DE102006003908A1

DE102006003908A1 - Gleitlagerkörper mit metallhaltiger Gleitschicht

Info

Publication number: DE102006003908A1
Application number: DE200610003908
Authority: DE
Inventors: Max Schlar; Sergej Dr. Schwarz
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2006-01-27
Publication date: 2007-08-02

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gleitlagerkörper mit einem metallischen Grundkörper, welcher an vorbestimmten Flächen einem gleitenden Kontakt ausgesetzt ist; und mit einer metallhaltigen Gleitschicht, welche zumindest auf den vorbestimmten, einem reibenden Kontakt ausgesetzten Flächen des metallischen Grundkörpers aufgebracht ist und welche mindestens ein in Abhängigkeit der gewünschten Verschleiß-, Gleit- und/oder Hafteigenschaften der metallhaltigen Gleitschicht ausgewähltes Nanomaterial aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gleitlagerkörper mit einer metallhaltigen Gleitschicht.

Es ist der Anmelderin bekannt, Gleitlager mit unterschiedlichen Füllstoffen zu füllen. Beispielsweise werden Füllungen im Mikrometerbereich mit Mikropulvern oder Faserverstärkungen für eine Verbesserung der Gleiteigenschaften, der Verschleiß- und Korrosionsfestigkeiten oder der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften hinzugefügt.

An diesem Ansatz hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass derartige Füllstoffe im Mikrometerbereich zwar lokal auf Mikroebene die mechanischen und physikalischen Eigenschaften verbessern, jedoch eine Ungleichmäßigkeit auf Mikroebene bestehen bleibt. Daraus können nachteilig zu hohe Reibwerte, ein höherer Verschleiß und eine niedrigere Dauerfestigkeit resultieren, da Mikrofüllungen als sogenannte Risskeime auftreten können und oft mechanische Risse verursachen.

Es ist der Anmelderin ferner bekannt, den Grundkörper des Gleitlagers als Stahlblech bzw. Stahlrücken auszubilden und eine z. B. bronzehaltige Gleitschicht mit unterschiedlichen Zusätzen als Mikropulver auf das Stahlblech aufzubringen. Anschließend wird dieser Verbund vorzugsweise mittels Sinterung oder Plattierung fest miteinander verbunden.

An diesem Ansatz hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass die Eigenschaften der so kombinierten Gleitschicht im Wesentlichen der Kombination der physikalischen und mechanischen Eigenschaften entsprechen.

Des Weiteren ist an diesem Ansatz nachteilig, dass der Stahlrücken und die Bronzegleitschicht derart unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, dass es aufgrund von mechanischen Spannungen zwischen dem Stahlrücken und der aufgebrachten Gleitschicht zu einem Ablösen der Gleitschicht von dem Stahlrücken kommen kann.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gleitlagerkörper zu schaffen, welcher die oben genannten Nachteile beseitigt und welcher insbesondere eine höhere Haftfestigkeit zwischen der Gleitschicht und dem Grundkörper eine verbesserte Gleiteigenschaft, eine verbesserte Verschleißfestigkeit und/oder eine verbesserte Dauerfestigkeit gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Gleitlagerkörper mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, dass der Gleitlagerkörper einen metallischen Grundkörper, welcher an vorbestimmten Flächen einem gleitenden Kontakt ausgesetzt ist; und eine metallhaltige Gleitschicht aufweist, welche zumindest auf den vorbestimmten, einem gleitenden Kontakt ausgesetzten Flächen des metallischen Grundkörpers aufgebracht ist und welche mindestens ein in Abhängigkeit der gewünschten Verschleiß-, Gleit- und/oder Hafteigenschaften der metallhaltigen Gleitschicht ausgewähltes Nanomaterial aufweist.

Somit weist die vorliegende Erfindung gegenüber den eingangs genannten Ansätzen den Vorteil auf, dass sich durch das bzw. die hinzugefügten Nanomaterialien die Homogenität des Gleitlagerkörpers über die Lebensdauer verbessert einstellen lässt. Die Nanomaterialien weisen zumindest teilweise vollständig andere mechanische und physikalische Eigenschaften als die üblichen Materialien mit der gleichen chemischen Zusammensetzung auf. Dies wird durch die in dem Nanobereich auftretenden Quanteneffekte hervorgerufen. Dadurch lassen sich durch das Hinzufügen des bzw. der Nanomaterialien vollständig neue Eigenschaften an dem Gleitkontakt herstellen. Zudem wird aufgrund des vergrößerten Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen bei Nanomaterialien die Masse der hinzugefügten Partikel erheblich reduziert.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine verbesserte Gleichmäßigkeit auf der mikroskopischen Ebene durch das Hinzufügen des bzw. der Nanomaterialien erreicht wird. Eine wesentlich höhere makroskopische Verschleißbeständigkeit, niedrigere Reibwerte, eine höhere Lebensdauer, eine Vermeidung von Stick-Slip-Effekten und verbesserte Hafteigenschaften der Gleitschicht können gezielt durch geeignete Auswahl des oder der Nanomaterialien gewährleistet werden. Auch physikalische Eigenschaften, wie beispielsweise die thermische oder elektrische Leitfähigkeit, optische und magnetische Eigenschaften oder dergleichen lassen sich auf analoge Weise durch eine geeignete Auswahl des oder der hinzugefügten Nanomaterialien gezielt einstellen.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen des im Patentanspruch 1 angegebenen Gleitlagerkörpers.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung besteht der metallische Grundkörper aus Stahl, Aluminium, einer geeigneten metallischen Legierung oder dergleichen. Selbstverständlich sind entsprechend den jeweils geforderten Eigenschaften des Gleitlagerkörpers andere geeignete metallische Materialien möglich.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung besteht die metallhaltige Gleitschicht aus einem Metall, einer metallischen Legierung, beispielsweise einer Bronzelegierung, oder dergleichen.

Beispielsweise besteht das mindestens eine Nanomaterial aus mindestens einem Metall und/oder mindestens einem Metalloxid. Vorteilhaft werden Nanomaterialen mittels eines Sinterverfahrens der metallhaltigen Gleitschicht hinzugefügt.

Nach einer weiteren bevorzugten Weiterbildung besteht das mindestens eine Nanomaterial aus Graphit, Molybdändisulfid und/oder aus einem organischem Stoff, beispielsweise aus Polytetrafluorethylen, zur Verbesserung der Gleiteigenschaften der Gleitschicht.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht das mindestens eine Nanomaterial aus mindestens einer Keramik zur Verbesserung der Verschleißeigenschaften der Gleitschicht. Die ausgewählte bzw. ausgewählten Keramiken werden vorzugsweise als Nanopulver der metallhaltigen Gleitschicht hinzugefügt.

Nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das mindestens eine Nanomaterial als Nanomaterial mit vorbestimmten mechanischen, thermischen und/oder magnetischen Eigenschaften für eine zumindest teilweise Kompensation der Unterschiede der Eigenschaften des Gleitlagerkörpers und/oder der Gleitbeschichtung ausgebildet. Beispielsweise weist das mindestens eine Nanomaterial bzw. mindestens eines der mehreren Nanomaterialien mechanische, thermische und/oder magnetische Eigenschaften auf, die ähnlich zu den entsprechenden Eigenschaften des metallischen Grundkörpers sind. Dadurch kann die chemische und/oder physikalische Affinität zwischen der Gleitbeschichtung und dem Grundkörper vorteilhaft erhöht werden, da beispielsweise mechanische Spannungen zwischen der Gleitbeschichtung und dem Grundkörper verhindert oder zumindest verringert werden.

Vorzugsweise weist die Gleitschicht in unterschiedlichen Schichttiefen unterschiedliche Nanomaterialien oder unterschiedliche Nanomaterialzusammensetzungen mit unterschiedlichen Materialeigenschaften auf. Beispielsweise weist die Gleitschicht an der Oberfläche ein Nanomaterial mit besonders geeigneten Gleiteigenschaften und in einer darunter liegenden Schichttiefe ein Nanomaterial mit besonders geeigneten Haftfestigkeiten zum Erzielen einer hohen Affinität zwischen der Gleitschicht und dem Grundkörper auf. Die einzelnen Materialien und Schichttiefen sowie Zusammensetzungen und Materialverhältnisse sind an die gewünschten Eigenschaften der Schicht in den unterschiedlichen Schichttiefen anzupassen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung besteht das mindestens eine Nanomaterial aus einem chemisch und/oder physikalisch behandelbaren Nanomaterial zur Veränderung der Bindungseigenschaften, der Oberflächeneigenschaften oder dergleichen. Dadurch können die einzelnen Nanomaterialien vor einem Hinzufügen zu dem Material des Grundkörpers mit den gewünschten Eigenschaften ausgebildet werden, wodurch nach Einbringung der Nanomaterialien in die vorgesehenen Schichttiefen diese speziell ausgewählte Eigenschaften vorteilhaft aufweisen.

Vorzugsweise weist die Gleitschicht zusätzlich mindestens ein ausgewähltes Mikropulver auf. Dies ist allerdings nicht zwingend erforderlich, sondern kann bei bestimmten gewünschten Eigenschaften nützlich sein.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert, obwohl es für einen Fachmann offensichtlich ist, dass der vorliegende Erfindungsgedanke nicht auf die wiedergegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern durch den Schutzumfang der Patentansprüche bestimmt ist.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Gleitlager-Grundkörper aus beispielsweise Stahl oder Aluminium mit einer Gleitschicht vorgesehen, von dem vorbestimmte Flächen sich in Gleitkontakt mit zugeordneten Gegenflächen eines Gegenkörpers befinden.

Beispielsweise wird ein metallhaltiges Gleitmaterial in Mikropulverform, beispielsweise Bronze oder eine Bronzelegierung, auf dem Gleitlager-Grundkörper, beispielsweise einem Stahlblech, aufgebracht. Die Gleitschichten können dabei beispielsweise als gesinterte, gewalzte, gepresste Gleitschichten, als Metalloplaste, d.h. Schichten mit einem Metallgewebe, einem Streckgitter oder dergleichen, als physikalisch oder chemisch abgeschiedene Schichten, aus dem Vollvolumen gedrehte Lager, oder dergleichen ausgebildet sein. Vorteilhaft wird die Bronzegleitschicht mittels eines Sinterverfahrens oder einer Plattierung auf den zugeordneten Flächen des Gleitlagerkörpers fest aufgebracht.

Der beispielsweise Bronze oder eine Bronzelegierung aufweisenden Gleitbeschichtung werden vorzugsweise ein oder mehrere unterschiedliche Metallpulver oder Metalloxidpulver hinzugefügt, beispielsweise ebenfalls mittels geeigneter Sinterverfahren.

Für die Verbesserungen der Gleiteigenschaften werden Nanomaterialien aus Graphit, Molybdändisulfid oder Polytetrafluorethylen oder andere chemische Zusammensetzungen vorteilhaft verwendet. Zum Verbessern der Verschleißbeständigkeit können beispielsweise Nanomaterialien aus Keramiken eingesetzt werden. Metallische Nanomaterialien, wie beispielsweise Metalloxide, werden vorteilhaft hinzugefügt, um die physikalischen Eigenschaften, wie bei spielsweise die elektrische und thermische Leitfähigkeit, optische oder magnetische Eigenschaften, Klebe- bzw. Haftfestigkeiten, Obertlächenaffinitäten oder dergleichen gezielt einzustellen.

Die hin zu zufügenden Nanomaterialen können beispielsweise vor der Beimischung mittels geeigneter Verfahren vorbehandelt werden. Dadurch können neben dem Einsatz von chemisch reinen Nanomaterialien auch chemisch und/oder physikalisch modifizierte Materialien eingesetzt werden. Vorteilhaft werden die Nanomaterialen chemisch, beispielsweise mittels Säuren, Laugen, Salzen oder dergleichen, oder physikalisch, beispielsweise mittels einer radioaktiven Bestrahlung, einer Magnetisierung oder dergleichen, vor der Beimischung geeignet behandelt. Dadurch können gezielt chemische Bindungen zwischen den Nanoteilchen und dem metallhaltigen Grundmaterial der Gleitschicht und somit Bereiche mit beispielsweise vorbestimmten Kapillarwirkungen bzw. vorbestimmten Affinitätseigenschaften geschaffen werden.

Alternativ oder zusätzlich können dem Grundmaterial der Gleitschicht beispielsweise ein oder mehrere Nanomaterialien bzw. Nanopulver beigemengt werden, welche die chemische und/oder physikalische Affinität zwischen der Gleitschicht und dem Grundkörper des Gleitlagerkörpers zusätzlich erhöht. Vorzugsweise werden Nanomaterialien verwendet, welche nachteilige Unterschiede vorbestimmter Eigenschaften zwischen dem Grundkörper und der Gleitschicht ausgleichen oder zumindest vorteilhaft verringern. Beispielsweise können Nanomaterialien verwendet werden, welche mechanische Unterschiede, d.h. insbesondere mechanische Spannungen zwischen der Gleitschicht und dem Grundkörper, magnetische Unterschiede, thermische Unterschiede oder dergleichen verringern oder bestenfalls sogar vollständig ausgleichen. Vorteilhaft werden Nanomaterialien bzw. Nanofüllstoffe verwendet, welche aus einem dem Grundkörper ähnlichem Material hergestellt sind. Dadurch können Unterschiede bestimmter Eigenschaften zwischen Gleitschicht und dem Grundkörper verringert bzw. gänzlich ausgeglichen werden, da die Materialzusammensetzung der Gleitschicht an das Material des Grundkörpers angepasst wird.

Beispielsweise wird einer Bronzegleitschicht auf einem Stahlrücken ein Nanomaterial beigemischt, welches Eigenschaften ähnlich zu den Eigenschaften des Stahlmaterials aufweist. Dadurch können die Eigenschaftsunterschiede zwischen der Bronzegleitschicht und dem Stahlrücken bzw. dem Grundkörper ver ringert werden. Dies erhöht vorteilhaft die Affinität zwischen dem Grundkörper und der metallhaltigen Gleitbeschichtung.

Die oben genannten Nanomaterialien können entweder alleine oder in vorbestimmten Mischverhältnissen zusammen oder in jeglicher erdenklichen Kombination dem Grundmaterial der Gleitschicht beigemischt werden, in Abhängigkeit von den jeweils gewünschten Eigenschaften der hergestellten Gleitschicht.

Insbesondere bei Gleitschichten von einem gleitenden Kontakt ausgesetzten Flächen eines Gleitlagers sind Gleitschichten vorteilhaft, welche in verschiedenen Schichttiefen unterschiedliche Materialeigenschaften aufweisen. Beispielsweise ist für die Oberflächenschicht eine hohe Verschleißbeständigkeit mit einem geringem Abrieb gewünscht, so dass dem Grundmaterial der Gleitschicht in der oberen Schichttiefe beispielsweise ein Nanokeramikpulver hinzugefügt wird, welches eine hohe Verschleißbeständigkeit aufweist. Ferner kann der Schichtoberfläche auch ein Nanopulver bestehend aus Graphit, Molybdändisulfid oder Polytetrafluorethylen beigemischt werden, um die Gleiteigenschaften der oberen Schicht zu verbessern.

In den darunter liegenden Schichttiefen ist es beispielsweise bei einem Gleitlager eher erwünscht, die Haftfestigkeit der Gleitschicht und somit die Dauerfestigkeit derselben zu erhöhen. Beispielsweise ist es vorteilhaft, ein Nanomaterial aus einem vorbestimmten, dem Material des Grundkörpers angepassten Metalloxid in die unteren Schichttiefen einzubringen, um die Haftfestigkeit derselben zu erhöhen.

Das Vorgenannte ist lediglich als exemplarische Ausführung zu verstehen, wobei für einen Fachmann offensichtlich ist, dass verschiedene Nanomaterialien mittels verschiedener Verfahren in die einzelnen Schichttiefen der Schicht zum Erzielen vorbestimmter Materialeigenschaften dieser Schichttiefen einbringbar sind.

Die jeweils hinzugefügten Nanomaterialien verändern die mechanischen, chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften der Gleitschicht derart, dass die Gleitschicht insgesamt eine verbesserte Gleitfähigkeit, eine verbesserte Verschleißbeständigkeit und/oder eine verbesserte Haftfestigkeit aufweist. Da die Nanomaterialien zumindest teilweise, wie oben bereits erläutert, andere mechanische und physikalische Eigenschaften als die üblichen Materialien mit der gleichen chemischen Zusammensetzung aufweisen, lassen sich auf diese Weise vollständig neue Eigenschaften der Schicht und somit des Gleitkontaktes einstellen.

Somit schafft die vorliegende Erfindung ein Gleitlager mit einem metallischen Grundkörper und einer metallhaltigen Gleitschicht, welche aufgrund der Einbringung bestimmter Nanomaterialien gegenüber den eingangs genannte Ansätzen eine verbesserte Gleichmäßigkeit auf mikroskopischer Ebene, eine wesentlich höhere mikroskopische Verschleißbeständigkeit, einen niedrigeren Reibwert und eine längere Lebensdauer des gesamten Gleitlagerkörpers gewährleistet. Die physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise die thermische und elektrische Leitfähigkeit, optische und magnetische Eigenschaften oder dergleichen, lassen sich auf die oben beschriebene Weise analog gezielt einstellen. Insbesondere können verschiedene Schichttiefen der Schicht durch gezieltes Einbringen von vorbestimmten Nanomaterialien mit bestimmten Eigenschaften in diese Schichttiefen mit gewünschten Eigenschaften ausgebildet werden.

Zudem lässt sich mit Hilfe von Nanofüllstoffen auch die Homogenität von Gleitlagern über die Lebensdauer besser steuern, wobei sich die Menge an Füllstoffen reduziert.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

Claims

Gleitlagerkörper mit: einem metallischen Grundkörper, welcher an vorbestimmten Flächen einem gleitenden Kontakt ausgesetzt ist; und mit einer metallhaltigen Gleitschicht, welche zumindest auf den vorbestimmten, einem gleitenden Kontakt ausgesetzten Flächen des metallischen Grundkörpers aufgebracht ist und welche mindestens ein in Abhängigkeit der gewünschten Verschleiß-, Gleit- und/oder Hafteigenschaften der metallhaltigen Gleitschicht ausgewähltes Nanomaterial aufweist.
Gleitlagerkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Grundkörper aus Stahl, Aluminium oder dergleichen besteht.
Gleitlagerkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallhaltige Gleitschicht ein metallisches Grundmaterial aufweist, beispielsweise eine metallische Legierung, wie insbesondere eine Bronzelegierung, oder dergleichen.
Gleitlagerkörper nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Nanomaterial aus mindestens einem Metall und/oder mindestens einem Metalloxid zur Verbesserung der Hafteigenschaften der Gleitschicht besteht.
Gleitlagerkörper nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Nanomaterial aus Graphit, Molybdändisulfid und/oder aus einem organischen Stoff, bei spielsweise aus Polytetrafluorethylen, zur Verbesserung der Gleiteigenschaften der Gleitschicht besteht.
Gleitlagerkörper nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Nanomaterial aus mindestens einer Keramik zur Verbesserung der Verschleißeigenschaften der Gleitschicht besteht.
Gleitlagerkörper nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Nanomaterial als Nanomaterial mit vorbestimmten mechanischen, thermischen und/oder magnetischen Eigenschaften für eine zumindest teilweise Kompensation der Unterschiede der entsprechenden Eigenschaften des Grundkörpers und der Gleitschicht ausgebildet ist.
Gleitlagerkörper nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Nanomaterial als Nanomaterial mit zu den mechanischen, thermischen und/oder magnetischen Eigenschaften des Grundkörpers ähnlichen Eigenschaften für eine Erhöhung der chemischen und/oder physikalischen Affinität zwischen dem Grundkörper und der Gleitschicht ausgebildet ist.
Gleitlagerkörper nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht in unterschiedlichen Schichttiefen unterschiedliche Nanomaterialien oder unterschiedliche Nanomaterialzusammensetzungen mit unterschiedlichen Materialeigenschaften aufweist.
Gleitlagerkörper nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Nanomaterial aus einem chemisch und/oder physikalisch behandelbaren Nanomaterial zur Veränderung der Bindungseigenschaften, der Oberflächeneigenschaften oder dergleichen besteht.
Gleitlagerkörper nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht zusätzlich mindestens ein ausgewähltes Mikropulver aufweist.