[0001] Diese Erfindung betrifft ein mehrere Schichten umfassendes Gleitlagermaterial mit einer Gleitfläche, die mit einer Schutzschicht versehen ist, die ein festes Schmiermittel enthält.
[0002] Ein Gleitlager wird üblicherweise eingesetzt als Lager für eine Kurbelwelle eines Boots- oder Kraftfahrzeugmotors. Das Gleitlager umfasst ein unterliegendes Stahlstück, mit dem eine Kupferlagerlegierung oder eine Aluminiumlagerlegierung gebondet ist. Eine Schutzschicht ist üblicherweise auf einer Oberfläche des Gleitlagers zur Verbesserung des Formanpassungsvermögens und des Abnutzungswiderstandes beschichtet.
[0003] Die JP-A-2000-27 868 beschreibt ein Gleitlager eines Bootsmotors mit einer Oberfläche, die beispielsweise mit selbstschmierenden Tetrafluoräthylen beschichtet ist.
Weiterhin beschreibt JP-A-58-108 299 ein Gleitlager eines Kraftfahrzeugmotors mit einer Oberfläche, die mit einer Schutzschicht beschichtet ist, die ein festes Schmiermittel umfasst, wie Graphit oder Molybdän-Disulfid, und ein Bindemittel, wie ein phenolisches Harz oder Epoxidharz.
[0004] Ein jedes der phenolischen Harze und Epoxidharze weist ein unzureichendes Formanpassungsvermögen auf, da jedes Harz, welches ein heissfixierendes Harz ist, eine grosse Härte aufweist. Fast kein Schmiermittel wird einem Motor zugeführt, wenn der Motor gestartet wird.
Insbesondere unter diesen Betriebsbedingungen beschädigen Abnutzungsstücke von der Gleitabnutzung zwischen dem Harz und einer Kurbelwelle die Schutzschicht, woraufhin die Schutzschicht bereits in einem frühen Stadium der veranschlagten Lebenszeit abgetragen ist.
[0005] Um die oben genannte Gleitabnutzung zu vermeiden, ist vorgeschlagen worden, dass die Schutzschicht ein weiches thermoplastisches Harz wie Tetrafluoräthylen umfasst. Jedoch weist das weiche thermoplastische Harz einen unzureichenden Abnutzungswiderstand auf. Weiterhin wird ein Kontaktabschnitt des thermoplastischen Harzes mit einer Dicke von ungefähr 10 Microm weiter ausgedünnt, wenn die Welle gebogen wird, um diese in lokalen Kontakt mit einem Ende des Lagers zu bringen, so dass die Schutzschicht zu einem frühen Stadium ihres Lebens verschlissen wird.
Im Ergebnis kommt die Lagerlegierung und die Welle in einen Metall-Metall-Kontakt zueinander, was zu einem Festfressen führen kann.
[0006] Daher ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein mehrschichtiges Gleitlagermaterial anzugeben, welches verhindern kann, dass die Schutzschicht in einem frühen Stadium aufgrund von Abnutzungsstücken abgetragen wird und sich nicht aufgrund des lokalen Kontaktes mit einem zugeordneten gegenüberliegenden Element festfressen kann.
[0007] Die vorliegende Erfindung schafft ein mehrschichtiges Gleitlagermaterial mit einer Schutzschicht, die eine Oberfläche mit einer Lagerlegierungsschicht abdeckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht ein Feststoffschmiermittel und einen Binder umfasst, welcher ein thermoplastisches Harz und ein heissfixierendes Harz umfasst,
welche beide in einem polaren Lösungsmittel löslich sind.
[0008] Wenn diese Harze in dem Lösungsmittel aufgelöst werden, wird das thermoplastische Harz und das heissfixierende Harz in vollständiger Weise miteinander in einer kleinen Einheit als ein Molekül vermischt. Der resultierende Binder weist eine zwischen dem thermoplastischen und dem heissfixierenden Harz dazwischenliegende Charakteristik auf. Daher ist die Schutzschicht schwer zu deformieren und weist eine relativ hohe Stärke auf, selbst wenn sie mit einem gegenüberliegenden Element in lokalen Kontakt gebracht wird. Daher kann für die Schutzschicht vermieden werden, dass diese früh abnutzt, und ferner kann ein Metall-Metall-Kontakt zwischen der Lagerlegierungsschicht und dem gegenüberliegenden Element vermieden werden.
Des Weiteren kann, da der Binder eine geeignete Härte aufweist, ein gewünschtes Formanpassungsvermögen erhalten werden. Selbst wenn der Binder durch das Gleiten gegen das gegenüberliegende Element abgenützt ist, kann für die Oberfläche der Schutzschicht verhindert werden, dass sie zu einem frühen Zustand ihrer veranschlagten Lebensdauer beschädigt wird.
[0009] Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfassen die thermoplastischen Harze einen Bereich zwischen 1 und 100 Volumenteilen, wenn das heissfixierende Harz bei 100 Volumenteilen ist. Wenn das thermoplastische Harz weniger als 1 Volumenteil ausmacht, hat der Binder Eigenschaften, die nahe dem des heissfixierenden Harzes liegen. Demgemäss weist der Binder dann ein niedriges Formanpassungsvermögen auf und wird aufgrund von Abnutzungsstücken, die auftreten, früh abgenutzt werden.
Weiterhin, wenn das thermoplastische Harz 100 Volumenteile übersteigt, weist der Binder Eigenschaften auf, die sehr ähnlich sind zu dem eines thermoplastischen Harzes. Da die Härte der Schutzschicht vermindert ist, wird der Widerstand gegenüber der Abnutzung vermindert und der Metall-Metall-Kontakt aufgrund des lokalen Kontaktes mit dem gegenüberliegenden Element findet dann eher statt.
[0010] Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schutzschicht nicht mehr als 80 Volumenprozent eines festen Schmiermittels. Das feste Schmiermittel vermindert den Reibungskoeffizienten der Schutzschicht.
Wenn das feste Schmiermittel 80 Volumenprozent übersteigt, werden die Prozente der heissfixierenden und thermoplastischen Harze in solch einer Weise reduziert, dass die festen Schmierstoffe nicht zurückgehalten werden können, womit die Stärke der Schutzschicht und demgemäss der Widerstand gegen Abnutzung der Schutzschicht vermindert werden.
[0011] Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schutzschicht nicht mehr als 5 Volumenprozent harter Partikel. Die harten Partikel verbessern die Abnutzungswiderstandsfähigkeit der Schutzschicht.
Wenn die harten Partikel 5 Volumenprozent übersteigen, werden die aggressiven Eigenschaften in solch einer Weise erhöht, dass das gegenüberliegende Element beschädigt wird oder die Schutzschicht durch den Schaden an dem gegenüberliegenden Element abgenutzt wird.
[0012] Die Erfindung wird nun in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:
[0013]
Fig. 1 : eine Querschnittsansicht durch ein Gleitlager gemäss einem Ausführungsbeispiel in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 : eine perspektivische Ansicht des Gleitlagers;
Fig. 3 : einen teilweisen Querschnitt durch eine Welle eines Bootsmotors; und
Fig. 4 : zeigt die Ergebnisse des Reibungstests, des Abnutzungstests und von einem Test bezüglich des Festfressens in Bezug auf das Gleitlager mit der Schutzschicht 10 des Ausführungsbeispiels und einem Gleitlager mit einer üblichen Schutzschicht.
[0014] Ein Ausführungsbeispiel gemäss der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung auf ein Gleitlager für eine Kurbelwelle eines Bootsmotors angewandt.
[0015] Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 wird ein Kurbelzapfenlager 1 für eine Welle des Bootsmotors dargestellt. Das Wellenlager 1 umfasst ein Lagergehäuse 2 und ein Gleitlager 3, welches im Lagergehäuse angeordnet ist. Das Lagergehäuse 2 umfasst einen Wellenstab 4, ein oberes Gehäuse 5, welches auf dem Wellenstab angeordnet ist, und ein unteres Gehäuse 6, welches auf einem unteren Abschnitt des oberen Gehäuses aufgesetzt ist. Das Gleitlager 3 umfasst zwei halbzylindrische Gleitlager 7, die oben und unten gegeneinander anstossen. Eines der halbzylindrischen Gleitlager 7 ist in der Fig. 2 dargestellt und jedes Gleitlager 7 wird im Folgenden als "halbes Gleitlager" bezeichnet.
Jedes Halblager 7 umfasst ein zugrunde liegendes Metallstück 8 aus einer Stahlplatte, eine Legierungsschicht 9 mit einer Aluminiumlagerlegierung, die mit dem Metallstück verbunden ist, und eine Schutzschicht 10, die auf einer Oberfläche (einer Lagerfläche), der Legierungsschicht, beschichtet ist, wie in der Fig. 1 dargestellt. Die Schutzschicht 10 wird mit einem geeigneten Beschichtungsmittel beschichtet, wie Sprayen, Abrollen oder Sprühen.
[0016] Die Schutzschicht 10 umfasst ein festes Schmiermittel und einen Binder, der weiterhin ein thermoplastisches Harz und ein heissfixierendes Harz umfasst. Die Dicke der Schutzschicht 10 beträgt zwischen 5 und 40 Microm und vorzugsweise zwischen 10 und 30 Microm. Das feste Schmiermittel der Schutzschicht 10 umfasst Polytetrafluoräthylen (PTFE), Molybdän-Disulfid (MoS2), Wolfram-Disulfid (WS2) oder Graphit (Gr).
Polyäthersulfon (PES), das in einem polaren Lösungsmittel löslich ist, wie Dimethylazetamid (DMAC), N-Methyl-2-Pyrrolidon (NMP), wird als thermoplastisches Harz verwendet. Polyamidimidharz (PAI) oder Epoxidharz (EP), die in einem polaren Lösungsmittel löslich sind, werden als das heissfixierende Harz eingesetzt.
[0017] In der Folge wird ein Verfahren zum Herstellen des Halblagers 7 beschrieben. Zuerst wird die Aluminiumlegierung zum Bonden an die Stahlplatte und die Aluminiumlagerlegierungsplatte aufeinander auf der Stahlplatte angeordnet, um in das zugrunde liegende Metallstück 8 ausgebildet zu werden, und dann durch Rollen in die Legierungsschicht 9 gepresst zu werden, wodurch ein Bimetall entsteht, welches die an der Stahlplatte fixierte Legierungsschicht umfasst. Ein kleines Stück mit vorbestimmten Dimensionen wird aus dem Bimetall erhalten.
Dieses Stück wird in ein unbeschichtetes Zwischenprodukt gefaltet. Nachfolgend wird ein vorbestimmter Bearbeitungsschritt auf das Zwischenprodukt angewandt und danach eine erste vorläufige Behandlung durchgeführt, die ein Entfetten und Entgraten oder Säurereinigen auf dem Zwischenprodukt bewirkt.
[0018] Auf der anderen Seite wird das feste Schmiermittel wie PTFE, MoS2, WS2, oder Gr zu dem polaren Lösungsmittel wie DMAC oder NMP hinzugefügt. Weiterhin wird ein Hartpartikelstoff wie TiO2 etc., ein thermoplastisches Harz wie PES und ein heissfixierendes Harz wie PAI oder EP zu dem polaren Lösungsmittel hinzugefügt, falls notwendig. Diese Materialien werden zusammen gemischt und verrührt, so dass eine Dispersionsflüssigkeit hergestellt wird.
Das thermoplastische Harz und das heissfixierende Harz werden in dem Lösungsmittel aufgelöst, um vollständig miteinander vermischt zu werden, um ein einziges Molekül zu bilden. In diesem Falle ist es bevorzugt, dass die Schutzschicht nicht mehr als 80 Volumenprozent des festen Schmiermittels enthalten soll. Es ist weiterhin bevorzugt, dass das thermoplastische Harz zwischen 1 und 100 Volumenteile aufweist, wenn das heissfixierende Harz 100 Volumenteile umfasst, insbesondere das heissfixierende Harz in der aus thermoplastischem Harz und heissfixierendem Harz bestehenden Dispersionsflüssigkeit diese auf 100 Volumenteile ergänzt.
Zusätzlich ist es bevorzugt, wenn die harten Partikel hinzuzufügen sind, dass die Schutzschicht nicht mehr als 5 Volumenprozent harte Partikel umfassen soll.
[0019] Das Zwischenprodukt, auf welchem die vorläufige Behandlung durchgeführt worden ist, wird auf 120 deg. C aufgeheizt. Die Dispersionsflüssigkeit wird auf eine Oberfläche der Legierungsschicht 9 des Zwischenproduktes aufgesprüht. Nachfolgend wird das Zwischenprodukt auf 180 deg. C aufgeheizt, so dass die Dispersionsflüssigkeit getrocknet und das Zwischenprodukt wärmebehandelt wird. Als Ergebnis der Wärmebehandlung verflüchtigt sich das Lösungsmittel und das Halblager 7 wird erhalten. Das erhaltene Halblager 7 umfasst die Schutzschicht 10, die in fester Weise an der Oberfläche der Legierungsschicht 9 befestigt ist.
Die Schutzschicht 10 umfasst einen Binder, der das thermoplastische Harz und das heissfixierende Harz, den festen Schmierstoff und die harten Partikel umfasst. Die Schutzschicht 10 hat eine Dicke von 20 Microm.
[0020] Fig. 4 zeigt die Ergebnisse der Messungen des Reibungskoeffizienten, der Reibung- und Abnutzungstests und der Test auf Festfressen in Bezug auf das Gleitlager mit der Schutzschicht 10 nach dem Ausführungsbeispiel und einem Gleitlager mit einer üblichen Schutzschicht. Die in Klammern gesetzten Bezugszeichen in einer Binderspalte der Fig. 4 sind Volumenverhältnisse des thermoplastischen Harzes, wenn das heissfixierende Harz 100 Volumenteile umfasst. Die TABELLE 1 zeigt die Bedingungen, unter denen die Reibungs- und Abnutzungstests unter Einsatz einer Stosstestmaschine durchgeführt worden sind.
Ein Grad der Abnutzung wurde nach 2 Stunden nach dem Start der Stosstestmaschine gemessen. Reibungskoeffizienten, wie sie in der Fig. 4 dargestellt sind, sind gemessen worden, als der Test beendet war. Die TABELLE 2 zeigt die Bedingungen, unter denen der Test auf ein Festfressen ausgeführt worden ist, auch unter Einsatz der Stosstestmaschine. Der auf die Oberfläche des Lagers ausgeübte Druck wurde jeweils um je 3 MPa erhöht, nachdem die Lageroberfläche bei einem bestimmten Druck für eine halbe Stunde betrieben gewesen ist. Eine bestimmte Belastung des Festfressens ist eine bestimmte Belastung des Lagers, welche gemessen worden ist, wenn für das zugrunde liegende Metallstück rückwärtig eine Temperatur des Lagers von 200 deg.
C überschritten wird oder wenn ein abnormaler Wert gemessen worden ist in Bezug auf einen Strom, der in einen Elektromotor fliesst, der eine Welle antreibt.
[0021]
<tb>Testbedingungen
Reibungs- und Abnutzungstest
<tb>Dimension des Teststückes<sep>phi 22 X phi 27.2 mm
<tb>Oberflächendruck<sep>5 Mpa
<tb>Umdrehungen<sep>4 Umdrehungen je Minute
<tb>Umkreisgeschwindigkeit<sep>0.005 m/Sek.
<tb>Schmierung<sep>Keine Schmierung
<tb>Zeit<sep>2 Stunden
<tb>Temperatur<sep>übliche Temperatur
<tb>Wellenmaterial<sep>S55C
Rauheit 1.0 Rmax Microm
180 bis 220 Hv 10 Kg
[0022]
<tb>Testbedingungen
Test bezüglich Heisslaufen/Festfressen
<tb>Dimension des Teststückes<sep>phi 22 X phi 27.2 mm
<tb>Oberflächendruck<sep>Erhöhung um jeweils 3 Mpa
<tb>Umdrehungen<sep>1500 Umdrehungen je Minute
<tb>Umkreisgeschwindigkeit<sep>2 m/Sek.
<tb>Schmierung<sep>SAE#30
<tb>Zeit<sep>0.5 Stunden Druck je Oberflächendruck
<tb>Temperatur<sep>60 deg. C
<tb>Wellenmaterial<sep>S55C
Rauheit 1.0 Rmax Microm
500 bis 700 Hv10 Kg
[0023] Wie aus der Fig. 4 in klarer Weise hervorgeht, sind die Produkte nach den Ausführungsbeispielen im Vergleich zu Vergleichsprodukten höherwertig im Wert des Reibungskoeffizienten, des Abnutzungswiderstandes und den Heisslaufeigenschaften. Jedes der Vergleichsprodukte 2, 4, 5 und 7 umfasst 40 Volumenprozent Harz, welches als Binder dient, welcher Wert gleich ist zu dem in den Ausführungsprodukten 9 und 10. Dennoch enthält jedes der Vergleichsprodukte 2, 4 und 7 nur 40 Volumenprozent heissfixierendes Harz und das Vergleichsprodukt 5 umfasst nur 40 Volumenprozent thermoplastisches Harz.
Auf der anderen Seite umfasst jedes der Ausführungsbeispielprodukte 9 und 10 20 Volumenprozent heissfixierendes Harz und 20 Volumenprozent thermoplastisches Harz, insgesamt 40 Volumenprozent Harz.
[0024] Die Vergleichsprodukte 2, 4, 5 und 7 haben jeweilige Grössen an Abnutzungsgraden zwischen 16 und 18 Microm, wohingegen Ausführungsbeispielsprodukte 9 und 10 jeweilige Grössen der Abnutzung zwischen 10 und 14 Microm aufweisen. Weiter haben die Vergleichsprodukte 2, 4, 5 und 7 jeweilige Heisslaufwerte, die zwischen 9 und 15 Mpa betragen, wohingegen die Ausführungsbeispielsprodukte 9 und 10 jeweilige Heisslaufwerte zwischen 18 und 21 Mpa aufweisen.
Daher sind die Ausführungsbeispielsprodukte höherwertig in Bezug auf die Vergleichsprodukte.
[0025] Weiterhin, wenn das Vergleichsprodukt 1 und das Ausführungsbeispielsprodukt 8 miteinander verglichen werden, umfasst jedes Produkt 80 Volumenprozent Harz. Allerdings umfasst das Vergleichsprodukt 1 80 Volumenprozent des heissfixierenden Harzes, wohingegen das Ausführungsbeispielsprodukt 8 60 Volumenprozent heissfixierendes Harz und 20 Volumenprozent thermoplastisches Harz aufweist. Das Ausführungsbeispielsprodukt 8 ist im Vergleich zum Vergleichsprodukt 1 höherwertig in Bezug auf die Nicht-Heisslaufeigenschaften, obwohl die Abnutzungseigenschaften des zuerst genannten gleich zu denen des letztgenannten ist.
[0026] In Bezug auf einen Gehalt an Harz, der als Binder dient, verfügt das Vergleichsprodukt 3 über 90 Volumenprozent eines festen Schmierstoffs.
Demgemäss umfasst das Vergleichsprodukt 3 nur 10 Volumenprozent Binder. Als Ergebnis ist die Bindungseigenschaft des festen Schmiermittels durch den Binder schlechter und das Vergleichsprodukt 3 weist eine unzureichende Stärke auf, so dass die Abnutzung von diesem über 20 Microm liegt. Auf der anderen Seite umfasst keines der Ausführungsbeispielsprodukte 8 bis 11 mehr als 80 Volumenprozent festen Schmierstoffs. Demgemäss, da die Bindung des festen Schmierstoffs vorzugsweise ausserhalb des Binders ausgeführt wird, ist der Grad der Abnutzung gering.
[0027] Weiterhin liegt in jedem der Ausführungsbeispielsprodukte 8 bis 11 das thermoplastische Harz (PES) zwischen 2,6 und 100 Volumenteilen, wenn das heissfixierende Harz (PAI oder EP) bei 100 Volumenteilen liegt.
Daher werden gute Ergebnisse der Abnutzungseigenschaften und der Nicht-Heisslaufeigenschaften bei jedem der Ausführungsbeispielsprodukte 8 bis 11 erhalten. Zusätzlich können ein gewünschter Abnutzungswiderstand und Nicht-Heisslaufeigenschaften erhalten werden, wenn der Bereich des thermoplastischen Harzes zwischen 1 und 100 Volumenteilen liegt, wenn das heissfixierende Harz bei 100 Volumenteilen ist.
[0028] Der Vergleich der Vergleichsprodukte 2 und 6 zeigt, dass das Hinzufügen von harten Partikeln den Abnutzungswiderstand und die Nicht-Heisslaufeigenschaften verbessert.
Weiterhin zeigt ein Vergleich des Vergleichsproduktes 6 mit dem des Ausführungsbeispielsprodukts 11, dass der Abnutzungswiderstand und die Nicht-Heisslaufeigenschaften weiter verbessert werden können, wenn der Binder das thermoplastische Harz und das heissfixierende Harz unter Hinzufügung der harten Partikel umfasst.
[0029] Der feste Schmierstoff sollte nicht auf PTFE, MoS2, WS2 oder Gr begrenzt sein. Das thermoplastische Harz sollte nicht auf PES begrenzt sein. Das heissfixierende Harz sollte nicht auf PAI oder EP beschränkt sein. Der Binder kann ein Polyesterharz oder ein Vinylharz umfassen. Obwohl TiO2 in den oben genannten Ausführungsbeispielen als Lieferant harter Partikel eingesetzt worden ist, können auch anstelle Al2O3, BN oder SiO2 eingesetzt werden.
Obwohl die Erfindung hier auf einen Bootsmotor in dem oben genannten Ausführungsbeispiel eingesetzt worden ist, kann die Erfindung in gleicher Weise auf Kraftfahrzeuge oder andere Motoren umgesetzt werden.
[0030] Die oben stehende Beschreibung und die Zeichnungen sind nur eine illustrative Darstellung des Prinzips der vorliegenden Erfindung und sind nicht in begrenzender Weise gedacht. Verschiedene Änderungen und Erweiterungen werden dem Fachmann geläufig sein.
Alle solche Änderungen und Erweiterungen fallen in den Rahmen der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen niedergelegt ist.
[0031] Bei einem mehrschichtigen Gleitlagermaterial, bei dem angegeben, ist, dass das thermoplastische Harz zwischen 1 und 100 Volumenteilen liegt, wenn das heissfixierende Harz bei 100 Volumenteilen liegt, bedeutet dies, dass der Anteil an thermoplastischem Harz in Bezug auf den Anteil an heissfixierendem Harz definiert wird und nicht an dessen Anteil in dem Binder.