AT507924A2

AT507924A2 - Gleitelement

Info

Publication number: AT507924A2
Application number: AT0027410A
Authority: AT
Original assignee: Daido Metal Co
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2010-02-23
Publication date: 2010-09-15
Also published as: CN101813132B; JP2010196813A; DE102010002236A1; CN101813132A; KR20100097036A; AT507924A3

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitelement, das besonders geeignet ist zur Verwendung als Lager für einen Verbrennungsmotor, insbesondere als Kreuzkopflager für einen Zweitaktdieselmotor.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Bei Gleitelementen wie Lagern für Verbrennungsmotoren, insbesondere bei Hauptlagem, die einen Kurbelwelle tragen oder bei Kurbelzapfenlagem an Pleuelstangenköpfen, rotieren Wellen kontinuierlich in einer Richtung, relativ zu den Gleitflächen der Lager, so dass zwischen den Gleitflächen des Lagers und der Welle ein Ölfilm gebildet wird und durch die sogenannte hydrodynamische Schmierung ein gleitender Zustand erreicht wird. Dadurch kommen die Gleitfläche des Lagers und die Gleitfläche der rotierenden Welle kaum miteinander in Kontakt und es wirkt nur eine geringe Kraft (Schubspannung) auf die Gleitfläche ein.

Im Gegensatz dazu wird bei Kreuzkopflagem für Schiffsmotoren die relative Gleitgeschwindigkeit zwischen der Welle und der Gleitfläche periodisch Null, da die Gleitfläche und die Welle eine oszillierende Bewegung relativ zueinander ausführen. Dadurch ist die Ausbildung eines Ölfilms zwischen der Welle und der Gleitfläche erschwert. Insbesondere dann, wenn sich die relative Richtung des Gleitens zwischen der Welle und der Gleitfläche ändert, gleiten die Welle und die Gleitfläche, während sie in direktem Kontakt miteinander sind, so dass eine starke Kraft (Schubspannung) auf die Gleitfläche einwirkt. Daher werden für Kreuzkopflager für Schiffsmotoren Gleitelemente benötigt, die in der Lage sind, die Reibung bei Kontakt mit der Welle zu verringern und die nicht leicht brechen.

Gemäß dem Stand der Technik werden Kreuzkopflager eingesetzt, bei denen eine Nickelschicht galvanisch aufgebracht ist auf der Oberfläche einer Aluminiumlagerlegierung, die ihrerseits auf einer Stahlstützschicht aufgebracht ist, und darauf wird des Weiteren ein etwa 20 pm dicker Überzug aus Blei aufgalvanisiert. Bei Kreuzkopflagem ist die Verwendung eines Bleiüberzugs weit verbreitet, da dieser weich und hochgradig formanpassungsfähig ist und die Bildung eines Ölfilms dadurch erleichtert Es ergibt sich jedoch das Problem des Festfressens infolge plastischer Verformung, die verursacht wird durch den Kontakt zwischen der Welle und der Gleitfläche oder durch die abnutzungsbedingte Freilegung der Nickelschicht. Außerdem verursacht Blei

Umweltprobleme, da es eine umweltgefährdende Substanz ist.

Bei anderen herkömmlichen Kreuzkopflagem ist die Verwendung von Harzschichten vorgeschlagen worden, die aus einem Harzbindemittel und einem Festschmierstoff bestehen, ·· · «· ··· ·· 2 um die voranstehend beschriebenen Probleme bei Verwendung eines Bleiüberzugs zu vermeiden. So wird beispielsweise gemäß der JP-A-07-238936 auf der Oberfläche einer Aluminiumlagerlegierung eine 2 bis 10 pm starke Harzüberzugsschicht gebildet und die Gleiteigenschaften des Gleitlagers werden dadurch verbessert, dass die Harzschicht 55 bis 98 Gew.-% eines Festschmierstoffs enthält. Gemäß der JP-A-09-125176 wird die Beständigkeit eines Gleitlagers gegen Festfressen dadurch verbessert, dass eine Cu-Ag-Sn-Lagerlegierungsschicht gebildet wird, und die Formanpassungsfähigkeit der Welle wird dadurch verbessert, dass auf der Lagerlegierungsschicht eine weiche Metall- oder Harzschicht mit einer Dicke von 1 bis 25 pm als Überzug gebildet wird. Gemäß der JP-A-2006-308099 wird auf einer Lagermetallschicht eine 1 bis 40 pm starke Harzschicht gebildet und die Beständigkeit gegen Abrieb, Kavitation und Korrosion wird dadurch verbessert, dass die Harzschicht als Festschmierstoff 15 bis 25 Vol.-% Molybdändisulfid oder 5 bis 15 Vol.-% Graphit enthält.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der JP-A-07238936 wird auf der Oberfläche einer Aluminiumlagerlegierung eine 2 bis 10 pm starke Harzschicht gebildet, die bis zu 55 bis 98 Gew.-% eines Festschmierstoffs enthält, um die Gleiteigenschaften der Harzschicht zu verbessern. Da der Festschmierstoff in einer solchen Schicht bei einer Hitzebehandlung kaum schrumpft, während das Harzbindemittel vergleichsweise stark schrumpft, bilden sich an der Oberfläche der Harzschicht leicht Unregelmäßigkeiten, d.h. die Rauigkeit der Oberfläche erhöht sich. Je höher das Verhältnis des Volumenanteils des Festschmierstoffs zum Volumenanteil des Harzbindemittels ist, umso höher ist die Wahrscheinlichkeit eines Kontakts zwischen Teilchen des Festschmierstoffs, da der Raum zwischen den Teilchen durch das Harzbindemittel ungenügend ausgefüllt wird, und infolgedessen verringert sich die Festigkeit der Harzschicht. Bei Lagern z.B. für die Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, bei denen die Welle relativ zur Gleitfläche kontinuierlich in einer Richtung rotiert, bildet sich zwischen der Gleitfläche und der Welle ein beständiger Ölfilm. Aus diesem Grund kommt es weniger häufig zu einem Kontakt zwischen der Gleitfläche und der Welle und es wird nur eine geringe Kraft (Schubspannung) auf die Gleitfläche ausgeübt, sodass sich auch bei Verwendung einer Harzschicht mit rauer Oberfläche oder geringer Festigkeit kein Problem ergibt. Wenn eine solche Harzschicht jedoch für Lager wie z.B. Kreuzkopflager verwendet wird, bei denen es zu einem häufigen Kontakt zwischen der Gleitfläche und der Welle kommt und eine starke Schubspannung auf die Gleitfläche ausgeübt wird, kommt es zu einem Festfressen oder Brechen der Harzschicht.

Auch wenn eine auf einer Cu-Ag-Sn-Lagerlegierungsschicht als Überzug gebildete weiche Metall- oder Harzschicht eine Dicke von 1 bis 25 pm aufweist, wie dies in der JP-A-09-125176 beschrieben wird, dürfte sich dieser Überzug abnutzen. In der genannten ·* ·· • · · · • · · ί • · · t • · · · ·« ·· ·· ♦ ··. ·· 3

Druckschrift wird ausgeführt, dass es lediglich notwendig sei, dass der Überzug eine Dicke aufweist, die erforderlich ist, um eine Formanpassungsfahigkeit gegenüber der Welle zu erreichen, da die Gleitlegierungsschicht hervorragende Gleiteigenschaften aufweise. Bei Lagern, wie z.B. Kreuzkopflagem, bei denen die Welle und die Gleitfläche häufig miteinander in Kontakt kommen, tritt jedoch ein Festfressen auf, wenn sich der Überzug abgenutzt hat.

Obwohl die Harzschicht Molybdändisulfid oder Graphit als Festschmierstoff enthält, so wie dies in der JP-A-2006-308099 beschrieben ist, ist die an der Gleitfläche vorhandene Menge an festem Schmierstoff gering, da die Obergrenze des Gehalts an festem Schmierstoff 40% (bezogen auf das Volumen) beträgt, sodass der Reibungskoeffizient bei Kontakt zwischen der Welle und dem Festschmierstoffhoch ist. Daher kommt es bei Lagern, wie z.B. Kreuzkopflagem, bei denen es zu einem häufigen Kontakt mit der Welle kommt, zu einem Festfressen in der Harzschicht. Außerdem weist von den Festschmierstoffen Molybdändisulfid eine sehr dünne und flache Form auf mit einer durchschnittlichen Breite von 10 bis 40 pm und einer durchschnittlichen Höhe von 5 bis 15 nm, und die flache Oberfläche ist parallel zur Gleitfläche ausgerichtet. Daher wird Molybdändisulfid durch Scherkräfte, die durch Kontakt mit der Welle verursacht werden, leicht gebrochen, was zu einer Verringerung der Festigkeit der Harzschicht fuhrt.

Bei Lagern, wie z.B. Kreuzkopflagem, bei denen es zu einem häufigen Kontakt mit der Welle kommt, bestehen, wir voranstehend dargelegt, miteinander im Widerspruch stehende Anforderungen, einerseits eine große Menge Festschmierstoff verwenden zu müssen, um die Beständigkeit der Harzschicht gegen Festfressen gering zu halten, und andererseits eine geringe Menge Festschmierstoff verwenden zu müssen, um die Festigkeit der Harzschicht aufrecht zu erhalten. Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf diese Umstände gemacht und ihre Aufgabe besteht darin, ein Gleitelement bereitzustellen, bei dem die Beständigkeit gegen Festfressen aufrechterhalten wird, ohne die Festigkeit der Harzschicht zu verringern, auch wenn die Harzschicht eine große Menge an Festschmierstoff enthält.

Um diese Aufgabe zu lösen, stellt die Erfindung ein Gleitelement bereit, das eine Harzschicht umfasst, die auf einer Oberfläche eines Trägermaterials gebildet ist. Die Harzschicht enthält ein Harzbindemittel und insgesamt 40 bis 60 Vol.-% eines Festschmierstoffs.

Der Festschmierstoff enthält Graphit und Molybdändisulfid und genügt den folgenden Bedingungen (a) bis (c): (a) das Verhältnis der durchschnittlichen Teilchengröße Xg des Graphits zur durchschnittlichen Teilchengröße Xm des Molybdändisulfids genügt der Formel: 2 <Xg/Xm< 10; (b) das Verhältnis des Gehalts in Vol.-% des Graphits Vg zum Gehalt in Vol.-% des Molybdändisulfids Vm genügt der Formel: 0,2 < Vg/Vm < 2; und (c) der Parameter Vg, der die Gesamtoberfläche des Festschmierstoffs darstellt, genügt der Formel: Vg/Xg + Vm/Xm < 0,55.

Gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung umfasst das Harzbindemittel mindestens eines der Materialien Polyamidimidharz, Polybenzimidazolharz und Polyimidharz.

Gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung weist der Graphit eine durchschnittliche Teilchengröße Xg von 2 bis 8 pm auf.

Gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung weist der Graphit eine durchschnittliche Teilchengröße Xg von nicht mehr als 45% der Dicke der Harzschicht auf.

Gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung umfasst die Harzschicht des Weiteren nicht mehr als 20 Vol.-%, relativ zur Gesamtmenge des Harzbindemittels, von mindestens einem der Materialien Polyethersulfon, Polyamid, Polyphenylensulfid und Polytetrafluorethylen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Beständigkeit gegen Festfressen aufrecht erhalten werden, ohne die Festigkeit der Harzschicht zu verringern, auch wenn die Harzschicht aus einem Harzbindemittel und 40 bis 60 Vol.-% eines Festschmierstoffs besteht, da der Festschmierstoff aus Graphit und Molybdänsulfid besteht und den Beziehungen (a) bis (c) genügt. Wenn die Gesamtmenge des Festschmierstoffs andererseits weniger als 40 Vol.-% beträgt, erhöht sich der Reibungskoeffizient bei Kontakt mit der Welle, was zu einem Festfressen an der Harzschicht führt. Wenn die Gesamtmenge der Festschmierstoffe mehr als 60 Vol.-% beträgt, verringert sich das Verhältnis von Harzbindemittel zu Festschmier stoffen und die Festschmierstoffe können nicht ausreichend festgehalten werden, was zu einer Verringerung der Festigkeit der Harzschicht fuhrt.

Gemäß der Beziehung (a) beträgt das Verhältnis der durchschnittlichen Teilchengröße Xg des Graphits zu der durchschnittlichen Teilchengröße Xm des Molybdändisulfids nicht weniger als 2 und nicht mehr als 10 (2 <Xg/Xm < 10). In Figur 4 ist gezeigt, dass, wenn nur ein Festschmierstoff 22 mit kleinerer durchschnittlicher Teilchengröße in dem Harzbindemittel 21 verteilt ist (Figur 4A) oder wenn nur ein Festschmierstoff 23 mit größerer durchschnittlicher Teilchengröße in dem Harzbindemittel 21 verteilt ist (Figur 4B), relativ große Zwischenräume zwischen den Festschmierstoffteilchen bestehen und der Festschmierstoff ein großes scheinbares Volumen einnimmt. Wenn im Gegensatz dazu ein Festschmierstoff 22 mit kleinerer durchschnittlicher Teilchengröße und ein Festschmierstoff 23 mit größerer durchschnittlicher Teilchengröße in dem Harzbindemittel 21 verteilt ist (Figur 4C), nimmt der Festschmierstoff 22 mit der kleineren durchschnittlichen Teilchengröße die Zwischenräume zwischen dem Festschmierstoff 23 mit der größeren Teilchengröße ein und der Festschmierstoff weist ein kleineres scheinbares Volumen auf. Die Unregelmäßigkeiten an der Oberfläche der Harzschicht, die durch Unterschiede in der Schrumpfung zwischen dem Harzbindemittel und dem Festschmierstoff bei Hitzebehandlung verursacht werden, sind daher gering, selbst wenn eine große Menge an Molybdänsulfid mit 5 ·· ·· 1 · · 1 · · ! • · · * ·· • · kleinerer durchschnittlicher Teilchengröße und Graphit mit größerer durchschnittlicher Teilchengröße als Festschmierstoffe eingesetzt werden. Da der Kontakt zwischen Teilchen der festen Schmierstoffe verhindert wird, wird auch eine Verringerung der Festigkeit der Harzschicht verhindert. Die Form des Festschmierstoffs ist nicht auf die in Figur 4 gezeigte sphärische Form beschränkt und kann ovale oder andere unregelmäßige Formen einschließen.

Wenn das Verhältnis der durchschnittlichen Teilchengrößen im Gegensatz dazu weniger als 2 beträgt, ist der Unterschied zwischen den durchschnittlichen Teilchengrößen gering und das Molybdändisulfid, das die geringere durchschnittliche Teilchengröße aufweist, kann deshalb nicht in ausreichendem Maß die Zwischenräume zwischen den Graphitteilchen mit der größeren durchschnittlichen Teilchengröße einnehmen, sodass sich das scheinbare Volumen der Festschmierstoffe nicht verringert. Wenn das Verhältnis der durchschnittlichen Teilchengrößen mehr als 10 beträgt, besteht ein Unterschied in den durchschnittlichen Teilchengrößen und das Molybdändisulfid mit der geringeren durchschnittlichen Teilchengröße ist im Vergleich zu dem Graphit mit der größeren durchschnittlicheren Teilchengröße zu klein, sodass sich das scheinbare Volumen der Festschmierstoffe erhöht. Daher kann das Harzbindemittel nicht in ausreichendem Maße eindringen, was zu einer Verringerung der Festigkeit der Harzschicht führt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Festigkeit der Harzschicht erhöht werden, indem Graphit mit größerer durchschnittlicher Teilchengröße und Molybdändisulfid mit kleinerer durchschnittlicher Teilchengröße als Festschmierstoffe verwendet werden. Es wird angenommen, dass dies auf folgendem Mechanismus beruht: Molybdändisulfid und Graphit, die kommerziell verfügbare Festschmierstoffe sind, liegen im Allgemeinen in Form von Pulvern vor. Molybdändisulfid besteht aus flachen Teilchen und weist eine Schichtstruktur mit zahlreichen Spaltungsebenen in der zur flachen Oberfläche parallelen Richtung auf. Graphit liegt demgegenüber in Form körniger Teilchen vor und weist keine Spaltungsebenen in Richtung der Teilchenoberfläche auf. Deshalb wird davon ausgegangen, dass, wenn man Molybdändisulfid- und Graphitpulver miteinander vergleicht, die Molybdändisulfidteilchen eine richtungsabhängige Festigkeit aufweisen und leicht in der zur flachen Oberfläche parallelen Richtung gespalten werden, während Graphitteilchen keine solche richtungsabhängige Festigkeit aufweisen. Daher ist Graphit relativ betrachtet fester als Molybdändisulfid. Anders ausgedrückt kann Molybdändisulfid durch die auf die Gleitfläche ausgeübte, durch Kontakt mit der Welle verursachte Scherkraft leicht zerstört werden.

Wenn jedoch Molybdändisulfid mit geringerer durchschnittlicher Teilchengröße verwendet wird, wird die Scherkraft verteilt und die auf jedes einzelne Molybdändisulfidteilchen einwirkende Scherkraft wird gering. Dadurch kann die Zerstörung der Molybdändisulfidteilchen unterdrückt werden. Obgleich auch innerhalb des Harzbindemittels Scherkräfte wirken, können diese Scherkräfte durch die hohe Festigkeit der ·· • · • · ··♦ ·· ·· ··· • ··. ·· · · • · ! • · · • · · ··· ·· 6

Graphitteilchen verringert werden, da der in dem Harzbindemittel verteilte Graphit eine größere durchschnittliche Teilchengröße aufweist. Aufgrund der voranstehend dargelegten Tatsachen wird davon ausgegangen, dass eine sehr hohe Festigkeit der Harzschicht aufrechterhalten wird durch Verteilen von Graphit mit größerer durchschnittlicher Teilchengröße und Molybdänsulfid mit kleinerer durchschnittlicher Teilchengröße als Festschmierstoffe, und zwar auch dann, wenn die Harzschicht große Mengen der Festschmierstoffe enthält.

Gemäß der Beziehung (b) kann die Beständigkeit gegen Festfressen aufrechterhalten werden, ohne die Festigkeit der Harzschicht zu verringern, indem der Bereich für das Verhältnis des Gehalts in Vol.-% an Graphit Vg zum Gehalt in Vol.-% an Molybdändisulfid Vm festgelegt wird als 0,2 < Vg/Vm < 2. Dabei zeigt Molybdändisulfid starke Gleiteigenschaften, wenn eine Scherkraft auf die Gleitfläche wirkt, da seine Spaltungsebenen in der Richtung parallel zur Gleitfläche orientiert sind und die geschichteten Spaltungsebenen der Scherung unterworfen werden. Da Graphit im Gegensatz dazu keine ausgerichteten Spaltungsebenen aufweist, unterliegt der Graphit kaum der Scherung, wenn eine Scherkraft auf die Gleitfläche einwirkt, obgleich Graphit geringfügig schlechtere Gleiteigenschaften als Molybdändisulfid aufweist. Demgemäß sollte die Harzschicht eine große Menge Graphit enthalten, um die Festigkeit der Harzschicht zu erhöhen, während sie eine große Menge Molybdändisulfid enthalten sollte, um die Gleiteigenschaften zu verbessern. Deshalb ist es wichtig, ein Gleichgewicht der zugegebenen Mengen zu erzielen. Wenn das Verhältnis der zugegebenen Mengen andererseits weniger als 0,2 beträgt, wird der Gehalt an Graphit zu gering und die Wirkung der Verbesserung der Festigkeit der Harzschicht tritt nicht ein. Wenn das Verhältnis der zugegebenen Mengen größer als 2 ist, wird der Gehalt an Graphit zu groß und der Reibungskoeffizient bei Kontakt mit der Welle erhöht sich, was zu einem Festfressen an der Harzschicht führt.

Gemäß der Bedingung (c) wird der Bereich für den Parameter, der die Gesamtoberfläche des Festschmierstoffs darstellt, so festgelegt, dass gilt Vg/Xg + Vm/Xm < 0,55; dadurch wird verhindert, dass die Gesamtoberfläche des Festschmierstoffs in der Harzschicht zu groß wird und die Verringerung der Festigkeit der Harzschicht kann somit vermieden werden. Wenn der Parameter, der die Gesamtoberfläche des FestschmierstofFs darstellt, andererseits größer als 0,55 wird, weist der Festschmierstoff eine große Gesamtoberfläche auf und die Festigkeit der Harzschicht verringert sich. Der Grund hierfür besteht darin, dass der Festschmierstoff und das Harzbindemittel durch van-der-Waals-Kräfte miteinander verbunden sind, sodass die Haftung zwischen dem Festschmierstoff und dem Harzbindemittel nicht stark ist. Wenn die Gesamtoberfläche des Festschmierstoffs groß ist, kommen Teilchen des Festschmierstoffs miteinander in Kontakt und das Harzbindemittel kann nicht in ausreichendem Maße eindringen, sodass sich die Festigkeit der Harzschicht beträchtlich verringert. ·· ··« • · · ! • · · < • · · • · · 7

Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform besteht das Harzbindemittel aus mindestens einem der Harze Polyamidimidharz (nachfolgend bezeichnet als „PAI-Harz“), Polybenzimidazolharz (nachfolgend bezeichnet als ,,ΡΒΙ-Harz“) und Polyimidharz (nachfolgend bezeichnet als „PI-Harz“). Diese Harze weisen hervorragende Hitzebeständigkeit auf und sind als Harzbindemittel in Gleitelementen geeignet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausföhrungsform weist der Graphit eine durchschnittliche Teilchengröße Xg von 2 bis 8 pm auf. Wenn der Graphit eine durchschnittliche Teilchengröße Xg von weniger als 2 pm aufweist, wird die Teilchengröße zu klein und die Wirkung der Verbesserung der Festigkeit der Harzschicht tritt nicht ein. Wenn der Graphit eine durchschnittliche Teilchengröße Xg von mehr als 8 pm aufweist, besitzt die Harzschicht eine erhöhte Oberflächenrauigkeit und daher eine verringerte Beständigkeit gegen Festfressen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Graphit eine durchschnittliche Teilchengröße Xg von nicht mehr als 45% der Dicke der Harzschicht auf. Wenn die Harzschicht dünn ist und der Graphit eine durchschnittliche Teilchengröße Xg von mehr als 45% der Schichtdicke aufweist, zeigt die Harzschicht eine erhöhte Oberflächenrauigkeit und daher eine verringerte Beständigkeit gegen Festfressen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Harzschicht des Weiteren nicht mehr als 20 Vol.-%, bezogen auf die Gesamtmenge des Harzbindemittels, von mindestens einem der Materialien Polyethersulfon, Polyamid (nachfolgend bezeichnet als „PA-Harz“), Polyphenylensulfld und Polytetrafluorethylen (nachfolgend bezeichnet als „PTFE-Harz“). Durch Zugabe dieser Harze zu dem Harzbindemittel, wird die Härte des Harzbindemittels verringert und die Formanpassungsfahigkeit der Harzschicht kann erhöht werden. Wenn der Gehalt mehr als 20 Vol.-%, bezogen auf die Gesamtmenge des Harzbindemittels beträgt, wird die Härte des Harzbindemittels zu gering und die Festigkeit der Harzschicht dadurch verringert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 ist eine schematische Ansicht eines Kreuzkopfmechanismus.

Figur 2 ist eine schematische strukturelle Ansicht eines Oszillationstests.

Figur 3 ist eine schematische Ansicht eines Querschnitts eines Kreuzkopflagers gemäß den Beispielen der vorliegenden Erfindung.

Figur 4A ist eine schematische Ansicht eines Festschmierstoffs 22 mit geringerer durchschnittlicher Teilchengröße, verteilt in einem Harzbindemittel 21.

Figur 4B ist eine schematische Ansicht eines Festschmierstoffs 23 mit größerer durchschnittlicher Teilchengröße, verteilt in einem Harzbindemittel 21. t ·· ·· • · · • · ! • · · • · ·· »· ·· ··· ·· 8

Figur 4C ist eine schematische Ansicht eines Festschmierstoffs 22 mit kleinerer durchschnittlicher Teilchengröße und eines Festschmierstoffs 23 mit größerer durchschnittlicher Teilchengröße, verteilt in einem Harzbindemittel 21.

GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Figur 1 ist eine schematische Ansicht eines Kreuzkopfmechanismus 1, der zu einem Kolben 3 eines Schiffsmotors gehört.

In Figur 1 unterstützt der Kreuzkopfmechanismus 1 für einen Schiffsmotor schwenkbar die Welle 5, die am unteren Ende der Kolbenstange 4 befestigt ist, die mit dem Kolben 3 verbunden ist, der in dem Zylinder 2 gleitet. Der Kreuzkopfmechanismus 1 umfasst: ein Kreuzkopflager 6, bei dem eine Gleitschicht gebildet ist zwischen der Welle 5 und der Gleitlageroberfläche; und ein Lagergehäuse 7, das das Kreuzkopflager 6 einschließt. Der Kreuzkopfmechanismus 1 ist am oberen Ende der Pleuelstange 8 angeordnet, deren unteres Ende die Kurbelwelle 9 rotierbar lagert.

Bei dem wie voranstehend beschrieben konstruierten Schiffsmotor wird die Hin- und Herbewegung des Kolbens 3 über die Pleuelstange 8 in eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle 9 umgewandelt. Dabei wird das in dem Lagergehäuse 7 untergebrachte Kreuzkopflager 6 der Hin- und Herbewegung der Pleuelstange 8 in dem Kreuzkopfmechanismus 1 unterworfen, sodass die Bildung eines Ölfilms auf der Lageroberfläche erschwert ist und die Welle 5 und die Gleitfläche leicht miteinander in Kontakt kommen. Aus diesem Grund ist es bei dem Kreuzkopflager 6, bei dem es häufig zu einem solchen Kontakt mit der Welle 5 kommt, erforderlich, sowohl die Festigkeit als auch die Beständigkeit gegenüber Festfressen der Harzschicht sicherzustellen.

Figur 3 zeigt eine schematische Ansicht eines Querschnitts des Kreuzkopflagers 6. Das Kreuzkopflager 6 weist eine Konfiguration auf, bei der eine Harzschicht 12, die als Gleitfläche dient, auf der Oberfläche einer Aluminiumlagerlegierungsschicht 11 gebildet ist, die an eine Stahlplatte 13 gebunden ist, die ein Stützmetall darstellt. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform besteht die Harzschicht 12 aus: einem hitzebeständigen Harz, wie z.B. einem PAI-Harz, einem PBI-Harz oder einem PA-Harz als Hauptkomponente; und Graphit mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 1 bis 7 pm und Molybdändisulfid mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,5 bis 3 pm als Festschmierstoffe in einer Gesamtmenge von 40 bis 60 Vol.-%. Die durchschnittlichen Teilchengrößen der Festschmierstoffe wurden zuvor nach dem Laserbeugungsverfahren bestimmt.

Die Produkte der Beispiele, bei denen die Harzschicht 12 gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet ist, und die Produkte der Vergleichsbeispiele wurden anschließend einem Oszillationstest unterworfen. Zur Herstellung der Produkte der Beispiele und 9

Vergleichsbeispiele für den Oszillationstest wurde eine flache Platte hergestellt durch Aufbringen einer Aluminiumlagerlegierungsschicht 11 auf einer Stahlplatte 13, die als Trägermetall fungiert, und dies wurde zu einer Lagerhalbschale mit einem äußeren Durchmesser von 110 mm, einer Breite von 40 mm und einer Dicke von 5 mm weiterverarbeitet. Die Lagerhalbschale wurde einer Entfettung unterworfen und die Oberfläche der Lagerlegierungsschicht 11 wurde durch Strahlen aufgeraut. Nach dem Waschen und Trocknen wurde eine durch Verdünnen der in den Beispielen 1 bis 10 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 10 in Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzungen mit einem organischen Lösungsmittel (N-Methyl-2-pyrrolidon) hergestellte Zusammensetzung auf die voranstehend beschriebene Oberfläche der Lagerlegierungsschicht 11 durch Sprühen mit Luft aufgebracht. Das organische Lösungsmittel wurde anschließend durch Trocknen entfernt und die resultierende Struktur wurde einer 60-minütigen Hitzebehandlung bei 180°C unterworfen. Die Dicke der Harzschicht 12 wurde auf 20 pm eingestellt.

In Vergleichsbeispiel 11 wurde eine 3 pm starke Ni-Schicht auf die Lagerlegierungsschicht 11 der voranstehend beschriebenen Lagerhalbschale galvanisch abgeschieden und anschließend wurde ein 20 pm starker Pb-Sn-Cu-Überzug galvanisch abgeschieden.

Der Oszillationstest wurde mit dem in Figur 2 gezeigten Oszillationstestgerät 30 durchgeführt. Bei dem Oszillationstestgerät 30 sind eine oszillierende Welle und eine Testwelle 31 miteinander verbunden durch eine Pleuelstange und die Testwelle 31 wird durch einen (nicht gezeigten) Kurbelmechanismus in Oszillation versetzt. Ein Stützlagergehäuse 32, das ein Stützlager 33 einschließt, das an der Testwelle 31 anliegt, ist über der Welle 31 angeordnet, und mittels einer (nicht gezeigten) hydraulischen Pumpe wird eine variable Last über das Stützlagergehäuse 32 aufgebracht. Unter der Testwelle 31 ist ein Testlager 34 mit erfmdungsgemäßer Harzschicht 12 auf einem tragenden Tisch 35 angebracht. Über einen Ölzufuhrpfad 36 wird dem voranstehend beschriebenen Stützlager 33 und dem Testlager 34 Schmieröl zugeführt.

Der Test wurde mit dem voranstehend beschriebenen Oszillationstestgerät 30 eine Stunde lang bei voreingestellten Lasten durchgeführt und das Brechen der Harzschicht 12 wurde visuell beobachtet. Die Testergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben. Die Testbedingungen in dem Oszillationstestgerät sind in Tabelle 2 beschrieben. Insbesondere wurde ein Grenzlasttest zur Bestimmung der Festigkeit und der Beständigkeit gegen Festfressen des Testlagers 34 nach folgendem Verfahren durchgeführt: Die Oszillationsgeschwindigkeit der Testwelle 31, bestehend aus einem Lagermaterial aus S45C mit einer maximalen Rauigkeit der Welle von durchschnittlich 0,8 pm, wurde auf 300 min'1 eingestellt und der Oszillationswinkel wurde auf ± 20° eingestellt. Der Maximalwert Pwmax des Lagerflächendrucks wurde allmählich erhöht und es wurde der kritische Lagerflächendruck gemessen, bei dem kein Abplatzen oder Festfressen in dem Testlager 34

10 auftrat, wobei dieses eine Lagergröße von 100 mm (Durchmesser) x 40 mm (Länge) x 5 mm (Dicke) besaß.

[Tabelle 1]

Testergebnisse (maximaler Oberflächendruck ohne Abplatzen) llOMPa 120MPa lOOMPa 90MPa lOOMPa 80MPa lOOMPa lOOMPa 90MPa | llOMPa Abplatzen bei 50 MPa 50MPa 50MPa Abplatzen bei 50 MPa Festfressen bei 50 MPa o vo 50MPa 60MPa Festfressen bei 50 MPa Abplatzen bei 50 MPa Festfressen bei 50 MPa Merkmale gemäß Anspruch 1 Vg/Xg + Vm/Xm o 0,24 0,26 0,30 o cT 0,54 0,46 CO θ' CO θ' cs <Ί. ο 0,64 0,37 0,16 o CO θ' 0,18 0,39 0,34 0,25 0,15 0,52 Cu-Sn-Cu-Überzug Vg/Vm 0,6 0,5 0,7 0,7 0,6 0,6 IN θ' IN θ' 0,7 in «n θ' in ινλ θ' 1 0,8 1 0,6 0,1 CO 0,6 Xg/Xm 2,3 2,3 ! cn <N 2,3 o 2,3 2,3 (N IN 0,3 CN 1 CO ri 1 2,3 COft 2,3 Gesamtmenge an FestschmierstofFen (Vol.-%) 40 45 50 09 40 40 50 50 50 50 45 50 50 45 35 50 65 40 40 40 Gehalt (Vol.-%) Molybdändisulfid (pm) _1 co 30 30 20 30 30 in 25 30 30 35 20 45 20 40 35 o θ' 25 30 20 in θ' 25 30 25 Graphit (pm) 20 20 20 in 3,5 in m 20 25 in in 30 «n 20 in 25 in ! 30 30 PA Ο PBI 09 09 55 50 50 09 09 PAI 09 55 50 40 50 50 40 50 50 55 65 35 09 CS CO TT in Ό 00 σ\ o CS CO in VO 00 o\ o 1“H pidspa |a;dsT3qspoi3[gi9A • ♦ · · · ·· · ··

12 [Tabelle 2]

Parameter Wert Einheit Lagergröße φ100 x λ40 xt5 mm Oszillationsgeschwindigkeit 300 min1 Oszillationswinkel ±20 O Schmieröl „Marine Oil“ SS30 - Ölzufuhrtemperatur 70 °c Ölzufuhrmenge 50 cm3/min Material der Welle S45C - Rauigkeit der Welle 0,8 Rmax pm Legierungsmaterial Al-40 Massen-% Sn -

Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, wurden, während Festschmierstoffe mit der gleichen durchschnittlichen Teilchengröße verwendet wurden und die zugegebenen Mengen von Graphit und Molybdändisulfid in den Beispielen 1 und 4 verändert wurden, gute Ergebnisse mit maximalen Oberflächendrücken ohne Abplatzung von mehr als 90 MPa erhalten, weil die Beziehungen (a) bis (c) eingehalten wurden.

In den Beispielen 5 und 6 wurden 15 Vol.-% Graphit und 30 Vol.-% Molybdändisulfid zugegeben und die durchschnittliche Teilchengröße des Molybdändisulfids wurde verändert. In beiden Beispielen wurden gute Ergebnisse mit maximalen Oberflächendrücken ohne Abplatzung von 80 MPa oder mehr erzielt.

In den Beispielen 3, 7 und 8 wurden 20 Vol.-% Graphit und 30 Vol.-% Molybdänsulfid zugegeben und die durchschnittliche Teilchengröße des Graphits und des Molybdändisulfids wurde verändert. Gute Ergebnisse mit maximalen Oberflächendrücken ohne Abplatzung von 100 MPa wurden erzielt, soweit die Beziehung (a) eingehalten wurde.

In Beispiel 9 wurde PA-Harz anstelle eines Teils des in Beispiel 8 verwendeten PAI-Harzes verwendet und ein gutes Ergebnis mit einem maximalen Oberflächendruck ohne Abplatzung von 90 MPa wurde erzielt.

In Beispiel 10 wurde ein höherer maximaler Oberflächendruck ohne Abplatzung erzielt, da der Anteil an Graphit mit hoher Festigkeit im Vergleich zu Beispiel 3 erhöht wurde.

In Vergleichsbeispiel 1 wurden 15 Vol.-% Graphit zugegeben und es wurden Graphit mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 3,5 pm und Molybdändisulfid mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,5 pm verwendet, so wie in Beispiel 6, der Gehalt an • ·

·· 13

Molybdändisulfid wurde jedoch gegenüber Beispiel 6 verändert. Obwohl in Beispiel 6 ein gutes Ergebnis erzielt wurde, trat in Vergleichsbeispiel 1, bei dem 30 Vol.-% Molybdändisulfid zugegeben worden waren, bei 50 MPa Abplatzung auf, weil der Gehalt außerhalb des Bereichs gemäß der Beziehung (c) lag.

In Vergleichsbeispiel 2 wurden verglichen mit Beispiel 10 30Vol.-% Graphit und 20 Vol.-% Molybdändisulfid verwendet, die durchschnittliche Teilchengröße des

Molybdändisulfids war jedoch größer als diejenige des Graphits. Obwohl in Beispiel 10 ein gutes Ergebnis erzielt wurde, war der maximale Oberflächendruck ohne Abplatzung in Vergleichsbeispiel 2 mit 50 MPa gering, weil Vergleichsbeispiel 2 außerhalb des Bereichs gemäß Beziehung (a) lag.

In Vergleichsbeispiel 3 wurden 20Vol.-% Graphit und 30Vol.-% Molybdändisulfid zugegeben und es wurde Graphit mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 3,5 pm verwendet verglichen mit Beispiel 3, die durchschnittliche Teilchengröße des

Molybdändisulfids wurde jedoch gegenüber Beispiel 3 verändert. Obwohl in Beispiel 3 ein gutes Ergebnis erzielt wurde, war der maximale Oberflächendruck ohne Abplatzung in Vergleichsbeispiel 3, bei dem Molybdändisulfid mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 3 pm zugegeben worden war, mit 50 MPa gering, weil Vergleichsbeispiel 3 außerhalb des Bereichs gemäß der Beziehung (a) lag.

In Vergleichsbeispiel 4 wurden 45 Vol.-% Molybdändisulfid mit nur einem Typ von durchschnittlicher Teilchengröße zugegeben; da das scheinbare Volumen der Festschmierstoffe jedoch groß war und die Oberfläche der Harzschicht bei der Hitzebehandlung unregelmäßig wurde, trat Abplatzung bei 50 MPa auf.

In Vergleichsbeispiel 5 wurden Festschmierstoffe mit der gleichen durchschnittlichen Teilchengröße wie in Beispiel 1 verwendet und es wurden 15 Vol.-% Graphit zugegeben; verglichen mit Beispiel 1 wurde der Gehalt an Molybdändisulfid jedoch verändert. Obwohl in Beispiel 1 ein gutes Ergebnis erzielt wurde, trat in Vergleichsbeispiel 5, bei dem 20 Vol.-% Molybdändisulfid zugegeben worden waren, Festfressen bei 50 MPa auf, weil die Gesamtmenge der Festschmierstoffe außerhalb des Bereichs von 40 bis 60 Vol.-% lag.

In Vergleichsbeispiel 6 wurden Molybdändisulfide mit verschiedenen durchschnittlichen Teilchengrößen verwendet, da jedoch kein Graphit zugegeben wurde, ergab sich keine Wirkung der Verbesserung der Festigkeit der Harzschicht und der maximale Oberflächendruck ohne Abplatzung war mit 60 MPa gering.

In Vergleichsbeispiel 7 wurden Festschmierstoffe mit der gleichen durchschnittlichen Teilchengröße wie in Beispiel 4 verwendet, das Molybdändisulfid wurde jedoch in größerer Menge zugegeben, wobei die Gesamtmenge an Graphit und Molybdändisulfid mehr als 60 Gew.-% betrug. Obwohl in Beispiel 4 ein gutes Ergebnis erzielt wurde, war der maximale Oberflächendruck ohne Abplatzung in Vergleichsbeispiel 7, bei dem 40 Vol.-% ·» «* • · · • · · · · · · · · · · • · · · · · ··· 14

Molybdändisulfid zugegeben worden waren, mit 50 MPa gering, weil die Gesamtmenge der Festschmierstoffe außerhalb des Bereichs von 40 bis 60 Vol.-% lag.

In den Vergleichsbeispielen 8 und 9 liegt das Verhältnis der Menge an Graphit zur Menge an Molybdändisulfid (in Vol.-%) außerhalb des Bereichs gemäß der Beziehung (b). Da der Gehalt an Graphit in Vergleichsbeispiel 8 nur 5 Vol.-% betrug, verringerte sich die Festigkeit der Harzschicht und der maximale Oberflächendruck ohne Abplatzung war mit 60 MPa gering. Da der Gehalt an Molybdändisulfid in Vergleichsbeispiel 9 nur 10 Vol.-% betrug, waren die Gleiteigenschaften ungenügend und Festfressen trat bei 50 MPa auf.

In Vergleichsbeispiel 10 wurden, wie in Beispiel 6, 15 Vol.-% Graphit und 25 Vol.-% Molybdändisulfid zugegeben, Abplatzung trat jedoch bei 50 MPa auf, weil Vergleichsbeispiel 10 außerhalb des Bereichs gemäß der Beziehung (a) liegt.

In Vergleichsbeispiel 11 wurde ein herkömmlicher Bleiüberzug verwendet und der Überzug wurde durch Kontakt mit der Welle verschlissen und die darunterliegende Nickelschicht freigelegt, was zu Festfressen bei 50 MPa führte.

Wie sich aus der voranstehenden Darlegung ergibt, zeigen die erfindungsgemäßen Beispiel 1 bis 10, dass mit einem Kreuzkopflager 6 mit einer Harzschicht 12, bestehend aus einem Harzbindemittel und insgesamt 40 bis 60 Vol.-% Festschmierstoff an der Oberfläche der Lagerlegierungsschicht 11, gute Ergebnisse mit maximalen Oberflächendrücken ohne Abplatzung von mehr als 80 MPa erzielt werden, so dass eine hervorragende Wirkung erhalten wird, wobei es möglich ist, die Beständigkeit gegen Festfressen der Harzschicht aufrecht zu erhalten, ohne die Festigkeit der Harzschicht zu verringern, wenn der Festschmierstoff aus Graphit und Molybdändisulfid besteht und den folgenden Beziehungen (a) bis (c) genügt: (a) das Verhältnis der durchschnittlichen Teilchengröße Xg des Graphits zur durchschnittlichen Teilchengröße Xm des Molybdändisulfids genügt der Formel: 2 <Xg/Xm< 10; (b) das Verhältnis der Menge in Vol.-% des Graphits Vg zur Menge in Vol.-% des Molybdändisulfids Vm genügt der Formel: 0,2 < Vg/Vm < 2; und (c) der Parameter Vg, der die Gesamtoberfläche des Festschmierstoffs darstellt, genügt der Formel: Vg/Xg + Vm/Xm < 0,55. Während in den erfmdungsgemäßen Beispielen 1 bis 12 PAI-Harz oder PBI-Harz als Harzbindemittel verwendet wurde, kann auch ein hitzebeständiges Harz wie zum Beispiel PI-Harz verwendet werden. Obwohl in dem erfindungsgemäßen Beispiel 9 PA-Harz als eines der Harzbindemittel verwendet wurde, kann die Härte des Harzbindemittels auch verringert werden, um die F ormanpassungsfähigkeit der Harzschicht durch Zugabe eines thermoplastischen Harzes wie zum Beispiel Polyethersulfon, Polyphenylensulfid oder Polytetrafluorethylen zu erhöhen. Da die Härte des Harzbindemittels jedoch verringert wird und die Festigkeit der Harzschicht verringert wird, wenn eine zu große Menge des • · • · • ·· · ·· 15 thermoplastischen Harzes in dem Harzbindemittel enthalten ist, beträgt der Gehalt vorzugsweise nicht mehr als 20 Vol.-%.

Die Harzschicht 12 weist bevorzugt eine Dicke von 10 bis 40 μιη auf. Wenn die Dicke der Harzschicht 12 weniger als 10 pm beträgt, kann die Harzschicht 12 durch Anfangsverschleiß verschlissen werden. Wenn die Dicke der Harzschicht 12 mehr als 40 μιη beträgt, erhöhen sich nicht nur die Herstellungskosten, sondern es erhöht sich auch die Abweichung im Lagerspiel aufgrund des Unterschieds in der thermischen Ausdehnung zwischen der Harzschicht und der Welle.

Das Molybdändisulfid hat bevorzugt eine durchschnittliche Teilchengröße von nicht weniger als 0,5 pm. Wenn das Molybdändisulfid eine durchschnittliche Teilchengröße von weniger als 0,5 pm aufweist, wird die Gesamtoberfläche der Festschmierstoffe in der Harzschicht groß und die Festigkeit der Harzschicht verringert sich dadurch. Die erfindungsgemäßen Beispiele 1 bis 10 zeigen, dass die durchschnittliche Teilchengröße des Molybdändisulfids bevorzugt nicht weniger als 0,7 pm beträgt, denn die Ergebnisse in den Beispielen außer Beispiel 6, bei denen Molybdändisulfid mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von nicht weniger als 0,7 pm verwendet worden war, waren besser als in Beispiel 6, bei dem Molybdändisulfid mit einer geringeren durchschnittlichen Teilchengröße von 0,5 pm verwendet worden war.

Die vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf die voranstehend beschriebenen und in den Zeichnungen gezeigten Beispiele und kann wie folgt abgewandelt oder erweitert werden: Die Verfahren zur Aufrauung der Oberfläche der Lagerlegierungsschicht, die ein Trägermaterial ist, sind nicht beschränkt auf das Strahlen und schließen das Ätzen, thermische Spritzen oder die chemische Umwandlungsbehandlung ein. Verfahren zur Aufbringung einer Harzoberflächenschicht sind nicht beschränkt auf das Luftsprühen und können das Tampondrucken, das Siebdrucken oder das Rollendrucken umfassen. Die Trägermaterialien sind nicht beschränkt auf Lagerlegierungen und verschiedene Trägermaterialien können verwendet werden. Die erfindungsgemäße Harzschicht kann des Weiteren harte Teilchen enthalten, um die Abriebbeständigkeit zu erhöhen. Das erfindungsgemäße Gleitelement ist nicht beschränkt auf Kreuzkopflager für Verbrennungsmotoren von Schiffen, sondern kann auch verwendet werden als Gleitelement für andere Verbrennungsmotoren oder als Gleitelement für verschiedene andere Anwendungen als Verbrennungsmotoren.

Claims

16 PATENTANSPRÜCHE 1. Gleitelement, umfassend eine Harzschicht (12) auf einer Oberfläche eines Trägermaterials, wobei die Harzschicht (12) ein Harzbindemittel (21) und insgesamt 40 bis 60 Vol.-% eines Festschmierstoffs (22,23) enthält, wobei der Festschmierstoff (22, 23) Graphit und Molybdändisulfid umfasst und den Beziehungen (a) bis (c) genügt: (a) das Verhältnis der durchschnittlichen Teilchengröße Xg des Graphits zur durchschnittlichen Teilchengröße Xm des Molybdändisulfids genügt der Formel: 2 <Xg/Xm < 10; (b) das Verhältnis des Gehalts in Vol.-% des Graphits Vg zum Gehalt in Vol.-% des Molybdändisulfids Vm genügt der Formel: 0,2 < Vg/Vm < 2; und (c) der Parameter Vg, der die Gesamtoberfläche des Festschmierstoffs darstellt, genügt der Formel: Vg/Xg + Vm/Xm < 0,55.

2. Gleitelement nach Anspruch 1, wobei das Harzbindemittel (21) mindestens eines der folgenden Harze umfasst: ein Polyamidimidharz, ein Polybenzimidazolharz und ein Polyimidharz.

3. Gleitelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die durchschnittliche Teilchengröße Xg des Graphits 2 bis 8 pm beträgt.

4. Gleitelement nach Anspruch 3, wobei die durchschnittliche Teilchengröße Xg des Graphits nicht größer als 45% der Dicke der Harzschicht (21) ist.

5. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Harzschicht 12 des weiteren nicht mehr als 20 Vol.r%, bezogen auf die Gesamtmenge des Harzbindemittels (21), mindestens eines der Materialien Polyethersulfon, Polyamid, Polyphenylensulfid und Polytetrafluorethylen umfasst. Wien, am 23. Februar 2010 Daido Metal Company Ltd.