WO2010076306A1 - Gleitelement - Google Patents

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WO2010076306A1
WO2010076306A1 PCT/EP2009/067959 EP2009067959W WO2010076306A1 WO 2010076306 A1 WO2010076306 A1 WO 2010076306A1 EP 2009067959 W EP2009067959 W EP 2009067959W WO 2010076306 A1 WO2010076306 A1 WO 2010076306A1
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sliding
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layer material
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PCT/EP2009/067959
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Achim Adam
Joachim SCHLÜTER
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Federal Mogul Wiesbaden GmbH
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    • Y10T428/31504—Composite [nonstructural laminate]
    • Y10T428/31855—Of addition polymer from unsaturated monomers

Definitions

  • the invention relates to a sliding element comprising a substrate and at least one layer of a sliding layer material applied to the substrate.
  • the invention also relates to preferred uses of such sliding elements.
  • Sliding elements as sliding bearing elements in engines are usually made of multilayer materials with specially modified surfaces that optimize the sliding properties.
  • the surfaces of Gleitlagereiementen are metallic layers, such as based on lead, tin or aluminum, which are applied by galvanic processes, vapor deposition or by mechanical plating.
  • non-metallic sliding layers which have a synthetic resin base, which are modified in terms of their properties, resilience and wear resistance.
  • Synthetic resin-based plain bearing coatings have been used for many years as an aid in reducing friction in mechanical constructions.
  • metal, plastic and rubber parts are coated, which in the typical applications, the loads are rather low and the boundary conditions, such as temperature of the media, are not critical.
  • boundary conditions such as temperature of the media.
  • EP 0 984 182 A1 that applications in the engine, ie, for example, crankshaft bearings with such plain bearing elements, are also possible.
  • This document also describes an overiay with a matrix of PI, PAI, epoxy resin or a phenolic resin into which, inter alia, F ⁇ 3 ⁇ 4 can be added in order to reduce wear
  • Plastic sliding layer which consists of a matrix material of PTFE or thermoplastic fluorinated polymers Fe 2 Oa and solid lubricant. This material is used for bearings z. B. used as a guide element in shock absorbers, and is due to its structure and the soft fluoropolymer matrix suitable only for low sliding speeds and low loads.
  • a sliding bearing element which has a metallic carrier material, an aluminum alloy applied thereto and a plastic sliding layer.
  • a material comprising a binder of PI, PAI, PBI, EP and FP and a solid lubricant such as MoS 2 , graphite, PTFE and BN is proposed.
  • sliding layer material consists of at least one crosslinkable binder or at least one high-melting thermoplastic material comprising lubricating varnish or consists of a material having a matrix of at least one high-melting thermoplastic material or at least one thermoset material and in that the sliding layer material Fe 2 Ü 3 has.
  • the casting layer material! as iron oxide exclusively Fe 2 ⁇ 3 .
  • a bonded coating is claimed.
  • Coating is understood to mean a liquid or powder coating material containing additives to improve the lubricity of the surface, which is applied thinly to a substrate and by chemical or physical processes such.
  • the crosslinkable binder of the lubricating varnish preferably consists of PAI (polyamide-imide), PI (polyimide), epoxy resin, PBI (polybenzimidazole) and / or silicone resin. These polymers are characterized by a high temperature resistance and excellent media resistance.
  • the binder may be a UV radiation curing binder.
  • binders are preferably unsaturated polyester resins and / or silicones.
  • the bonded coating may comprise at least one high-melting thermoplastic material.
  • a material is claimed which contains a matrix of at least one refractory thermoplastic material or at least one thermoset material
  • thermoplastic materials those whose melting point is above 23O 0 C.
  • Polyarylene, PEEK (polyetheretherketone) and / or PES (polyethersulfone) may preferably be used as preferred high-melting thermoplastics.
  • thermosetting materials are PAi (polyamide-imide), PI (polyimide), epoxy resin, PBI (polybenzimidazole) and / or silicone resin.
  • the proportion of Fe 2 O 3 based on the total sliding layer material is preferably 0.5 to 8% by volume.
  • Fe 2 O 3 has been shown that the particle size of Fe 2 O 3 is also important.
  • Fe 2 O 3 having an average particle size of 0.01 to 5 ⁇ m is preferred.
  • Particularly advantageous are powders with a d50 of 0.1 to 0.5 microns. d50 denotes the median particle size of the particles, with 50% of the particles being finer and 50% of the particles larger than the value given in each case.
  • the solid lubricant content of the sliding layer material is preferably in a proportion of up to 30 vol .-%.
  • the range is up to ⁇ 9.5%, i. H. between> 0 and ⁇ 9.5%.
  • a particularly preferred range is> 5 to 30% by volume.
  • Suitable solid lubricants are metal sulfides with layer structure, graphite, hexagonal boron nitride (hBN) and / or PTFE.
  • the sliding layer material may contain hard materials in a proportion of up to 5% by volume, in particular in a proportion of 3 to 5% by volume.
  • the hard materials are preferably nitrides, carbides, borides, oxides and / or metal powder, wherein the hard materials SiC, Si 3 N 4 , B 4 C 3 , cubic BN, TiO 2 or SiO 2 and metal powder of Ag, Pb, Au, SnBi and / or Cu are preferred.
  • a particular embodiment is multi-layer systems of Fe 2 O 3 -containing sliding layers, wherein these multi-layer systems can be designed so that an upper layer as an inlet layer, z. B. by the addition of hard particles to condition the wave, and the underlying layer acts as a lifetime layer.
  • a multi-layer system can also be constructed so that an additional anti-friction coating is applied below the service life layer, which further increases the operational reliability of the bearings by being optimized in particular with regard to their wear resistance and thus delays complete passage through to the bearing metal.
  • An additional layer between the substrate and the sliding layer material can also be optimized with regard to the adhesion to the substrate and, like a primer, have the purpose of improving the bonding of the lubricating layer or layer with a matrix of refractory thermoplastics and thermosets. This can be z. B. be achieved by a little or no additiviertator, few microns thick layer of the matrix material.
  • Multilayer systems can be realized as discrete layers of layers and also as gradient layers, in which the layer properties change continuously over the thickness.
  • the Fe 2 O 3 content in the lower layer is higher than in the upper layer.
  • two layers are applied to the substrate, wherein a layer of sliding layer material with Fe 2 ⁇ 3 and a layer of sliding layer material without Fe 2 O 3 consists.
  • This embodiment has the advantage that the geometric adjustment is accelerated, since the upper layer then faster Wears and so the maximum Belastu ⁇ gswin is made faster. Further wear is then reduced by the F ⁇ 2 ⁇ 3 content of the lower layer.
  • a further embodiment of a multilayer system provides that only the lower layer contains the F ⁇ 2 ⁇ 3 , while all overlying layers have no Fe 2 O 3 .
  • the Fe 2 O 3 content decreases from the lowest to the uppermost layer.
  • a low or no FesOs content in the topmost layer has the advantage that the geometric fit is accelerated because the top layer will wear faster and thus the maximum load capacity will be made faster. Further wear is then reduced by the Fe 2 O 3 content of the lower layer.
  • Fe 2 O 3 anion will continuously decrease from bottom to top within one layer.
  • the substrate may consist of one or more layers.
  • the substrate has at least one layer of an aluminum or a copper alloy.
  • the following alloys are also suitable as substrate material: Ni, Sn, Zn, Ag, Au, Bi- and Fe alloys. All alloys can be used both as a bearing metal layer and as a thin cover layer, wherein the sliding layer may be formed depending on the composition as an additional Einiauf für for adaptation or conditioning of the shaft material or as an independent sliding layer with a long service life.
  • the use of the layer (s) according to the invention as sliding layer / casting layers on CuSn, CuNiSi, CuZn, CuSnZn, AISn, AISi, AISnSi bearing metal alloys is particularly preferred.
  • the sliding layers can be applied with or without an intermediate layer.
  • Suitable intermediate layers are nickel, silver, copper and / or iron.
  • the thickness of the layer or layers in the case of a multilayer system is in the range of 1 to 40 ⁇ m.
  • the sliding bearing element can be a Lagerschaie with up to 100 mm.
  • the thickness of the layer or layers is 5 to 15 ⁇ m.
  • the sliding bearing element is a bearing shell with a diameter> 100 mm, thicknesses of> 15 ⁇ m to 40 ⁇ m are preferred.
  • the sliding layer according to the invention is applied directly to the bearing detail layer.
  • the second embodiment consists in the coating of a substrate, which consists of a bearing metal with an already existing metallic sliding layer, which is preferably applied by sputtering or electrodeposition.
  • the substrate preferably has a roughness R z of 1 to 10 ⁇ m, in particular of 3 to 8 ⁇ m.
  • R z is the average roughness depth according to DIN EN ISO 4287: 1998.
  • the roughness improves the adhesion and causes that at first only the tips, ie very small surface portions of the substrate uncovered, which increases the carrying capacity, without having the Fressanfäilmaschine larger exposed areas.
  • the required roughness can be generated by mechanical processes such as sandblasting or grinding, but also chemically by phosphating or etching.
  • Preferred uses are media lubricated applications.
  • sliding elements are used as plain bearings in internal combustion engines.
  • the sliding elements are characterized by a high peak load, in particular the use of the sliding elements is provided as a plain bearing of crankshafts. Further preferred uses are casting elements as
  • Piston shirts and piston rings, in particular, the ring flanks have the layer structure according to the invention to prevent micro welding occurs with the Kolbennutober Design.
  • Table 1 contains only copper alloy substrates and Table 2 shows aiumium substrates and embodiments for dual layers.
  • Underwood (UW) tests were performed to assess performance. This rotates for a while with eccentric weights in rigidly mounted connecting rods.
  • the storage in the push rods is formed by the test bearings.
  • the test bearings have a wall thickness of 1, 4 mm and a through- knife of 50 mm.
  • the specific load is set over the bearing width, the speed is 4000 U / m.
  • Evaluation criteria are sliding-layer fatigue and wear after 100h continuous running.
  • the limit load in MPa is given, in which the layer is worn down to the substrate to a maximum of 5% of the sliding surface or there is fatigue.
  • Table 1 identifies reference experiments each denoted by R. The experiments show that the addition of Fe 2 O 3 increases the load capacity by up to 20%.
  • the fatigue strength of the substrate is the limiting factor in each case, however, an improvement is also achieved here due to an improved adaptability by the sliding layer material according to the invention.
  • the main purpose of the sliding layer material according to the invention is to optimize the sliding properties in this case if only a small proportion of the soft phase is contained in the alloy.
  • the double layer in Example 23 is designed so that there is an increased adaptability due to the lower binder and higher solid lubricant content in the upper layer.
  • Example 24 is a layer design for shafts with poor surfaces, such as spheroidal gray iron, which are additionally polished by the hard materials.
  • Example 25 the concentration of the F ⁇ 2 ⁇ 3 in the lower layer increases and increases the wear resistance, the upper layer is preferably designed as a matching layer.

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Abstract

Es wird ein Gleitelement mit einem Substrat und mit mindestens einer auf dem Substrat aufgebrachten Schicht aus einem Gleitschichtmaterial beschrieben. Das Gleitschichtmaterial kann aus einem, mindestens ein vernetzbares Bindemittel oder mindestens ein hochschmelzendes Thermoplastmaterial aufweisenden Gleitlack oder aus einem Material bestehen, das eine Matrix aus mindestens einem hochschmelzenden Thermoplastmaterial oder mindestens einem Duroplastmaterial aufweist. Dieses Gleitschichtmaterial enthält Fe2O3 mit einem bevorzugten Anteil von 0,1 bis 15 Vol.-%.

Description

Gleitelement
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Gleitelement mit einem Substrat und mit mindestens einer auf dem Substrat aufgebrachten Schicht aus einem Gleitschichtmaterial. Die Erfindung bezieht sich auch auf bevorzugte Verwendungen solcher Gleitelemente.
Gleitelemente als Gleitlagerelemente in Motoren bestehen meist aus mehrschichtigen Materialien mit speziell modifizierten Oberflächen, die die Gleiteigenschaften optimieren. In der Regel handelt es sich bei den Oberflächen von Gleitlagereiementen um metallische Schichten, etwa auf der Basis von Blei, Zinn oder Aluminium, die durch galvanische Prozesse, Bedampfung oder durch mechanische Plattierung aufgebracht werden.
Außerdem sind nicht-metallische Gleitschichten bekannt, die eine Kunstharzbasis aufweisen, die hinsichtlich ihrer Eigenschaften, Belastbarkeit und Verschleißfestigkeit modifiziert sind.
Obwohl die bekannten Beschichtungen eine relativ hohe Belastbarkeit aufweisen, so ist diese Belastbarkeit jedoch scharf begrenzt, so dass bei Überschreitung der Belastbarkeitsgrenze es zu einem schnellen Ausfall der Gleitfunktion kommt. Das hiermit verbundene Freilegen des Substratmaterials, das über keine ausreichenden Notlaufeigenschaften verfügt, verursacht dann das Totalversagen des Gieitiagerelementes durch Fressen.
Gleitlagerbeschichtungen auf Kunstharzbasis werden seit vielen Jahren als Hilfsmittel zur Verringerung der Reibung in mechanischen Konstruktionen ein- gesetzt. In der Regel werden Metall-, Kunststoff- und Gummiteile beschichtet, die ohne weitere Schmierung dauerhaft leicht beweglich sein müssen, in den typischen Anwendungen sind die Belastungen eher gering und die Randbedingungen, wie Temperatur der Medien, sind unkritisch. Aus verschiedenen Patentanmeldungen, insbesondere aus der EP 0 984 182 A1 ist es bekannt, dass auch Anwendungen im Motor, d. h. z. B. Kurbelwellenlagerungen mit solchen Gleitlagerelementen möglich sind. In dieser Schrift wird auch ein Overiay mit einer Matrix aus PI, PAI, Epoxidharz oder einem Phenolharz beschrieben, in die zur Verschleißminderung u. a. Fβ3θ4 zugesetzt werden kann
Die DE 196 14 105 A1 offenbart eine verschleiß- und kavitationsbeständige
Kunststoffgleitschicht, die aus einem Matrixmaterial aus PTFE oder thermoplastischen Fluorpolymeren Fe2Oa und Festschmiermittel besteht. Dieses Material wird für Lager z. B. als Führungselement bei Stoßdämpfern verwendet, und ist aufgrund seines Aufbaus und der weichen Fluorpolymer-Matrix nur für niedrige Gleitgeschwindigkeiten und niedrige Belastungen geeignet.
Aus der EP 1 775 487 A2 ist ein Gleitlagerelement bekannt, das ein metallisches Trägermaterial, eine darauf aufgebrachte Aluminiumlegierung und eine Kunststoffgleitschicht aufweist. Um die Bindungsfestigkeit und Kavitationsbe- ständigkeit der Kunststoffgleitschicht zu verbessern, wird ein Material vorgeschlagen, das ein Bindemittel aus PI, PAI, PBI, EP und FP sowie einen Festschmierstoff, wie MoS2, Graphit, PTFE und BN aufweist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Gleitelement anzugeben, das bei einer ver- besserten Verschleißbeständigkeit eine höhere Spitzenbelastbarkeit aufweist und bei hohen Betriebstemperaturen und Gleitgeschwindigkeiten, wie z.B. an den beweglichen Teilen innerhalb von Verbrennungsmotoren einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird mit einem Gleitelement gelöst, bei dem das Gleitschichtma- terial aus einem mindestens ein vernetzbares Bindemittel oder mindestens ein hochschmelzendes Thermoplastmaterial aufweisenden Gleitlack oder aus einem Material besteht, das eine Matrix aus mindestens einem hochschmelzenden Thermoplastmaterial oder mindestens einem Duroplastmaterial aufweist und dass das Gleitschichtmaterial Fe2Ü3 aufweist.
Hierbei ist es bevorzugt, dass das Gieitschichtmateria! als Eisenoxid ausschließlich Fe2θ3 aufweist.
Gemäß einer ersten Alternative wird ein Gleitlack beansprucht.
Unter Gleitlack wird ein flüssiger oder pulverförmiger Beschichtungsstoff verstanden, der Zusätze zur Verbesserung der Gleitfähigkeit der Oberfläche enthält, der dünn auf ein Substrat aufgetragen wird und der durch chemische oder physikalische Vorgänge, wie z. B. Verdampfen des Lösemittels oder Aus- härten mittels UV-Bestrahlung, zu einem durchgehend dünnen Film ausgebildet wird.
Das vernetzbare Bindemittel des Gleitlackes besteht vorzugsweise aus PAI (Polyamidimid), PI (Polyimid), Epoxidharz, PBI (Polybenzimidazol) und/oder Silikonharz besteht. Diese Polymere zeichnen sich durch eine hohe Temperaturbeständigkeit und hervorragende Medienbeständigkeit aus.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Bindemittel ein mittels UV- Strahlung aushärtendes Bindemittel sein. Derartige Bindemittel sind Vorzugs- weise ungesättigte Polyesterharze und/oder Silikone.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Gleitlack mindestens ein hochschmelzendes Thermoplastmaterial aufweisen. Gemäß einer zweiten Alternative wird ein Material beansprucht, das eine Matrix aus mindestens einem hochschmelzenden Thermoplastmaterial oder mindestens einem Duroplastmaterial enthält
Unter hochschmelzenden Thermoplastmaterialien werden solche verstanden, deren Schmelzpunkt oberhalb von 23O0C liegt.
Als bevorzugte hochschmelzende Thermoplaste können vorzugsweise Polyary- late, PEEK (Polyetheretherketon) und/oder PES (Polyethersulfon) eingesetzt werden.
Bevorzugte Duroplastmaterialien sind PAi (Polyamidimid), PI (Polyimid), Epoxidharz, PBI (Polybenzimidazol) und/oder Silikonharz.
Es hat sich gezeigt, dass die beanspruchten Materialien in der Kombination mit Fe2O3 eine deutlich bessere Spitzenbelastbarkeit aufweisen als Gleitschichtma- teriaiien, die kein Eisenoxid oder gegebenenfalls andere Eisenoxide aufweisen. Es werden bis zu 20 % bessere Belastbarkeitswerte erzielt.
Es wird vermutet, dass durch die Kombination des Fe2θ3 mit den Bindemitteln bzw. den Matrixmaterialien gemäß der beiden Alternativen die Wirksamkeit des Schmierfilms verbessert wird, wodurch der Anstieg der Verschleißrate mit der spezifischen Lagerbelastung verringert wird. Hierdurch steigt die Belastungsgrenze an, was wiederum die Betriebssicherheit der Lager bei Belastung unter- halb der Belastungsgrenze signifikant erhöht.
Diese Effekte zeigen sich bei Anteilen von 0,1 bis 15 Vol.-% Fe2O3. Bei kleineren Anteilen ist keine Verbesserung bezüglich der Belastbarkeit feststellbar. Größere Anteile hingegen führen zu einer Schwächung des Matrixmaterials bzw. des vernetzbaren Bindemittels des Gleitlacks. Der Anteil des Fe2O3 bezogen auf das gesamte Gleitschichtmaterial beträgt vorzugsweise 0,5 bis 8 Vol.-%.
Es konnte gezeigt werden, dass die Spitzen belastbarkeit an Kurbelwellenlagern bereits bis zu 120 MPa gesteigert werden kann. Diese Spitzenbelastbarkeitswerte liegen auch deutlich über denen, die mit den Materialkombinationen gemäß der EP 0 984 182 A1. Die erfindungsgemäßen Werte werden ansonsten nur von aiuminiumbasierten Sputterschichten erreicht.
Es hat sich gezeigt, dass auch die Partikelgröße des Fe2O3 von Bedeutung ist. Fe2O3 mit einer mittleren Partikelgröße von 0,01 bis 5 μm ist bevorzugt. Besonders vorteilhaft sind Pulver mit einem d50 von 0,1 bis 0,5 μm. d50 bezeichnet den Median der Korngrößen der Partikel, wobei 50 % der Partikel feiner und 50 % der Partikel größer als der jeweils angegebene Wert sind.
Der Festschmierstoffanteil des Gleitschichtmaterials liegt vorzugsweise bei einem Anteil von bis zu 30 Vol.-%. Vorzugsweise liegt der Bereich bei bis zu < 9,5 %, d. h. zwischen > 0 und < 9,5 %. Ein besonders bevorzugter Bereich liegt bei >5 bis 30 Vol.-%.
Als Festschmierstoffe kommen Metallsulfide mit Schichtstruktur, Graphit, hexa- gonales Bornitrid (hBN) und/oder PTFE in Frage. Weiterhin kann das Gleitschichtmaterial Hartstoffe mit einem Anteil von bis zu 5 Vol.-%, insbesondere mit einem Anteil von 3 bis 5 Vol.-% enthalten.
Die Hartstoffe sind vorzugsweise Nitride, Carbide, Boride, Oxide und/oder Metallpulver, wobei die Hartstoffe SiC, Si3N4, B4C3, kubisches BN, TiO2 oder SiO2 und Metallpulver aus Ag, Pb, Au, SnBi und/oder Cu bevorzugt sind. Eine besondere Ausführungsform sind Mehrschichtsysteme aus Fe2O3-haltigen Gleitschichten, wobei diese Mehrschichtsysteme so gestaltet sein können, dass eine obere Schicht als Einlaufschicht, z. B. durch den Zusatz von Hartpartikeln zur Konditionierung der Welle, und die darunterliegende Schicht als Lebens- dauerschicht fungiert.
Ein Mehrschichtsystem kann auch so aufgebaut sein, dass unter der Lebensdauerschicht eine zusätzliche Gleitlackschicht aufgebracht ist, die die Betriebssicherheit der Lager dadurch weiter erhöht, dass sie insbesondere bezüglich ihrer Verschleißfestigkeit optimiert ist und so ein vollständiges Durchlaufen auf das Lagermetall hinauszögert.
Eine zusätzliche Schicht zwischen Substrat und Gleitschichtmaterial kann auch bezüglich der Haftung zum Substrat optimiert sein und wie eine Grundierung den Zweck haben, die Anbindung der Gleitlackschicht bzw. der Schicht mit einer Matrix aus hochschmelzenden Thermoplasten und Duroplasten zu verbessern. Dies kann z. B. durch eine geringe oder gar nicht additivierte, wenige Mikrometer dicke Schicht aus dem Matrixmaterial erreicht werden.
Mehrschichtsysteme lassen sich als diskrete Lagen von Schichten und auch als Gradientenschichten realisieren, bei denen die Schichteigenschaften sich kontinuierlich ändern über die Dicke.
Vorzugsweise ist der Fe2θ3-Gehalt in der unteren Schicht höher als in der obe- ren Schicht.
Vorzugsweise werden zwei Schichten auf dem Substrat aufgebracht, wobei eine Schicht aus Gleitschichtmaterial mit Fe2θ3 und eine Schicht aus Gleitschichtmaterial ohne Fe2O3 besteht. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die geometrische Anpassung beschleunigt ist, da die obere Schicht dann schneller verschleißt und so die maximale Belastuπgsfähigkeit schneller hergestellt wird. Weiterer Verschleiß wird dann durch den Fβ2θ3-Gehalt der unteren Schicht verringert.
Eine weitere Ausführungsform eines Mehrschichtsystems sieht vor, dass nur die untere Schicht das Fβ2θ3 enthält, während alle darüber liegenden Schichten kein Fe2O3 aufweisen.
Wenn mehr als zwei Schichten aus Gleitschichtmaterial auf dem Substrat auf- gebracht werden, ist es von Vorteil, wenn der Fe2O3-Anteil von der untersten bis zur obersten Schicht abnimmt. Ein geringer oder kein FesOs-Anteil in der obersten Schicht hat den Vorteil, dass die geometrische Anpassung beschleunigt ist, da die obere Schicht dann schneller verschleißt und so die maximale Belastungsfähigkeit schneller hergestellt wird. Weiterer Verschleiß wird dann durch den Fe2O3-Gehalt der unteren Schicht verringert.
Es ist auch vorgesehen, dass der Fe2O3-Anteii innerhalb einer Schicht kontinuierlich von unten nach oben abnimmt.
Das Substrat kann aus einer oder auch aus mehreren Schichten bestehen.
Vorzugsweise weist das Substrat mindestens eine Schicht aus einer Aluminiumoder einer Kupferlegierung auf. Folgende Legierungen sind ebenfalls als Substratmaterial geeignet: Ni-, Sn-, Zn-, Ag-, Au-, Bi- und Fe-Legierungen. Sämtliche Legierungen können sowohl als Lagermetallschicht als auch als dünne Deckschicht eingesetzt werden, wobei die Gleitschicht je nach Zusammensetzung als zusätzliche Einiaufschicht zur Anpassung oder Konditionierung des Wellenmaterials oder als eigenständige Gleitschicht mit hoher Lebensdauer ausgebildet sein kann. Besonders bevorzugt ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Schicht/Schichten ais Gleitschicht/Gieitschichten auf CuSn-, CuNiSi-, CuZn-, CuSnZn-, AISn-, AISi-, AISnSi-Lagermetalliegierungen.
Die Gleitschichten können mit oder ohne Zwischenschicht aufgebracht sein. Als Zwischenschichten kommen Nickel, Silber, Kupfer und/oder Eisen in Frage.
Die Dicke der Schicht oder der Schichten im Fall eines Mehrschichtsystems liegt im Bereich von 1 bis 40 μm.
Das Gleitlagerelement kann eine Lagerschaie mit bis zu 100 mm sein. In diesem Fall liegt die Dicke der Schicht oder der Schichten bei 5 bis 15 μm.
Wenn das Gleitlagerelement eine Lagerschale mit einem Durchmesser > 100 mm ist, sind Dicken von > 15 μm bis 40 μm bevorzugt.
Grundsätzlich sind zwei Ausführungsformen möglich. In der ersten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Gleitschicht direkt auf der Lagermetailschicht aufgebracht. Die zweite Ausführungsform besteht in der Beschichtung eines Substrats, das aus einem Lagermetall mit einer bereits vorliegenden metallischen Gleitschicht, die vorzugsweise durch Sputtern oder galvanische Abscheidung aufgebracht wird, besteht.
Vorzugsweise weist das Substrat eine Rauheit Rz von 1 bis 10 μm, ins- besondere von 3 bis 8 μm auf. Unter Rz wird die mittlere Rautiefe nach DIN EN ISO 4287:1998 verstanden.
Die Rauheit verbessert die Haftung und führt dazu, dass bei Verschleiß zunächst nur die Spitzen, d. h. sehr geringe Oberflächenanteile des Substrats freigelegt werden, was die Tragfähigkeit erhöht, ohne gleich die Fressanfäiligkeit größerer freigelegter Bereiche aufzuweisen.
Die benötigten Rauheiten können durch mechanische Verfahren wie Sandstrah- len oder Schleifen, jedoch auch chemisch durch Phosphatieren oder Anätzen erzeugt werden.
Bevorzugte Verwendungen sind mediengeschmierte Anwendungen.
Es ist bevorzugt, die Gleitelemente als Gleitlager in Verbrennungsmotoren einzusetzen.
Da die Gleitelemente sich durch eine hohe Spitzenbelastung auszeichnen, ist insbesondere die Verwendung der Gleitelemente als Gleitlager von Kurbelwel- len vorgesehen. Weitere bevorzugte Verwendungen sind Gieitelemente als
Kolbenhemden und als Kolbenringe, wobei insbesondere die Ringflanken den erfindungsgemäßen Schichtaufbau aufweisen, um zu verhindern, dass es zu Mikroverschweißungen mit der Kolbennutoberfläche kommt.
Im Folgenden sind einige Beispiele mit Versuchsergebnissen aufgeführt.
Die Tabelle 1 enthält nur Kupferlegierungs-Substrate und die Tabelle 2 Aiumi- niumsubstrate und Ausführungsbeispieie für Zweifachschichten.
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Zur Bewertung der Leistungsfähigkeit wurden Underwood (UW)-Tests durchgeführt. Hierbei rotiert eine Weile mit Exzentergewichten in starr montierten Pleuelstangen. Die Lagerung in den Pieuelstangen wird durch die Prüflager gebildet. Die Prüflager haben eine Wanddicke von 1 ,4 mrn und einen Durch- messer von 50 mm. Die spezifische Belastung wird über die Lagerbreite eingestellt, die Drehzahl beträgt 4000 U/m. Bewertungskriterien sind Gleitschichtermüdung und Verschleiß nach 100h Dauerlauf. Angegeben ist die Grenzbelastung in MPa, bei der auf maximal 5% der Gleitfläche die Schicht bis zum Substrat verschlissen ist oder Ermüdung vorliegt.
Um die Wirkung des Feeθ3 zu befegen, sind in Tabelle 1 jeweils mit einem R bezeichnete Referenzversuche aufgeführt. Die Versuche zeigen, dass durch den Zusatz von Fe2O3 eine Steigerung der Belastbarkeit um bis zu 20% möglich ist.
Bei den Aluminiumsubstraten, Beispiele 17-22, ist jeweils die Ermüdungsfestigkeit des Substrats der limitierende Faktor, jedoch wird auch hier aufgrund einer verbesserten Anpassungsfähigkeit durch das erfindungsgemäße Gleitschicht- material eine Verbesserung erzielt. Hauptzweck des erfindungsgemäßen Gleitschichtmaterials ist es jedoch, hierbei die Gleiteigenschaften zu optimieren, wenn in der Legierung nur ein geringer Anteil der Weichphase enthalten ist.
Die Doppelschicht in Beispiel 23 ist so ausgelegt, dass eine erhöhte Anpas- sungsfähigkeit durch den geringeren Bindemittel- und höheren Festschmierstoffanteil in der oberen Schicht vorliegt.
Beispiel 24 ist eine Schichtauslegung für Wellen mit schlechten Oberflächen wie Kugelgrauguss, die durch die Hartstoffe zusätzlich poliert werden.
in Beispiel 25 steigt die Konzentration des Fβ2θ3 in der unteren Schicht an und erhöht die Verschleißfestigkeit, wobei die obere Schicht vorzugsweise als Anpassungsschicht ausgelegt ist.

Claims

Patentansprüche
1. Gleiteiement mit einem Substrat und mit mindestens einer auf dem Substrat aufgebrachten Schicht aus einem Gieitschichtmaterial, dadurch gekennzeichnet,
dass das Gieitschichtmaterial aus einem, mindestens ein vernetzbares Bindemittel oder mindestens ein hochschmelzendes Thermoplastmaterial aufweisenden Gleitlack oder
aus einem Material besteht, das eine Matrix aus mindestens einem hochschmelzenden Thermopiastmaterial oder mindestens einem Duroplastmaterial aufweist, und
dass das Gieitschichtmaterial Fe2O3 enthält.
2. Gleitelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das vernetzbare Bindemittel des Gleitlackes aus PAI1 Pl, Epoxyharz, PBI, und/oder Silikonharz besteht.
3. Gleitelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ein mittels UV-Strahlung aushärtendes Bindemittel ist.
4. Gleitelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das hochschmelzende Thermoplastmaterial aus Polyarylat, PEEK und/oder PES besteht.
5. Gleitelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Du- roplastmateriai aus PAI, PI, Epoxyharz, PBI1 und/oder Silikonharz besteht.
6. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Fe2O3 bezogen auf das gesamte Gleitschichtmaterial 0,1 bis 15 Vol.-% beträgt.
7. Gleitelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der An- teil des Fβ2θ3 bezogen auf das gesamte Gleitschichtmaterial 0,5 bis 8
Vol.-% beträgt.
8. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Fβ2θ3 eine mittlere Partikelgröße von 0,01 bis 5 μm besitzt
9. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitschichtmaterial Festschmierstoffe mit einem Anteil von bis zu 30 Vol.-% enthält.
10. Gleitelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das
Gleitschichtmaterial Festschmierstoffe mit einem Anteil von >5 bis 30 Voi.-% enthält.
11. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Festschmierstoffe Metallsulfide mit Schichtstruktur,
Graphit, hexagonales BN und/oder PTFE sind.
12. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitschichtmaterial Hartstoffe mit einem Anteil von bis zu 5 Vol.-% enthält.
13. Gleitelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitschichtmaterial Hartstoffe mit einem Anteil von 3 Vol.-% bis 5 Vol.-% enthält.
14. Gleitelement nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffe Nitride, Carbide, Boride, Oxide und/oder Metall pulver sind.
15. Gleitelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffe SiC1 Si3N4, B4C3, kubisches BN, TΪO2 oder Siθ2 sind.
16. Gleitelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpulver aus Ag1 Pb, Au, Sn, Bi und/oder Cu bestehen.
17. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Schichten aus Gleitschichtmaterial auf dem Substrat aufgebracht sind.
18. Gleitelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Fe2O3-Gehalt in der unteren Schicht höher ist als in der oberen Schicht.
19. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Schichten auf dem Substrat aufgebracht sind, wobei eine Schicht aus Gleitschichtmaterial mit Fe2O3 und eine Schicht aus Gleitschichtmaterial ohne Fe2O3 besteht.
20. Gleitelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Schicht das Fe2O3 enthält.
21. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei Schichten aus Gleitschichtmaterial auf dem Substrat aufgebracht sind und
dass der Fe2θ3-Anteil von der untersten bis zur obersten Schicht ab- nimmt.
22. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Fe2O3 -Anteil innerhalb der Schicht kontinuierlich von unten nach oben abnimmt.
23.Gleiteiemeπt nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurchgekennzeich- net, dass das Substrat mindestens eine Schicht aus einer AI- oder einer Cu-Legierung aufweist.
24.Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Schicht oder Schichten 1 bis 40 μm beträgt.
25. Gleitelement nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitelement eine Lagerschale mit einem Durchmesser von bis zu 100 mm ist und dass die Dicke der Schicht oder Schichten 5 bis 15 μm beträgt.
26. Gleitelement nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das
Gleitelement eine Lagerschale mit einem Durchmesser größer 100 mm ist und dass die Dicke der Schicht oder Schichten >15 μm bis 40 μm beträgt.
27. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine herkömmliche Gleitschicht umfasst, auf der das Gleitschichtmaterial aufgebracht ist.
28.Gleiteiement nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht eine galvanische oder gesputterte Gleitschicht ist.
29. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Substrat eine Lagermetaüschicht umfasst, auf der das
Gieitschichtmaterial aufgebracht ist.
30. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine Zwischenschicht aus Nickel, Silber, Kupfer und/oder Eisen umfasst, auf der das Gleitschichtmaterial aufgebracht ist.
31. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat eine Rauheit Rz von 1 bis 10 μm aufweist.
32. Verwendung des Gleitelements nach Anspruch 1 für mediengeschmierte
Anwendungen.
33. Verwendung des Gleitelements nach Anspruch 1 als Gleitlager in Ver- brennungsmotoren.
34.Verwendung des Gleiteiements nach Anspruch 1 als Gleitlager von Kurbelwellen.
35. Verwendung des Gleitelements nach Anspruch 1 als Kolbenring.
36. Verwendung des Gleitelements nach Anspruch 1 als Kolbenhemd.
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