Beschreibung:

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Legierung und/oder eines Materi als zur Herstellung einer Gleitschicht eines Gleitlagers und ein Herstellungs verfahren einer Gleitschicht eines Gleitlagers unter Verwendung der Legie rung und/oder des Materials, insbesondere von Zinnbasislegierungen sowie Bronze- und Aluminiumlegierungen.

Für die Herstellung von hochbelastbaren Metall-Beschichtungen, die als Ver bund mit metallischen Trägermaterialien hergestellt werden, sind spezielle hochbelastbare metallische Werkstoffe zu verwenden, welche auf die metalli schen Trägermaterialien (Grundkörper) aufgebracht werden. Häufig werden hochbelastbare Werkstoffe auf Zinnbasis eingesetzt, die gute Gleit-, Einlauf-, Einbett- und Notlaufeigenschaften haben. Außerdem müssen Zusatzele- mente eingesetzt werden, wenn die Beschichtung thermisch stärker belastet oder die statische und dynamische Belastung der Beschichtung hoch ist, wie bei stoß- und schlagbeanspruchten Lagern. Typische Anwendungsbeispiele sind hoch belastete Lager in Verdichtern, Kolben und Expansionsmaschinen und Walzanlagen. Bei hydrodynamischen Gleitlagern, die eine Gleitschicht aus einer Zinnba sislegierung ("Weißmetall") aufweisen, erfolgt die Aufbringung der Legierung im Allgemeinen durch das Schleuder- oder Standgussverfahren. Dabei wird der Grundkörper vorher verzinnt, um eine gute Anbindung der nachfolgend aufgebrachten Legierungsschicht zu erreichen. Um einen guten Verbund zwischen den metallischen Schichten zu erzielen, ist bisher wegen des Haftproblems eine Vorbehandlung der Bindeoberfläche des metallischen Stützkörpers notwendig. Für einen Verbundguss zwischen metallischen Grundkörpern, wie Stahl, Stahlguss, Grauguss, Bronze und Zinnhaltigen Beschichtungswerkstoffen werden beispielsweise Beizmittel und/oder eine Verzinnung der Bindeoberfläche benötigt. Dies führt zu auf wendigen, kostenintensiven und häufig auch umweltbelastenden Verfahrens schritten. Bei einigen Verfahren und Werkstoffpaarungen sind zusätzliche metallische Zwischenschichten notwendig, was erheblichen Aufwand mit sich bringt. Aktuell werden derartige Beschichtungen mittels aufwändigen Gussverfahren hergestellt. Diese erfordern eine genaue T emperaturkontrolle und häufig eine Vorbehandlung des Grundmaterials mit meist toxischen Beizen, wie Zink- Chlorid-Verbindungen. Außerdem wird eine gießfähige Legierung benötigt, die ohne Seigerungen oder andere Entmischungsphänomene auf dem Trä germaterial aufbringbar ist. Ferner ist bei Gussverfahren eine definierte Er wärmung des Grundkörpers und definierte Kühlung nach dem Ausguss not wendig, um eine gute Qualität des Kristallgefüges, hohe Homogenität und Bindung durch gleichmäßige T emperaturführung in beiden Schichten zu er zielen. Nach dem Aufbringen der zinnhaltigen Metallschicht ist außerdem eine spanabhebende Nachbehandlung notwendig, um der Beschichtung ihre endgültige Form zu verleihen. Dies erfordert das Vorsehen einer Gussanlage und entsprechender Überwachungs- und Nachbearbeitungseinrichtungen. In der Praxis ist es bei komplexen Grundkörpern mit stark schwankenden Mate rialdicken meist schwierig eine kristallin homogene hochbelastbare Metall schicht aufzugießen.

Die Gruppe der "IWK"-Legierungen sind spezielle Zinnbasislegierungen für Gleitlager mit 11-14 % Antimon, 5-7 % Kupfer, 0,1-3 % Bismut, 0,1-2 % Zink und 0,01-0,5 % Tellur. Diese Gruppe kann mit dem herkömmlichen Schleu der- oder Standgussverfahren nur sehr eingeschränkt verarbeitet werden, da die Verzinnung des Grundkörpers zum Erreichen einer guten Anbindung nicht ausreicht. Es ist eine besondere und aufwendige Verzinn-Verzinkungs- Vorbehandlung notwendig. Aus diesem Grund haben sich die "IWK"- Legierungen, trotz herausragender Eigenschaften, am Markt bisher nicht durchgesetzt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Verwendung einer Le gierung und/oder eines Materials zur Herstellung einer Gleitschicht eines Gleitlagers und ein Herstellungsverfahren einer Gleitschicht eines Gleitlagers unter Verwendung der Legierung und/oder des Materials, insbesondere von Zinnbasis-, Bronze- und Aluminiumlegierungen bereitzustellen, das den Her stellungsprozess vereinfacht und die Gleitlagereigenschaften verbessert.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird die Verwendung einer der folgenden Legierungen und/oder Materialien, nämlich SnSb8Cu4, SnSb12Cu6Zn, CuSn12Ni2, CuAHOFel, Zinn- und Aluminiumbronzen, Aluminiumwerkstoffe und daraus hergestellte Legierungen, zur Herstellung einer Gleitschicht eines Gleitlagers mittels eines laserbasierten Auftragsverfahrens einer dieser Legierungen und/oder Materialien auf einen Grundkörper vorgeschlagen. Die Legierung und/oder das Material zur Auftragsapplikation liegen dabei in der Form eines Pulvers oder eines verdichteten Pulvers bzw. in Drahtform vor. Bei Verwendung der Legierungen SnSb8Cu4 und SnSb12Cu6Zn ist eine er höhte Prozesssicherheit, eine gesteigerte Wirtschaftlichkeit und eine verbes serte Bindefestigkeit gegeben. Die Verarbeitung von Zinn- und Aluminium bronzen, wie z.B. von CuSn12Ni2- und CuAHOFel-Pulver in laserbasierten Auftragsverfahren ermöglicht neue Gleitschichtzusammensetzungen. Diese Werkstoffe besitzen gute tribologische Eigenschaften in kritischen Betriebs bedingungen. Erhöhte Belastbarkeit, "Downsizing" und erhöhte mechanische Kennwerte bei zugleich erhöhten T emperaturbedingungen sind nur einige Potentiale, die effektiv genutzt werdenkönnen.

In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Legie- rung eine Zinnbasislegierung mit einem Anteil von 11 - 14 % Antimon, 5 - 7 % Kupfer, 0,1 - 3 % Bismut, 0,1 - 2 % Zink und 0,01 - 0,5 % Tellur ist.

Die verwendeten "IWK"-Legierungen können verwendet werden, ohne dass eine aufwendige Vorbehandlung notwendig ist. Die technologischen Eigen schaften der "IWK"-Legierungen, wie z.B. Festigkeit, Zähigkeit, Kriechfestig- keit und T emperaturfestigkeit übertreffen die bisher etablierten Weißmetallle gierungen. Daher ist der Einsatz besonders unter kritischen Betriebsbedin gungen denkbar. Durch die höhere Belastbarkeit können außerdem Potenti ale durch "Downsizing" genutzt werden. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Korn größe des Pulvers 1 - 250 pm beträgt. Auf diese Weise ist die Korngröße der eingesetzten Pulver auf das Verarbeitungsverfahren abgestimmt und dies führt zu optimalen Verarbeitungsergebnissen. Ferner ist eine Verwendung günstig, bei der die Legierung SnSb12Cu6Zn ohne Kornfeiner aufgetragen wird und in einer weiteren vorteilhaften Variante ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Legierungen und/oder das Mate rial einen reduzierten Anteil von oder keinen Kornfeiner aufweisen.

Bei diesen Legierungen besteht das Potenzial, durch optionales, selektives Weglassen von Kornfeinern wie z. B. Silber, die für den Gießprozess wegen seiner relativ langsamen Abkühlraten prozesssichernd wirken und somit er forderlich sind, die Pulver so abzuwandeln, dass sich gute Ergebnisse und Gefügelagenaufbauten bei laserbasierten Auftragsverfahren mit ihren hierfür charakteristischen schnellen Abkühlraten generieren lassen. Eine Substitu- tion bzw. ein Weglassen von Kornfeinern würde erhebliche wirtschaftliche Vorteile mit sich führen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Pulver bzw. das verdichtete Pulver mittels eines der Verdüsungsverfahren Gasver- düsung, Wasserverdüsung, Gas-/Wasser-Gemisch-Verdüsung bzw. mittels Pulverherstellungsverfahren, wie beispielsweise dem Plasma Rotating

Electrode Process (PREP), oder reibleistungsbasierten Pulverproduktions prozessen hergestellt.

Außerdem wird erfindungsgemäß ein Herstellungsverfahren einer Gleit schicht eines Gleitlagers unter Verwendung einer Legierung und/oder eines Materials gemäß den vorstehenden Merkmalen, mittels eines laserbasierten Auftragsverfahrens auf einen Grundkörper vorgeschlagen. Die Legierung und/oder das Material zur Auftragsapplikation liegen dabei in der Form eines Pulvers oder eines verdichteten Pulvers bzw. auch in Drahtform vor. Durch eine inverse Beschichtungsstrategie können wesentliche Vorteile bei der Herstellung des Produktes genutzt werden. Es können mikroporenfreie, gegossene Grundkörper, die zu einem späteren Zeitpunkt als Funktions schicht (Gleit-/Verschleißschutzschicht) dienen, mit beliebigen Werkstoffkom- binationen beschichtet werden. Auf dieser Art lassen sich Bauteile generie ren, welche im Herstellprozess weniger Energiedichte erfordern, ggf. schnel ler herzustellen und somit kosteneffizienter sind.

Vorzugsweise wird das Herstellungsverfahren derart ausgeführt, dass das la serbasierte Auftragsverfahren Laserpulverauftragsschweißen oder Laser- drahtschweißen ist.

In einer weiteren vorteilhaften Variante ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Beschichtung eine Gleitschicht bzw. Verschleißschutzschicht ist und mit einer Dicke von 0,1 - 10 mm auf den Grundkörper aufgetragen wird. Da bei ist günstig, dass die Dicke der Gleitschicht variiert und an den entspre- chenden Anwendungsfall angepasst ist.

Weiter vorteilhaft ist es, wenn die Beschichtung als ein Mehrlagenschichtsys tem hergestellt wird und ein- oder mehrlagige Pufferlagen aus weiteren Mate rialien einbezogen werden. Vorteilhaft daran ist, dass die Materialeigenschaf ten der Beschichtung weiter an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst und für diesen optimiert werden.

In einer alternativen Ausführung des vorliegenden Herstellungsverfahrens ist ferner vorgesehen, dass CuSn12Ni2 pulverisiert wird und in Pulverform, ge gebenenfalls auch in Drahtform, in dem laserbasierten Verfahren aufgetra gen wird, wobei Vor- und/oder Nachwärmungsprozesse angewendet werden. Da dieses Material momentan nur konventionell gegossen wird und somit nicht erhältlich ist, entsteht ein neu verfügbares Pulver für die Beschichtung, das entsprechend vorstehender Merkmale sehr gute Materialeigenschaften für eine Gleitschicht eines Gleitlagers aufweist. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass Grundkör per aus der Legierung unter Hinzunahme der Materialgruppen Zinn- und Alu miniumbronzen sowie weiteren Aluminiumlegierungen hergestellt werden. Dadurch wird die Anbindung der Legierungen und/oder Materialien an den Grundkörper weiter verbessert.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Grundkörper mittels eines Gießprozesses oder durch additive Fertigung hergestellt und in einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass der Grundköper eine ebene, zylindrische, konvexe oder konkave Struktur aufweist, unter Einschluss der Möglichkeit, eine Innen- bzw. eine Außenbe schichtung durchzuführen. Diese Grundkörper können im Anschluss ihres Herstellungsprozesses ein- oder mehrseitig sowie innen und außenliegend mit gleichen, oder artfremden, metallischen (Eisen- und Nichteisenmetallen) und/oder nichtmetallischen Pulvern mit einer Korngrößenvarianz von 1 - 250 Mikrometern ggf. unter Einsatz einer oder mehrerer Pufferlagen, die eben falls aus beliebigen Materialsystemen aufgebaut sind, mit dem Laserpulver auftragsschweißen bzw. dem Laserdrahtschweißen beschichtet werden. Hierbei wird eine Mehrschichtigkeit ermöglicht.