DE102010022039B3

DE102010022039B3 - Bauteil mit einer Gleitfläche für die Lagerung eines anderen Bauteils sowie Verfahren zum Erzeugen einer Gleitschicht

Info

Publication number: DE102010022039B3
Application number: DE102010022039A
Authority: DE
Inventors: Manuela 13595 Schneider
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-05-25
Filing date: 2010-05-25
Publication date: 2011-07-14
Anticipated expiration: 2030-05-26
Also published as: US8967869B2; CN103026087B; US20130065801A1; WO2011147722A1; CN103026087A

Abstract

Bauteil mit einer Gleitfläche (13), welche für die gleitende Lagerung eines anderen Bauteils (14) vorgesehen ist, wobei die Gleitfäche (13) durch eine Gleitschicht (12) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht (12) aus einer Metalllegierung mit einer metallischen Matrix (15) und mit einer in dieser verteilten Gefügephase aus einem mit einer geschlossenen Ummantelung (18) umgebenen Schmierstoff (17) besteht, wobei die Gefügephase einen Anteil der Gleitfläche (13) bildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einer Gleitfläche, welche für die gleitende Lagerung eines anderen Bauteils vorgesehen ist, wobei die Gleitfläche durch eine Gleitschicht gebildet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen einer Gleitschicht mit einer Gleitfläche auf einem Bauteil.
Ein Bauteil mit einer Gleitfläche der eingangs genannten Art ist beispielsweise in der DE 40 38 139 A1 beschrieben. Hierbei handelt es sich um ein Verbundgleitlager, welches eine Lagerschicht aus einer Aluminiumlegierung aufweist. In die offenen Poren der Aluminiumlegierungsschicht kann ein Festschmiermittel eingebracht werden, welches die Gleiteigenschaften dieser Lagerschicht aus der Aluminiumlegierung verbessert.
Gemäß der DE 44 06 191 A1 wird eine Gleitlagerung beschrieben, die zur Führung eines zu lagernden Bauteils ein Formteil wie z. B. eine Gleitbuchse für eine Zylinderlauffläche aufweist. Dieser Formkörper ist offenporig ausgeführt, wobei in die offenen Poren zur Erreichung gewisser Notlaufeigenschaften ein weicher Stoff wie Graphit oder Molybdänsulfid eingebracht werden kann, der mit relativ harten Stoffen kombiniert wird.
Gleitlager werden u. a. auch eingesetzt, um als Fanglager zum Einsatz zu kommen, falls ein Hauptlager, welches den reibungsarmen Betrieb unter gewöhnlichen Bedingungen gewährleistet, ausfällt. Solche Fanglager gewährleisten somit Notlaufeigenschaften einer gelagerten Welle, z. B. bei einer elektrischen Maschine.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Bauteil mit einer Gleitfläche der eingangs angegebenen Art bzw. ein Verfahren zur Herstellung einer Gleitschicht, die eine solche Gleitfläche zur Verfügung stellt, anzugeben, mit dem eine Gleitfläche erzeugt werden kann, die die Notlaufeigenschaft für ein Lager verbessert.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Bauteil erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Gleitschicht aus einer Metalllegierung mit einer metallischen Matrix und mit einer in dieser verteilten Gefügephase aus einem mit einer geschlossenen Ummantelung umgebenen Schmierstoff besteht, wobei die Gefügephase einen Anteil der Gleitfläche bildet. Als Metalle kommen für die Gleitschicht alle bekannten typischen Gleitlagerwerkstoffe in Frage, beispielsweise Messing, Kupfer, Nickel oder Bronze. Die Gefügephase, die den Schmierstoff zur Verfügung stellt, ist in der Gleitschicht verteilt, wobei diese Gefügephase an der Gleitfläche freiliegt. Kommt die Gleitfläche als Fanglager zum Einsatz, werden vorteilhaft die Ummantelungen der Gefügephase durch das gelagerte Bauteil zerstört, so dass der in der Ummantelung eingeschlossene Schmierstoff freigesetzt wird. Hierdurch kann das Gleitverhalten der Gleitfläche signifikant verbessert werden, wobei in der teilweise beträchtlichen Zeitspanne, in der das Fanglager nicht zum Einsatz kommt, durch die Ummantelung der Partikel verhindert wird, dass der Schmierstoff verloren geht.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Schmierstoff flüssig und besteht insbesondere aus Öl. Gerade bei flüssigen Schmierstoffen ist die Gefahr bei einem Fanglager, dass der Schmierstoff aus der Gleitfläche verschwindet (beispielsweise austrocknet, ausgewaschen wird oder verdunstet) besonders groß. Deswegen kann der Einsatz von flüssigen Schmierstoffen vorteilhaft in besonderem Maße davon profitieren, dass die aus dem flüssigen Schmierstoff gebildete Gefügephase mit einer Ummantelung umgeben, d. h. verkapselt ist.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schmierstoff fest ist, insbesondere aus Molybdänsulfid, Wolframsulfid oder Graphit besteht. Bei Verwendung dieser Schmierstoffe kann die Ummantelung vorteilhaft bewirken, dass diese festen Schmierstoffe erst abgebaut werden, wenn das Fanglager zum Einsatz kommt und die Ummantelungen aufgebrochen werden. Auch hier kann eine chemische Veränderung der Trockenschmierstoffe bis zum Einsatz des Fanglagers durch die Ummantelung verhindert werden.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen werden, dass die Ummantelung aus einem Kunststoff besteht. Hierbei eignen sich im besonderen Maße Kunststoffe, die selbst gute Schmiereigenschaften bewirken und auf diese Weise zur Schmierung der Gleitfläche beitragen können. Dies ist beispielsweise bei Teflon der Fall. Alternativ kann auch ein Wachs zum Einsatz kommen. Allerdings ist Voraussetzung, dass die aus dem Kunststoff gebildete Ummantelung gleichzeitig durch den verkapselten Schmierstoff nicht angegriffen oder aufgelöst wird. Hinsichtlich dieser Frage profitiert beispielsweise Teflon
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist es auch möglich, dass die Ummanlung aus einem Metall besteht. Dies hat den Vorteil, dass der Schmierstoff mit seiner metallischen Verkapselung beispielsweise bei elektrochemischen Beschichtungsverfahren in die elektrochemisch gebildete Gleitschicht eingebaut werden kann, indem die gemantelten Schmierstoffpartikel in dem elektrolytischen Abscheideverfahren dispergiert werden. Die metallische Oberfläche der dispergierten Teilchen erlaubt vorteilhaft einen Einbau dieser Partikel in die sich ausbildende elektrochemisch hergestellte Schicht mit einem hohen Füllgrad. Dies kann auch durch eine metallisierte Kunststoffummantelung gewährleistet werden. Die Kunststoffummantelung sollte sehr dünn sein, bei Belastung aufplatzen und den Schmierstoff freisetzen. Bei einer rein metallischen Ummantelung sind größere Kräfte für ein Aufplatzen erforderlich, so dass Ummantelungen für unterschiedliche Anwendungsfälle zur Verfügung stehen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Gefügephase, die den Schmierstoff zur Verfügung stellt, jeweils Ausdehnungen von unter einem Mikrometer aufweisen. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Gefügephase die mechanische Stabilität der Gleitschicht nur in geringem Maße beeinträchtigt, was für das mechanische Verhalten der Gleitschicht im Falle eines Einsatzes von hervorragender Bedeutung ist.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bauteil als Fanglager für das zu lagernde Bauteil ausgebildet ist. In der Anwendung als Fanglager kann die oben beschriebene Wirkung einer Verbesserung der Notlaufeigenschaft der Lagerung vorteilhaft besonders wirkungsvoll zum Einsatz kommen.
Außerdem wird die oben angegebene Aufgabe durch ein Verfahren zum Erzeugen einer Gleitschicht mit einer Gleitfläche auf einem Bauteil gelöst, wobei die Gleitschicht durch elektrochemisches oder chemisches Abscheiden eines Metalls oder einer Metalllegierung erzeugt wird, wobei während des Abscheidens Partikel aus einem mit einer Ummantelung umgebenen Schmierstoff in die sich ausbildende Gleitschicht eingebaut werden, derart, dass die Partikel einen Anteil der Gleitfläche bilden. In diesem Fall besteht die Gefügephase also aus eingelagerten Partikeln, welche selbst gemantelt sind. Vorteilhaft können fast ohne Beschränkung alle Schmierstoffe (fest und flüssig) zum Einsatz kommen, da die Ummantelung in jedem Fall gewährleistet, dass die Partikel in die sich ausbildende, elektrochemisch hergestellte Schicht eingelagert werden. Als Schmierstoffe kommen beispielsweise Mineralöle, Graphit, Molybdändisulfid oder Wolframdisulfid in Frage.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind hierbei jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
1 und 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauteils mit Gleitfläche, eingesetzt als Fanglager als schematischen Teilschnitt und
3 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ein Fanglager gemäß 1 ist schematisch als Ausschnitt dargestellt Dieser Schnitt kann beispielsweise längs durch eine beschichtete Lagerschale gehen (nicht näher dargestellt). Ein Bauteil 11 ist nur als Ausschnitt dargestellt und könnte durch eine Lagerschale gebildet sein. In dieser Lagerschale ist eine Gleitschicht 12 ausgebildet, welche eine Gleitfläche 13 zur Verfügung stellt. Diese Gleitfläche ist zur Lagerung eines anderen Bauteils 14 (vgl. 2) gedacht. Das andere Bauteil 14 könnte beispielsweise eine Welle sein. Dieses ist in 1 nicht dargestellt, weil es sich um ein Fanglager mit Notlaufeigenschaften handelt, welches im gewöhnlichen Betrieb der nicht dargestellten Welle einer Maschine nicht zum Einsatz kommt.
Die Gleitschicht 12 weist eine metallische Matrix 15 auf, in der Partikel 16 eingelagert sind. Diese Partikel bestehen aus einem flüssigen Schmierstoff 17 im Inneren, welcher durch eine Ummantelung 18 umgeben ist, damit der Schmierstoff 17 zuverlässig gelagert werden kann. Weiterhin ist zu erkennen, dass die Partikel 16 in der Gleitfläche 13 teilweise freiliegen, so dass die Ummantelung 18 der Partikel 16 einem direkten Angriff durch das Bauteil 14 ausgesetzt ist.
Dies ist der Fall, wenn das Fanglager zur Gewährleistung von Notlaufeigenschaften des Bauteils 14 (Welle) zum Einsatz kommt, wie dies in 2 dargestellt ist. Die an der Oberfläche freiliegende Ummantelung 18 der Partikel 16 (von denen nur eines dargestellt ist) wird durch das Bauteil 14 aufgebrochen, so dass sich der in der zerstörten Ummantelung 18 befindliche Schmierstoff 17 entleert und einen Schmierfilm 19 bildet, der sich in Richtung 20 der Bewegung des Bauteils 14 ausbreitet. Hierdurch werden die Gleiteigenschaften der Gleitfläche 13 verbessert.
In 3 ist ein Verfahren dargestellt, wie das Bauteil 11 mit einer Gleitschicht 12 beschichtet werden kann. Dies erfolgt durch ein galvanisches Verfahren, wobei ein Behälter 21 mit einem Elektrolyt 22 vorgesehen ist, in das das Bauteil 11 eingetaucht wird. Dieses bildet die Arbeitselektrode, wobei weiterhin eine Gegenelektrode 23 vorgesehen ist und beide Elektroden an eine Spannungsquelle 24 angeschlossen werden. Durch Anlegen der Spannung wird auf dem Bauteil 11 die Gleitschicht 12 abgeschieden. Da in dem Elektrolyten 22 auch die Partikel 16 dispergiert sind, werden diese während des Schichtaufbaus der Gleitschicht 12 in die sich ausbildende Matrix 15 eingebaut. Hierdurch entsteht ein Bauteil 11 mit Gleitschicht 12 gemäß 1.
Folgende Elektrolyten können mit entsprechenden Detergenzien eingesetzt werden, nachdem in diesen die gemantelten Partikel eines Schmierstoffes durch Einrühren mit einem Magnet- oder Flügelrührer über 1 bis 6 Stunden dispergiert wurden.
Kupfer:

50–65 g/l Cu als CuCN
30–35 g/l KCN
15–20 g/l KOH bei 50°C Elektrolyttemperatur und 2 A/dm² Abscheidestromdichte

Chemisch Nickel:

30 g/l Nickelsulfat
10 g/l Natriumhypophosphit
12 g/l Natriumcitrat
5 g/l Natriumacetat
0,1 g/l Thioharnstoff bei 85°C Elektrolyttemperatur

Claims

Bauteil mit einer Gleitfläche (13), welche für die gleitende Lagerung eines anderen Bauteils (14) vorgesehen ist, wobei die Gleitfäche (13) durch eine Gleitschicht (12) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht (12) aus einer Metalllegierung mit einer metallischen Matrix (15) und mit einer in dieser verteilten Gefügephase aus einem mit einer geschlossenen Ummantelung (18) umgebenen Schmierstoff (17) besteht, wobei die Gefügephase einen Anteil der Gleitfläche (13) bildet.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoff (17) flüssig ist, insbesondere aus Öl besteht.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoff (17) fest ist, insbesondere aus Molybdänsulfid, Wolframsulfid oder Graphit besteht.
Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (18) aus einem Kunststoff oder einem Wachs besteht.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (18) aus einem Metall besteht.
Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gefügephase Ausdehnungen von unter 1 μm aufweisen.
Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil als Fanglager für das zu lagernde Bauteil (11) ausgebildet ist.
Verfahren zum Erzeugen einer Gleitschicht (12) mit einer Gleitfläche (13) auf einem Bauteil (11) dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht (12) durch elektrochemisches oder chemisches Abscheiden eines Metalls oder einer Metalllegierung erzeugt wird, wobei während des Abscheidens Partikel (16) aus einem mit einer Ummantelung (18) umgebenen Schmierstoff (17) in die sich ausbildende Gleitschicht (12) eingebaut werden, derart, dass die Partikel (16) einen Anteil der Gleitfläche (13) bilden.