WO2018015126A1 - Bleifreies aluminiumgleitlagermaterial mit funktionsoberfläche - Google Patents

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Holger Schmitt
Daniel Meister
Michael Wagner
Gaetano Fabio Cosentino
Ralph Herber
Stefanie Katharina WEIDMANN
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    • F16C33/127—Details of intermediate layers, e.g. nickel dams

Definitions

  • the present invention relates to a sliding element with a mixed oxide matrix functional layer.
  • An inventive sliding element is characterized by advantageous
  • oxide layers is known as a component of plain bearing coatings.
  • DE 10 2007 042 382 B3 discloses a component which is suitable as a plain bearing, wherein in the construction of the component a layer of a light metal material is provided which is provided to the sliding surface of the component with a pore-containing oxide layer and wherein in these pores Hard material is introduced.
  • the bearing component consists of a metal-matrix composite material whose matrix is replaced by a
  • the invention has for its object to provide a slider available that improved
  • Thermal conductivity, wetting behavior, friction coefficient, wear behavior, roughness and / or topography has.
  • the embedding of solid lubricant particles and / or hard particles in the mixed oxide matrix of the functional layer of the sliding element coating leads to particularly advantageous mechanical properties of the sliding element.
  • the property profile of the sliding element can be tailored specifically to the particular application by targeted selection of the solid lubricant particles and / or hard particles.
  • the coating from the inside to the outside, at least one aluminum alloy layer consisting of an aluminum-based alloy, and the functional layer.
  • Such a structure is particularly easy to produce by electrolytic oxidation of the aluminum alloy layer.
  • the terms aluminum alloy layer or aluminum-based alloy also include pure aluminum or pure aluminum layers.
  • the aluminum-based alloy consists of up to 10.0 wt% Fe, up to 10.0 wt% Mg, up to 15.0 wt% Zn, up to 15.0 wt% Si, up to 30.0 wt% Sn, up to 5.0 wt% Cu, up to 5.0 wt% Ni, up to 5.0 wt% Mn, up to 5, 0 wt .-% Cr, up to 1.0 wt .-% Zr, V, Sr and / or Ti and the balance of aluminum and unavoidable impurities.
  • the aforementioned chemical composition of the aluminum-based alloy makes it possible to achieve a sliding element metal hardness between 30 and 100 HBW 1/5/30.
  • the functional layer is applied to the aluminum alloy layer.
  • Aluminum alloy layer is again preferably on a substrate back of steel, preferably one of the Steel grades C06-C45, applied.
  • the steels mentioned are characterized by good availability and can be combined particularly well with the aluminum alloy layer to form a sliding element.
  • the solid lubricant particles comprise BaS0 4 , h-BN, graphite, MoS 2 , PTFE, WS 2 , ZnS and / or SnS 2 .
  • the particles mentioned are particularly suitable for improving the lubricating properties of the sliding element surface.
  • the hard particles include oxides, nitrides, phosphides, phosphates, fluorides, WC, Tic, TaC, CrC, B 4 C, CaC 2 and / or Al 4 C 3 to increase the wear resistance.
  • the coating has a hardness of 10 to 1500 HV, preferably 10-500 HV0.1. Too soft layers give way under load and lead to seizing by transfer of material and reduce the effect of hard particles and solid lubricants. Too hard layers, however, can attack the counter-rotor of the sliding element by means of abrasion.
  • the functional layer is furthermore preferably between 10 nm and 100 ⁇ m thick. With a layer thickness of less than 10 nm, there is no sufficient improvement in wear protection, whereas layers with layer thicknesses of more than 100 ⁇ m can only be produced with great economic outlay.
  • the aluminum alloy layer has a thickness of up to 500 ym. Larger layer thicknesses have no further improvement in the mechanical properties of the
  • the embedded particles preferably have an average diameter of 1 nm to 15 ⁇ m.
  • the functional layer has a
  • Thermal conductivity of 5 to 100 W / m * K, preferably 20 to 40 W / m * K, on. These values are at the level of pure alumina, so that a good heat dissipation under mixed friction conditions is achieved.
  • the distribution of the solid lubricant particles and / or hard particles in the mixed oxide matrix has a gradient from the inside to the outside.
  • other structures can be set in the surface area of the coating than in the inner area, without weakening the adhesion by discontinuities.
  • the coating preferably has on the outside a preferably electrolytically applied cover layer.
  • a cover layer may, depending on the application, increase the wear resistance and / or improve the friction properties.
  • a sliding bearing is provided with a coating on a CO 6 steel substrate back.
  • the following layer structure is particularly preferred: On the steel back there is a so-called aluminum alloy layer containing the elements mentioned in claim 3. By chemical-physical processes (anodizing), the functional layer is then generated, which in turn may contain Feststoffschmierstoff- and / or hard particles.
  • an aluminum alloy is first cast by strip casting and then by the subsequent rolling steps to a thickness of max. 1.5 mm rolled off.
  • the tape and the film by means of roll-plating, connected to form a strand. Subsequently, the strand is ground and applied to the C06 steel by roll-plating.
  • the sliding bearing material is subsequently transferred into bearing shell dimensions.
  • the mixed oxide matrix is then produced by electrolytic oxidation of the aluminum alloy layer using DC, AC or pulse current sources galvanostatically or potentiostatically.
  • the methodology required for this purpose is known to the person skilled in the art from the prior art, for example from the final report on the IGF project 321 ZBG ("Optimization of the modification of anodizing layers on aluminum materials by chemical nanotechnology and industrial adaptation of the process", Fürbeth et al., Chapter 2.5
  • B 4 C particles are deposited in parallel by means of electrophoretic deposition, which particles are thereby embedded in the mixed oxide matrix
  • agglomeration of the particles is achieved by use stabilized dispersions ensured.
  • a reworking of the sliding bearing surfaces takes place.

Abstract

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Gleitelement mit einer Beschichtung, die zumindest eine Funktionsschicht aufweist, wobei die Funktionsschicht eine Mischoxid-Matrix aufweist und in der Mischoxid-Matrix Feststoffschmiermittelpartikel und/oder Hartpartikel eingebettet sind.

Description

Bleifreies Aluminiumgleitlagermaterial mit
Funktionsoberfläche
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitelement mit einer Mischoxidmatrix-Funktionsschicht. Ein erfindungsgemäßes Gleitelement zeichnet sich durch vorteilhafte
Oberflächeneigenschaften sowie einfache Herstellbarkeit aus.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist die Nutzung von Oxidschichten als Bestandteil von Gleitlagerbeschichtungen bekannt.
So offenbart die DE 10 2007 042 382 B3 ein Bauteil, welches als Gleitlager geeignet ist, wobei im Aufbau des Bauteils eine Schicht aus einem Leichtmetallwerkstoff vorgesehen ist, welcher hin zur Gleitfläche des Bauteils mit einer Poren aufweisenden Oxidschicht versehen ist und wobei in diese Poren ein Hartstoff eingebracht ist.
Die DE 196 12 109 Cl betrifft ein Lagerbauteil mit einer tribologisch beanspruchbaren Fläche. Hierzu ist vorgesehen, dass das Lagerbauteil aus einem Metall-Matrix-Composit- Werkstoff besteht, dessen Matrix durch eine
Aluminiumlegierung gebildet ist, die mit SiC-Partikeln in einem Anteil von mehr als 1 Gewichtsprozent verstärkt ist, und dass die tribologisch beanspruchbare Fläche die Oberfläche einer Anodisierschicht ist.
Der Abschlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 302 ZBG „Nanopartikelverstärkte Hartanodisierschichten als innovativer Verschleiß- und Korrosionsschutz für Aluminiumwerkstoffe" von Fürbeth et al . befasst sich mit dem Einbringen von Nanopartikeln in Hartanodisierschichten von Aluminiumwerkstoffen .
Schließlich lehrt der Abschlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 321 ZBG „Optimierung der Modifizierung von Anodisierschichten auf Aluminiumwerkstoffen durch chemische Nanotechnologie und industrielle Anpassung des Verfahrens" von Fürbeth et al . die Imprägnierung von Anodisierschichten mit Nanopartikeln zur Verbesserung des Korrosionsschutzes.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleitelement zur Verfügung zu stellen, das verbesserte
Oberflächeneigenschaften, insbesondere hinsichtlich zumindest einer der Eigenschaften Härte, Duktilität,
Wärmeleitfähigkeit, Benetzungsverhalten, Reibkoeffizient, Verschleißverhalten, Rauheit und/oder Topographie aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch das in Anspruch 1 beschriebene Gleitelement.
Das Einbetten von Feststoffschmiermittelpartikeln und/oder Hartpartikeln in die Mischoxid-Matrix der Funktionsschicht der Gleitelementbeschichtung führt dabei zu besonders vorteilhaften mechanischen Eigenschaften des Gleitelements. Insbesondere kann das Eigenschaftsprofil des Gleitelementes durch gezielte Auswahl der Feststoffschmiermittelpartikel und/oder Hartpartikel auf den jeweiligen Anwendungsfall spezifisch zugeschnitten werden. Gegenüber der Nutzung von Poren in Oxidbeschichtungen von Gleitlagern als Reservoir für Schmiermittel ergibt sich zudem der Vorteil einer homogeneren Verteilung sowie einer größeren Flexibilität hinsichtlich der einzusetzenden Partikel.
Bevorzugte Weiterbildungen sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben .
Mit Vorteil weist die Beschichtung, von innen nach außen, zumindest eine Aluminiumlegierungsschicht, bestehend aus einer Aluminium-basierten Legierung, und die Funktionsschicht auf. Ein derartiger Aufbau lässt sich besonders einfach durch elektrolytische Oxidation der Aluminiumlegierungsschicht herstellen. Die Begriffe Aluminiumlegierungsschicht bzw. Aluminium-basierte Legierung umfassen hierbei auch Reinaluminium bzw. Reinaluminiumschichten.
Bevorzugt besteht die Aluminium-basierte Legierung aus bis zu 10,0 Gew.-% Fe, bis zu 10,0 Gew.-% Mg, bis zu 15,0 Gew.-% Zn, bis zu 15,0 Gew.-% Si, bis zu 30,0 Gew.-% Sn, bis zu 5,0 Gew.-% Cu, bis zu 5,0 Gew.-% Ni, bis zu 5,0 Gew.-% Mn, bis zu 5,0 Gew.-% Cr, bis zu 1,0 Gew.-% Zr, V, Sr und/oder Ti und als Rest aus Aluminium und unvermeidlichen Verunreinigungen. Die genannte chemische Zusammensetzung der Aluminiumbasierten Legierung ermöglicht es, eine Gleitelement- Metallhärte zwischen 30 und 100 HBW 1/5/30 zu erzielen.
Besonders bevorzugt ist die Funktionsschicht auf der Aluminiumlegierungsschicht aufgebracht. Die
Aluminiumlegierungsschicht ist wiederum bevorzugt auf einem Substratrücken aus Stahl, vorzugsweise aus einer der Stahlsorten C06-C45, aufgebracht. Die genannten Stähle zeichnen sich durch gute Verfügbarkeit aus und lassen sich besonders gut mit der Aluminiumlegierungsschicht zu einem Gleitelement verbinden.
Zudem ist vorgesehen, zwischen dem Substratrücken und der Aluminiumlegierungsschicht eine Zwischenschicht, vorzugsweise aus Reinaluminium bestehend, einzubringen. Die
Zwischenschicht verbessert die Bindung zwischen
Substratrücken und der Beschichtung .
Mit Vorteil umfassen die Feststoffschmiermittelpartikel BaS04, h-BN, Graphit, MoS2, PTFE, WS2, ZnS und/oder SnS2. Die genannten Partikel eignen sich besonders zur Verbesserung der Schmiereigenschaften der Gleitelementoberfläche.
Bevorzugt umfassen die Hartpartikel Oxide, Nitride, Phosphide, Phosphate, Fluoride, WC, Tic, TaC, CrC, B4C, CaC2 und/oder AI4C3 zur Steigerung des Verschleißwiderstands.
Ferner ist vorgesehen, in der Mischoxid-Matrix organisch modifizierte Partikel, mit Sinteradditiven, vorzugsweise NaHC03, versehene Partikel, Core-Shell-Partikel , Nanokapseln, welche vorzugsweise mit FeststoffSchmiermittel gefüllt sind, und/oder in ein polymeres Sol eingebettete Partikel einzubetten. Diese führen zu einer besonders homogenen Verteilung der Partikel in der Mischoxid-Matrix.
Mit Vorteil weist die Beschichtung eine Härte von 10 bis 1500 HV, bevorzugt 10-500 HV0.1 auf. Zu weiche Schichten geben unter Last nach und führen zum Fressen durch Materialübertrag und verringern die Wirkung der Hartpartikel und FeststoffSchmiermittel . Zu harte Schichten können dagegen den Gegenläufer des Gleitelementes mittels Abrieb angreifen. Die Funktionsschicht ist ferner bevorzugt zwischen 10 nm und 100 ym dick. Bei einer Schichtdicke unter 10 nm stellt sich keine ausreichende Verbesserung des Verschleißschutzes ein, wohingegen Schichten mit Schichtdicken von über 100 ym nur unter hohem wirtschaftlichen Aufwand zu fertigen sind.
Bevorzugt weist die Aluminiumlegierungsschicht eine Dicke von bis zu 500 ym auf. Größere Schichtdicken haben keine weitere Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des
Gleitelementes zur Folge.
Zur Verbesserung der Funktionsschichteigenschaften weisen die eingebetteten Partikel bevorzugt einen durchschnittlichen Durchmesser von 1 nm bis 15 ym auf.
Mit Vorteil weist die Funktionsschicht eine
Wärmeleitfähigkeit von 5 bis 100 W/m*K, vorzugsweise 20 bis 40 W/m*K, auf. Diese Werte liegen auf dem Niveau von reinem Aluminiumoxid, so dass eine gute Wärmeabfuhr unter Mischreibungsbedingungen erzielt wird.
Zudem ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Verteilung der Feststoffschmiermittelpartikel und/oder Hartpartikel in der Mischoxid-Matrix von innen nach außen einen Gradienten aufweist. Somit können im Oberflächenbereich der Beschichtung andere Strukturen eingestellt werden als im inneren Bereich, ohne durch Diskontinuitäten die Haftung zu schwächen.
Bevorzugt weist die Beschichtung schließlich außen eine vorzugsweise elektrolytisch aufgebrachte Deckschicht auf. Eine solche Deckschicht kann, je nach Anwendungsfall, den Verschleißwiderstand erhöhen und/oder die Reibeigenschaften verbessern .
Bevorzugte Aus führuncrs form Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Gleitlager mit einer Beschichtung auf einem CO 6-Stahlsubstratrücken bereitgestellt. Besonders bevorzugt ist dabei folgender Schichtaufbau: Auf dem Stahlrücken befindet sich eine sogenannte Aluminiumlegierungsschicht, die die in Anspruch 3 genannten Elemente enthält. Durch chemisch-physikalische Prozesse (Eloxieren) wird dann die Funktionsschicht erzeugt, welche wiederum FeststoffSchmiermittel- und/oder Hartpartikel enthalten kann. Dabei wird eine Aluminiumlegierung zunächst mittels Bandguss vergossen und anschließend durch die nachfolgenden Walzschritte auf eine Dicke von max . 1,5 mm abgewalzt. Bei Einsatz einer Zwischenfolie zur Haftverbesserung, wird anschließend das Band und die Folie, mittels Walzplattieren, zu einem Strang verbunden. Anschließend wird der Strang geschliffen und durch Walzplattieren auf den C06-Stahl aufgebracht. Durch übliche Umformschritte wird der Gleitlagerwerkstoff nachfolgend in Lagerschalendimensionen überführt. Die Mischoxid-Matrix wird anschließend durch elektrolytische Oxidation der Aluminiumlegierungsschicht unter Anwendung von Gleichstrom-, Wechselstrom- oder Pulsstromquellen galvanostatisch oder potentiostatisch erzeugt. Die hierzu benötigte Methodik ist dem Fachmann aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus dem Abschlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 321 ZBG („Optimierung der Modifizierung von Anodisierschichten auf Aluminiumwerkstoffen durch chemische Nanotechnologie und industrielle Anpassung des Verfahrens"; Fürbeth et al . ; Kapitel 2.5) bekannt. Gleichzeitig werden parallel mittels elektrophoretischer Abscheidung B4C-Partikel abgeschieden, die hierdurch in der Mischoxid-Matrix eingebettet werden. Um eine homogene Verteilung der Partikel sicherzustellen, wird die Agglomeration der Partikel durch Verwendung stabilisierter Dispersionen sichergestellt. Zum Abschluss erfolgt eine Nachbearbeitung der Gleitlageroberflächen.

Claims

Patentansprüche 196 745 p6/t6
Gleitelement mit einer Beschichtung, die zumindest eine Funktionsschicht aufweist,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Funktionsschicht eine Mischoxid-Matrix aufweist und in der Mischoxid-Matrix Feststoffschmiermittelpartikel und/oder Hartpartikel eingebettet sind.
Gleitelement nach Anspruch 1,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Beschichtung, von innen nach außen, zumindest folgende Schichten aufweist:
eine Aluminiumlegierungsschicht, bestehend aus einer Aluminium-basierten Legierung, und
die Funktionsschicht.
Gleitelement nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Aluminium-basierte Legierung aus
bis zu 10,0 Gew.-% Fe,
bis zu 10,0 Gew. -% Mg,
bis zu 15,0 Gew.-% Zn,
bis zu 15,0 Gew . ~6 Si ,
bis zu 30,0 Gew.-% Sn,
bis zu 5,0 Gew.-% Cu,
bis zu 5,0 Gew.-% Ni,
bis zu 5,0 Gew.-% Mn,
bis zu 5,0 Gew.-% Cr,
bis zu 1,0 Gew.-% Zr, V, Sr und/oder Ti und als Rest aus Aluminium und unvermeidl Verunreinigungen besteht.
4. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Funktionsschicht auf der Aluminiumlegierungsschicht aufgebracht ist und diese wiederum mit einem Substratrücken verbunden ist und der Substratrücken aus Stahl, vorzugsweise aus einer der Stahlsorten C06-C45, besteht .
5. Gleitelement nach Anspruch 4,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass zwischen dem Substratrücken und der Beschichtung eine
Zwischenschicht, vorzugsweise aus Reinaluminium bestehend, vorgesehen ist.
6. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Feststoffschmiermittelpartikel BaSC^, h-BN,
Graphit, MoS2, PTFE, WS2, ZnS und/oder SnS2 umfassen.
7. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Hartpartikel Oxide, Nitride, Phosphide, Phosphate, Fluoride, WC, Tic, TaC, CrC, B4C, CaC2 und/oder A14C3 umfassen .
8. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
in der Mischoxid-Matrix organisch modifizierte Partikel, mit Sinteradditiven, vorzugsweise NaHCO^, versehene Partikel, Core-Shell-Partikel , Nanokapseln, welche vorzugsweise mit FeststoffSchmiermittel gefüllt sind, und/oder in ein polymeres Sol eingebettete Partikel eingebettet sind.
9. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Beschichtung eine Härte von 10 bis 1500 HV0.1, bevorzugt 10-500 HVO .1 aufweist.
10. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Funktionsschicht eine Dicke von 10 nm bis 100 ym aufweist .
11. Gleitelement nach einem der Ansprüche 2 bis 10,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Aluminiumlegierungsschicht eine Dicke von bis zu 200 ym aufweist.
12. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
die eingebetteten Partikel einen durchschnittlichen Durchmesser von 1 nm bis 15 ym aufweisen.
13. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Funktionsschicht eine Wärmeleitfähigkeit von 5 bis 100 W/m*K, vorzugsweise 20 bis 40 W/m*K aufweist.
14. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Verteilung der Feststoffschmiermittelpartikel und/oder Hartpartikel in der Mischoxid-Matrix von innen nach außen einen Gradienten aufweist.
15. Gleitelement nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
die Beschichtung außen eine vorzugsweise elektrolytisch aufgebrachte Deckschicht aufweist.
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