DE102013004151B4

DE102013004151B4 - Lagersystem

Info

Publication number: DE102013004151B4
Application number: DE102013004151.1A
Authority: DE
Inventors: Till Merkel; Christian Lehnert; Gerhard Thumm; Volker Voggeser
Original assignee: Wieland Werke AG
Current assignee: Wieland Werke AG
Priority date: 2013-03-09
Filing date: 2013-03-09
Publication date: 2015-11-26
Anticipated expiration: 2033-03-10
Also published as: DE102013004151A1

Abstract

Lagersystem mit einer Lagerpaarung aus mindestens einem Lager und mindestens einem Gegenlaufpartner, wobei auf mindestens einer Lauffläche der Lagerpaarung eine Beschichtung aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Schicht umfasst, deren Hauptbestandteil amorphes SiO2 ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lagersystem mit einer Lagerpaarung aus einem Lager und einem Gegenlaufpartner, wobei auf mindestens einer Lauffläche der Lagerpaarung eine Beschichtung zur Verbesserung der Lagereigenschaften aufgebracht ist.
Es ist bekannt, dass Laufflächen von Lagerpaarungen beschichtet werden, um die Lagereigenschaften zu verbessern. Insbesondere dienen Beschichtungen als Einlaufschichten, wobei die Einlaufschicht Maßtoleranzen an den Bauteilen des Lagers ausgleicht. In Lagern von Verbrennungsmotoren werden Hartstoffschichten aus diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC-Schichten) verwendet, wie beispielsweise in den Dokumenten WO 96/04485 , DE 10 2004 018 921 A1 , DE 10 2005 043 217 A1 , DE 10 2006 015 888 A1 und DE 10 2008 025 681 A1 beschrieben ist. DLC-Schichten sind jedoch sehr hart und neigen zu einem ungleichmäßigen Auftrag. Dies hat beispielsweise am oberen Lager eines Pleuels zur Folge, dass der Kolbenbolzen in die Lagerbuchse einläuft, was zu erhöhtem Verschleiß und einer Vergrößerung des Lagerspiels führt. Ferner sind DLC-Schichten teuer.
In Lagersystemen werden auch Schichten aus Siliziumdioxid (SiO₂) eingesetzt. In einigen Fällen dienen sie als Zwischenschicht oder als Haftvermittlerschicht, wie beispielsweise in den Dokumenten DE 29 26 080 A1 , US 6,499,881 B2 und DE 100 18 688 A1 beschrieben ist. Laufrollen in Galvanisierungsbädern werden mit Oberflächenschichten versehen, die SiO₂ enthalten und Schichtdicken von mehreren Mikrometern aufweisen. In JP 08053749 A und JP 06228724 wird vorgeschlagen, solche Schichten durch thermisches Spritzen aufzubringen. Derart dicke Schichten eigenen sich nicht für Lagersysteme, bei denen eine hohe Passgenauigkeit der Lagerpartner notwendig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, verbesserte Lagersysteme anzugeben. Insbesondere soll durch die geeignete Beschichtung auf mindestens einer Lauffläche das Einlaufverhalten des Lagersystems verbessert werden. Die Beschichtung soll für Lagersysteme mit hoher Passgenauigkeit geeignet sein.
Die Erfindung wird bezüglich eines Lagersystems durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfindung schließt Lagersysteme mit einer Lagerpaarung aus mindestens einem Lager und mindestens einem Gegenlaufpartner ein. Erfindungsgemäß ist auf mindestens einer Lauffläche der Lagerpaarung eine Beschichtung aufgebracht, welche eine Schicht umfasst, deren Hauptbestandteil amorphes SiO₂ ist.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, Laufflächen von Lagerpaarungen mit einer Schicht, deren Hauptbestandteil amorphes SiO₂ ist, zu beschichten, um die Lagereigenschaften zu verbessern. Der Begriff Hauptbestandteil beschreibt in diesem Zusammenhang, dass die Schicht zu mehr als 50 Gew.-%, bevorzugt zu mindestens 80 Gew.-% aus amorphem SiO₂ besteht. Unter amorphem SiO₂ werden im Rahmen dieser Erfindung SiO₂-Strukturen verstanden, die aus Monomermolekülen oder kleinen Oligomeren aufgebaut sind, die von geeigneten Precursoren gebildet werden und zur Struktur reagieren, nicht jedoch amorphe SiO₂-Strukturen, die über einen schmelzflüssigen Zustand, wie beispielsweise aus Schmelzefluss oder durch thermisches Spritzen, dargestellt werden.
Aufgrund ihrer Eigenschaften sind amorphe SiO₂-Schichten für die Verwendung auf Laufflächen von Lagerpaarungen besser geeignet als kristalline SiO₂-Schichten. Wegen der fehlenden Fernordnung der Atome sind amorphe SiO₂-Schichten elastischer als kristalline, weniger spröde und neigen weniger dazu, vom Substrat abzuplatzen. Bei der Bildung einer erfindungsgemäßen amorphen SiO₂-Schicht wird die Schicht auf dem Substrat aufgebaut, indem sich lokal, aber flächenhaft gleichmäßig einzelne reaktive Monomermoleküle oder kleine Oligomere anlagern, die von geeigneten Precursoren gebildet werden. Die Adhäsion der substratnahen SiO₂-Strukturen zum Substrat ist stärker als die Kohäsion innerhalb der darüber liegenden SiO₂-Strukturen. In Lagersystemen werden amorphe SiO₂-Schichten bevorzugt auf metallische Substrate aufgebracht.
Das erfindungsgemäße Lagersystem kann sowohl als Gleitlager als auch als Wälzlager ausgeführt sein. Die Vorteile der amorphen SiO₂-Schicht kommen insbesondere bei Gleitlagern zur Wirkung.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann die Schicht zu mindestens 90 Gew.-% aus amorphem SiO₂ bestehen. Die Schicht kann Verunreinigungen enthalten, die aufgrund des Beschichtungsprozesses unvermeidbar sind. Hierzu zählen organische Reste aus den Precursoren sowie Wasserstoffatome und OH-Gruppen.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann die Schicht aus amorphem SiO₂ als Oberflächenschicht aufgebracht sein. Bei einem Schichtsystem, das aus mehreren unterschiedlichen Schichten auf dem Substrat besteht, wird als Oberflächenschicht die funktionelle Schicht bezeichnet, die am weitesten vom Substrat entfernt ist. Sie stellt also die oberste funktionelle Schicht dar und ist damit die Schicht, die mit dem anderen Partner der Lagerpaarung unmittelbar oder mittelbar tribologisch in Wechselwirkung steht. Die hohe Elastizität der Schicht aus amorphem SiO₂ ermöglicht in idealer Weise die Kompensation von Unebenheiten auf den Laufflächen der Lagerpaarung. Die Erfindung schließt auch Ausführungsformen ein, bei denen auf die Schicht aus amorphem SiO₂ eine weitere, nicht-funktionelle Deckschicht aufgebracht ist. Insbesondere fallen hierunter Deckschichten, die aufgrund ihrer geringen Dicke keine oder nur eine unwesentliche Funktionalität erwarten lassen. Dies ist insbesondere für Deckschichten mit einer Dicke kleiner 10 nm anzunehmen.
Vorteilhafterweise kann bei dem erfindungsgemäßen Lagersystem die Schicht aus amorphem SiO₂ eine Einlaufschicht sein. Eine Einlaufschicht dient dazu, fertigungsbedingte Formabweichungen des Lagers und/oder des Gegenlaufpartners auszugleichen. Die Einlaufschicht kann zu diesem Zweck während des Einlaufvorgangs zumindest teilweise abgetragen werden. Bei einer amorphen SiO₂-Schicht ist die Adhäsion der substratnahen SiO₂-Strukturen zum Substrat stärker als die Kohäsion innerhalb der darüber liegenden SiO₂-Strukturen. Diese Eigenschaft ist maßgeblich für die Verwendung als Einlaufschicht, da kleinste Elemente der Beschichtung abgetragen werden können, ohne dass die Schicht flächig abgetragen wird. Ferner sind die abgetragenen Elemente der Schicht elastisch und nicht hart. Sie haben keinen negativen Einfluss auf die Laufeigenschaften der Lagerpaarung, selbst wenn sie zwischen den Laufflächen verbleiben. Die Vorteile der amorphen SiO₂-Schicht als Einlaufschicht kommen insbesondere bei Gleitflächen von Gleitlagern zur Wirkung.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann die Schicht aus amorphem SiO₂ eine Dicke von mindestens 10 nm und höchstens 500 nm aufweisen. Eine Dicke von weniger als 10 nm ist nicht ausreichend, um die vorteilhaften Eigenschaften der Schicht zu realisieren. Bei Schichtdicken über 500 nm neigt die Schicht zur Versprödung. In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann die Schicht aus amorphem SiO₂ eine Dicke von mindestens 100 nm und höchstens 300 nm aufweisen. Bei einer Schichtdicke von mindestens 100 nm kommen die Vorteile der amorphem SiO₂-Schicht voll zur Wirkung. Andererseits steigen mit zunehmender Schichtdicke die Beschichtungszeit und folglich die Prozesskosten. Eine Obergrenze von 300 nm erweist sich als wirtschaftlich. Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, die Dicke der Schicht auf maximal 250 nm zu begrenzen, da sie dann bei der Fertigung der zu beschichteten Bauteile nicht in deren Abmessungen berücksichtigt werden muss.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann die Dicke der Schicht aus amorphem SiO₂ auf 90% der beschichteten Fläche um nicht mehr als +/–10% von der mittleren Dicke der Schicht abweichen. Amorphe SiO₂-Schichten zeichnen sich durch eine sehr gleichmäßige Schichtdicke aus. Lokale Schwankungen der Schichtdicke, beispielsweise Überhöhungen an Kanten der Bauteile, treten nur in unbedeutendem Maß auf. Folglich brauchen derartige Schwankungen der Schichtdicke in den Fertigungstoleranzen des zu beschichteten Bauteils nicht berücksichtigt werden. Die beschichteten Bauteile können problemlos montiert werden. Sie zeichnen sich durch ein gleichmäßiges Einlaufverhalten und gleichmäßiges tribologisches Verhalten aus.
Vorteilhafterweise kann die Schicht aus amorphem SiO₂ ferner organische Reste enthalten. Hierzu zählen neben organischen Resten aus den Precursoren auch funktionelle Zusätze, die die Oberflächenenergie und damit die Benetzungseigenschaften des Systems beeinflussen können. Die Benetzung der Laufflächen durch Schmiermittel ist in diesem Zusammenhang von Bedeutung.
Vorteilhafterweise kann die Schicht aus amorphem SiO₂ ferner weitere keramische Oxide enthalten. Keramische Oxide, wie beispielsweise Al₂O₃, ZrO₂ und TiO₂, können zur Modifikation der Schichthärte beitragen. Auf diese Weise ist es möglich, die Eigenschaften der Schicht aus amorphem SiO₂ entsprechend den genauen Anforderungen der jeweiligen Anwendung anzupassen.
Die Erfindung wird anhand des folgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Ein Kolbenbolzen aus Stahl wurde auf seiner Oberfläche mit einer 300 nm dicken Schicht aus amorphem SiO₂ beschichtet. Der beschichtete Kolbenbolzen wurde als Verbindung eines Pleuels mit einem Kolben in einen Verbrennungsmotor eingebaut. Im Pleuelauge war ein Gleitlager aus einer Kupferlegierung eingebaut. Der Motor wurde auf einem Prüfstand für Verbrennungsmotoren einem Einlauftest unterzogen. Als Vergleichsobjekt diente ein Motor, bei dem der Kolbenbolzen mit DLC (Hartstoffschicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff) beschichtet war. Das mit amorphem SiO₂ beschichtete Lagersystem zeigt bei optischer und elektronenoptischer Untersuchung nach dem Test deutlich weniger Verschleiß. Ferner war die Zunahme des Lagerspiels beim dem mit amorphen SiO₂-beschichteten Bolzen kaum messbar, während sich das Lagerspiel beim DLC-beschichteten Bolzen ungefähr verdoppelt hat.

Claims

Lagersystem mit einer Lagerpaarung aus mindestens einem Lager und mindestens einem Gegenlaufpartner, wobei auf mindestens einer Lauffläche der Lagerpaarung eine Beschichtung aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Schicht umfasst, deren Hauptbestandteil amorphes SiO₂ ist.
Lagersystem gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht zu mindestens 90 Gew.-% aus amorphem SiO₂ besteht.
Lagersystem gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus amorphem SiO₂ als Oberflächenschicht aufgebracht ist.
Lagersystem gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus amorphem SiO₂ eine Einlaufschicht ist.
Lagersystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus amorphem SiO₂ eine Dicke von mindestens 10 nm und höchstens 500 nm aufweist.
Lagersystem gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus amorphem SiO₂ eine Dicke von mindestens 100 nm und höchstens 300 nm aufweist.
Lagersystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Schicht aus amorphem SiO₂ auf 90% der beschichteten Fläche um nicht mehr als +/–10% von der mittleren Dicke der Schicht abweicht.
Lagersystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus amorphem SiO₂ ferner organische Reste enthält.
Lagersystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus amorphem SiO₂ ferner weitere keramische Oxide enthält.