Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Metall/Kunststoff- Gleitlagerverbundwerkstoff zur Herstellung von

Gleitlagerelementen für geschmierte Anwendungen, also nicht für Trockenlauf oder für Gleitlagerelemente mit lediglich Initialschmierung, mit einer metallischen Stützschicht, insbesondere aus Stahl, und einer in gleitendem Kontakt mit einem Gleitpartner stehenden Gleitschicht mit einem

Gleitschichtmaterial auf Basis eines fluorfreien

Thermoplasten, insbesondere PAEK (Polyaryletherketone) oder PEEK (Polyetheretherketone) , und mit die tribologischen Eigenschaften verbessernden Füllstoffen sowie ein hieraus hergestelltes Gleitlagerelement. Wenn vorstehend von geschmierten Anwendungen die Rede ist, so ist dies in

Abgrenzung zu für Trockenlauf vorgesehenen

Gleitlagerelementen oder zu Gleitlagerelementen, die eine einmalige Initialschmierung erhalten oder aufweisen, zu sehen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf

Gleitlagerverbundwerkstoffe zur Herstellung von

Gleitlagerelementen für Einspritzpumpen für

hochaufgeladende Verbrennungsmotoren bei Kraftfahrzeugen.

DE 10 2006015997 AI offenbart und lehrt einen

verschleißfesten Werkstoff umfassend eine thermoplastische Matrix aus PEEK, mit einem Verstärkungsstoff, insbesondere ausgewählt aus Kohlenstofffasern, Glasfasern,

Polyamidfasern, insbesondere Aramidfasern, Mineralfasern oder Mischungen hieraus, und mit einem partikulären

Füllstoff, insbesondere in Form von Silikat-, Metall-, Glas-, Mineralstoff- und KunststoffPartikeln . Weiter genannt sind Eisenaluminium- silikatpartikel und

Natriumaluminium- silikatpartikel . Das Ausführungsbeispiel verwendet Eisenoxidpartikel.

Ein durch die Anmelderin bekannt gewordener gattungsgemäßer Gleitlagerverbundwerkstoff umfasst ein Gleitschichtmaterial auf Basis von PEEK und 10 Gew.-% Kohlenstofffasern, 10 Gew.-% Graphit, 10 Gew.-% Ti0 ₂ und 10 Gew.-% ZnS . Dieser Gleitlagerverbundwerkstoff und hieraus hergestellte

Gleitlagerelemente haben eine sehr gute

Verschleißfestigkeit. Hiervon ausgehend liegt der

vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, diesen

hochfesten Werkstoff im Hinblick auf sein Reibverhalten und seine Anpassungsfähigkeit weiter zu verbessern.

Insbesondere soll sicher vermieden werden, dass bei

geringen Lagerspielen bei Dieseleinspritzpumpen und

demzufolge bei vergleichsweise geringem Durchfluss an

Diesel eine Fressneigung auftritt. Weiter soll der Werkstoff hinsichtlich seines Umformungsverhaltens

verbessert werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Gleitlagerverbundwerkstoff der genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Gleitschichtmaterial als Füllstoffe zu 1 - 40 Gew.-%

Aluminiumsilikat in Form von im wesentlichen sphärischen Partikeln und zu 5 - 40 Gew.-% einen Festschmierstoff, insbesondere in Form eines oder mehrerer der nachfolgenden Stoffe Zinksulfid, Wolframdisulfid, Bariumsulfat, Kaolin, Calciumfluorid, Graphit, Kreide oder Talk, umfasst und frei von faserförmigen Zusatzstoffen und von

festigkeitserhöhenden Hartstoffen, die eine Mohshärte von größer als 5 aufweisen, ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass das Gleitschichtmaterial frei von Kohlenstofffasern, Aramidfasern und von Hartstoffen wie Carbiden, kubischen Nitriden und dergleichen ist.

Mit der vorliegenden Erfindung wurde überraschenderweise festgestellt, dass bei hochbelastbaren

Gleitlagerverbundwerkstoffen, insbesondere für

Gleitlagerelemente bei Kraftstoffeinspritzpumpen, die traditionell eingesetzten Kohlenstofffasern auch Nachteile mit sich bringen. Insbesondere bei einer nicht optimal ausgeführten mechanischen Bearbeitung der Gleitfläche resultiert eine Oberfläche, die eine erhöhte Fressneigung aufweist. Es hat sich weiter gezeigt, dass durch Weglassen von typischerweise verwandten Hartstoffen die

Einbettfähigkeit und das Reibverhalten verbessert werden, sofern ein typischer Festschmierstoff zusätzlich zu

sphärischen Aluminiumsilikatpartikeln eingesetzt wird.

Gerade die Kombination von sphärischen

Aluminiumsilikatpartikeln mit einem Festschmierstoff führt zu einem insgesamt hinsichtlich der vorstehenden Aspekte verbesserten Gleitlagerverbundwerkstoff .

Weiter wird vorgeschlagen, dass das Gleitschichtmaterial zu wenigstens 8 Gew.-%, insbesondere zu wenigstens 10 Gew.-%, insbesondere zu wenigstens 12 Gew .-%, insbesondere zu wenigstens 15 Gew.-%, insbesondere zu höchstens 30 Gew.-%, insbesondere zu höchstens 20 Gew.-% Festschmierstoff umfasst. Der Festschmierstoff soll in Weiterbildung der Erfindung eine Mohshärte von höchstens 4 aufweisen.

Es erweist sich als vorteilhaft, wenn der Festschmierstoff von einem oder mehreren der nachfolgenden Stoffe

Zinksulfid, Wolframdisulfid, Bariumsulfat, Kaolin,

Calciumfluorid, Graphit, Kreide oder Talk gebildet ist.

Weiter erweist sich als vorteilhaft, wenn das

Gleitschichtmaterial in einer auf der metallischen

Stützschicht ausgebildeten porösen Trägerschicht,

insbesondere in einer aus metallischen Partikeln

aufgesinterten Trägerschicht verankert ist.

Alternativ hierzu ist auch denkbar, dass das

Gleitschichtmaterial in einer mikrostrukturiert

ausgebildeten Oberfläche der metallischen Stützschicht verankert ist oder dass das Gleitschichtmaterial mittels einer klebenden Haftvermittlungsschicht auf die metallische Stützschicht aufgeklebt ist.

Es kann sich weiter als vorteilhaft erweisen, dass das Gleitschichtmaterial zu wenigstens 5 Gew.-%, insbesondere zu wenigstens 10 Gew.-%, insbesondere zu höchstens 30 Gew.- %, insbesondere zu höchstens 25 Gew.-%, insbesondere zu höchstens 20 Gew.-% Aluminiumsilikat umfasst. In Weiterbildung der Erfindung erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn das Aluminiumsilikat zu wenigstens 4 Gew.-%, insbesondere zu wenigstens 5 Gew.-%, insbesondere zu wenigstens 6 Gew.-% Kalziumoxid umfasst, und zwar bezogen auf die Masse des Aluminiumsilikats.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform des

Gleitlagerverbundwerkstoffs umfasst das Aluminiumsilikat zu 62 - 68 Gew.-% Si0 ₂ , zu 17 - 21 Gew.-% A1 ₂ 0 ₃ und zu 5 - 8 Gew.-% CaO.

Es wird weiter vorgeschlagen, dass die Partikelgröße der im Wesentlichen sphärischen Aluminiumsilikat Partikel einen D50-Wert von höchstens 20 μπι, insbesondere von höchstens 15 μπι, insbesondere von höchstens 10 μπι aufweist,

insbesondere zwischen 1 und 10 μπι, insbesondere zwischen 2 und 10 μπι aufweist. Weiter wird vorgeschlagen, dass die Partikelgröße der im Wesentlichen sphärischen

Aluminiumsilikat Partikel einen D90-Wert von höchstens 100 μπι, insbesondere von höchstens 80 μπι, insbesondere von höchstens 60 μπι aufweist. Der 50-Wert (D90-Wert) der

Partikelgröße ist diejenige Partikelgröße, bezüglich derer 50 Masse-% (90 Masse-%) des Aluminiumsilikats eine kleinere und 50 Masse-% (10 Masse-%) des Aluminiumsilikats eine größere Partikelgröße aufweisen.

Der Gleitlagerverbundwerkstoff ist weiter insbesondere so ausgebildet, dass die Schichtdicke der metallischen

Stützschicht 0,5 - 5 mm beträgt, dass die Schichtdicke der porösen Trägerschicht wenigstens 0,05 mm, insbesondere wenigstens 0,1 mm, insbesondere wenigstens 0,2 mm und höchstens 0,6 mm, insbesondere höchstens 0,5 mm beträgt, und dass der Überstand des Gleitschichtmaterials über die poröse Trägerschicht wenigstens 30 μπι, insbesondere wenigstens 50 μπι, insbesondere wenigstens 100 μπι und höchstens 600 μπι, insbesondere höchstens 500 μπι,

insbesondere höchstens 400 μπι beträgt.

Das Gleitschichtmaterial ist vorzugsweise auf Basis von PAEK, insbesondere PEEK, als fluorfreier Thermoplast ausgebildet. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass die Bezeichnung "auf Basis von PAEK oder PEEK ausgebildet" nicht ausschließt, dass neben PAEK oder PEEK noch andere Thermoplaste, jedoch zusammen höchstens bis 20 Gew.-%, insbesondere bis höchstens 10 Gew.-%, insbesondere bis höchstens 5 Gew.-% des PAEK oder PEEK Anteils vorhanden sind. Das Gleitschichtmaterial ist vorzugsweise PTFE-frei ausgebildet .

Bei einem bevorzugten Gleitlagerverbundwerkstoff ist das Gleitschichtmaterial auf Basis von PAEK, insbesondere von PEEK als fluorfreier Thermoplast ausgebildet und umfasst zu 10 - 20 Gew.-%, insbesondere zu 12 - 18 Gew.-%,

insbesondere zu 13 - 17 Gew.-%, insbesondere zu 14 -

16 Gew.-% Aluminiumsilikat und zu 13 - 17 Gew.-%

Festschmierstoff in Form eines oder mehrerer der

nachfolgenden Stoffe Zinksulfid, Wolframdisulfid,

Bariumsulfat, Kaolin, Calciumsulfid, Graphit, Kreide oder Talk.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung eines vorstehend beschriebenen Metall/Kunststoff- Gleitlagerverbundwerkstoffs zur Herstellung von

Gleitlagerelementen für Einspritzpumpen für

hochaufgeladende Verbrennungsmotoren, insbesondere für Common Rail Einspritzpumpen, bei Kraftfahrzeugen. Ferner betrifft die Erfindung ein Gleitlagerelement für eine Einspritzpumpe für einen hochaufladenden

Verbrennungsmotor, insbesondere für eine Common Rail

Einspritzpumpe, bei Kraftfahrzeugen, hergestellt aus einem Metall/Kunststoff-Gleitlagerverbundwerkstoff der vorstehend beschriebenen Art bzw. nach einem oder mehreren der

Ansprüche 1-16.

Außerdem wird Schutz in Anspruch genommen für die

Verwendung eines Gleitlagerelements hergestellt aus einem Metall/Kunststoff-Gleitlagerverbundwerkstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-16 zur Lagerung der

Antriebswelle einer Einspritzpumpe für hochaufgeladende Verbrennungsmotoren, insbesondere einer Common Rail

Einspritzpumpe, oder zur Lagerung von Wellen oder Hebeln bei Kraftfahrzeuggetrieben, -bremsen oder bei Hydromotoren.

Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und aus der

zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung. In der

Zeichnung zeigt :

Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines

erfindungsgemäßen Gleitlagerverbundwerkstoffs ;

Figur 2 Messergebnisse zur Verschleißfestigkeit von

Vergleichswerkstoffen und des erfindungsgemäßen Werkstoffs;

Figur 3 Messergebnisse zum Anfahrdrehmoment von

Vergleichswerkstoffen und des erfindungsgemäßen Werkstoffs;

Figur 4 Messergebnisse zum Drehmoment bei 100 1/min von Vergleichswerkstoffen und des erfindungsgemäßen Werkstoffs; Figur 5 eine schematische Darstellung eines Prüfauf aus .

Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Schnittansicht eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 2 bezeichneten

Gleitlagerverbundwerkstoffs. Er umfasst eine metallische Stützschicht 4, vorzugsweise und typischerweise aus Stahl. Darauf ist im beispielhaft und bevorzugt dargestellten Fall eine poröse Trägerschicht 6 in Form aufgesinterter

Bronzepartikel einer beispielhaften Zusammensetzung

Cu90SnlO aufgesintert . In diese dreidimensional poröse Trägerschicht 6 ist ein Gleitschichtmaterial 8 auf Basis eines fluorfreien Thermoplasten, insbesondere und

vorzugsweise PEEK, eingebracht, und zwar derart, dass das Gleitschichtmaterial 8 einen Überstand 10 über die zuoberst liegenden Partikel der Trägerschicht 6 wie oben angegeben bildet. Das Gleitschichtmaterial 8 bildet also eine dem Gleitpartner zugewandte Gleitschicht 12. Erfindungsgemäß umfasst das Gleitschichtmaterial 1 bis 40 Gew.-%

Aluminiumsilikat in Form von im Wesentlichen sphärischen Partikeln, auch als Flugasche bezeichnet, und 5 bis 40 Gew.-% eines Festschmierstoffs der im allgemeinen Teil der Patentanmeldung beschriebenen Art, jeweils bezogen auf die Gesamtmasse des Gleitschichtmaterials 8 einschließlich seiner Füllstoffe. Das Gleitschichtmaterial 8 ist ferner erfindungsgemäß frei von faserförmigen Zusatzstoffen und von festigkeitserhöhenden Hartstoffen, die eine Mohshärte von > 5 aufweisen. Es wäre auch denkbar, dass das

Gleitschichtmaterial 8 nicht in einer separat aufgebrachten Trägerschicht 6, sondern in einer mikrostrukturiert

ausgebildeten Oberfläche der metallischen Stützschicht 4 verankert ist oder mittels einer klebenden

Haftvermittlungsschicht auf die metallische Stützschicht 4 aufgeklebt ist. Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines

Prüfaufbaus 20, umfassend zwei Stützlager 22 für eine Welle 24 sowie eine Buchsenaufnahme 26, mit einer Öffnung 28 konzentrisch zur Welle 24 derart, dass die zu prüfende Buchse 30 in der Öffnung 28 der Buchsenaufnahme 26

angeordnet werden kann und dabei die Buchse 30 auf die Welle 24 aufgeschoben ist. Zusätzlich werden beidseits Dichtscheiben 32 und Flansche 34 vorgesehen. Die Welle 24 ist elektromotorisch antreibbar, wobei zwischen der Welle und dem elektromotorischen Antrieb eine

Drehmomentmessvorrichtung in Form einer Drehmomentmesswelle vorgesehen ist. Die Buchsenaufnahme 26 lässt sich

orthogonal zur Erstreckung der Welle belasten. Für die nachfolgend zu erörternden und ausgeführten Prüfungen wird hierbei eine konstante Last von 13 MPa (8 kN) unter

zusätzlicher Zuführung eines niederviskosen Prüföls

vorgesehen. Mittels dieses Prüfstands 20 lassen sich demgemäß Verschleiß, sowie der Drehmomentverlauf ermitteln und aufzeigen. Die Tests werden derart durchgeführt, dass die Drehzahl von 0 bis 500 Umdrehungen pro Minute und wieder zurück auf 0 mit konstanter Beschleunigung bzw.

Verzögerung erhöht bzw. wieder zurückgefahren wird. Es werden dabei 900 derartiger Zyklen gefahren. Nach 900

Zyklen wird der Verschleiß in Form der Messung des

Innendurchmessers der Buchse in der Lastebene ermittelt. Es wird ferner das Anfahrdrehmoment und das Drehmoment bei 100 Umdrehungen pro Minute jeweils nach 10, 100 bzw. 900 Zyklen erfasst. Die Messergebnisse sind in den Figuren 2 bis 4 dargestellt .

Es wurden zu prüfende Buchsen des Aufbaus gemäß Figur 1 aus einem erfindungsgemäßen Gleitlagerverbundwerkstoff

hergestellt, d.h. in einem Biegerollverfahren auf

zylindrische Buchsenform gebracht. Die Zusammensetzung des variierenden Gleitschichtmaterials ist in der nachfolgenden Tabelle dargestellt.

Bei dem als Ref. bezeichneten Gleitschichtmaterial handelt es sich um den eingangs erwähnten durch die Anmelderin vorbekannten Stand der Technik. Bl ist ein nicht

erfindungsgemäßes Vergleichsbeispiel mit Siliziumoxid als festigkeitserhöhendem Hartstoff und Wolframdisulfid . B2 umfasst ein Gleitschichtmaterial nach der Erfindung mit Aluminiumsilikat und Wolframdisulfid als Festschmierstoff. B3 ist ein nicht erfindungsgemäßes Vergleichsbeispiel mit Kalziumsilikat (Wollastonit) , welches typischerweise in unregelmäßigen Partikeln oder nadelig vorliegt, und

Wolframdisulfid . Bei B4 handelt es sich um das

Gleitschichtmaterial gemäß DE 10 2006 015 997 AI mit

Eisenoxidpartikeln und Kohlenstofffasern .

Figur 2 zeigt den Verschleiß, der nach 900 Zyklen unter konstanter Last von 13 MPa (8 kN) in der Lastebene der Prüfbuchse ermittelt wurde.

Figur 3 zeigt das mittels der Drehmomentmesswelle

ermittelte Anfahrdrehmoment der jeweiligen Buchse nach 10, 100 und 900 Zyklen. Es handelt sich hierbei also um das Drehmoment, welches im Moment des Anfahrens, also unter MangelSchmierung, ermittelt wurde.

Sodann zeigt Figur 4 das jeweils bei 100 Umdrehungen pro Minute ermittelte Drehmoment, was immer noch einem Zustand im Übergang zwischen Festkörperreibung zu Mischreibung entspricht, wo also ein hydrodynamischer Schmierfilm noch nicht durchgehend sicher ausgebildet ist, was dann

typischerweise erst bei 250 Umdrehungen pro Minute erreicht wird. Die in Figur 4 aufgetragenen Drehmomente wurden nach 10, 100 bzw. 900 Zyklen genommen.

Man erkennt insgesamt, dass der hartstofffreie und

faserfreie erfindungsgemäße Werkstoff mit Aluminiumsilikat (Flugasche) und Wolframdisulfid als Festschmierstoff hinsichtlich Verschleiß, Anfahrdrehmoment und Drehmoment bei 100 Umdrehungen pro Minute den Vergleichswerkstoffen überlegen ist.