Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Gleitlagerelement, insbesondere Radialgleitlagerelement oder AnlaufScheibe, insbesondere zur Lagerung der Kurbelwelle bei Verbrennungsmotoren, optional mit einer metallischen Stützschicht, insbesondere aus Stahl, und mit einer metallischen Trägerschicht auf Aluminium-Zinn-Basis und einer darauf aufgebrachten

Laufschicht, wobei die Laufschicht eine Polymerschicht oder eine Galvanikschicht ist. Weiter betrifft die Erfindung ein Zwischenprodukt im Zuge der Herstellung eines Gleitlagerelements und ein Verfahren zur Herstellung des Zwischenprodukts und des Gleitlagerelements.

Bei Gleitlagerelementen der vorgenannten Art wurden im sogenannten Start-Stopp-Betrieb der Fahrzeuge bzw. ihrer Verbrennungsmotoren immer wieder Probleme hinsichtlich der Abrieb- oder Verschleißfestigkeit festgestellt, wobei beide Begriffe nachfolgend synonym verwendet werden. Der vorliegenden Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, die Verschleißfestigkeit bei hier in Rede

stehenden Gleitlagerelementen zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einem Gleitlagerelement

erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Oberseite der metallischen Trägerschicht vor dem Aufbringen der

Laufschicht derart gestrahlt wurde, dass sie eine

sogenannte reduzierte Talhöhe S _V K von 0,5 - 1,5 ym und ein sogenanntes leeres Volumen der Täler V _w von 0,06 - 0,16 ym ³ /ym ² aufweist, und dass die Laufschicht auf die so behandelte Oberseite der Trägerschicht aufgebracht ist. Die reduzierte Talhöhe S _V K und das leere Volumen der Täler V _w werden bestimmt nach DIN EN ISO 25178, Teil 2, 2012; dabei wird das leere Volumen der Täler V _w bestimmt bei einem Materialanteil p von 80 %.

In entsprechender Weise wird die Aufgabe durch ein

Zwischenprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 5 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung des Gleitlagerelements bzw. des Zwischenprodukts mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst .

Mit der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass beim Starten des Motors im Zuge des Übergangs von

Haftreibung zu Gleitreibung beträchtliche Scherkräfte im Kontaktbereich der Welle zur LaufSchicht entstehen. Bei mit Start-Stopp-Betrieb ausgestatteten Fahrzeugen wirkt sich dies aufgrund der größeren Häufigkeit des Startens kritisch aus. In dieser Betriebsart ist die Verschleißfestigkeit der Laufschicht nicht nur durch deren Material- und

Schichtparameter bestimmt, sondern für die

Verschleißfestigkeit erweist sich die Verklammerung der Laufschicht zur Trägerschicht für die Aufnahme der

Scherkräfte als sehr wesentlich. Es wurde nun

erfindungsgemäß festgestellt, dass die beiden Parameter, nämlich die reduzierte Talhöhe und das leere Volumen der Täler, beide gemäß DIN EN ISO 25178, Teil 2, 2012,

wesentliche Oberseiten- oder Oberflächenparameter zur

Erzielung einer sich als vorteilhaft erweisenden

Verklammerung der Laufschicht auf der Oberseite der

Trägerschicht darstellen. Es wurde festgestellt, dass eine Vergrößerung der Täler, und zwar im Hinblick auf deren Tiefe und im Hinblick auf deren befüllbares Volumen zu einer Erhöhung und damit Verbesserung der

Verschleißfestigkeit führt. Ferner wurde diesbezüglich aber ein Zielkonflikt ermittelt, und zwar dahingehend, dass mit einer Vergrößerung der beiden Parameter, d.h. mit einer Zunahme der Rauheit oder der Vergrößerung der funktionellen Aufrauung Probleme, und zwar in Form einer Abnahme der Fresslast, auftreten. Eine Zunahme der Rauheit bedingt eine Verringerung der Anpassungsfähigkeit und behindert den Aufbau einer guten Hydrodynamik, weil die aufgebrachte Laufschicht die Rauheit der Trägerschicht relativ gut nachbildet, also erhält und nicht etwa zu einem Großteil ausgleicht. Dies führt aber in Fresstests zur Erhöhung des Mischreibungsanteils und damit der Reibwärme, die bei und infolge zunehmender Rauheit und notleidender Hydrodynamik nicht rasch genug abgeführt werden kann. Mit der

vorliegenden Erfindung wurde dieser Zielkonflikt erkannt und eine sich als vorteilhaft erweisende funktionale

Oberseitengestaltung der Trägerschicht ermittelt, die eine gute Verklammerung der Laufschicht mit der Trägerschicht gestattet und sich auch im Start-Stopp-Betrieb bewährt. Dort kommt es nämlich jeweils beim Starten vermehrt zu einem Übergang von Haftreibung zu Gleitreibung, und damit zu den geschilderten kritischen Situationen. Durch eine bessere Verklammerung der Laufschicht mit der Trägerschicht werden diese kritischen Situationen aber entschärft.

Es wurde erkannt, dass die Parameter der reduzierten

Talhöhe S _V K und des leeren Volumens der Täler V _w

funktionale Rauheitsparameter darstellen, welche auch

Rückschlüsse auf das Schmierverhalten einer

Oberseitentopologie gestatten. Eine Zunahme dieser

funktionalen Rauheitsparameter bedeutet also einerseits eine bessere Verklammerung und damit eine Verbesserung der Verschleißfestigkeit, andererseits jedoch eine Verringerung der Anpassungsfähigkeit mit den dadurch bedingten Folgeproblemen. Basierend auf dieser Erkenntnis wurde der beanspruchte Parameterbereich dieser Parameter ermittelt.

Die Figuren 3 und 4 verdeutlichen die Parameter der

reduzierten Talhöhe S _VK und des leeren Volumens der Täler V _w . Bei der reduzierten Talhöhe S _VK handelt es sich um die mittlere Höhe der hervorstehenden Täler unterhalb des sogenannten Kerns der Oberseite. Die reduzierte Talhöhe S _VK ist gemäß DIN EN ISO 25178

Teil 2 wie in Figur 3 gezeigt definiert. Man ermittelt hierfür zunächst den Kern oder die Kernhöhe S _k der

Topographie anhand einer Sekante bei einer Kurve, welche den flächenhaften Materialanteil X der Oberfläche als Funktion der Höhe oder Dicke Y darstellt, wie folgt: Man beginnt bei der maximalen Dicke oder Höhe Y, was also einen Materialanteil X von null entspricht, und zeichnet von dort eine Sekante 1 zu demjenigen Wert der Kurve, für den der Materialanteil X 40 % beträgt. Sodann wird diese Sekante, die einen Materialanteil von 40 % überfängt, in Richtung höherer Materialanteile verschoben, und zwar so lange bis ihre Steigung/Gradient den geringsten Wert annimmt, bevor sie also bei weiterer Verschiebung wieder steiler wird. Diese Lage der Sekante ist mit Bezugszeichen 2 in Figur 3 bezeichnet. In dieser Position wird diese Sekante 2 zu der Geraden 3 verlängert. Ihr Schnittpunkt mit der Y- Koordinatenachse bei X=0% und bei X=100 % bezeichnet den Kern bzw. die Kernhöhe Sk der Topographie. Die reduzierte Talhöhe S _VK ist nun die mittlere Höhe bzw. Tiefe der unterhalb des Kerns hervorstehenden bzw. sich nach unten erstreckenden Täler. S _VK wird gemäß DIN EN ISO 25178 Teil 2, 2012 Ziffer 5.3 ermittelt als die Höhe Sνκ eines

rechtwinkligen Dreiecks A ₂ , das so konstruiert wird, dass es die gleiche Fläche wie der "Talbereich", also die aufsummierte Fläche der Täler unterhalb des Kerns in Figur 3 hat. Dieses Dreieck A ₂ hat also den Wert (100% - S _mr2 ) als Basislänge und S _V K als Höhe.

Das leere Volumen der Täler V _w ist aus Figur 4

ersichtlich, und zwar als integrierter Flächenanteil im dargestellten Bereich V _w , wobei ein Materialanteil von X=80 % im Sinne der Norm DIN EN ISO 25178 Teil 2 zu Grunde gelegt wurde. 80 % Materialanteil bedeutet hierbei, dass bei einer Position in Dickenrichtung, also orthogonal zu der Oberseite, was in den Figuren 3, 4 der Y-

Koordinatenrichtung entspricht, die projizierte Fläche der Täler (entspricht materialfrei) 20 % und der Materialanteil 80 % beträgt, wenn man die sich so ergebende Ebene oder Querschnittsfläche bei diesem Y-Wert in der Dickenrichtung oder Y-Koordinatenrichtung betrachtet. Das leere Volumen der Täler V _w ist nun dasjenige materialfreie Volumen unterhalb dieser Ebene oder Querschnittsfläche, bezogen auf die Flächeneinheit, wie dies im Übrigen in der Norm DIN EN ISO 25178 Teil 2, 2012, angegeben ist.

Es sei noch darauf hingewiesen, dass bei einer

Ausführungsform, bei der die Laufschicht eine

Polymerschicht ist, diese Polymerschicht bei dem fertigen Gleitlagerelement durch ein geeignetes Lösemittel wieder abgelöst werden kann, so dass nach dem Ablösen die exakte Topographie der dann freiwerdenden strukturierten

gestrahlten Oberseite der Trägerschicht durch einschlägige Messverfahren, typischerweise durch optische Verfahren erfasst und ausgewertet werden kann. Bei einer

Ausführungsform, bei der die Laufschicht eine

Galvanikschicht ist, kann diese Galvanikschicht in einem Ätzverfahren entfernt werden, so dass danach auf dieselbe Weise die Topographie der freiwerdenden strukturierten gestrahlten Oberseite der Trägerschicht ermittelt werden kann. Es wird auch darauf hingewiesen, dass in beiden

Fällen diese Topographie der Oberseite bei der

aufgebrachten Laufschicht überwiegend gut erhalten bleibt, so dass sie auch in diesem Fall direkt an der Laufschicht ermittelt werden kann.

Bei einem bevorzugten Gleitlagerelement ist die metallische Trägerschicht auf Aluminium-Zinn-Basis von einer AlSn(4- 15) Si (1-6) -Legierung, insbesondere von einer AlSn(4- 15) Si (2-6) -Legierung, insbesondere von einer AlSn(4- 15) Si (2-5) -Legierung, insbesondere von einer AlSn(4- 15) Si (2-4) -Legierung gebildet.

Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die gestrahlte

Oberseite der metallischen Trägerschicht eine sogenannte reduzierte Talhöhe S _V K von wenigstens 0,7 ym, insbesondere von wenigstens 0,9 ym und von höchstens 1,5 ym,

insbesondere von höchstens 1,4 ym, insbesondere von

höchstens 1,3 ym aufweist und ein sogenanntes leeres

Volumen der Täler V _w von wenigstens 0,08 ym ³ /ym ² ,

insbesondere von wenigstens 0,09 ym ³ /ym ² und von höchstens 0,16 ym /ym , insbesondere von höchstens von 0,15 ym /ym , insbesondere von höchstens 0,14 ym ³ /ym ² aufweist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagerelements oder eines Zwischenprodukts im Zuge der Herstellung eines Gleitlagerelements kann die Laufschicht bei einer Ausführungsform als Polymerschicht aufgesprüht, aufgewalzt oder aufextrudiert werden. Bei einer anderen Ausführungsform ist die Laufschicht als Galvanikschicht in einem galvanischen Prozess stromlos chemisch oder

elektrochemisch aufgebracht.

Weiter erweist es sich als vorteilhaft, wenn die

Trägerschicht im Gravitationsstrahlverfahren gestrahlt wird.

Dabei erweist es sich als vorteilhaft, wenn die

Trägerschicht mit einem Strahldruck von 1,0 - 1,5 bar gestrahlt wird. Hierbei handelt es sich nicht um denjenigen Druck, den die strahlenden Partikel auf eine Auftrefffläche ausüben, sondern um den Druck unmittelbar vor der

Strahldüse im Inneren der Strahlvorrichtung.

Weiter erweist es sich als vorteilhaft, wenn eine größte Abmessung eines Strahldüsenquerschnitts am Austritt 10-14 mm, insbesondere 11-13 mm, insbesondere 12 mm beträgt.

Es erweist sich weiter als vorteilhaft, wenn ein Abstand des Austritts der Strahldüse von der Oberseite der zu strahlenden Trägerschicht des Gleitlagerelements 80-120 mm, insbesondere 90-110 mm, insbesondere 100 mm beträgt.

Weiter erweist sie sich als vorteilhaft, wenn eine oder zwei oder drei Strahlvorrichtungen mit einer jeweiligen Strahldüse verwendet werden, die in Umfangsrichtung des Gleitlagerelements aufeinanderfolgend angeordnet sind.

Eine Vorschubgeschwindigkeit der Strahldüse beträgt

vorteilhafterweise 5 mm/s bis 60 mm/s, insbesondere 10 mm/s bis 60 mm/s, insbesondere 10 mm/s bis 50 mm/s wobei diese Vorschubgeschwindigkeit beim Strahlen von

Radialgleitlagerelementen, insbesondere Gleitlagerschalen, in axialer Richtung also in Richtung der Lagerelementbreite gerichtet ist.

Schließlich erweist es sich als vorteilhaft, wenn die

Trägerschicht mit einem Strahlmittel, insbesondere Korund, einer Partikelgröße von höchstens 100 ym gestrahlt wird, wobei wenigstens 60 Masse-% des Strahlmittels eine

Partikelgröße von wenigstens 45 ym aufweist. Dies ist dann der Fall, wenn bei einer Siebung unter Verwendung eines Siebs mit einer Maschenweite von 100 ym kein Siebrückstand erhalten wird und bei Siebung unter Verwendung eines Siebs einer Maschenweite von 45 ym ein Siebrückstand von

wenigstens 60 Masse-% erhalten wird. Weiter erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Strahlmittel dabei eine Mooshärte von wenigstens 8 und insbesondere von 9 aufweist. Es umfasst vorzugsweise eine kantige Kornform, also nicht eine sphärisch oder knollig verrundete Kornform. Ein geeignetes Strahlmittel ist unter dem Handelsnamen Edelkorund EKF 220 der Firma Kuhmichel erhältlich.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung und zeichnerischen Darstellung von Ausführungsformen der Erfindung. In der Zeichnung zeigt : Figur 1 eine schematische Darstellung einer

erfindungsgemäßen Radiallagerschale ;

Figur 2 eine schematische Darstellung einer

beispielhaften Anordnung von Strahldüsen bei der

Herstellung einer erfindungsgemäßen Radiallagerschale;

Figur 3 eine grafische Darstellung einer

Oberseitentopologie der erfindungsgemäß gestrahlten

Trägerschicht zur Verdeutlichung und Ermittlung der reduzierten Talhöhe S _V K /

Figur 4 eine grafische Darstellung einer

Oberseitentopologie der erfindungsgemäß gestrahlten

Trägerschicht zur Verdeutlichung des leeren Volumens der Täler V _w bei einem Materialanteil von 80 %.

Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Radiallagerschale 2, welche zur Lagerung der Kurbelwelle bei einem

Verbrennungsmotor dient. Die nicht maßstabsgetreu

dargestellte Radiallagerschale 2 umfasst im beispielhaft dargestellten Fall eine metallische Stützschicht 4 aus Stahl, eine darauf aufgebrachte Trägerschicht 6 auf

Aluminium-Zinn-Basis und eine darauf aufgebrachte

Laufschicht 8, bei der es sich um eine Polymerschicht 10 oder eine Galvanikschicht 12 handelt. Bevor die LaufSchicht 8 auf die dem Gleitpartner zugewandte, also von der

optionalen Stützschicht 4 abgewandte Oberseite 14 der

Trägerschicht 6 aufgebracht wird, wird diese Oberseite 14 erfindungsgemäß derart gestrahlt, dass sie eine sogenannte reduzierte Talhöhe S _V K von 0,5 - 1,5 ym und ein sogenanntes leeres Volumen der Täler V _w von 0,06 - 0,16 ym ³ /ym ²

aufweist (S _V K und V _w bestimmt nach DIN EN ISO 25178,

Teil 2, 2012; V _w bestimmt bei einem Materialanteil p von 80 %) . Die durch den Strahlvorgang erzeugte

Oberflächentopographie bei der Trägerschicht 6 ist in der Figur 1 jedoch nicht ersichtlich, da es sich hierbei um eine Mikrostrukturierung handelt. Die LaufSchicht 8 wird dann auf die so behandelte Oberseite 14 der Trägerschicht 6 aufgebracht .

Figur 2 zeigt ebenfalls schematisch eine bevorzugte

Anordnung von Strahldüsen beim Strahlen der Oberseite 14 der Trägerschicht 6 einer Radiallagerschale. Die

Vorschubbewegung der Strahldüsen erfolgt im dargestellten Fall in axialer Richtung der Radiallagerschale, also senkrecht zur Zeichnungsebene.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung bildet die

erfindungsgemäß gestrahlte Trägerschicht 6, insbesondere im Verbund mit der optionalen Stützschicht 4, ein Zwischenprodukt im Zuge der Herstellung des Gleitlagerelements 2.