Die Erfindung betrifft ein Lagerelement mit einem metallischen Stützkörper, einer darüber angeordneten Lagermetallschicht sowie einer über dieser angeordneten Polymerschicht, wobei die Polymerschicht ein Polyimidharz, Molybdändisulfid (MoS2) und Graphit umfasst, einen Motor mit einer Welle, die von einem Lagerelement gelagert ist, wobei das Lagerelement zumindest einen metallischen Stützkörper und eine darüber angeordnete Lagermetallschicht umfasst, sowie die Verwendung eines Gleitlackes aus einem Polymer.
Beschichtungen tribologisch beanspruchter Bauteile bzw. Flächen sollen verschiedensten Anforderungen genügen. Zum einen wird eine möglichst reibungsarme Beschichtung gewünscht, welche relativ weich ist und sich dem zufolge gut an durch verschleissbedingten Abrieb sowie den Gleitpartner anpassen kann.
Andererseits muss eine genügend hohe mechanische Stabilität und Festigkeit gegeben sein, um neben den statischen auch dynamische Schwingungsbelastungen aufnehmen zu können und somit die Dauerfestigkeit und die Lebensdauer zu steigern. Die Entwicklungen, beispielsweise in der Motorenindustrie, gehen in Richtung höherer spezifischer Leistungen, um insbesondere in Hinblick auf immer strenger werdende Abgasnormen den Wirkungsgrad und damit die Wirtschaftlichkeit und die Umweltverträglichkeit von Verbrennungskrafhnaschinen zu erhöhen. Von dieser Entwicklung sind eine Vielzahl von Komponenten eines Verbrennungsmotors betroffen, wie beispielsweise die durch die sehr hohen Drehmomente und die zur Optimierung des Verbrennungsprozesses stetig steigenden Zünddrücke, beispielsweise eines direkteinspritzenden Turbodieselmotors, sehr hoch belasteten Radialgleitlager.
Durch die leistungsfähigen Einspritzsysteme dieser Motoren werden ebenso die Komponenten der Einspritzpumpen und deren Messinstrumente bzw. durch die höheren Leistungen auch andere Bauteile, wie Stössel, Stifte oder Rollen, welche gleitbeansprucht werden, diesen hohen Belastungen ausgesetzt. Häufig werden Aluminiumlegierungen für diese Komponenten eingesetzt, da da-
N2004/17700 ' "
. '2 - " mit grundsätzlich ein gutes Verhältnis zwischen erzielbaren Eigenschaften und aufzuwendenden Kosten erreicht werden kann.
Jüngste Entwicklungen auf diesem Gebiet zeigen - obwohl deren prinzipieller Einsatz in diesem Bereich bereits seit einigen Jahren bekannt ist - vermehrt den Einsatz von so genannten Gleitlacken.
So beschreibt z.B. die DE 22 06400 A einen Verbundwerkstoff mit metallischem Stützkörper und einer mittels Klebstoff mit dem Stützkörper verbundenen Reib- bzw.
Gleitschicht aus thermisch hoch belastbaren Kunststoffen, die wärmhärtbare Polyimidharze und die Laufeigenschaften des Lagers verbessernde Zusätze, wie Polytetafluorethylen, metallische Lagerlegierungen oder dgl. enthält, wobei die Reib- bzw. die Gleitschicht die Polyimidharze und die die Laufeigenschaft verbessernden Zusätze als Gemisch feinkörniger oder feinpulvriger Form, und als Bindemittel Polyimid-Lack enthält, der sowohl das feinkörnige bzw. feinpulvrige Gemisch in der Reib- bzw. Gleitschicht zusammenbindet als auch die Reib- bzw. Gleitschicht selbst mit dem Stützkörper verbindet. Die Gleitschicht kann dabei zwischen 70 und 20 Gew.-% wärmehärtbare Polyimidharze und etwa 30 bis 80 Gew.-% selbstschmierende Zusätze enthalten.
Als selbstschmierende Zusätze werden Graphit, Molybdändisulfid sowie Oxide genannt.
Aus der EP 0 939 106 A ist ein Gleitschichtmaterial bekannt, das als Matrixmaterial PTFE oder PTFE in Kombination mit anderen Fluorthermoplasten, deren Schmelzpunkt über 260[deg.] C liegt, enthält, wobei mindestens ein pulverförmiges Polyaramid enthalten ist, dessen Anteil bezogen auf die Gesamtmenge aus PTFE oder der Mischung aus PTFE und anderen Fluorthermoplasten und dem Polyaramid 10 bis 50 Vol.-% beträgt.
Auch in der EP 1 236914 A ist ein Gleitlager beschrieben, welche eine Harzbeschichtung auf einer Lagermetallschicht aufweist,
wobei die Harzbeschichtung ein wärmehärtbares Harz mit bestimmten physikalischen Eigenschaften in einer Menge von 70 bis 30 Vol.-% versetzt mit selbstschmierenden Zusätzen in einem Ausmass von 30 bis 70 Vol.-% aufweist und wobei die Härte nach Vickers nicht grösser als 20 ist. Das Harz kann beispielsweise ein Polyamidimidharz sein.
Als selbstschmierende Zusätze werden Molybdändisulfid, Graphit, Bornitrid, Wolframdisulfid, Polytetrafluorethylen, Blei etc. genannt.
N2004/17700
' '<*>
' - '3 -<*>
Polymere zur Verwendung als Beschichrungsmaterial von Gleitelementen werden auch noch in folgenden Dokumenten beschrieben:
US 5,525,246 A, JP 60-1424 A, EP 0984 182 A, JP 04-83914 A, JP 07-247493 A, GB 2 337 306 A, JP 09-79262 A, JP 2001/173644 A, DE 20 00 632 A, DE 33 43 309 A, DE 32 21 785 A, WO 97/38046 A, EP 0 340839 A, EP 0044 577 A, EP 0340 838 A, DE 24 15 327 A, EP 060 725 A, DE 198 14 756 A, US 4,618,270 A, DE 25 04 833 A, FR 21 33 320 A, GB 2 384033 B, JP 53-007780 A.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lagerelement mit einer Polymerbeschichtung zur Verfügung zu stellen, welches verbesserte Eigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe der Erfindung wird jeweils eigenständig dadurch gelöst,
dass der Anteil des Polyimidharzes an der Polymerschicht des Lagerelementes ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 60 % und einer oberen Grenze von 80 %, der Anteil an MoS2ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 15 % und einer oberen Grenze von 25 % und der Anteil an Graphit ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 5 % und einer oberen Grenze von 15 %, durch einen Motor, bei dem zur Verhinderung der Materialübertragung von der Welle auf das Lagerelement bei stehender Welle auf der Lagermetallschicht eine Polymerschicht angeordnet ist, sowie durch die Verwendung eines Gleitlackes hierfür.
Im Vergleich zu bereits im Gleitlagerbereich verwendeten Gleitlackbeschichtungen, zeigt die erfindungsgemässe Zusammensetzung überraschenderweise, trotz des hohen Anteils an MoS2und Graphit im Polyimidharz,
eine nicht zu erwartende Verbesserung der Verschleissfestigkeit des Lagerelementes. Nicht zu erwartend deshalb, da mit abnehmenden Polyimidharz, das u.a. als Bindemittel für die reibungsvermindernden Zusätze angesehen werden kann, zu erwarten wäre, dass der Zusammenhalt der Schicht verschlechtert wird, dass diese letztendlich "zerbröselt". Durch den gewählten Anteil an MoS2und Graphit, insbesondere das Verhältnis des Anteils an MoS2zu Graphit, tritt dies nicht auf, wobei die Anmelderin zum gegenständlichen Zeitpunkt hierfür keine erklärende Theorie hat. Es wird jedoch eine Interaktion zwischen den MoS2- und Graphitteilchen vermutet.
N2004/17700
Neben der verbesserten Verschleissfestigkeit wird mit dem erfindungsgemässen Lagerelement weiters eine Verbesserung des Kavitationswiderstandes erreicht.
Darüber hinaus wurde auch eine verminderte Korrosionsanfälligkeit festgestellt.
Von Vorteil ist weiters, dass die erfindungsgemässe Polymerschicht direkt auf die Lagermetallschicht aufgebracht werden kann, d.h. dass eine, bei herkömmlichen aus dem Stand der Technik bekannten Gleitlagern üblicherweise verwendete, Nickelschicht als Diffusionssperre nicht mehr erforderlich ist, sodass ein erfindungsgemässes Lagerelement nicht nur hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaft zumindest gleichwertig mit üblichen Mehrschichtgleitlagern ist, sondern darüber hinaus ein entsprechender Kostenvorteil bei der Herstellung des erfindungsgemässen Lagerelementes erzielt werden kann.
Weiters ist von Vorteil, dass die erfindungsgemässe Polymerschicht nicht auf spezielle Lagerelemente beschränkt ist,
sondern nach derzeitigem Wissen auf jedem Lagermetall aufgetragen werden kann.
In der Vergangenheit kam es bei Aluminium-Lagerwerkstoffen zu Lagerausfällen, die vermutlich auf einem Materialübertrag und Mikroverschweissung des Lagerwerkstoffes auf die Welle, hervorgerufen durch Mikrobewegungen, zurückzuführen sind. Derartige Materialüberträge können auftreten, wenn die Welle ruhend auf dem Lager aufliegt, das ganze System aber Mikrobewegungen, z.B. beim Transport eines zusammengebauten Motors zum Einsatzort, oder dem Betrieb mehrerer Motoren nebeneinander, wobei nicht alle gleichzeitig laufen, durchführt. Beim erfindungsgemässen Motor wird dies auf vorteilhafte Weise durch die Polymerschicht verhindert, da diese Schicht praktisch keine Affinität zum Stahl aufweist.
Doch selbst wenn ein Materialübertrag im geringem Masse stattfindet, beispielsweise durch die Einbettung des Gleitlackes in das Rautiefenprofil der Welle, so stellt dies ebenfalls kein Problem dar, da eine sich in der Folge ausbildende Gleitlack - Gleitlack - Paarung einen noch niedrigen Reibwert als die Paarung Gleitlack-Stahl aufweist.
In Ausführungsvarianten der Erfindung kann der Anteil des Polyimidharzes ausgewählt sein aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 65 % und einer oberen Grenze von 75 % bzw. einer unteren Grenze von 67,5 % und einer oberen Grenze von 72,5 % bzw. kann der Anteil des Polyamidharzes 70 % betragen.
N2004/17700 -'5*
Ebenso ist es vorteilhaft, dass der Anteil von MoS2ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 17 % und einer oberen Grenze von 22 % bzw. einer unteren Grenze von 18,5 % und einer oberen Grenze von 21,5 % bzw.
dass der Anteil von MoS220 % beträgt.
Des weiteren ist in Weiterbildungen vorgesehen, dass der Anteil an Graphit ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 7 % und einer oberen Grenze von 13 % bzw. einer oberen Grenze von 8,5 % und einer oberen Grenze von 11,5 % bzw. dass der Anteil an Graphit 10 % beträgt.
Bei all diesen Ausfuhrungsvarianten - bzw. bei sämtlichen noch folgenden Angaben zu unteren und oberen Bereichsgrenzen - ist es möglich, dass die jeweiligen Anteile bei Bedarf auch aus den jeweiligen Randbereichen zwischen den unteren Grenzen bzw.
oberen Grenzen ausgewählt werden.
Als besondere vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn als Polyimidharz für die Polymerschicht ein Polyamidimidharz verwendet wird.
Durch die voranstehend genannten Massnahmen ist es nicht nur möglich eine Optimierung hinsichtlich sämtlicher Eigenschaften der Polymerschicht zu erreichen, sondern ist es damit auch möglich gezielt einzelne Eigenschaften, wie z.B. die Verschleissfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, den Widerstand gegen die Reibverschweissung, etc., an den jeweiligen Einsatzfall anzupassen, selbst wenn damit einhergeht, dass die weiteren Eigenschaften der Polymerschicht nicht im selben Ausmass verbessert werden.
Die MoS2-Plättchen können eine mittlere Länge, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 10 [mu]m und einer oberen Grenze von 40 [mu]m bzw.
einer unteren Grenze von 15 [mu]m und einer oberen Grenze von 35 [mu]m bzw. einer unteren Grenze von 18 [mu]m und einer oberen Grenze von 25 [mu]m und/oder eine mittlere Breite, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 10 [mu]m und einer oberen Grenze von 40 [mu]m, bzw. einer unteren Grenze von 15 [mu]m und einer oberen Grenze von 35 [mu]m, bzw. einer unteren Grenze von 18 [mu]m und einer oberen Grenze von 25 [mu]m und/oder eine mittlere Höhe, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 2 nm und einer oberen Grenze von 20 nm
N2004/17700
-'6-"<*>bzw. einer unteren Grenze von 5 nm und einer oberen Grenze von 15 nm bzw.
einer unteren Grenze von 5 nm und einer oberen Grenze von 8 nm ausgewählt sein.
Ebenso ist es möglich, dass ein Graphit mit einer Korngrösse, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 2 [mu]m und einer oberen Grenze von 8 [mu]m enthalten ist.
Das Verhältnis von MoS2zu Graphit kann gemäss einer Weiterbildung der Erfindung ausgewählt sein aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1,5 : 1 und einer oberen Grenze von 4,5 : 1.
Es kann damit das selbstschmierende Verhalten der Polymerschicht über weite Grenzen variiert werden, sodass gegebenenfalls unter Berücksichtigung der jeweiligen Anteile an MoS2bzw.
Graphit, d.h. bei Variierung der Anteilsverhältnisse diese beiden Zusatzstoffe zum Polyimidharz, wiederum zumindest einen der Eigenschaften der Polymerschicht dem jeweiligen Anwendungsfall besonders angepasst werden kann.
Die Lagermetallschicht kann durch eine Legierung gebildet sein, ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Aluminiumbasislegierungen, Zinnbasislegierungen, Bleibasislegierungen, Kupferbasislegierungen, CuPb-Basislegierungen, AlSn-Basislegierungen, Legierungen auf AlZn-, AlSi-, AlSnSi-, CuAl-, CuSn-, CuZn-, CuSnZn-, CuZnSn-, CuBi- sowie AlBi-Basis, wobei diese hinlänglich in Bezug auf ihre Eigenschaften aus der einschlägigen Literatur zu Lagerelementen bekannt sind, sodass sich eine weitere Erörterung an dieser Stelle erübrigt.
Es wird dadurch der Vorteil erreicht, dass die Haftfestigkeit der Polymerschicht auf diesen Lagermetallstoffen auch ohne die Verwendung von gegebenenfalls erforderlichen Haftvermittlerschichten verbessert ist.
Wie bereits erwähnt ist es auch vorteilhaft, die Polymerschicht direkt auf der Lagermetallschicht anzuordnen, sodass auf üblicherweise verwendete L ffusionssperrschichten, wie z.B.
Nickeldämme, verzichtet werden kann.
Ebenso ist es möglich, insbesondere bei einer ausreichenden Haftfestigkeit, dass die Lagermetallschicht direkt auf dem Stützkörper angeordnet ist, also wiederum ohne die Anordnung von Zwischenschichten und Haftvermittlern, wodurch sich der Aufbau des Lagerelementes vereinfachen lässt und damit gegebenenfalls auch die Herstellungskosten gesenkt werden können.
N2004/177Ö0 Als vorteilhaft hat sich im Zuge der Erprobung des erfindungsgemässen Lagerelementes auch herausgestellt, dass es von Vorteil ist, wenn die Oberfläche der Polymerschicht einen arithmetischen Mittenrauwert Ra nach DIN EN ISO 4287 bzw.
ASME B 46.1 aufweist, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,2 [mu]m und einer oberen Grenze von 1,5 [mu]m bzw. einer unteren Grenze von 0,5 [mu]m und einer oberen Grenze von 1,0 [mu]m bzw. einer unteren Grenze von 0,8 [mu]m und einer oberen Grenze von 0,9 [mu]m, bzw. wenn gemäss weiteren Ausführungsvarianten die Oberfläche der Polymerschicht eine maximale Rauheitsprofilhöhe Rz nach DIN EN ISO 4287 bzw.
ASME B 46.1 aufweist, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,5 [mu]m und einer oberen Grenze von 10 [mu]m bzw. einer unteren Grenze von 3 [mu]m und einer oberen Grenze von 8 [mu]m bzw. einer unteren Grenze von 5 [mu]m und einer oberen Grenze von 6 [mu]m.
Durch diese Massnahmen wird einerseits erreicht, dass während der Einlaufphase aufgrund der Profilspitzen eine - in Bezug auf die gesamte innere Oberfläche des Lagerelementes gesehen - geringere Kontaktfläche zur zu lagernden Welle ausgebildet wird und damit eine geringere Reibung, als allein aufgrund der Materialauswahl bzw.
einer Polyimidharz-StahlPaarung zu erwarten wäre, vorherrscht und andererseits nach dieser Einlaufphase dieser Spitzen gegebenenfalls soweit abgeschliffen sind, dass die Lagerung die erforderlichen Spieltoleranzen aufweist.
Die Polymerschicht kann eine mittlere Dicke aufweisen, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1 [mu]m und einer oberen Grenze von 40 [mu]m bzw. einer unteren Grenze von 3 [mu]m und einer oberen Grenze von 30 [mu]m bzw. einer unteren Grenze von 4 [mu]m und einer oberen Grenze von 25 [mu]m, wodurch das Lagerelement wiederum an den jeweiligen Anwendungsfall, wie z.B.
Grosslager oder Kleinlager, angepasst werden kann und damit bei langfristig zuverlässig sichergestellten, gleichbleibenden Eigenschaften des Lagerelementes eine entsprechende Kostenoptimierung erzielbar ist.
Die Polymerschicht weist vorteilhafterweise eine Härte nach Vickers auf, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 20 HV und einer oberen Grenze von 45 HV, bzw. einer unteren Grenze von 22 HV und einer oberen Grenze von 35 HV bzw. einer unteren Grenze von 25 HV und einer oberen Grenze von 30 HV, wodurch entsprechend ver-
N2004/17700 'S-" " besserte Gleiteigenschaften bei ausreichender Dauerstandsfestigkeit des Lagerelementes erreicht werden.
Insbesondere ist das Lagerelement als Gleitlagerschale bzw.
-halbschale oder Lagerbuchse ausgebildet.
Die in einem Motor mit stehender Welle für ein Lagerelement verwendete Polymerschicht, ist insbesondere durch eine Polymerschicht mit erfindungsgemässer Zusammensetzung gebildet. Es ist aber auch möglich, dass die Polymerschicht durch ein Polymer gebildet ist, ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Polytetraflourethylen, Polyimidharze, Epoxyharze, Phenolharze, Polyamid 6, Polyamid 66, Polyoxymethylen, Silikone, Polyaryletherketone, Polyarylether-etherketone, Polyvinylidendiflouride, Polyethylensulfide, wodurch eine entsprechende Anpassung an die zu erwartende Bewegung erfolgen kann, da diese Polymere durchaus unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, insbesondere hinsichtlich der Materialübertragung von der Welle auf das Lagerelement,
welche durch die Mikrobewegung verursacht wird.
Es können dabei der Polymerschicht weiters reibungsvermindernde Zusätze, wie z.B. MoS2, Graphit, Bornitrid (hexagonal), Wolframdisulf[iota]d, PTFE, Blei, zugesetzt werden, sodass diese Polymerschicht nicht nur als "Transportsicherung" verwendet werden kann, sondern zumindest in der Einlaufphase des Motors ein entsprechend verminderte Gleitreibung zwischen dem Lagerelement und der Welle ausgebildet ist.
Wie bereits erwähnt, kann auf einem Lagerelement ein Gleitlack aus einem Polymer, insbesondere ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Polytetraflourethylen, Polyimidharze, Epoxyharze, Phenolharze, Polyamid 6, Polyamid 66, Polyoxymethylen, Silikone, Polyaryletherketone, Polyarylether-etherketone, Polyvinylidendiflouride, Polyethylensulfide,
zur Herstellung einer Polymerschicht als Schutzschicht zur Verhinderung des Materialübertrags von einer stehenden Welle auf das Lagerelement verwendet werden. Es wird damit möglich, Motoren direkt beim Erzeuger fertig zu stellen, ohne besondere Vorkehrungen treffen zu müssen bzw. ohne Gefahr zu laufen, dass aufgrund des Transportes der bereits fertigen Motoren eine Materialverschweissung des Lagerwerkstoffes auf der Welle stattfindet.
Es ist somit möglich derartige Komponenten vormontiert an die jeweiligen Abnehmer, insbesondere die Automobilindustrie, welche bekanntlich den Weg beschreitet, vermehrt
N2004/17700 fertige Komponenten anzukaufen, mit geringeren Ausfallsquoten der Komponenten zu liefern.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Es zeigen jeweils in schematisch vereinfachter Darstellung:
Fig. 1 ein erfindungsgemässes Lagerelement in Form einer Gleitlagerhalbschale;
Fig. 2 ein Diagramm, in dem die jeweilige Grenzlast in Abhängigkeit von variierenden Anteilen an MoS2und Graphit, dargestellt ist.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäss auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäss auf die neue Lage zu übertragen.
Weiters können auch Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemässe Lösungen darstellen.
Das Lagerelement 1 nach Fig. 1 ist aus einem Stützkörper 2, einer Lagermetallschicht 3 sowie einer Polymerschicht 4 als Laufschicht aufgebaut. Der Stützkörper 2 besteht üblicherweise aus Stahl, kann aber selbstverständlich auch aus vergleichbaren Werkstoffen bestehen, mit welchen die selbe bzw. eine ähnliche Funktion, nämlich die Bereitstellung der mechanischen Festigkeit des Lagerelementes 1, realisiert werden kann. Die mechanische Festigkeit des gesamten Lagerelementes 1 ist dabei abhängig vom jeweiligen Einsatzgebiet, sodass beispielsweise auch verschiedenste Kupferlegierungen, wie z.B. Messing, Bronzen, Verwendung finden können.
Zudem wird durch den Stützkörper 2 eine gewisse Formstabilität gewährleistet.
N2004/1770Ö ro--<>
Die Lagermetallschicht 3 ist durch eine Lagermetalllegierung gebildet. Diese besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus einer Aluminiummatrix in der zumindest eine Weichphase sowie Hartpartikel eingelagert sind. Die zumindest eine Weichphase kann dabei durch zumindest ein Element aus einer ersten Elementgruppe umfassend Zinn, Antimon, Indium und Wismut gebildet sein. Die Hartpartikel können z.B. aus zumindest einem Element aus einer zweiten Elementgruppe umfassend Kupfer, Mangan, Kobalt, Chrom und Eisen bzw. durch die Elemente Scandium und/oder Zirkonium gebildet sein.
Ebenfalls möglich ist, dass diese Hartpartikel durch intermetallische Phasen insbesondere aus den letztgenannten Elementen bzw. den Elementen der zweiten Elementgruppe mit Aluminium bzw. durch aus den genannten Elementen gebildete intermetallische Phasen aufgebaut sind.
Selbstverständlich können aber auch jegliche andere, aus dem Stand der Technik bekannte Weichphasen und/oder Hartpartikel in der Lagermetalllegierung enthalten sein.
Mit Hilfe der Weichphase ist es möglich, dem Lagerelement 1 Notlaufeigenschaften zu verleihen, wenn in der Polymerschicht 4 infolge des Betriebes des Lagerelementes 1 Fehlstellen entstehen und somit die Lagermetallschicht 3 zumindest annähernd direkt mit einem zu lagernden Bauteil, wie z.B. einer Welle, in Kontakt kommt.
Es wird damit dem Lagerelement 1 auch eine Einbettfähigkeit für aus dem Abrieb infolge der Verwendung des Lagerelementes 1 stammende Festpartikel verliehen. Die Hartpartikel verleihen der Aluminiumlegierung die erforderliche mechanische Festigkeit.
Als Lagermetallschicht 3 eignen sich insbesondere Legierungen auf Zinn-, Wismut-, Indium-, Blei- oder Aluminiumbasis sowie Legierungen auf, gegebenenfalls hochbleihältiger, CuPb- oder auf AlSn- bzw. auf AlBi-Basis. Insbesondere sind höherzinnhältige Zinnbasislegierungen von Vorteil. Auch bleifrei Kupferbasislegierungen sind verwendbar.
Einsetzbare Lagermetalle auf Kupferbasis wären beispielsweise CuPb22Sn2, CuPblOSnlO, CuPbl5Sn7, CuSn6, CuSn4 Znl.
Insbesondere bleifreie Kupferlegierungen auf CuAl-, CuSn-, CuZn-, CuSnZn-, CuZnSn- sowie CuBi-Basis sind in Hinblick auf die geringere Umweltbelastung von Vorteil.
Einsetzbare Lagermetalle auf Zinnbasis wären beispielsweise SnSb8Cu4, SnSbl2Cu6Pb.
N2004/17700 II
Einsetzbare Lagermetalle auf Bleibasis wären beispielsweise PbSblOSn[omicron], PbSbl5SnlO, PbSbl5SnAs.
Lagermetalle auf Aluminumbasis können z.B. AlSn40, AlSn20, AlSn25, AlSnlO, AlSn6, etc. bilden.
Es ist weiters möglich Lagermetalle auf AlZn-Basis, wie z.B. AlZn4SiPb, oder AlSiBasis, wie z.B. AlSil lCuMgNi, oder AlSnSi-Basis, wie z.B.
AlSn20Si4, zu verwenden.
Erfindungsgemäss besteht die Polymerschicht 4 aus einem Polyimidharz, Molybdändisulfid, sowie Graphit, wobei der Anteil des Polyimidharzes an der Polymerschicht 4 ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 60 % und einer oberen Grenze von 80 %, der Anteil MoS2, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 15 % und einer oberen Grenze von 25 % und der Anteil an Graphit, ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 5 % und einer oberen Grenze von 15 %.
Falls erforderlich, kann diese Polymerschicht 4 zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit weitere Zusätze enthalten, wie beispielsweise Fasermatrizes, wie z.B. Aramidfasern, Hartstoffe, wie z.B. Carbide, Oxide, Nitride.
Derartige Zusatzstoffe sind bereits aus dem Stand der Technik für diese Art von Polymerschichten 4 für Lagerelemente 1 bekannt, beispielsweise aus der EP 1 263 914 AI. So ist es z.B. möglich Hartstoffe aus Cr02, FE304, PbO, ZnO, CdO, A1203, Si02, Sn02, SiC, Si3N zu verwenden, wobei sich deren Anteil in den üblichen Grenzen, wie z.B. in dieser EP-AI angeführt, bewegen kann.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn Hartpartikel zur Anpassung des Reibwertes verwendet werden, welche bereits in der Laufschicht 3 enthalten sind.
Es ist insbesondere auch von Vorteil, wenn ein Verhältnis zwischen den Anteilen von MoS2und Graphit in der Polymerschicht 4 ausgewählt ist aus einem Bereich von 1,5:1 bis 4,5 : 1 , beispielsweise 1 ,5 : 1 bis 2,5 :
1.
Mit der erfindungsgemässen Zusammensetzung für die Polymerschicht 4 ist es möglich, eine Laufschicht mit guten Gleit- und Notlaufeigenschaften, die gegebenenfalls sogar einen Trockenlauf ermöglicht, zu realisieren. Diese zeichnet sich insbesondere durch Wartungsarmut auf. Es ist ein schmierstoffarmer bzw. schmierstofffreier Betrieb möglich.
N2004/1770Ö
#o * #o
1 *2 -
Gebendenfalls lässt sich eine Schmierung durch Wasser erzielen, was insbesondere von Vorteil ist, wenn das erfindungsgemässe Lagerelement 1 z.B. für Pumpen verwendet wird.
Neben einer entsprechenden Gewichtsreduzierung ist auch eine geringere Kantenpressungsempfindlichkeit beobachtbar.
Das erfindungsgemässe Lagerelement 1 kann anstelle der Ausbildung als Gleitlagerhalbschale, wie in Fig. 1 dargestellt, auch anderwärtig verwendet werden, beispielsweise als Anlaufring, Gleitbuchse, etc., insbesondere zur Verwendung in der Motorenindustrie.
In der Tabelle 1 sind Beispiele für Zusammensetzungen, ausgewählt aus den erfindungsgemässen Bereichen der Anteile des Polyimidharzes, von MoS2sowie Graphit für die Polymerschicht 4 zusammengestellt, wobei diese selbstverständlich nicht beschränkend für die Erfindung verstanden werden sollen, sondern diese Beispiele lediglich den Erfindungscharakter belegen.
Tabelle 1:
Nr.
PA I (%) MoS2(%) Graphit (%)
1 60 25 15
2 62 25 13
3 65 20 15
4 68 17 15
5 70 20 10
6 72 20 8
7 61 25 14
8 65 23 12
9 70 25 5
<EMI ID=12.1>
N2004/177ÖÖ 10 75 15 10
11 65 25 10
12 77 15 8
13 78 12 10
14 80 15 5
<EMI ID=13.1>
Mit diesen Zusammensetzung wurden jeweils Lagerelemente 1 hergestellt, bestehend aus einer Stahlstützschale, auf der ein CuPb22Sn2 Lagermetall und darauf die Polymerschicht 4 aufgebracht ist.
Es hat sich in den folgenden Untersuchungen gezeigt, dass sich mit diesen Zusammensetzung sehr ähnliche Eigenschaften des Lagerelementes 1 ergeben, sodass im Folgenden lediglich beispielhaft diese Eigenschaften anhand eines Lagerelementes 1 diskutiert werden mit einer Polymerschicht 4, enthaltend 70 % Polyimidharz, 20 % MoS2und 10 % Graphit.
Bezogen auf eine Grenzlast gegen Reibverschweissung von 100 % für dieses erfindungsgemässe Lager zeigt im Vergleich dazu ein Standardlager aus dem Stand der Technik mit einer PTFE-Beschichtung auf AlSn 40 lediglich einen um ca. 87 % schlechteren Wert unter denselben Versuchsbedingungen.
Die Verschleissfestigkeit wurde an einem Lager mit denselben Abmessungen und denselben Schmierbedingungen gemessen.
Es hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemässe Polymerschicht 4 im Vergleich mit einer PTFE-Schicht einem ca. 8 mal besseren Wert bzgl. der Verschleissfestigkeit erreicht.
Bei weiterführenden Untersuchungen wurde die erfindungsgemässe Polymerschicht 4 dieser Zusammensetzung zum einen auch auf eine Lagermetallschicht aus CuPb22Sn2 bzw.
AlSn 25 aufgetragen und konnte dabei herausgefunden werden, dass die Verschleissfestigkeit innerhalb von +/- 5 % von jenem Wert, der mit AlSn40 erreicht wird, variiert, woraus folgt, dass die erfindungsgemässe Polymerschicht 4 zumindest auf allen gängigen Lagerme-
N2004/1770Ö <#>
!4-<#>tallen aufgetragen werden kann, ohne dass sich die hervorragenden Eigenschaften gravierend ändern.
Auch hinsichtlich der Korrosion konnten entsprechende Verbesserungen erreicht werden.
In Fig. 2 ist die Fressgrenzlast in Prozent gegen den Graphitanteil sowie den MoS2-Anteil jeweils in Prozent aufgetragen, wobei für die Zusammensetzung 70 % Harz, 20 % MoS2und 10 % Graphit der Wert 100 % normiert ist, und können die jeweils erreichten Werte aus Tabelle 2 entnommen werden.
Aus dieser Grafik ist sehr deutlich erkennbar, dass die erfindungsgemässe zusammengesetzte Polymerschicht 4, d.h. damit versehene Lagerelemente 1 deutlich bessere Werte hinsichtlich der Fressgrenzlast aufweisen, als dies bei entsprechenden Polyimidharzschichten, welche aus dem Stand der Technik bekannt sind, der Fall ist.
Tabelle 2:
Graphit [%] 5 10 15
MoS2[%]
15 91,8
20 98 100
40 65,8 67,4
60 47,5
<EMI ID=14.1>
Im Hinblick auf das selbstschmierende Verhalten wurde gefunden, dass eine Verbesserung der Eigenschaften erreicht werden kann, wenn MoS2-Plättchen eingesetzt werden, mit den bereits eingangs erwähnten Abmessungen.
N2004/17700 *
T5
Ebenso ist es von Vorteil, wenn der Graphit mit einer Korngrösse ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 2 [mu]m und einer oberen Grenze von 8 [mu]m eingesetzt wird.
Eine weitere Verbesserung der Eigenschaften, insbesondere der Verschleissbeständigkeit gegenüber Kavitation sowie der Korrosionsbeständigkeit, sowohl im Einlaufverhalten als auch im Dauerlaufbetrieb, ist zu erreichen, wenn mit der erfindungsgemäss zusammengesetzten Polymerschicht 4 ein Lagerelement 1 hergestellt wird, bei dem diese Polymerschicht 4 ein Rauheitsprofil aufweist,
mit Werten für die Rauheitsprofilhöhe Rz nach den DIN ISO 4287 bzw. ASME B 46.1 bzw. arithmetischen Mittenrauwerten Ra ebenfalls nach dem DIN ISO 4287 bzw. ASME B 46.1, entsprechend den bereits angeführten Werten bzw. ausgewählt aus den angeführten Bereichen.
Die Herstellung des erfindungsgemässen Lagerelementes 1 erfolgt derart, dass auf einen metallischen Stützkörper 2 die Lagermetallschicht 3 mit aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, wie z.B. Walzen, Giessen, Sintern, elektrolytische Abscheidung, mit Hilfe Sputterverfahren, erzeugt wird. Auf diese Lagermetallschicht 3 kann die erfindungsgemässe Polymerschicht 4 ebenfalls mit aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, wie z.B. Sprühverfahren oder Streichverfahren, erzeugt werden, wobei diese Polymerschicht abschliessend noch wärmebehandelt werden kann.
Entsprechende Vorbehandlungen sind ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt, sodass sich eine weitere Erörterung an dieser Stelle erübrigt.
Die erfindungsgemässe Polymerschicht 4 eignet sich insbesondere auch zur Ausrüstung von Lagerelementen 1 für Motoren, wobei diese Polymerschicht 4 als Schutzschicht bzw. "Verpackungsschicht" verwendet wird, um eine Materialübertragung von der Welle auf das Lagermetall bzw. Lagerelement 1 und damit eine Mikroverschweissung, welche infolge zum Ausfall des Motors führt, zu vermeiden. Um diese Wirkung zu erzielen bzw. zu verstärken, ist es auch möglich, die Welle selbst mit der Polymerschicht 4 zu beschichten.
Generell kann also die Polymerschicht 4 als so genannte Schutzschicht gegen diese Mikroverschweissung, verursacht durch Materialübertragung von einem gelagerten Bauteil auf ein entsprechendes Lagerbauteil verwendet werden.
N2004/17700 T6-"
Für diese Ausbildung einer Schutzschicht bzw. "Verpackungsschicht" für den Transport bereits zusammengebauter Motoren mit stehender Welle, sind neben der insbesondere geeigneten, erfindungsgemässen Polymerschicht 4 auch Polymerschichten auf die Basis von Polytetraflourethylen, Polyimidharzen, Epoxyharzen, Phenolharzen, Polyamid 6, Polyamid 66, Polyoxymethylen, Silikonen, Polyaryletherketonen, Polyaryletheretherketonen, Polyvinylidendiflouriden, Polyethylensulfiden sowie Mischungen daraus einsetzbar, wobei auch diesen Polymeren wiederum selbstschmierende Zusätze, wie z.B.
MoS2, Graphit, hexagonales BN, diverse Metallsulfide, etc., zugesetzt sein können, ebenso wie bereits erwähnte Hartpartikel.
Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten des Lagerelementes 1, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt.
Es sind also auch sämtliche denkbaren Ausführungsvarianten, die durch Kombinationen einzelner Details der dargestellten und beschriebenen Ausführungsvariante möglich sind, vom Schutzumfang mitumfasst.
Der Ordnung halber sei abschliessend daraufhingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus Lagerelementes 1 dieses bzw. dessen Bestandteile teilweise unmassstäblich und/oder vergrössert und/oder verkleinert dargestellt wurden.
Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrunde liegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden.
N2004/17700 - t
Bezugszeichenaufstellung Lagerelement Stützkörper Lagermetallschicht Polymerschicht
N2004/17700
The invention relates to a bearing element having a metallic support body, a bearing metal layer arranged above it and a polymer layer arranged above it, wherein the polymer layer comprises a polyimide resin, molybdenum disulfide (MoS 2) and graphite, a motor with a shaft which is supported by a bearing element Bearing element comprises at least one metallic support body and a bearing metal layer arranged above it, and the use of a lubricating varnish of a polymer.
Coatings of tribologically stressed components or surfaces should meet a wide variety of requirements. On the one hand, a coating that is as low-friction as possible is desired, which is relatively soft and, as a result, can adapt well to wear-related abrasion and the sliding partner.
On the other hand, a sufficiently high mechanical stability and strength must be given in order to be able to absorb not only the static but also dynamic vibration loads and thus increase the fatigue strength and the service life. The developments, for example in the engine industry, are moving in the direction of higher specific performances in order to increase the efficiency and thus the economic efficiency and the environmental compatibility of internal combustion engines, particularly with regard to increasingly stringent exhaust gas standards. From this development, a variety of components of an internal combustion engine are affected, such as by the very high torques and the continuously increasing ignition pressures for optimizing the combustion process, such as a direct-injection turbo diesel engine, very heavily loaded radial plain bearings.
Due to the efficient injection systems of these engines, the components of the injection pumps and their measuring instruments or by the higher performance of other components, such as rams, pins or rollers, which are slidably stressed, exposed to these high loads. Often, aluminum alloys are used for these components because
N2004 / 17700 '"
, '2 -' can be achieved with basically a good relationship between achievable properties and costs incurred.
Recent developments in this field - although their use in principle in this area has been known for some years - increasingly show the use of so-called antifriction coatings.
Thus, e.g. DE 22 06400 A a composite material with a metallic support body and an adhesive connected to the support body friction or
Sliding layer of thermally highly resilient plastics, the thermosetting polyimide resins and the running properties of the bearing improving additives such as polytetafluoroethylene, metallic bearing alloys or the like., Wherein the friction or the sliding layer, the polyimide resins and the Laufingenschaft improving additives as a mixture of fine-grained or finely powdered form , And contains as a binder polyimide varnish, which binds both the fine-grained or finely powdered mixture in the friction or sliding layer as well as the friction or sliding layer itself connects to the support body. The overlay may contain between 70 and 20 wt .-% thermosetting polyimide resins and about 30 to 80 wt .-% self-lubricating additives.
Self-lubricating additives include graphite, molybdenum disulfide and oxides.
EP 0 939 106 A discloses a sliding layer material which contains PTFE or PTFE in combination with other fluorothermoplasts whose melting point is above 260 ° C. as the matrix material, at least one pulverulent polyaramid being present, the proportion of which is based on the Total amount of PTFE or the mixture of PTFE and other fluorothermoplastics and the polyaramid 10 to 50 vol .-%.
Also in EP 1 236914 A a sliding bearing is described, which has a resin coating on a bearing metal layer,
wherein the resin coating comprises a thermosetting resin having certain physical properties in an amount of 70 to 30% by volume offset with self-lubricating additives to an extent of 30 to 70% by volume, and wherein the Vickers hardness is not greater than 20. The resin may be, for example, a polyamide-imide resin.
As self-lubricating additives are molybdenum disulfide, graphite, boron nitride, tungsten disulfide, polytetrafluoroethylene, lead, etc. called.
N2004 / 17700
'' <*>
'-' 3 - <*>
Polymers for use as coating material of sliding elements are also described in the following documents:
US 5,525,246 A, JP 60-1424 A, EP 0984 182 A, JP 04-83914 A, JP 07-247493 A, GB 2 337 306 A, JP 09-79262 A, JP 2001/173644 A, DE 20 00 632 A DE 33 43 309 A, DE 32 21 785 A, WO 97/38046 A, EP 0 340839 A, EP 0044 577 A, EP 0340 838 A, DE 24 15 327 A, EP 060 725 A, DE 198 14 756 A , US 4,618,270 A, DE 25 04 833 A, FR 21 33 320 A, GB 2 384033 B, JP 53-007780 A.
The invention has for its object to provide a bearing element with a polymer coating available, which has improved properties.
This object of the invention is achieved independently by
that the content of the polyimide resin on the polymer layer of the bearing member is selected from a range having a lower limit of 60% and an upper limit of 80%, the portion of MoS 2 is selected from a range having a lower limit of 15% and an upper limit of 25% and the proportion of graphite is selected from a range with a lower limit of 5% and an upper limit of 15%, by a motor in which to prevent the transmission of material from the shaft to the bearing element with the shaft standing on the bearing metal layer Polymer layer is arranged, as well as by the use of a Gleitlackes for this purpose.
In comparison with bonded coatings already used in the sliding bearing sector, the composition according to the invention surprisingly shows, despite the high proportion of MoS 2 and graphite in the polyimide resin,
an unexpected improvement in the wear resistance of the bearing element. Not to be expected therefore, since with decreasing polyimide resin, the u.a. As a binder for the friction-reducing additives would be expected that the cohesion of the layer is deteriorated that this ultimately "crumbles". Due to the selected proportion of MoS2und graphite, in particular the ratio of the proportion of MoS2zu graphite, this does not occur, the Applicant at this time has no explanatory theory. However, an interaction between the MoS2 and graphite particles is suspected.
N2004 / 17700
In addition to the improved wear resistance, the inventive bearing element further achieves an improvement in the cavitation resistance.
In addition, a reduced susceptibility to corrosion was found.
It is also advantageous that the polymer layer according to the invention can be applied directly to the bearing metal layer, i. that a, commonly used in the art from the prior art plain bearings, nickel layer is no longer required as a diffusion barrier, so that a bearing element according to the invention is not only at least equivalent to conventional multilayer plain bearings in terms of its mechanical property, but also a corresponding cost advantage in the production of Inventive bearing element can be achieved.
Furthermore, it is advantageous that the polymer layer according to the invention is not limited to special bearing elements,
but according to the current knowledge can be applied to any bearing metal.
In the past, bearing failures have occurred in aluminum bearing materials, presumably due to material transfer and micro-welding of the bearing material to the shaft caused by micromotion. Such transfers of material may occur when the shaft is resting on the bearing but the whole system is subject to micromovements, e.g. when transporting an assembled engine to the job site, or operating multiple engines side by side, not all running simultaneously. In the case of the motor according to the invention, this is advantageously prevented by the polymer layer, since this layer has virtually no affinity for the steel.
But even if a material transfer takes place to a lesser extent, for example by the embedding of the lubricating varnish in the surface roughness profile of the shaft, this also poses no problem, since a subsequently formed Gleitlack - Gleitlack - pairing a still low coefficient of friction than the pairing Gleitlack -Stahl has.
In embodiments of the invention, the proportion of the polyimide resin may be selected from a range having a lower limit of 65% and an upper limit of 75% and a lower limit of 67.5% and an upper limit of 72.5%, respectively the proportion of the polyamide resin is 70%.
N2004 / 17700 -'5 *
It is also advantageous that the proportion of MoS2 is selected from a range with a lower limit of 17% and an upper limit of 22% or a lower limit of 18.5% and an upper limit of 21.5% or
that the proportion of MoS220% is.
Furthermore, it is provided in further developments that the proportion of graphite selected from a range with a lower limit of 7% and an upper limit of 13% and an upper limit of 8.5% and an upper limit of 11.5% or that the proportion of graphite is 10%.
In all these variants - or in all the following information on lower and upper limits - it is possible that the respective shares, if necessary, from the respective marginal areas between the lower limits or
upper limits are selected.
It has proven to be particularly advantageous if a polyamideimide resin is used as the polyimide resin for the polymer layer.
By means of the above-mentioned measures, it is not only possible to achieve an optimization with respect to all the properties of the polymer layer, but it is thus also possible to selectively effect individual properties, such as e.g. the wear resistance, corrosion resistance, resistance to Reibverschweissung, etc., adapt to the particular application, even if it goes along with the fact that the other properties of the polymer layer are not improved to the same extent.
The MoS2 platelets may have an average length selected from a range with a lower limit of 10 μm and an upper limit of 40 μm or
a lower limit of 15 μm and an upper limit of 35 μm or a lower limit of 18 μm and an upper limit of 25 μm and / or an average width selected from one Range with a lower limit of 10 [mu] m and an upper limit of 40 [mu] m, or a lower limit of 15 [mu] m and an upper limit of 35 [mu] m, or a lower limit of 18 μm and an upper limit of 25 μm and / or an average height selected from a range with a lower limit of 2 nm and an upper limit of 20 nm
N2004 / 17700
-'6- " <*> Or. a lower limit of 5 nm and an upper limit of 15 nm or
a lower limit of 5 nm and an upper limit of 8 nm.
It is also possible that a graphite having a grain size selected from a range having a lower limit of 2 μm and an upper limit of 8 μm is contained.
The ratio of MoS2 to graphite may be selected according to an embodiment of the invention from a range with a lower limit of 1.5: 1 and an upper limit of 4.5: 1.
It is thus possible to vary the self-lubricating behavior of the polymer layer over wide limits, so that, if appropriate, taking into account the respective proportions of MoS 2 or
Graphite, i. If the proportions of these two additives to the polyimide resin vary, in turn at least one of the properties of the polymer layer can be particularly adapted to the respective application.
The bearing metal layer may be formed by an alloy selected from a group comprising aluminum-based alloys, tin-based alloys, lead-based alloys, copper-based alloys, CuPb-based alloys, AlSn-based alloys, alloys on AlZn, AlSi, AlSnSi, CuAl, CuSn, CuZn, CuSnZn, CuZnSn, CuBi and AlBi basis, and these are well known in terms of their properties from the relevant literature on bearing elements, so that further discussion at this point is unnecessary.
It is thereby achieved the advantage that the adhesion of the polymer layer is improved on these bearing metal materials even without the use of any required adhesion promoter layers.
As already mentioned, it is also advantageous to arrange the polymer layer directly on the bearing metal layer, so that commonly used apertured barrier layers, e.g.
Nickel dams, can be dispensed with.
It is also possible, in particular with a sufficient adhesive strength, that the bearing metal layer is arranged directly on the support body, ie again without the arrangement of intermediate layers and adhesion promoters, whereby the structure of the bearing element can be simplified and thus, if necessary, the manufacturing costs can be reduced.
N2004 / 177Ö0 It has also proved advantageous in the course of testing the bearing element according to the invention that it is advantageous if the surface of the polymer layer has an arithmetic mean roughness Ra according to DIN EN ISO 4287 or
ASME B 46.1, selected from a range with a lower limit of 0.2 [mu] m and an upper limit of 1.5 [mu] m and a lower limit of 0.5 [mu] m and an upper limit of 1.0 [mu] m or a lower limit of 0.8 [mu] m and an upper limit of 0.9 [mu] m, or if, according to further embodiments, the surface of the polymer layer has a maximum roughness profile height Rz according to DIN EN ISO 4287 or
ASME B 46.1, selected from a range with a lower limit of 0.5 [mu] m and an upper limit of 10 [mu] m or a lower limit of 3 [mu] m and an upper limit of 8 [mu] m ] m or a lower limit of 5 [mu] m and an upper limit of 6 [mu] m.
These measures on the one hand ensures that during the break-in phase due to the profile tips a - seen in relation to the entire inner surface of the bearing element - lower contact surface is formed to be supported shaft and thus a lower friction than solely due to the material selection or
a polyimide resin-steel pairing would be expected prevails and on the other hand, after this run-in phase of these tips, if necessary, ground down so far that the bearing has the required clearance tolerances.
The polymer layer may have an average thickness selected from a range having a lower limit of 1 μm and an upper limit of 40 μm or a lower limit of 3 μm and an upper limit of 30 μm. mu] m or a lower limit of 4 [mu] m and an upper limit of 25 [mu] m, whereby the bearing element in turn to the particular application, such as
Large storage or small warehouse, can be adjusted and thus in long-term reliably seized, consistent properties of the bearing element a corresponding cost optimization can be achieved.
The polymer layer advantageously has a hardness according to Vickers, selected from a range with a lower limit of 20 HV and an upper limit of 45 HV, or a lower limit of 22 HV and an upper limit of 35 HV and a lower limit of 25 HV and an upper limit of 30 HV,
N2004 / 17700 'S- "" improved sliding properties with sufficient fatigue strength of the bearing element can be achieved.
In particular, the bearing element as a plain bearing shell or
half-shell or bearing bush formed.
The polymer layer used in a standing shaft motor for a bearing element is formed in particular by a polymer layer having a composition according to the invention. But it is also possible that the polymer layer is formed by a polymer selected from a group comprising polytetrafluoroethylene, polyimide resins, epoxy resins, phenolic resins, polyamide 6, polyamide 66, polyoxymethylene, silicones, polyaryletherketones, polyaryletherketones, polyvinylidene diflourides, polyethylene sulfides, whereby a appropriate adaptation to the expected movement can take place, since these polymers have quite different properties, in particular with regard to the material transfer from the shaft to the bearing element,
which is caused by the micromotion.
The polymer layer may further contain friction reducing additives, e.g. MoS2, graphite, boron nitride (hexagonal), tungsten disulfide [iota] d, PTFE, lead, are added, so that this polymer layer can be used not only as a "transport lock", but at least in the running-in phase of the engine, a correspondingly reduced sliding friction between the bearing element and the shaft is formed.
As already mentioned, on a bearing element, a bonded coating of a polymer, in particular selected from a group comprising polytetrafluoroethylene, polyimide resins, epoxy resins, phenolic resins, polyamide 6, polyamide 66, polyoxymethylene, silicones, polyaryletherketones, polyaryl ether ether ketones, polyvinylidene diflourides, polyethylene sulfides,
for producing a polymer layer as a protective layer for preventing the transfer of material from a standing wave to the bearing element. It is thus possible to complete engines directly at the producer, without having to make any special arrangements or without running the risk that material welding of the bearing material takes place on the shaft due to the transport of the already finished engines.
It is thus possible such components pre-assembled to the respective customers, in particular the automotive industry, which is known to take the path multiplied
N2004 / 17700 to purchase finished components, with lower component failure rates.
For a better understanding of the invention, this will be explained in more detail with reference to the following figures.
Each shows in a schematically simplified representation:
1 shows a bearing element according to the invention in the form of a plain bearing half shell;
Fig. 2 is a diagram in which the respective limit load in dependence on varying proportions of MoS2und graphite, is shown.
By way of introduction, it should be noted that in the differently described embodiments, the same parts are provided with the same reference numerals or the same component names, wherein the disclosures contained in the entire description can be analogously applied to the same parts with the same reference numerals or component names. Also, the location information chosen in the description, such as top, bottom, side, etc. related to the immediately described and illustrated figure and are to be transferred to a new position analogously to the new situation.
Furthermore, individual features or combinations of features from the illustrated and described different embodiments may also represent separate, inventive or inventive solutions.
The bearing element 1 according to FIG. 1 is constructed from a supporting body 2, a bearing metal layer 3 and a polymer layer 4 as a running layer. The support body 2 is usually made of steel, but can of course also consist of comparable materials, with which the same or a similar function, namely the provision of the mechanical strength of the bearing element 1, can be realized. The mechanical strength of the entire bearing element 1 is dependent on the particular field of use, so that, for example, a wide variety of copper alloys, such as. Brass, bronzes, can be used.
In addition, a certain dimensional stability is ensured by the support body 2.
N2004 / 1770Ö ro-- <>
The bearing metal layer 3 is formed by a bearing metal alloy. This consists in this embodiment of an aluminum matrix in which at least one soft phase and hard particles are embedded. The at least one soft phase can be formed by at least one element from a first elemental group comprising tin, antimony, indium and bismuth. The hard particles may e.g. be formed of at least one element of a second element group comprising copper, manganese, cobalt, chromium and iron or by the elements scandium and / or zirconium.
It is also possible that these hard particles are constructed by intermetallic phases, in particular from the latter elements or the elements of the second element group with aluminum or by intermetallic phases formed from said elements.
Of course, however, any other known from the prior art soft phases and / or hard particles may be included in the bearing metal alloy.
With the aid of the soft phase, it is possible to impart runflatment properties to the bearing element 1 if defects occur in the polymer layer 4 as a result of the operation of the bearing element 1 and thus the bearing metal layer 3 is at least approximately directly connected to a component to be supported, e.g. a wave, comes into contact.
Thus, the bearing element 1 is also given an embedding capability for solid particles originating from the abrasion as a result of the use of the bearing element 1. The hard particles give the aluminum alloy the required mechanical strength.
As bearing metal layer 3, in particular alloys based on tin, bismuth, indium, lead or aluminum as well as alloys based on, optionally highly lead, CuPb or AlSn or AlBi based. In particular, higher tin-containing tin-based alloys are advantageous. Lead-free copper-based alloys are also usable.
Useful bearing metals based on copper would be, for example, CuPb22Sn2, CuPblOSn10, CuPbl5Sn7, CuSn6, CuSn4 Znl.
In particular, lead-free copper alloys based on CuAl, CuSn, CuZn, CuSnZn, CuZnSn and CuBi are advantageous in view of the lower environmental impact.
Useful bearing metals based on tin would be, for example, SnSb8Cu4, SnSbl2Cu6Pb.
N2004 / 17700 II
Useful lead-based bearing metals would be, for example, PbSblOSn [omicron], PbSbl5Sn10, PbSbl5SnAs.
Aluminum-based bearing metals may e.g. AlSn40, AlSn20, AlSn25, AlSnlO, AlSn6, etc.
It is also possible AlZn-based bearing metals, such as AlZn-based bearing metals. AlZn4SiPb, or AlSiBase, e.g. AlSil lCuMgNi, or AlSnSi base, e.g.
AlSn20Si4, to use.
According to the invention, the polymer layer 4 consists of a polyimide resin, molybdenum disulfide, and graphite, wherein the proportion of the polyimide resin to the polymer layer 4 is selected from a range with a lower limit of 60% and an upper limit of 80%, the MoS2 portion selected from a Range with a lower limit of 15% and an upper limit of 25% and the proportion of graphite selected from a range with a lower limit of 5% and an upper limit of 15%.
If necessary, this polymer layer 4 may contain further additives to increase the mechanical strength, such as fiber matrices, such as e.g. Aramid fibers, hard materials, e.g. Carbides, oxides, nitrides.
Such additives are already known from the prior art for this type of polymer layers 4 for bearing elements 1, for example from EP 1 263 914 AI. So it is e.g. It is possible to use hard materials of CrO 2, FE 3 O 4, PbO, ZnO, CdO, Al 2 O 3, SiO 2, SnO 2, SiC, Si 3 N, the proportion of which being within the usual limits, such as, for example. cited in this EP-AI, can move.
It is particularly advantageous if hard particles are used to adjust the coefficient of friction, which are already contained in the overlay layer 3.
It is also particularly advantageous if a ratio between the proportions of MoS 2 and graphite in the polymer layer 4 is selected from a range of 1.5: 1 to 4.5: 1, for example 1: 5: 1 to 2.5:
1.
With the composition according to the invention for the polymer layer 4, it is possible to realize a running layer with good sliding and emergency running properties, which possibly even allows dry running. This is characterized in particular by low maintenance. It is a low-lubricant or lubrication-free operation possible.
N2004 / 1770Ö
#o * #o
1 * 2 -
If necessary, lubrication by water can be achieved, which is particularly advantageous when the bearing element 1 according to the invention is e.g. used for pumps.
In addition to a corresponding weight reduction, a lower edge pressure sensitivity is observable.
The bearing element 1 according to the invention can also be used elsewhere, for example as a stop ring, sliding bushing, etc., in particular for use in the engine industry, instead of forming a plain bearing half shell, as shown in FIG.
In Table 1, examples of compositions selected from the inventive ranges of the proportions of polyimide resin, MoS2 and graphite for the polymer layer 4 are compiled, these are of course not to be construed as limiting the invention, but these examples merely show the inventive character.
Table 1:
No.
PA I (%) MoS2 (%) graphite (%)
1 60 25 15
2 62 25 13
3 65 20 15
4 68 17 15
5 70 20 10
6 72 20 8
7 61 25 14
8 65 23 12
9 70 25 5
<EMI ID = 12.1>
N2004 / 177ÖÖ 10 75 15 10
11 65 25 10
12 77 15 8
13 78 12 10
14 80 15 5
<EMI ID = 13.1>
With this composition, bearing elements 1 were each made, consisting of a steel support shell, on which a CuPb22Sn2 bearing metal and thereon the polymer layer 4 is applied.
It has been shown in the following investigations that very similar properties of the bearing element 1 result with this composition, so that in the following only by way of example these properties will be discussed with reference to a bearing element 1 with a polymer layer 4 containing 70% polyimide resin, 20% MoS 2 and 10% Graphite.
Based on a limit load against friction welding of 100% for this inventive bearing shows in comparison to a standard bearing from the prior art with a PTFE coating on AlSn 40 only a worse by about 87% value under the same experimental conditions.
The wear resistance was measured on a bearing with the same dimensions and the same lubrication conditions.
It has been shown that the polymer layer 4 according to the invention achieves an approximately 8 times better value in terms of wear resistance in comparison with a PTFE layer.
In further investigations, the inventive polymer layer 4 of this composition was on the one hand also on a bearing metal layer of CuPb22Sn2 or
AlSn 25 was applied and it was found that the wear resistance within +/- 5% of that value, which is achieved with AlSn40, varies, from which it follows that the inventive polymer layer 4 at least on all common Lagererme-
N2004 / 1770Ö <#>
-4- <#> can be applied without seriously changing the excellent properties.
Corresponding improvements could also be achieved with regard to corrosion.
In Fig. 2, the feeding limit load is plotted in percent against the graphite portion and the MoS2 portion in each case in percent, wherein for the composition 70% resin, 20% MoS2 and 10% graphite, the value 100% normalized, and can the respective achieved values Table 2 are taken.
From this graph, it can be seen very clearly that the composite polymer layer 4 according to the invention, i. bearing members 1 provided therewith have significantly better values of the feeding limit load than is the case with corresponding polyimide resin layers which are known from the prior art.
Table 2:
Graphite [%] 5 10 15
MoS2 [%]
15 91.8
20 98 100
40 65.8 67.4
60 47.5
<EMI ID = 14.1>
With regard to the self-lubricating behavior, it has been found that an improvement in the properties can be achieved when MoS2 flakes are used, with the dimensions already mentioned in the introduction.
N2004 / 17700 *
T5
It is also advantageous if the graphite is used with a grain size selected from a range with a lower limit of 2 μm and an upper limit of 8 μm.
A further improvement of the properties, in particular the wear resistance against cavitation and the corrosion resistance, both in run-in behavior and in endurance running operation, can be achieved if a bearing element 1 is produced with the polymer layer 4 assembled according to the invention, in which this polymer layer 4 has a roughness profile,
with values for the roughness profile height Rz in accordance with DIN ISO 4287 or ASME B 46.1 or arithmetic mean roughness Ra likewise in accordance with DIN ISO 4287 or ASME B 46.1, in accordance with the values already stated or selected from the ranges cited.
The production of the bearing element 1 according to the invention takes place in such a way that, on a metallic support body 2, the bearing metal layer 3 is provided with methods known from the prior art, such as e.g. Rolling, casting, sintering, electrolytic deposition, using sputtering, is generated. The polymer layer 4 according to the invention can likewise be applied to this bearing metal layer 3 by methods known from the prior art, such as e.g. Spray method or coating method, are produced, this polymer layer can be finally heat treated.
Corresponding pretreatments are also known from the prior art, so that a further discussion at this point is unnecessary.
The polymer layer 4 according to the invention is also particularly suitable for equipping bearing elements 1 for motors, this polymer layer 4 being used as a protective layer or "packaging layer" in order to transfer material from the shaft to the bearing metal or bearing element 1 and thus to a micro-weld resulting from to failure of the engine leads to avoid. In order to achieve or enhance this effect, it is also possible to coat the shaft itself with the polymer layer 4.
In general, therefore, the polymer layer 4 can be used as a so-called protective layer against this micro-fusion, caused by material transfer from a mounted component to a corresponding bearing component.
N2004 / 17700 T6- "
For this formation of a protective layer or "packaging layer" for the transport of already assembled engines with standing wave, in addition to the particularly suitable polymer layer 4 according to the invention are also polymer layers based on polytetrafluoroethylene, polyimide resins, epoxy resins, phenolic resins, polyamide 6, polyamide 66, polyoxymethylene , Silicones, polyaryletherketones, polyaryletheretherketones, polyvinylidene-difluorides, polyethylene-sulfides and mixtures thereof can be used, wherein these polymers in turn self-lubricating additives, such as
MoS2, graphite, hexagonal BN, various metal sulfides, etc. may be added, as well as already mentioned hard particles.
The embodiments show possible embodiments of the bearing element 1, wherein it should be noted at this point that the invention is not limited to the specifically illustrated embodiments thereof, but also various combinations of the individual embodiments are mutually possible and this variation possibility due to the teaching of technical action representational invention in the skill of those skilled in this technical field.
There are therefore also all possible embodiments, which are possible by combinations of individual details of the illustrated and described embodiment, the scope of protection.
For the sake of order, it should finally be pointed out that, for a better understanding of the structure of bearing element 1, this or its constituent parts have been shown partly unassembled and / or enlarged and / or reduced in size.
The problem underlying the independent inventive solutions can be taken from the description.
N2004 / 17700 - t
Reference Designation Bearing Element Support Body Bearing Metal Layer Polymer Layer
N2004 / 17700