WO2019076677A1

WO2019076677A1 - Verfahren zur herstellung eines gleitlagers sowie ein mit dem verfahren hergestelltes gleitlager

Info

Publication number: WO2019076677A1
Application number: PCT/EP2018/077406
Authority: WO
Inventors: Maria Manuel Barbosa; René Bischoff; Steffen Nowotny; Filofteia-Laura TOMA
Original assignee: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.; Technische Universität Dresden
Priority date: 2017-10-18
Filing date: 2018-10-09
Publication date: 2019-04-25
Also published as: DE102017218592A1

Abstract

Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers wird an einer Oberfläche eines Substrates (1) eine auf Gleitreibung beanspruchte Schicht (2) ausgebildet, in der Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) und/oder Graphit, Graphen, MoSi2, PTFE, PEEK oder POM in einen Basiswerkstoff eingebettet werden, dabei erfolgt das Einbetten der CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi2, PTFE, PEEK, oder POM bei Ausbildung der jeweiligen Schicht (2) durch einen Energieeintrag, bei dem der Basiswerkstoff bis oberhalb seiner Schmelztemperatur erwärmt wird und der Basiswerkstoff in Form eines Pulvers oder einer Suspension. Die CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi2, PTFE, PEEK oder POM werden in Form einer Suspension oder als Pulvergemisch mit pulverförmigem Basiswerkstoff für die Ausbildung der Schicht (2) an der Oberfläche des Substrats (1), die durch Gleitreibung beansprucht wird, zugeführt; wobei zumindest eine Suspension, in der Basiswerkstoff oder eine Suspension in der CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi2, PTFE, PEEK oder POM enthalten ist/sind, zugeführt wird.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers sowie ein mit dem Verfahren hergestelltes Gleitlager

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers sowie ein mit dem Verfahren hergestelltes Gleitalger.

Gleitlager auf Kupfer-Basis werden in erster Linie im Motorenbau eingesetzt. Durch diese können die Ansprüche, wie steigende Maschinendrehzahlen, hohe Lagerkräfte und Wartungsarmut gut abgebildet werden. Die wesentlichen Legierungskomponenten in Lagern auf Kupfer-Basis sind Zinn und Blei. Kupfer und Zinn bilden spröde Mischkristalle die für den Anstieg der Festigkeit und Härte des Werkstoffes verantwortlich sind. Blei ist in der Kupfer-Zinn-Matrix hingegen unlöslich. Somit bleibt Blei als weiche Phase im Mischkristall bestehen und dient bei der Bearbeitung des Werkstoffes als Spanbrecher und verleiht dem Lager bei trockener Reibung Notlaufeigenschaften.

Angestoßen durch die europäischen Direktive 2000/53/EC zur Bleireduzierung in Automobilen aus dem Jahr 2000 und deren Weiterentwicklung im Jahr 2010 wurden die Legierungsentwicklungen von bleifreien Alternativen vorangetrieben. Zunehmend finden höchstfeste, bleifreie Lagerwerkstoffe auf Kupfer- Zinn-Nickel-Basis Verwendung. Das Legierungselement Nickel erhöht die Fes- tigkeiten, jedoch werden die Walzbarkeit und die mechanische

Bearbeitbarkeit sowie die Notlaufeigenschaften eingeschränkt. Auch mit schleudergegossenenen, bleifreien Bronzelagern mit Graphitpartikeln als Bleiersatz konnten die inhomogenen Verteilungen der Graphitpartikel und die damit einhergehenden inhomogenen tribologischen und mechanischen Eigen- Schäften des Werkstoffes nicht verhindern. Somit ist noch kein wirtschaftlicher Ersatz für die, durch den Bleizusatz, verbesserte Notlaufeigenschaft und Spanbarkeit gefunden worden.

Gleitlager, die nur geringen Belastungen und niedrigen Gleitgeschwindigkei- ten stand halten müssen, werden mittels pulvermetallurgischer Verarbeitung von Kupfer-Zinn-Pulver wirtschaftlich produziert. Die durch das Heisspressen einstellbare Porosität der Lager kann dazu genutzt werden das Lager mit Öl zu tränken. Das Öl wird während des Betriebes kontinuierlich in die Kontaktfläche zwischen Lager und Welle abgegeben. So wird ein Schmierfilm aufgebaut, der den Zustand hydrodynamischer Reibung ermöglicht und einen nahezu wartungsfreien Einsatz zulässt. Die Temperaturbeständigkeit des ölgetränkten Lagers ist jedoch nur bis ca. 200 °C gewährleistet. Bei Einsatztemperaturen darüber hinaus verliert das Öl an Viskosität, fließt aus dem Lager und ein Lagerverschleiß durch Trockenreibung wird riskiert. Bei höheren Einsatztempe- raturen wird bis zu 1,5 Masse-% freier Graphit unter das Kupfer-Zinn-Pulver gemischt. Graphit übernimmt hier ebenso wie Blei die Trockenschmierung der Kontaktstelle. Durch die Graphitpartikel verliert das Lager jedoch ca. 20% an Festigkeit.

Die Entwicklung neuer Gleitlagerwerkstoffe ist getrieben von steigenden Belastungen im Betrieb sowie von sich ändernden Marktanforderungen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Gleitlager zur Verfügung zu stellen, die bleifrei sind und über gute Gleitreibeigenschaften, bei gleichzeitig guten mechanischen Eigenschaften und guter mechanischer Bearbeitbarkeit verfügen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Anspruch 12 betrifft mit dem Verfahren hergestellte Gleitlager. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen reali- siert werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird an einer Oberfläche eines Substrates eine auf Gleitreibung beanspruchte Schicht ausgebildet, in der Kohlen- stoffnanoröhren (CNTs) und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM in einen Basiswerkstoff eingebettet werden.

Das Einbetten der CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM bei Ausbildung der jeweiligen Schicht erfolgt durch einen Energieeintrag, bei dem der Basiswerkstoff bis oberhalb seiner Schmelztemperatur erwärmt wird. Der Basiswerkstoff wird in Form eines Pulvers oder einer Suspension und die CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM werden in Form einer Suspension oder als Pulvergemisch mit pulverförmigem Basiswerkstoff für die Ausbildung der Schicht an der Oberfläche des Substrats, die durch Gleitreibung beansprucht wird, zugeführt. Dabei werden entweder zumindest der pulverförmige Basiswerkstoff oder die CNTs und/oder Graphit,

Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM in einer Suspension zugeführt.

Mit dem Einsatz von Suspensionen können pulverförmige Basiswerkstoffe verarbeitet werden, die so kleine Partikelgrößen aufweisen, dass sie mit Pul- verförderern nicht oder zu unkontinuierlich zugeführt werden können. Mit feineren Pulvern können aber auch bessere und feinere Gefüge in der auf Gleitreibung beanspruchten Schicht erreicht werden, die zu einer reduzierten Nachbearbeitung der Oberfläche, insbesondere zu einer Reduzierung des Aufwands für eine spanende Bearbeitung führen.

Außerdem können pulverförmige Basiswerkstoffe problemlos verarbeitet werden, die unter atmosphärischen Bedingungen chemisch reagieren können. Unerwünschte exotherme Reaktionen, wie sie beispielsweise bei Titanpulvern bekannt sind, können vermieden werden.

Suspensionen können auch mit einer Standardfördereinrichtung zugeführt werden, so dass kein zusätzlicher anlagentechnischer Aufwand erforderlich ist.

Ein weiterer Vorteil besteht dabei darin, dass Suspensionen in denen CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM enthalten sind, die

Gesundheitsgefahr, die durch ein mögliches Einatmen von frei austretenden und dabei mit der Atemluft in einen Körper eines Lebewesens gelangen können, in erheblichem Maß reduzieren. Der Energieeintrag kann dabei mit einer Flamme, einem Plasma, einem hochenergetischen Gasstrom und/oder einem Laserstrahl erreicht werden. Ein hochenergetischer Gasstrom kann beispielsweise beim Kaltgasspritzen genutzt werden, um ein Pulver des Basiswerkstoffs, eine Suspension in der pul- verförmiger Basiswerkstoff gegen eine Oberfläche eines Substrats mit ausrei- chender Energie zu beschleunigen. Dabei kann ggf. ein zusätzlicher Energieeintrag mit einer weiteren Energiequelle, beispielsweise einem Laserstrahl, der von einer Laserstrahlungsquelle emittiert wird, zum Überschreiten der Schmelztemperatur des Basiswerkstoffs eingesetzt werden. Als Basiswerkstoff kann als Basismetall eine Basiskupfer-, Eisen- oder -

Aluminiumlegierung, insbesondere mit Zn, Sn, AI, Ni und/oder Sc als weitere Legierungselemente eingesetzt werden. Mit Legierungselementen kann eine Anpassung der Werkstoffeigenschaften je nach Belastung (Wärme, Kantentragen, Notlaufeigenschaften, Dämpfung u.a.) erfolgen.

Es kann auch ein keramischer Basiswerkstoff eingesetzt werden. Dies kann ein keramischer Werkstoff sein, der ausgewählt ist aus Cr₂0₃, Al₂0₃ und Ti0₂, oder einem Gemisch davon. Die Schicht, die auf Gleitreibung beansprucht wird, kann durch thermisches

Spritzen, insbesondere Flamm-, Kaltgas- oder Plasmaspritzen ausgebildet werden und dabei pulverförmiger Basiswerkstoff oder eine pulverförmigen Basiswerkstoff enthaltende Suspension und eine CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM enthaltende Suspension einer Flamme, einem hochenergetischen Gasstrom oder einem Plasma in Form eines in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche des Substrates gerichteten Strahles, bevorzugt an verschiedenen Positionen dem Strahl zugeführt werden.

Die Schicht kann auch durch thermisches Spritzen, insbesondere Flamm-, Kaltgas- oder Plasmaspritzen ausgebildet werden und dabei ein Gemisch bestehend aus pulverförmigem Basiswerkstoff und CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM einer Flamme, einem Plasma oder einem hochenergetischen Gasstrom in Form eines in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche des Substrates gerichteten Strahles. Das Gemisch kann auch durch Laserauftragsschweißen zur Ausbildung der Schicht eingesetzt werden.

Zur Ausbildung der Schicht durch Laserauftragsschweißen kann pulverförmi- ger Basiswerkstoff durch eine Zuführung eines Laserbearbeitungskopfes koaxial in Richtung auf die zu beschichtende Oberfläche gefördert und CNTs dabei nicht koaxial in einem Winkel ungleich 0° zur optischen Achse des Laserstrahls zugeführt werden.

Für die Ausbildung der Schicht kann die jeweilige Oberfläche mit CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM beschichtet und anschließend daran eine temporäre Schicht durch thermisches Spritzen oder Laserauftragsschweißen mit dem Basiswerkstoff auf die mit CNTs beschichtete Oberfläche aufgebracht werden. Die CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM können durch Aufsprühen, Aufrakeln oder Aufstreichen auf die jeweilige Oberfläche aufgebracht werden, bevor die temporäre Schicht darauf ausgebildet wird.

Dabei treten die CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM in den geschmolzenen Basiswerkstoff ein. Infolge des Dichteunterschieds zwischen Basiswerkstoff und CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM steigen CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM in Richtung Oberfläche der Schicht auf. Nach dem Erstarren des Basiswerkstoffs können sie so oberflächennah in der Schicht eingebettet werden.

Es kann eine Suspension oder ein Pulvergemisch eingesetzt werden, in der CNTs mit einem Anteil im Bereich 0,05 Masse-% bis 5 Masse-% enthalten sind. Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM können mit einem Anteil im Bereich 1,0 Masse-% bis 50 Masse-%, bevorzugt im Bereich von 5,0 Masse-% bis 15,0 Masse-%, enthalten sein.

Für ein mit dem Basiswerkstoff gebildetes Pulver sollte eine mittlere

Partikelgröße d₅₀ im Bereich 0,3 μιη bis 150 μιη eingesetzt werden. Dies trifft auch auf ein Pulver zu, mit dem eine Suspension gebildet wird.

So kann man beim thermischen Spritzen oder Kaltgasspritzen Partikelgrößen d₅₀ im Bereich 5 μιη bis 25 μιη, in einer Suspension Partikelgrößen d₅₀ im Bereich 0,3 μιη bis 3 μιη und bei einem Laserauftragsschweißen Partikelgrößen d₅₀ im Bereich 45 μιη bis 150 μιη einsetzen.

Mittels pulvermetallurgischer und/oder schmelzmetallurgischer Herstellung und CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM enthaltenden Gleitlagerwerkstoffen für eine Schicht, die auf Gleitreibung beansprucht wird, können bis zu 10 % höhere Kennwerte für die Dehngrenze, die Bruchdehnung und/oder die Makrohärte) im Vergleich zu einem Referenzwerkstoff aus reinem Kupfer erreichen.

In einem Basiswerkstoff als Matrix eingebettete CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM sollten in homogener Verteilung der CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM in der Matrix enthalten sein, um die„Blei-Effekte" zu erreichen. Dabei sollten CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM zumindest an der Oberfläche bzw. in einem oberflächennahen Bereich einer Schicht, die Gleitreibung beim Betrieb des jeweiligen Gleitlagers ausgesetzt ist, homogen verteilt angeordnet sein.

Die Ausrichtung der Längsachsen von CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM kann dabei zumindest nahezu parallel oder in völlig zufälliger Ausrichtung vorteilhaft gewählt sein.

Der Stand der Technik für Gleitlagerherstellung basiert aber auf einem aufwendigen Mehrstoff lagersystem: 1. Stahlrücken, 2. Binderschicht (Verbindungszone), 3. Gleitlagerwerkstoff, 4. Anti-friction coating (AFC) und 5. Korrosionsschutz (Finish).

Durch eine Direktbeschichtung des Gleitlagerwerkstoffs beispielsweise auf einen Stahlrücken als Substrat können folgende Vorteile erreicht werden:

1. Beseitigung vorgespannter Bauteilzustände

2. Masseersparnis oder Leistungssteigerung des Bauteils

3. Einsparpotential durch vereinfachte Fertigungskette gegenüber konventionell hergestellten Lagersystemen

CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM sind ein geeigneter Bleiersatz bei gleichzeitiger Verhältnisoptimierung von Duktilität und Festigkeit des Werkstoffs mit dem eine auf Gleitreibung beanspruchte Schicht ausgebildet ist.

Bei der Erfindung kann thermisches Spritzen oder Laserauftragsschweißen mit dem Einsatz einer Suspension, in der CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM enthalten sind, kombiniert werden. Die Suspension kann mit Wasser, Alkohol oder aus einer Mischung von beiden hergestellt werden. Die CNTs in der Suspension können mit 0,05 Masse-% bis 5 Masse-% enthalten sein. Ein Anteil der enthaltenen CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM kann bedingt durch das Herstellungsverfahren geschädigt werden. Dies kann bis zur Disfunktionalität einiger CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM führen. Der jeweilige Anteil sollte in der Ausgangssuspension, einem Pulvergemisch mit Basiswerkstoff oder bei direkt auf einer Oberfläche eines Substrats aufgetragenen CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM mit einem dementsprechend erhöhten CNT- und/oder Graphit-, Graphen-, MoSi₂-, PTFE-, PEEK- oder POM^Gehalt berücksichtig werden.

Insbesondere Multiwall CNTs sind unter Luftatmosphäre bis 600°C und unter Schutzatmosphäre bis 2000°C stabil, was bei der Ausbildung der Schicht beachtet werden sollte.

Variante A: Hybrid Prozess Thermisches Spritzen Pulver/Suspension mit CNTs

Dabei kann ein konventionelles Beschichtungsverfahren, wie z.B. hochge- schwindigkeitsflammspritzen (HVOF mit Sauerstoff oder HVAF mit Druckluft), Kaltgasspritzen, atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) mit interner oder ex- terner, radialer oder axialer Pulverzufuhr eingesetzt werden. Kombiniert mit einem zweiten Injektor kann eine CNTs enthaltende Suspension in einen als Flamme/Plasma oder einen Gasstrom vorliegenden Strahl injiziert werden. Die zwei I njektoren sollten an verschiedenen Positionen mit ihren Öffnungen für den Austritt von Pulver und Suspension angeordnet sein. Die Temperatur am Austritt des Injektors für das Pulver sollte höher als an der Austrittsöffnung des Injektors für die CNTs enthaltende Suspension sein, so dass die Suspension bei niedrigeren Temperaturen in den jeweiligen Strahl injiziert werden kann, als das Pulver. Durch den freien Flug der Pulverpartikel und deren Verwirbelung innerhalb des Strahls wird eine Vermischung des Pulvers mit den CNTs erreicht.

Variante B: Thermisches Spritzen Suspension/Suspension mit CNTs Es kann ähnlich, wie bei Variante A vorgegangen werden. Anstelle eines reinen Pulvers als Basiswerkstoff werden bei dieser Variante B eine Suspension in der der Basiswerkstoff des Schichtwerkstoffs in Pulverform enthalten ist, und eine Suspension, in der CNTs enthalten sind, eingesetzt. Die zwei I njektoren für die Zuführung der jeweiligen Suspensionen sollten an unterschiedli- chen Positionen in Bezug zu einer Flamme, eines Gasstroms bzw. eines Plasma, die einen in Richtung der Substratoberfläche gerichteten Strahl bilden, angeordnet sein.

Die jeweilige Temperatur sollte an einer Austrittsöffnung eines I njektors für die Zufuhr der der Basiswerkstoff des Schichtwerkstoffs enthaltenden Suspension höher, als an der Austrittsöffnung des Injektors, mit dem die Zufuhr der CNTs enthaltenden Suspension erfolgt, sein. Durch den freien Flug der Pulver- partikels und deren Verwirbelung innerhalb des Strahls, wird einer Vermischung der Pulverpartikel mit den CNTs erreicht. Variante C: Laserpulverauftrafisschweißen mit off-axis Suspensionszuführ

Die bereits beschriebene Suspension, in der CNTs enthalten sind, wird zusätzlich zu der Zufuhr von pulverförmigem Basiswerkstoff des Schichtwerkstoffs, der durch eine koaxiale Pulverdüse injiziert wird, injiziert. Diese Zufuhr der Suspension sollte off-axis (nicht koaxial), also in einem Winkel ungleich 0°, der kleiner als 90 ° ist, erfolgen und durch einen unabhängigen Förderer für die CNTs enthaltende Suspension realisiert werden. Die Zufuhr des pulverförmi- gen Basiswerkstoffs und der CNTs kann vorteilhaft an unterschiedlichen Positionen in einen Laserstrahl erfolgen.

Variante D: Multilafienschichtsystem

Bei dieser Variante wird zuerst mittels ein„Sprühpistole" oder einem Pinsel die CNTs-Suspension auf eine Oberfläche eines Substrats aufgetragen. Danach wird eine Schicht mit einer Schichtdicke im Bereich 100 μιη bis 500 μιη aus dem Basiswerkstoff des Schichtwerkstoffs mittels thermischem Spritzen (HVOF, HVAF, Kaltgasspritzen) aufgetragen. Diese Schicht wird anschließend mittels einer Laserbehandlung (Laserumschmelzung) thermisch behandelt, so dass der Basiswerkstoff schmilzt und die CNTs in die Schmelze eintreten und demzufolge nach deren Erstarren auch in den Basiswerkstoff, mit dem die

Schicht gebildet wird, im oberflächennahen Bereich einer Gleitfläche des jeweiligen Gleitlagers, die mit der Schicht gebildet ist, eingebettet werden. Eine qualitativ- hochwertige Anbindung der CNTs an den Basiswerkstoff kann so erreicht werden. Aufgrund des Dichteunterschiedes können die CNTs in dem schmelzflüssigen Basiswerkstoff aufsteigen, so dass sie im Wesentlichen im oberflächennahen Bereich eingebettet werden.

Es kann auch ein elektrisches, elektromagnetisches oder magnetisches Feld im Bereich des geschmolzenen Basiswerkstoffs ausgebildet werden, so dass die Mikrostruktur des Basiswerkstoffs und/oder der eingebetteten CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM in einer die Gleit- reibung vorteilhaft beeinflussenden Weise beeinflusst wird. Damit kann die Ausrichtung und/oder Anordnung der CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM mit den Feldlinien in eine bestimmte Richtung beeinflusst werden.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden. Dabei zeigen:

Figur 1 in schematischer Darstellung ein Beispiel für die Herstellung einer auf Gleitreibung beanspruchten Schicht;

Figur 2 in schematischer Darstellung ein zweites Beispiel für die Herstellung einer auf Gleitreibung beanspruchten Schicht;

Figur 3 in schematischer Darstellung ein drittes Beispiel für die Herstellung einer auf Gleitreibung beanspruchten Schicht;

Figur 4 in schematischer Darstellung ein Beispiel für die Herstellung einer auf Gleitreibung beanspruchten Schicht, das nicht unter die Erfindung fällt und

Figur 5 in schematischer Darstellung ein fünftes Beispiel für die Herstellung einer auf Gleitreibung beanspruchten Schicht.

Bei dem in Figur 1 gezeigten Beispiel kann eine Schicht 2 auf einer Oberfläche eines Substrats 1 durch thermisches Spritzen gemäß der Variante A ausgebildet werden.

Dabei wird pulverförmiger Basiswerkstoff mit einer Cu-Basislegierung

CuZn31Sil in einen Strahl 4, der von einer an sich bekannten Vorrichtung zum thermischen Spritzen 3 in Richtung der Oberfläche des Substrates 1 gerichtet ist, über einen ersten Injektor 5 zugeführt. In Strömungsrichtung des Strahls 4 nach dem ersten Injektor 5 ist ein zweiter Injektor 6 angeordnet, mit dem eine CNTs mit einem Anteil von 2 Masse-% enthaltende Suspension dem Strahl 4 zugeführt wird, in dem bereits die Partikel der Cu-Basislegierung enthalten und durch die zugeführte Energie erwärmt worden sind. Die Temperatur im Strahl 4 ist im Bereich, in dem die Zufuhr der Suspension erfolgt kleiner als im Bereich, in dem die Zufuhr der pulverförmigen Cu-Basislegierung erfolgt ist.

Spätestens bei Erreichen der Oberfläche des Substrates 1 sind die Partikel der Cu-Basislegierung, als Basiswerkstoff für die Ausbildung der Schicht 2 bis oberhalb der Schmelztemperatur erwärmt und die Partikel des Basiswerkstoffs mit den CNTs vermischt worden. Zumindest ein Teil des Wassers, mit dem die Suspension als Flüssigkeit gebildet ist, ist bis zum Auftreffen auf die Oberfläche des Substrates 1 verdampft.

Durch die an die Cu-Basislegierung übertragene thermische und kinetische Energie bildet sich die Schicht 2 auf der Oberfläche des Substrats 1 aus. In der Schicht 2 sind die CNTs verteilt und nach dem Erstarren der Cu-Basislegierung in ihr als Basiswerkstoff eingebettet. Dies kann man in dem vergrößertem Ausschnitt in Figur 1 erkennen.

Das in Figur 2 gezeigte Beispiel entspricht der Variante B und unterscheidet sich vom Beispiel nach Figur 1 lediglich dadurch, dass die Cu-Basislegierung nicht rein pulverförmig, sondern in Form einer Suspension über den ersten Injektor 5 zugeführt wird.

Die Suspension ist mit Wasser als Flüssigkeit gebildet. Partikel der Cu- Basislegierung sind in der Suspension mit einem Anteil von 50 Masse-% bis 70 Masse-% enthalten.

Das in Figur 3 gezeigte Beispiel kann die Variante C realisieren. Dabei wird die pulverförmige Cu-Basislegierung über einen Laserbearbeitungskopf 7, der zum Laserauftragsschweißen ausgebildet in Richtung auf die Oberfläche eines Substrates 1 mittels einer Pulverfördereinrichtung 7.1 konzentrisch um einen Laserstrahl 8 zugeführt und mit der Energie des Laserstrahls 8 geschmolzen.

Die Suspension in der CNTs enthalten sind, wird durch einen zweiten Injektor 6 in einen Bereich, der oberhalb der sich ausbildenden Schicht 2 in einem Abstand zur Oberfläche des Substrates 1 von einer Seite in einem Winkel zwi- sehen 0° und 90°, bevorzugt zwischen 30° und 60° in Bezug zur optischen Achse des Laserstrahls 8 (off axis) zugeführt. Mit dem in Figur 3 zusätzlich in vergrößerter Darstellung gezeigten Ausschnitt kann dies noch besser verdeutlicht werden.

Es kann die gleiche Suspension und die gleiche pulverförmige Cu- Basislegierung, wie beim Beispiel nach Figur 1 eingesetzt werden.

In Figur 4 sind zwei Möglichkeiten gezeigt, die nicht erfinderisch sind.

Dabei wird ein Pulvergemisch eingesetzt, dass mit Partikeln des Basiswerkstoffs und CNTs gebildet ist. Auf die Zufuhr einer Suspension kann dabei verzichtet werden.

Das Pulvergemisch wurde mit einem Mahlprozess erhalten. CNTs sind mit einem Anteil von 0,05 Masse-% bis 5 Masse-% neben den Basiswerkstoffpartikeln enthalten.

Im in Figur 4 links gezeigten Beispiel erfolgt die Pulvergemischzufuhr in den mit einer Vorrichtung 3 generierten Strahl 4 mit einem ersten Injektor 5. Auf einen zweiten Injektor 6 kann dabei verzichtet werden.

Im in Figur 4 rechts gezeigten Beispiel erfolgt die Zufuhr des Pulvergemischs über die Pulverzufuhreinrichtung 7.1 des Laserbearbeitungskopfes 7 in den Einflussbereich des Laserstrahls 8 zur Ausbildung der Schicht 2.

Der Laserbearbeitungskopf 7 kann, wie beim Beispiel nach Figur 3 auch über eine Schutzgaszuführung 7.2 verfügen.

In Figur 5 ist in drei Schritten die Ausbildung einer Schicht gemäß Variante D gezeigt.

Dabei werden CNTs in einem 1. Schritt in einer Suspension mittels einer Sprühpistole 9 auf die Oberfläche des Substrats 1 aufgetragen. Dabei sollen die CNTs gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt angeordnet werden. Es kann dazu eine mit Wasser gebildete Suspension, in der zusätzlich ein Tensid ent- halten sein kann, eingesetzt werden. Die Oberfläche sollte dadurch mit CNTs so belegt werden.

Enthaltenes Tensid kann ggf. durch Waschen entfernt werden, bevor die mit CNTs belegte Oberfläche mit Basiswerkstoff, das auch hier die gleiche Cu- Basislegierung sein kann, in Form einer temporären Schicht 10 abgedeckt wird (2. Schritt). Dies kann mittels HVOF, HVAF oder Kaltgasspritzen oder auch durch einfache Pulverförderung erreicht werden

In einem dritten Schritt erfolgt eine Energiezufuhr, die wie gezeigt mit einem Laserstrahl 8, aber auch in anderer geeigneter Form erfolgen kann, um ein Schmelzen des Basiswerkstoffs zu bewirken.

Die CNTs können nach dem Schmelzen des Basiswerkstoffs in die Schmelze eindringen. Da sie eine erheblich kleinere Dichte als der geschmolzene Basiswerkstoff aufweisen, können sie in der Schmelze in Richtung der äußeren Oberfläche der sich ausbildenden und später auf Gleitreibung beanspruchten Schicht 2 aufsteigen. Sie können so beim Erstarren der Schmelze im oberflächennahen Bereich der Schicht 2 eingebettet werden und ihre vorteilhaften Eigenschaften, was insbesondere das Gleitreibverhalten betrifft, dort zur Wirkung bringen.

Das Aufsteigen kann durch die gezielte Einhaltung von Temperaturen in der Schicht 2 und deren jeweilige Haltezeit beeinflusst werden. Dabei können die auch Dichteunterschiede zwischen Basiswerkstoff und CNTs sowie die jeweilige temperaturabhängige Viskosität der Schmelze berücksichtigt werden.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers, bei dem an einer Oberfläche eines Substrates (1) eine auf Gleitreibung beanspruchte Schicht (2) ausgebildet wird, in der Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM in einen Basiswerkstoff eingebettet werden, dabei erfolgt das Einbetten der CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM bei Ausbildung der jeweiligen Schicht (2) durch einen Energieeintrag, bei dem der Basiswerkstoff bis oberhalb seiner Schmelztemperatur erwärmt wird und der Basiswerkstoff in Form eines Pulvers oder einer Suspension und die CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM in Form einer Suspension oder als Pulvergemisch mit pulverförmigem Basiswerkstoff für die Ausbildung der Schicht (2) an der Oberfläche des Substrats (1), die durch Gleitreibung beansprucht wird, zugeführt werden; wobei zumindest eine Suspension, in der Basiswerkstoff oder eine Suspension in der CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM enthalten ist/sind, zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag mit einer Flamme, einem Plasma, einem hochenergetischen Gasstrom und/oder einem Laserstrahl (8) erreicht wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Basiswerkstoff eine Basiskupfer-, Eisen- oder - aluminiumlegierung oder ein keramischer Werkstoff oder ein polymerer Werkstoff eingesetzt wird.

4. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein keramischer Werkstoff, der ausgewählt ist aus Cr₂0₃, Al₂0₃ und Ti0₂, oder einem Gemisch davon eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (2) durch thermisches Spritzen, insbesondere Flamm-, Kaltgas- oder Plasmaspritzen ausgebildet wird und dabei pulverförmiger Basiswerkstoff oder eine pulverförmigen Basiswerkstoff enthaltende Suspension und eine CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM enthaltende Suspension einer Flamme, einem Gasstrom oder einem Plasma in Form eines in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche des Substrates (1) gerichteten Strahles (4), bevorzugt an verschiedenen Positionen dem Strahl (4) zugeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (2) durch thermisches Spritzen, insbesondere Flamm-, Kaltgas- oder Plasmaspritzen ausgebildet wird und dabei ein Gemisch bestehend aus pulverförmigem Basiswerkstoff und CNTs einer Flamme, einem Plasma oder einem hochenergetischen Gasstrom in Form eines in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche des Substrates (1) gerichteten Strahles (4) oder das Gemisch durch Laserauftragsschweißen zur Ausbildung der Schicht (2) eingesetzt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der Schicht (2) durch Laserauftragsschweißen pulverförmiger Basiswerkstoff durch eine Zuführung (7.1) eines Laserbearbeitungskopfes (7) koaxial in Richtung auf die zu beschichtende Oberfläche gefördert und

CNTs nicht koaxial in einem Winkel ungleich 0° zur optischen Achse des Laserstrahls (8) zugeführt werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ausbildung der Schicht (2) die jeweilige Oberfläche mit CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM beschichtet und anschließend daran eine temporäre Schicht (10) durch thermisches Spritzen oder Laserauftragsschweißen mit dem Basiswerkstoff auf die mit CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM beschichtete Oberfläche aufgebracht wird;

wobei die CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM in den geschmolzenen Basiswerkstoff eintreten und infolge des Dichteunterschieds zwischen Basiswerkstoff und CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM in Richtung Oberfläche der Schicht (2) aufsteigen und nach dem Erstarren des Basiswerkstoffs oberflächennah in der Schicht (2) eingebettet werden.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Suspension eingesetzt wird, in der CNTs mit einem Anteil im Bereich 0,05 Masse-% bis 5 Masse-% und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM mit einem Anteil im Bereich 1,0 Masse-% bis 50 Masse-%, bevorzugt im Bereich von 5,0 Masse-% bis 15,0 Masse-%, enthalten sind.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches, elektromagnetisches oder magnetisches Feld im Bereich des geschmolzenen Basiswerkstoffs ausgebildet wird, so dass die Mikrostruktur des Basiswerkstoffs und/oder der eingebetteten CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM in einer die Gleitreibung vorteilhaft beeinflussenden Weise be- einflusst wird.

Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung und/oder Anordnung der CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM mit dem Feldlinien in eine bestimmte Richtung beeinflusst wird.

Gleitlager hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem auf einer Oberfläche eines Substrats (1) eine einer Gleitreibung während des Einsatzes des Gleitlagers ausgesetzte Schicht (2) ausgebildet ist, in der CNTs und/oder Graphit, Graphen, MoSi₂, PTFE, PEEK oder POM in einem Basiswerkstoff eingebettet sind.