die Naht zwischen der Bundbüchse 1 und dem Gehäuseteil 40 dar. Die Bundbüchse stellt allgemein gesehen ein Lagerbauteil 1 mit einer Preßsitzfläche 35 zu seiner Montage auf. Da die gesamte Außenfläche der Bundbüchse 1 herstellungsbedingt anodi­ siert ist, erhöht man gleichzeitig die Sicherheit der Preßverbindung gegen Verdrehen und Rutschen. Bedingt durch die Anodisierschicht 20 mit den harten, herausschauenden SiC-Partikeln erhöht sich der Mikroformschluß der Preßver­ bindung zwischen Bundbüchse 1 und Gehäuseteil 40. Anders ausgedrückt, fällt die Verbesserung der Preßverbindung aufgrund der durch die Anodisierung erhaltenen Oberflä­ chentopographie als kostenloser Nebeneffekt ab.

Fig. 5 zeigt das Lagerbauteil als Halbschale 1 im Befesti­ gungsteil 50 zur Lagerung eines Pleuels an der Kurbel­ welle. Das Schichtwachstum von Anodisierschichten an der inneren Mantelfläche zylindrischer Bauteile unterliegt aufgrund der Krümmungsverhältnisse einer Selbstbegrenzung. Daher können gleiche Schichtdicken problemlos reproduzier­ bar erhalten werden.

Fig. 6 stellt eine Wälzkörperanordnung mit Innenring 60, Außenring 61, Zylinderrollen 62 und Scheibenkäfig 1 dar. Bei dieser Anordnung stellt der Scheibenkäfig 1 das er­ findungsgemäße Lagerbauteil dar und sorgt für eine sichere Führung der Zylinderrollen 62 während der gesamten Lebensdauer des Lagers.

Claims (12)

1. Lagerbauteil (1) mit einer tribologisch beanspruchbaren Fläche, bei dem

• - das Lagerbauteil (1) aus einem Metall-Matrix-Composit-Werkstoff besteht, dessen Matrix durch eine Aluminium­ legierung gebildet ist, die mit SiC-Partikeln in einem Anteil von mehr als 1 Gewichtsprozent verstärkt ist,
• - die tribologisch beanspruchbare Fläche (30) die Ober­ fläche einer Anodisierschicht (20) ist.

2. Lagerbauteil (1) nach Anspruch 1, bei dem das Lagerbau­ teil (1) eine ebenfalls mit einer Anodisierschicht (20) versehene Preßsitzfläche (35) zu seiner Montage auf­ weist.

3. Lagerbauteil (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem auf der Anodisierschicht (20) der tribologisch beanspruchbaren Fläche (30) eine Schicht aus einer Zink-Legierung ange­ ordnet ist.

4. Lagerbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Lagerbauteil (1) ein Gleitlagerbauteil ist.

5. Lagerbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Lagerbauteil (1) ein Wälzlagerbauteil ist.

6. Lagerbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Anodisierschicht (20) mit einem festschmier­ stoffhaltigen Gleitlack durchzogen ist.

7. Lagerbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Gegenstück des Lagerbauteils (1) eine Lagerflä­ che aus keramischem Werkstoff aufweist.

8. Lagerbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Matrixwerkstoff mit SiC-Partikeln in einem An­ teil von 5 bis 70 Gewichtsprozent verstärkt ist.

9. Lagerbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Matrixwerkstoff mit SiC-Partikeln in einem An­ teil von 15 bis 50 Gewichtsprozent verstärkt ist.

10. Verfahren zur Herstellung eines Lagerbauteils (1) mit einer tribologisch beanspruchbaren Fläche (30), bei dem

• - ein Rohling, der aus einem Metall-Matrix-Composit-Werkstoff besteht, dessen Matrix durch eine Alumini­ umlegierung gebildet ist, die mit SiC-Partikeln in einem Anteil von mehr als 1 Gewichtsprozent verstärkt ist, zur Bildung einer tribologisch beanspruchbaren Fläche eine
• - Oberflächenfeinstbearbeitung und anschließend eine
• - Anodisierung erfährt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem nach der Anodisie­ rung eine Tränkung der erhaltenen Anodisierschicht (20) mit einem Schmierstoff erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die Ober­ flächenfeinstbearbeitung durch Schleifen erfolgt.