DE102020122935A1

DE102020122935A1 - Gleitlagerelement

Info

Publication number: DE102020122935A1
Application number: DE102020122935.6A
Authority: DE
Inventors: Sascha Putz; Athanassios Skiadas; Frank Buschenhenke; Steffen Schieszl; Uwe Parpart; Johannes Leipert
Original assignee: KS Gleitlager GmbH
Current assignee: KS Gleitlager GmbH
Priority date: 2020-09-02
Filing date: 2020-09-02
Publication date: 2022-03-03
Anticipated expiration: 2040-09-03
Also published as: DE102020122935B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gleitlagerelement (2) in Form einer Gleitlagerschale (4) oder einer Anlaufscheibe (6) jeweils aus einem Gleitlagerverbundwerkstoff mit einer metallischen Stützschicht (16), insbesondere aus Stahl, mit einer auf die Stützschicht (16) aufgebrachten Lagermetallschicht (18) und mit einer auf die Lagermetallschicht (18) aufgebrachten Gleitschicht (22) auf Polymerbasis; erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Lagermetallschicht (18) eine galvanisch auf die Stützschicht (16) abgeschiedene Zinn-Basis-Schicht (20) ist und eine Dicke von 8,0 - 50,0 µm aufweist und dass die Gleitschicht (22) auf Polymerbasis eine Gleitlackschicht (24) mit einer Dicke von 8,0 - 15,0 µm ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleitlagerelement in Form einer Gleitlagerschale, insbesondere Pleuellagerschale, oder einer Anlaufscheibe, insbesondere für eine Kurbelwelle, jeweils aus einem Gleitlagerverbundwerkstoff mit einer metallischen Stützschicht, insbesondere aus Stahl, mit einer auf die Stützschicht aufgebrachten Lagermetallschicht und mit einer auf die Lagermetallschicht aufgebrachten Gleitschicht auf Polymerbasis.
Bei derartigen bekannten Gleitlagerelementen für insbesondere motorische oder motorennahe Anwendungen als Pleuellagerschale oder Anlaufscheibe ist auf die Stützschicht aus Stahl eine üblicherweise wenigstens 150 µm, typischerweise 200 - 500 µm dicke Lagermetallschicht auf Alu-, Bronze-, Messing- oder Weißmetallbasis aufgegossen oder aufplattiert. Darauf kann noch eine in unmittelbarem Kontakt mit dem Gleitpartner stehende Gleitlackschicht als Sputterschicht, als galvanische Schicht oder als Polymerschicht aufgebracht sein.
WO 2020/118327 A1 offenbart ein buchsenförmiges geschweißtes Gleitlagerelement mit einer Gleitbeschichtung auf seiner radialen Außenseite. Es ist ein Dreischichtgleitlagerelement aus Stützschicht, Lagermetallschicht und polymerer Gleitlackschicht genannt, wobei auch weniger oder mehr als drei Schichten vorgesehen sein können. Das Polymer der Gleitschicht ist bevorzugt Polyamidimid.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleitlagerelement der eingangs genannten Art zu schaffen, dass kostengünstiger herstellbar ist als vorbekannte Gleitlagerelemente und dennoch hinsichtlich der Verschleißbeständigkeit und des Reibwerts keine Nachteile mit sich bringt.
Diese Aufgabe wird bei einem Gleitlagerelement der genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Lagermetallschicht eine galvanisch auf die Stützschicht abgeschiedene Zinn-Basis-Schicht ist und eine Dicke von 8,0 - 50,0 µm aufweist und dass die Gleitschicht auf Polymerbasis eine Gleitlackschicht mit einer Dicke von 8,0 - 15,0 µm ist.
Mit der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass es möglich ist, auf eine dicke aufgegossene oder aufplattierte Lagermetallschicht zu verzichten und die Lagermetallschicht stattdessen als dünne galvanisch abgeschiedene Zinn-Basis-Schicht auszubilden. Diese dünne Zinn-Basis-Schicht bildet einerseits eine belastbare Unterlage für die darauf vorzugsweise unmittelbar aufgebrachte Gleitlackschicht, obschon sich Zinn für den Einsatz als lasttragende Schicht eher nicht empfiehlt. Jedoch tragen dünne Schichten im Allgemeinen besser als dicke Schichten. Durch die Reduzierung der Dicke der Lagermetallschicht vermag daher auch eine galvanische Zinn-Basis-Schicht den hier auftretenden Belastungen standzuhalten. Neben ihrer Funktion als tragende Unterlage für die Gleitlackschicht vermag die Zinn-Basis-Schicht aber auch eine Einbettungsfähigkeit für Fremdpartikel zu gewährleisten, welche in die polymere Gleitlackschicht, insbesondere im Einlaufbetrieb des Gleitlagerelements, eingedrungen oder durch diese hindurchgedrungen sind.
Ein erfindungsgemäßes Gleitlagerelement und ein zugrundeliegender Gleitlagerverbundwerkstoff lassen sich aufgrund reduzierter Komplexität des Herstellprozesses durch Anwendung von zwei Nassprozessen und einer wesentlichen Reduzierung des Materials kostengünstiger herstellen, ohne dass hiermit Performanceeinbußen verbunden sind.
Die Zinn-Basis-Schicht kann Zinn oder eine Zinn-Legierung, insbesondere eine Zinn-Kupfer-Legierung, insbesondere eine SnCu6-Legierung, umfassen.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Zinn-Basis-Schicht eine Dicke von wenigstens 9,0 µm, insbesondere von wenigstens 10,0 µm, insbesondere von wenigstens 11,0 µm, insbesondere von wenigstens 12,0 µm, insbesondere von wenigstens 13,0 µm, insbesondere von wenigstens 14,0 µm, insbesondere von von wenigstens 15,0 µm, insbesondere von höchstens 45,0 µm, insbesondere von höchstens 40,0 µm, insbesondere von höchstens 35,0 µm aufweist. Je geringer die Dicke der Zinn-Basis-Schicht ist, desto tragfähiger und belastbarer wird die durch sie gebildete Lagermetallschicht, und es reduzieren sich auch die Herstellkosten. Je größer die Dicke der Zinn-Basis-Schicht ist, desto mehr Potenzial bildet sie für die Einbettung von Fremdpartikeln. Optimale Ergebnisse werden mit Schichtdicken zwischen 10,0 und 40,0 µm insbesondere zwischen 15,0 und 35,0 µm erzielt.
Es ist weiter denkbar und kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn die Zinn-Basis-Schicht eingelagerte Hartpartikel, insbesondere aus ... und/oder Festschmierstoffpartikel, insbesondere aus MoS₂, Graphit, PTFE, aufweist. Solche Partikel lassen sich in das galvanische Bad einbringen, aus dem die Zinn-Basis-Schicht abgeschieden wird, so dass sie beim Aufwachsen der Zinn-Basis-Schicht auch darin eingeschlossen und Bestandteil der Lagermetallschicht werden.
Im Zusammenwirken mit der beanspruchten Zinn-Basis-Schicht als Lagermetallschicht erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Gleitlackschicht eine Dicke von wenigstens 9,0 µm und insbesondere von höchstens 14,0 µm, insbesondere von höchstens 13,0 µm aufweist. Bei diesen Schichtdicken wird eine noch sehr gute Tragfähigkeit erzielt, und die Gleitlagerschicht selbst bietet auch ein gewisses Potenzial für die Einbettung kleiner Fremdpartikel.
Die Polymerbasis der Gleitlackschicht ist bevorzugt Polyamidimid (PAI).
Bei herkömmlichen Gleitlagerelementen wird eine finale Formgebung der Geometrie des Gleitlagerelements, insbesondere eine sogenannte Ovalisierung eines halbschalenförmigen Gleitlagerelements, an einem zuvor hergestellten Verbund aus metallischer Stützschicht und verhältnismäßig dicker Lagermetallschicht durch spanabhebende Bearbeitung der Lagermetallschicht erreicht. Man erhält so eine Lagermetallschicht mit über den Umfang des Gleitlagerelements variierender Wandstärke bei gleichbleibender Wandstärke der metallischen Stützschicht. Dies kann unerwünschte Variationen der Belastbarkeit und der sonstigen tribologischen Eigenschaften des Gleitlagerelements in Umfangsrichtung bedeuten. - Es wird in Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weiter vorgeschlagen, dass die metallische Stützschicht ausgehend von einem metallischen Flachmaterialabschnitt gleichförmiger Dicke gebildet ist, indem der Flachmaterialabschnitt auf Schalenform gebracht wurde und im Anschluss daran auf einer radial inneren Seite der Schalenform spanabhebend bearbeitet und auf eine Endform mit variierender Wanddicke gebracht wurde und dass die Zinn-Basis-Schicht unmittelbar auf die spanabhebend bearbeitete radial innere Seite des Flachmaterialabschnitts galvanisch abgeschieden und darauf die Gleitlackschicht aufgebracht ist. Solchenfalls wird eine bewusst herzustellende Innenkontur des Gleitlagerelements, also eine Abweichung von der idealen zylindrischen Geometrie, insbesondere in Form einer sogenannten Ovalisierung, durch eine spanabhebende Bearbeitung der metallischen Stützschicht und nicht der Lagermetallschicht erhalten, so dass die Lagermetallschicht in Form der galvanisch aufgebrachten Zinn-Basis-Schicht mit gleichförmiger Wanddicke auf die zuvor bearbeitete metallische Stützschicht aufgebracht werden kann. Die spanabhebende Bearbeitung der metallischen Stützschicht ist demzufolge auch am fertigen Produkt ohne weiteres anhand einer variierenden Wanddicke dieser Stützschicht erkennbar.
Weiter wird Schutz beansprucht für ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und für ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen und aus der zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleitlagerelements. In der Zeichnung zeigt:

1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Gleitlagerelements in Form einer Gleitlagerschale;
2 eine schematische nicht maßstabsgetreue Querschnittsdarstellung mit Schnittebene II-II des Gleitlagerelements nach 1; und
3 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Gleitlagerelement in Form einer Anlaufscheibe.

Die Figuren zeigen ein Gleitlagerelement 2 in Form einer Gleitlagerschale 4 (1 und 2) und einer Anlaufscheibe 6 (3). Die Gleitlagerschale 4 weist eine im Wesentlichen ideale zylindrische Form an ihrer radial äußeren Seite 8 auf. Bei der Gleitlagerschale 4 handelt es sich um eine Pleuellagerschale, die in eine entsprechend ihrem Außenumfang im wesentlichen ideal innenzylindrische Aufnahme im großen Pleuelauge eines Motorpleuels aufnehmbar ist. An ihrer radial inneren Seite 10 weist die Gleitlagerschale 4 eine Endform auf, die geringfügig von der ideal zylindrischen Form abweicht. Die radial innere Seite 10 ist insbesondere leicht ovalisiert, was ebenfalls nicht im streng geometrischen Sinn zu verstehen ist, sondern einen in Umfangsrichtung 12 geringfügig von der Zylinderform abweichenden variierenden Verlauf bedeutet. Es ist auch denkbar, dass die radial innere Seite 10 in axialer Richtung 14 konturiert, also von der idealen Zylinderform abweichend ausgebildet ist.
Nachfolgend wird der Schichtenaufbau des Gleitlagerelements 2 anhand der schematischen Querschnittsdarstellung der 2 erläutert. Das Gleitlagerelement 2 umfasst eine metallische Stützschicht 16, insbesondere und vorzugsweise aus Stahl, eine darauf vorzugsweise unmittelbar aufgebrachte Lagermetallschicht 18 in Form einer galvanisch abgeschiedenen Zinn-Basis-Schicht 20 und eine vorzugsweise unmittelbar auf die Zinn-Basis-Schicht 20 aufgebrachte, insbesondere aufgesprühte Gleitschicht 22 auf Polymerbasis in Form einer Gleitlackschicht 24, vorzugsweise auf PAI-Basis oder aus PAI bestehend.
Zur Herstellung des Gleitlagerelements 2 nach 1 und 2 wird ausgehend von einem metallischen Flachmaterialabschnitt aus Stahl, der insbesondere von einem endlos zugeführten Flachmaterialband als Platinenabschnitt abgelängt wurde, die Stützschicht 16 gebildet, indem der Flachmaterialabschnitt auf die in 1 angedeutete Endform gebracht wird, was in einem Biege-Rollprozess geschieht. Sodann wird die halbschalenförmige Stützschicht 16 auf ihrer Innenseite spanabhebend bearbeitet und dabei die geometrische Endform des Gleitlagerelements 2 bereits festgelegt. Sodann wird das halbschalenförmige aus der Stützschicht 16 bestehende Element in eine Galvanisiervorrichtung eingebracht, und es wird dort die Lagermetallschicht 18 der Zinn-Basis-Schicht 20 mit im wesentlichen gleichförmiger Dicke abgeschieden. Das so erhaltene Zwischenprodukt aus Stützschicht 16 und Lagermetallschicht 18 wird dann mit der Gleitlackschicht 24, insbesondere durch Aufsprühen von Gleitlack, wiederum mit konstanter gleichförmiger Schichtdicke beschichtet.
Schließlich zeigt 3 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Gleitlagerelement 2 in Form einer Anlaufscheibe 6, wobei die Sichtseite von der Gleitlackschicht 24 gebildet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2020/118327 A1 [0003]

Claims

Gleitlagerelement (2) in Form einer Gleitlagerschale (4) oder einer Anlaufscheibe (6) jeweils aus einem Gleitlagerverbundwerkstoff mit einer metallischen Stützschicht (16), insbesondere aus Stahl, mit einer auf die Stützschicht (16) aufgebrachten Lagermetallschicht (18) und mit einer auf die Lagermetallschicht (18) aufgebrachten Gleitschicht (22) auf Polymerbasis, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagermetallschicht (18) eine galvanisch auf die Stützschicht (16) abgeschiedene Zinn-Basis-Schicht (20) ist und eine Dicke von 8,0 - 50,0 µm aufweist und dass die Gleitschicht (22) auf Polymerbasis eine Gleitlackschicht (24) mit einer Dicke von 8,0 - 15,0 µm ist.
Gleitlagerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinn-Basis-Schicht (20) Zinn oder eine Zinn-Legierung, insbesondere eine Zinn-Kupfer-Legierung, insbesondere eine SnCu6-Legierung, umfasst.
Gleitlagerelement (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinn-Basis-Schicht (20) eine Dicke von wenigstens 9,0 µm, insbesondere von wenigstens 10,0 µm, insbesondere von wenigstens 11,0 µm, insbesondere von wenigstens 12,0 µm, insbesondere von wenigstens 13,0 µm, insbesondere von wenigstens 14,0 µm, insbesondere von von wenigstens 15,0 µm, insbesondere von höchstens 45,0 µm, insbesondere von höchstens 40,0 µm, insbesondere von höchstens 35,0 µm.
Gleitlagerelement (2) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinn-Basis-Schicht (20) eingelagerte Hartpartikel, insbesondere aus der Gruppe der Nitride, Carbide oder Oxide, insbesondere kubisches Bornitrid BN, Siliziumcarbid SiC, Titandioxid TiO2, Aluminiumoxid Al2O3, Eisenoxid Fe2O3, und/oder Festschmierstoffpartikel, insbesondere aus MoS₂, WS2, Graphit, PTFE, aufweist.
Gleitlagerelement (2) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitlackschicht (24) eine Dicke von wenigstens 9,0 µm und insbesondere von höchstens 14,0 µm, insbesondere von höchstens 13,0 µm aufweist.
Gleitlagerelement (2) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbasis der Gleitlackschicht (24) Polyamidimid (PAI) ist.
Gleitlagerelement (2) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Stützschicht (16) ausgehend von einem metallischen Flachmaterialabschnitt gleichförmiger Dicke gebildet ist, indem der Flachmaterialabschnitt auf Schalenform gebracht wurde und im Anschluss daran auf einer radial inneren Seite der Schalenform spanabhebend bearbeitet und auf eine Endform mit variierender Wanddicke gebracht wurde und dass die Zinn-Basis-Schicht unmittelbar auf die spanabhebend bearbeitete radial innere Seite des Flachmaterialabschnitts galvanisch abgeschieden und darauf die Gleitlackschicht aufgebracht ist.
Verfahren zum Herstellen eines Gleitlagerelements (2) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Stützschicht (16) ausgehend von einem metallischen Flachmaterialabschnitt gleichförmiger Dicke gebildet ist, indem der Flachmaterialabschnitt hinsichtlich seiner Gestalt und Dicke auf Endform gebracht wird und dass die Zinn-Basis-Schicht (20) unmittelbar auf eine einem Gleitpartner zugewandte Seite des Flachmaterialabschnitts galvanisch abgeschieden wird und dass darauf die Gleitlackschicht (24) aufgebracht wird, insbesondere aufgesprüht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Stützschicht (16) ausgehend von einem metallischen Flachmaterialabschnitt gleichförmiger Dicke gebildet wird, indem der Flachmaterialabschnitt auf Schalenform gebracht wird, und dass der Flachmaterialabschnitt im Anschluss daran auf einer radial inneren Seite der Schalenform spanabhebend bearbeitet und auf eine Endform mit variierender Wanddicke gebracht wird und dass die Zinn-Basis-Schicht (20) unmittelbar auf die spanabhebend bearbeitete radial innere Seite des Flachmaterialabschnitts galvanisch abgeschieden wird und dass darauf die Gleitlackschicht (24) aufgebracht wird, und dass damit ein auf eine Endform gebrachtes Gleitlagerelement (2) variierender Wanddicke, jedoch ohne eine spanabhebende Bearbeitung der Lagermetallschicht, erhalten wird.