DE102007035342A1

DE102007035342A1 - Verfahren zum Herstellen einer Gleitschicht auf einer Gleitlagerkomponente sowie Gleitlagerkomponente

Info

Publication number: DE102007035342A1
Application number: DE102007035342A
Authority: DE
Inventors: Gudrun Martin; Cedric Zimmermann
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2009-01-29
Also published as: WO2009015647A2; WO2009015647A3

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer Gleitschicht auf einer Gleitlagerkomponente bzw. eine Gleitlagerkomponente angegeben, die selbst in aggressiven Medien hochbeständig ist und einen störungsfreien, wartungsarmen oder wartungsfreien Dauerbetrieb bei einfacher Montage und mit wenigen Einzelteilen sicherstellt. Erfindungsgemäß sieht das Verfahren vor, dass auf die Gleitlagerkomponente (2) eine poröse Beschichtung (6) aufgebracht wird und dass zumindest ein Teil der Poren (9) mit einem Gleitwerkstoff (8) versehen wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Hochleistungsgleitlager bzw. deren Komponenten – insbesondere Gleitbuchsen und Gelenklager – zur Anwendung in besonders aggressiven oder korrosiven Medien. Besondere Anwendungsfälle sind beispielsweise Lagerungen in Salzwasser, Öl oder dergleichen. Zur Herstellung derartiger Hochleistungsgleitlager ist es denkbar, ein Gleitgewebe mit Kunstharztränkung zu verwenden, das an den jeweiligen Gleitbereichen auf einen entsprechenden Träger aufgeklebt ist. Ein solches Gleitlager lässt sehr gute Belastungs- und Lebensdauerwerte im Trockenlauf erwarten. Gelangen jedoch Medien, insbesondere Feuchtigkeit und Wasser, auf derartige Gleitflächen, führt dies zu einer Schwächung des Gleitlagers und ungünstigstenfalls zu dessen Zerstörung. Es ist zwar denkbar, dieser Gefährdung durch eine Abdichtung des Lagers zu begegnen; dies wäre jedoch mit einem erheblichen konstruktiven Aufwand und Wartungsbedarf verbunden. Deshalb scheint eine derartige Lösung zumindest bei Gleitlagern zur Anwendung in feuchten Medien oder unter Wasser nicht zufrieden stellend.
Im Zusammenhang mit der Unterwasserlagerung einer Rotorachse in einem Klärwerk ist aus der Deutschen Gebrauchsmusterschrift DE 202 13 002 U1 ein Unterwasserlager bekannt, das offen ausgebildet und zwischen Lagerbuchse und Lagerzapfen wasserdurchlässig ist. Dabei kann der Lagerzapfen aus Vollmaterial gebildet sein und eine durch Flammspritzen aufgebrachte hochfeste Beschichtung aufweisen. Diese Maßnahmen dienen dazu, der Deformationsneigung von Hohlzapfen zu begegnen und Beschädigungen des Lagerzapfens durch in dem durchströmenden Schmutzwasser enthaltene abrasive Partikel zu vermeiden. Hinsichtlich einer Verbesserung der Gleiteigenschaften lassen sich der DE 202 13 002 U1 keinerlei Hinweise entnehmen.
Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zum Herstellen einer Gleitschicht auf einer Gleitlagerkomponente bzw. eine Gleitlagerkomponente anzugeben, die selbst in aggressiven Medien hochbeständig ist und einen störungsfreien, wartungsarmen oder wartungsfreien Dauerbetrieb bei einfacher Montage und mit wenigen Einzelteilen sicherstellt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und 2 sowie durch Gleitlagerkomponenten mit den Merkmalen der Patentansprüche 12 und 13 gelöst.
Demgemäß ist vorgesehen:
Ein Verfahren zum Herstellen einer Gleitschicht auf einer Gleitlagerkomponente, bei dem auf die Gleitlagerkomponente eine poröse Beschichtung unter Verwendung eines Plasma-Spritzverfahren aufgebracht, wobei die Beschichtung aus einer Mischung von metallischen und nicht-metallischen Werkstoffen gebildet wird.
Ein Verfahren zum Herstellen einer Gleitschicht auf einer Gleitlagerkomponente, bei dem auf die Gleitlagerkomponente eine poröse Beschichtung aufgebracht wird und bei dem zumindest ein Teil der Poren der Beschichtung mit einem Gleitwerkstoff versehen wird.
Eine Gleitlagerkomponente, auf die eine durch ein Plasma-Spritzverfahren erzeugte poröse Beschichtung aus einer Mischung von metallischen und nicht-metallischen Werkstoffen aufgebracht ist.
Eine Gleitlagerkomponente, auf die eine poröse Beschichtung aufgebracht ist, wobei unter Bildung einer Gleitfläche zumindest ein Teil der Poren der Beschichtung einen Gleitwerkstoff aufnimmt.
Mit den erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Gleitlagerkomponenten werden die Funktionalität und Zuverlässigkeit bzw. Betriebssicherheit des Lagers erheblich gesteigert, indem eine weitgehend medienresistente Gleitlagerung mit einfachen Mitteln zur Verfügung gestellt wird. Durch die poröse Schicht auf der Gleitlagerkomponente wird praktisch ein Reservoir gebildet, das mit einsatzoptimierten Gleitwerkstoffen gefüllt bzw. getränkt werden kann. Die Gleitwerkstoffe werden je nach Betriebssituation fein dosiert und nur bedarfsweise abgegeben. Eine weitere Möglichkeit ist auch das Aufbringen eine Spritzbeschichtung die sowohl Stützmaterial als auch Gleitmittel enthält. In diesem Fall handelt es sich dann um eine weitgehend dichte Schicht, die stützende und schmierende Komponenten nebeneinander enthält.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass zur Gleitschmierung keine aufwändigen, wartungsintensiven zusätzlichen Maßnahmen oder Systeme bereitgestellt werden müssen. Deshalb kann eine mit einer erfindungsgemäßen Gleitlagerkomponente ausgestattete Anlage auch unter schwierigen oder kaum zugänglichen Einsatzbedingungen langzeitstabil und wartungsfrei betrieben werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sie ohne zusätzliche, einzeln zu handhabende Bauteile auskommt. Die Optimierung der Gleiteigenschaften erfolgt vielmehr durch eine einen integralen Bestandteil mit der Gleitlagerkomponente bildenden Bereich, nämlich dem jeweiligen Beschichtungsbereich. Die Dicke der porösen Beschichtung kann je nach Anforderung und Lagerdimensionierung bevorzugt zwischen 0,05 mm und 1 mm liegen.
Ein besonderer Vorzug des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht zudem darin, dass grundsätzlich beliebige dreidimensionale Geometrien von Gleitlagerkomponenten in ihren Gleiteigenschaften erheblich verbessert werden können.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Beschichtung aus einem metallischen Werkstoff, beispielsweise Bronze oder Aluminium-Bronze, besteht. Alternativ ist auch eine Mischung von metallischen und nicht-metallischen Werkstoffen für die Herstellung der Beschichtung bevorzugt, beispielsweise einer Bronze/Graphit oder einer Bronze/Keramik/Graphit-Komposition.
Weiter bevorzugt wird die Beschichtung mittels Plasma-Spritzverfahren (auch Plasma Spraying genannt) aufgebracht. Ein besonderer Vorteil des Plasma-Spritzverfahrens besteht darin, dass je nach Spritzwinkel – damit ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der zwischen der Aufspritzrichtung (Längsachse des Spritzstrahls) und der Oberfläche der Gleitlagerkomponente eingeschlossene Winkel gemeint (bitte diese Definition erfinderseitig prüfen lassen) – verschiedene Porengrößen und damit unterschiedliche poröse Beschichtungen realisiert werden können. Als praktisch besonders geeignet erweisen sich Spritzwinkel zwischen 20° und 90°. Dabei nimmt die Feinheit der Beschichtung bzw. der Poren mit zunehmendem Spritzwinkel zu (bitte diese Aussagen prüfen).
Besonders bevorzugt ist ein Teil der Poren der Beschichtung offen ausgebildet, so dass diese Poren anschließend von dem Gleitwerkstoff besonders gut und leicht infiltriert werden können.
Bevorzugt wird der Spritzwinkel während der Erzeugung der Beschichtung variiert, wodurch über die Schichtdicke eine unterschiedliche Porengröße – je nach Anwendungsfall optimiert – realisiert werden kann.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Gleitwerkstoff aus einer Mischung von Graphit und Polytetrafluorethylen (PTFE) gebildet wird. Diese Werkstoffmischung hat die besonders vorteilhafte Eigenschaft einer differenzierten Funktionsübernahme der Gleit- oder Schmierwerkstoffbestandteile dahingehend, dass Graphit eine besonders gute Schmierung bei Anwesenheit von Medien sicherstellt, während das PTFE hervorragende Trockenlaufeigenschaften des Lagers gewährleistet.
Die Ausbringung des Gleitwerkstoffs auf die Gleitlagerkomponente bzw. in die Poren der Beschichtung kann besonders bevorzugt durch Aufspritzen oder Imprägnierung der Beschichtung erfolgen. Mittels Vakuumunterstützung kann dabei eine besonders intensive Durchdringung bzw. Ausfüllung der Poren mit Gleitwerkstoff bewirkt werden.
Der Gleitwerkstoff kann nur in den Poren vorliegen. Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann der Gleitwerkstoff darüber hinaus eine zusätzliche Deckschicht auf der Beschichtung ausbilden. Bevorzugt hat diese Deckschicht eine Stärke von bis zu 100 μm. Die poröse Beschichtung dient dann insoweit also auch als Haftvermittlerschicht für den vom Gleitwerkstoff gebildeten Gleitbelag.
Besonders geeignete Einsatzbereiche einer erfindungsgemäßen Gleitlagerkomponente sind Schleusen, Förderanlagen, die Off-Shore-Technik und Energietechniken. Ein komplettes Gleitlager kann dabei unter Bildung einer Gleitbuchse beispielsweise aus einem Außenring mit einer erfindungsgemäß hergestellten Gleitfläche und bei Gelenklagern aus einem Außenring mit einer erfindungsgemäß hergestellten Gleitfläche und einem Innenring bestehen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung und eines darin dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Dabei zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gleitlagerkomponente;
2 einen vergrößerten Querschnitt der Gleitlagerkomponente aus 1 zur Darstellung einer ersten Variante;
3 einen vergrößerten Querschnitt der Gleitlagerkomponente aus 1 zur Darstellung einer zweiten Variante;
4 einen vergrößerten Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Gleitlagerkomponente; und
5–7 stark vergrößert das Oberflächenprofil einer porösen Beschichtung auf einer erfindungsgemäßen Gleitlagerkomponente gemäß 1.
Gleiche Elemente sind in allen Figuren jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt als ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gleitlagerkomponente den Außenring 1 eines einteiligen Gelenklagers. Der Ringkörper 2 weist eine äußere Mantelfläche 3 und eine innere Mantelfläche 4 auf. Auf die innere Mantelfläche 4 ist eine Gleitschicht 5 wie folgt aufgebracht worden:
Zunächst wurde auf die innere Mantelfläche eine poröse Beschichtung 6 durch Plasma-Spritzen aufgebracht. Dabei ist als Material für diese Beschichtung 6 in diesem Ausführungsbeispiel eine Aluminium/Kupfer-Verbindung gewählt. Die Beschichtung hat eine sehr poröse Oberfläche 7, in die ein Gleitwerkstoff 8 eingebracht ist, der die Poren 9 der Beschichtung 6 infiltriert. Der Gleitwerkstoff ist über ein Spritzverfahren unmittelbar auf die Beschichtung aufgespritzt worden. Damit ergibt sich die Gleitschicht 5, die aus einem Träger oder einer Grundschicht (poröse Beschichtung) 6 und dem Gleitwerkstoff 8 besteht, der im vorliegenden Beispiel von einer Mischung aus Graphit 10 und PTFE 11 gebildet ist.
Der Gleitwerkstoff 8 ist dabei über die Oberfläche der Beschichtung 6 hinaus in einer dünnen Gleitschicht 12 von bis zu 100 μm aufgetragen. Damit bildet der Gleitwerkstoff einen Gleitbelag 13, für den die Beschichtung 6 insoweit auch als Haftvermittler dient. Der in den Poren der Beschichtung enthaltene Gleitwerkstoff bildet ein Schmierstoffdepot, das je nach Einsatzfall und speziellen Betriebsbedingungen optimiert eine ausreichende Gleitschmierung sicherstellt. Im trockenen Zustand wird diese überwiegend durch die Anteile an PTFE in dem Gleitwerkstoff realisiert, während bei Anwesenheit von Medien (beispielsweise Wasser) die zuverlässige Schmierung vom Graphit übernommen wird.
Die 2 und 3 zeigen vergrößerte Ausschnitte des ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Gleitlagerkomponente, wie sie in 1 dargestellt ist. Die beiden in 2 und 3 gezeigten Varianten unterscheiden sich dabei durch die Zusammensetzung der Beschichtung 6, die auf ein Substrat 14 der Gleitlagerkomponente aufgebracht ist. In der 2 ist dabei die Beschichtung ausschließlich aus einem metallischen Werkstoff oder etwa auch einer metallischen Legierung, wie z. B. die bereits oben genannte Aluminium/Kupfer-Verbindung, ausgebildet. Im Unterschied hierzu ist in der zweiten Variante gemäß der 3 die Beschichtung aus einer Mischung aus metallischen und nicht-metallischen Werkstoffen ausgebildet. Die metallischen Werkstoffe können z. B. denen aus der ersten Variante in 2 entsprechen, während die nicht-metallischen Werkstoffe z. B. aus Keramik oder PTFE oder Graphit gebildet sein können.
4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gleitlagerkomponente. In dem Ausführungsbeispiel in der 4 ist auf der Beschichtung 8 kein Gleitbelag aufgebracht, so dass in den Poren der Beschichtung 6 auch kein Gleitwerkstoff vorgesehen ist. Wesentlich ist allerdings, dass in diesem Falle die Beschichtung 6 aus einer plasma-gespritzten Mischung mit metallischen und nicht-metallischen Werkstoffen ausgebildet sein muss. Es hat sich hier überraschenderweise gezeigt, dass auch ohne diesen Gleitwerkstoff, der auf die Beschichtung 8 aufgebracht ist, eine relativ gute Notlaufeigenschaft für die Gleitlagerkomponente bereitgestellt wird, wobei hier wesentlich die Mischung aus metallischen und nicht-metallischen Werkstoffen innerhalb der Beschichtung ist. Ferner ist wesentlich, dass diese Beschichtung durch ein Plasma-Spritzverfahren hergestellt wird.
5 zeigt in starker Vergrößerung im Plasma-Spritzverfahren aufgebrachte poröse Beschichtungen 6. Die Porosität der Beschichtungen kann über den Spritzwinkel α eingestellt werden. Bevorzugt kann der Spritzwinkel über die Schichtdicke variieren, um so eine tiefenabhängige, unterschiedliche Porosität innerhalb der Beschichtung zu realisieren. Die Schichtdicke der Beschichtung kann je nach Anforderung zwischen 0,05 mm und 1 mm betragen. Mit der variablen Porosität der Beschichtung können die Gleiteigenschaften individuellen Anforderungen optimal angepasst werden. 5 zeigt dabei einen Spritzwinkel von α = 60°, während 6 einen Spritzwin kel von α = 45° und 7 einen Spritzwinkel von α = 30° zeigt. Man erkennt die mit abnehmendem Spritzwinkel stärkere Zerklüftung bzw. Porosität der Beschichtung.

1: Außenring
2: Ringkörper
3: äußere Mantelfläche
4: innere Mantelfläche
5: Gleitschicht
6: Beschichtung
7: Oberfläche
8: Gleitwerkstoff
9: Poren
10: Graphit
11: PTFE
12: Gleitschicht
13: Gleitbelag
14: Substrat
α: Spritzwinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 20213002 U1 [0002, 0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Gleitschicht auf einer Gleitlagerkomponente (2), bei dem auf die Gleitlagerkomponente (2) eine poröse Beschichtung (6) unter Verwendung eines Plasma-Spritzverfahren aufgebracht, wobei die Beschichtung (6) aus einer Mischung von metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen gebildet wird.
Verfahren zum Herstellen einer Gleitschicht auf einer Gleitlagerkomponente (2), bei dem auf die Gleitlagerkomponente (2) eine poröse Beschichtung (6) aufgebracht wird und bei dem zumindest ein Teil der Poren (9) der Beschichtung (6) mit einem Gleitwerkstoff (8) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Beschichtung (6) aus einem metallischen Werkstoff gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Beschichtung (6) aus einer Mischung von metallischen und nicht-metallischen Werkstoffen gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Beschichtung (6) im Plasma-Spritzverfahren aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 5, wobei bei dem Plasma-Spritzen ein Spritzwinkel (α) zur zu beschichtenden Oberfläche (4) der Gleitlagerkomponente zwischen 20° und 90° eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Spritzwinkel (α) während dem Aufbringen der Beschichtung (6) variiert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Teil der Poren (9) offen ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Gleitwerkstoff (8) aus einer Mischung von Graphit und PTFE gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Gleitwerkstoff (8) auf die Beschichtung (6) aufgespritzt oder die Beschichtung (6) durch den gleitwerkstoff (8) imprägniert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei auf dem Gleitwerkstoff (8) eine zusätzliche Deckschicht auf der Beschichtung (6) ausgebildet wird.
Gleitlagerkomponente (2), auf die eine durch ein Plasma-Spritzverfahren erzeugte poröse Beschichtung (6) aus einer Mischung von metallischen und nicht-metallischen Werkstoffen aufgebracht ist.
Gleitlagerkomponente (2), auf die eine poröse Beschichtung (6) aufgebracht ist, wobei unter Bildung einer Gleitfläche zumindest ein Teil der Poren (9) der Beschichtung (6) einen Gleitwerkstoff (8) aufnimmt.
Gleitlagerkomponente nach Anspruch 13, wobei die Beschichtung aus einem metallischen Werkstoff oder aus einer Mischung aus metallischen und nicht-metallischen Werkstoffen besteht.
Gleitlagerkomponente nach einem der vorhergehenden komponentenbezogenen Ansprüchen, wobei die Porengröße der Poren (9) der Beschichtung (6) über die Schichtdicke der Beschichtung (6) variiert.
Gleitlagerkomponente nach einem der vorhergehenden komponentenbezogenen Ansprüchen, wobei zumindest ein Teil der Poren (9) nach einer Seite hin offen ist.
Gleitlagerkomponente nach einem der vorhergehenden komponentenbezogenen Ansprüchen, wobei der Gleitwerkstoff (8) eine Mischung von Graphit und PTFE enthält.
Gleitlagerkomponente nach einem der vorhergehenden komponentenbezogenen Ansprüchen, wobei der Gleitwerkstoff (8) eine zusätzliche Deckschicht auf der Beschichtung (6) ausbildet.
Gleitlagerkomponente nach einem der vorhergehenden komponentenbezogenen Ansprüchen, wobei die Beschichtung (6) auch als Träger für die Gleitschicht (5) dient.