Подшипниковый элемент
Изобретение относится к подшипниковому элементу с металлическим опорным телом, расположенным на нем слоем подшипникового металла, а также с расположенным поверх него слоем полимера, причем слой полимера включает в себя полиамидимидную смолу, дисульфид молибдена (MoS2) и графит. Подшипниковый элемент образован из металлического опорного тела, слоя металла, расположенного на опорном теле, слоя полимера расположенного поверх слоя металла, и также при необходимости другими слоями, расположенными между слоем металла и слоем полимера. Слой полимера включает в себя полиамидимидную смолу, дисульфид молибдена (MoS2) и графит. Причем доля полиамидимидной смолы выбрана из области с нижней границей 23,08 мас.% и верхней границей 35,78 мас.%, доля MoS2 выбрана из области с нижней границей 40,37 мас.% и верхней границей 48,08 мас.%, а доля графита выбрана из области с нижней границей 23,85 мас.% и верхней границей 28,85 мас.%. Технический результат: улучшение износостойкости, коррозионной стойкости и предотвращение микросваривания трением, которое может привести к отказу двигателя. 11 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.
Изобретение относится к подшипниковому элементу с металлическим опорным телом, расположенным на нем слоем подшипникового металла, а также с расположенным поверх него слоем полимера, причем слой полимера включает в себя полиимидную смолу, дисульфид молибдена (MoS2) и графит; к двигателю с валом, который опирается на подшипниковый элемент, причем подшипниковый элемент содержит, по меньшей мере, одно металлическое опорное тело и расположенный на нем слой подшипникового металла; а также - к применению смазывающего лака из полимера.
Покрытия трибологически нагруженных конструктивных деталей и, соответственно, поверхностей должны удовлетворять самым различным требованиям. С одной стороны, желательно по возможности более свободное от трения покрытие, которое является относительно пластичным и может вследствие этого хорошо приспосабливаться к обусловленному износом истиранию, а также к скользящим деталям. С другой стороны, должна иметься достаточно высокая механическая стабильность и прочность, чтобы иметь возможность воспринимать наряду со статическими также динамические колебательные нагрузки и увеличивать таким образом усталостную прочность и срок службы. Разработки, например, в двигателестроении, идут в направлении более высоких удельных мощностей, чтобы повышать эффективность и вместе с тем экономичность и удовлетворяющее экологическим требованиям качество двигателей внутреннего сгорания, в частности, принимая во внимание становящиеся все строже нормы токсичности отработанного газа. Этим развитием затронуто множество компонентов двигателя внутреннего сгорания, например, радиальные подшипники скольжения, очень высоко нагруженные очень высокими крутящими моментами и непрерывно увеличивающимся для оптимизации процесса сгорания давлением зажигания, к примеру, двигателя турбодизеля с непосредственным впрыском топлива. Из-за высокопроизводительных впрыскивающих систем этих двигателей подвергаются этим высоким нагрузкам компоненты топливных насосов и их измерительных инструментов и, соответственно, из-за более высоких мощностей - также и другие конструктивные детали, такие как толкатели, пальцы или валы, которые несут нагрузку скольжения. Часто для этих компонентов используются алюминиевые сплавы, так как при этом можно достигать принципиально хорошего соотношения между достижимыми свойствами и затратами.
Недавние разработки в этой области показывают - хотя их принципиальное применение известно в этой области уже в течение нескольких лет - увеличение применения так называемых смазывающих лаков.
Так, например, DE2206400 A описывает композит с металлическим опорным телом и связанный посредством клеящего вещества с опорным телом трущийся- и, соответственно, антифрикционный слой из термически высоконагружаемых пластмасс, который содержит термореактивные полиимидные смолы и улучшающие антифрикционные свойства подшипника добавки, такие как политетрафторэтилен, антифрикционные металлические сплавы или т.п., причем трущийся- и, соответственно, антифрикционный слой содержит полиимидные смолы и улучшающие антифрикционные свойства добавки в виде смеси мелкозернистой или тонкопорошковой формы, и как связующее - полиимидный лак, который связывает как мелкозернистую и соответственно тонкопорошковую смесь в трущемся- и, соответственно, антифрикционном слое, так и сам трущийся- и, соответственно, антифрикционный слой связывает с опорным телом. При этом антифрикционный слой может содержать от 70 до 20 мас.% термореактивных полиимидных смол и примерно 30-80 мас.% самосмазывающихся добавок. В качестве самосмазывающихся добавок называются графит, дисульфид молибдена, а также оксиды.
Из ЕР0939106 A известен антифрикционный материал, который содержит в качестве материала матрицы политетрафторэтилен (ПТФЭ) или ПТФЭ в комбинации с другими фтор-термопластами, точка плавления которых лежит выше 260°C, причем содержится по меньшей мере один порошкообразный полиарамид, доля которого составляет, по отношению ко всей массе ПТФЭ или смеси из ПТФЭ и других фтор-термопластов и полиарамида, от 10 до 50 об.%.
В ЕР 1236914 A также описан подшипник скольжения, который содержит покрытие из смолы на слое подшипникового металла, причем покрытие из смолы содержит термореактивную смолу с определенными физическими свойствами в количестве от 70 до 30 об.%, смешанную с самосмазывающимися добавками в количестве от 30 до 70 об.%, и причем твердость по Виккерсу является не большей, чем 20. Смола может быть, например, полиамидимидной смолой. В качестве самосмазывающихся добавок называются дисульфид молибдена, графит, нитрид бора, дисульфид вольфрама, политетрафторэтилен, свинец и т.д.
Полимеры для применения в качестве материала покрытия элементов скольжения описываются также в следующих документах:
US 5525246 A, JP 60-1424 A, ЕР 0984182 A, JP 04-83914 A, JP 07-247493 A, GB 20337306 A, JP 09-79262 A, JP 2001/173644 A, DE 20 00632 A, DE 3343309 A, DE 322785 A, WO 97/38046 A, ЕР 0340839 A, ЕР 0 044577 A, ЕР 0340838 A, DE 2415327 A, ЕР 060725 A, DE 19814756 A, US 4 618270 A, DE 2504833 A, FR 2133320 A, GB 2384033 B, JP 53-007780 A.
В основе изобретения лежит задача предоставить в распоряжение подшипниковый элемент с полимерным покрытием, который имеет улучшенные свойства.
Эта задача изобретения решается соответственно самостоятельно посредством того, что доля полиимидной смолы в слое полимера подшипникового элемента выбрана из области с нижней границей 60% и верхней границей 80%, доля MoS2 выбрана из области с нижней границей 15% и верхней границей 25% и доля графита выбрана из области с нижней границей 5% и верхней границей 15%, причем доля полиимидной смолы отнесена, преимущественно, к растворенной полиимидной смоле в удаляемом растворителе, т.е. к доле смолы в наносящемся лаке; и посредством двигателя, в котором для предотвращения передачи материала вала на подшипниковый элемент - в случае покоящегося вала - на слое подшипникового металла расположен слой полимера; а также посредством применения смазывающего лака.
По сравнению с уже использованными в области подшипников скольжения покрытиями смазывающим лаком, соответствующий изобретению состав удивительным образом показывает, вопреки высокой доле MoS2 и графита в полиимидной смоле, неожидавшееся улучшение износостойкости элемента подшипника. Неожидавшееся потому, что с уменьшающейся полиимидной смолой, которая может рассматриваться, кроме всего прочего, как связующее средство для уменьшающих трение добавок, нужно было бы ожидать, что сцепление слоя ухудшится, что, в конце концов, он "раскрошится". При выбранной доле MoS2 и графита, в частности, соотношении доли MoS2 к графиту, этого не происходит, причем заявитель к настоящему времени не имеет для этого никакой объяснительной теории. Тем не менее, предполагается взаимодействие между частицами MoS2 и графита.
Наряду с улучшенной износостойкостью, в дальнейшем с соответствующим изобретению подшипниковым элементом достигают улучшения сопротивления кавитации. Сверх того, установлена также уменьшенная подверженность коррозии.
Далее, преимуществом является то, что соответствующий изобретению слой полимера может наноситься непосредственно на слой подшипникового металла, т.е. что в случае обычных, известных из уровня техники подшипников скольжения больше не требуется используемый как правило, как блокиратор диффузии, слой никеля, так что соответствующий изобретению подшипниковый элемент не только относительно его механических свойств является, по меньшей мере, равноценным обыкновенным многослойным подшипникам скольжения, но и сверх того, могут достигаться соответствующие преимущества по издержкам при производстве соответствующего изобретению подшипникового элемента.
Далее, является выгодным, что соответствующий изобретению слой полимера не ограничен специальными подшипниковыми элементами, а может наноситься, согласно нынешним сведениям, на каждый подшипниковый металл.
В прошлом, в случае использования алюминиевых подшипниковых материалов доходило до отказов подшипников, которые нужно приписывать, вероятно, переносу материала и микросвариванию подшипникового материала с валом, что вызвано микродвижениями. Такие переносы материала могут происходить, если вал неподвижно опирается на подшипник, однако проходит целая система микродвижений, например, при транспортировке собранного двигателя к месту использования, или эксплуатации нескольких двигателей рядом, причем не все работают одновременно. У соответствующего изобретению двигателя это выгодным образом предотвращается за счет полимерного слоя, так как этот слой практически не обнаруживает никакого сродства к стали. Все же, даже если и происходит в незначительных объемах перенос материала, например, из-за внедрения смазывающего лака в шероховатый профиль вала, то это не представляет также никакой проблемы, так как образующееся, как следствие, сопряжение смазывающий лак - смазывающий лак имеет еще более низкий коэффициент трения, чем сопряжение смазывающий лак - сталь.
В вариантах осуществления изобретения доля полиимидной смолы, снова преимущественно отнесенная к полиимидной смоле с растворителем, может быть выбрана из области с нижней границей 65% и верхней границей 75%, или, соответственно, нижней границей 67,5% и верхней границей 72,5%, и, соответственно, доля полиамидной смолы может составлять 70%.
Также предпочтительно, что доля MoS2 выбрана из области с нижней границей 17% и верхней границей 22%, или, соответственно, нижней границей 18,5% и верхней границей 21,5%, и, соответственно, что доля MoS2 составляет 20%.
Далее, в развитие предусмотрено, что доля графита выбрана из области с нижней границей 7% и верхней границей 13%, или, соответственно, нижней границей 8,5% и верхней границей 11,5%, и, соответственно, что доля графита составляет 10%.
Во всех этих вариантах осуществления - и соответственно при всех следующих параметрах для нижних и верхних границ области - возможно, чтобы соответствующие доли выбирались при необходимости также из соответствующих краевых областей между нижними границами и, соответственно, верхними границами.
Установлено, что особенно предпочтительно, если в качестве полиимидной смолы для слоя полимера используется полиамидимидная смола.
Упомянутыми выше мероприятиями можно достигать не только оптимизации относительно общих свойств слоя полимера, но и можно вместе с тем также целенаправленно подгонять отдельные свойства, например износостойкость, коррозионную стойкость, сопротивление против приваривания трением, и т.д., к данному случаю применения, даже если при этом выходит, что другие свойства слоя полимера не улучшаются в том же самом объеме.
Пластинки MoS2 могут быть выбраны со средней длиной, выбранной из области с нижней границей 10 мкм и верхней границей 40 мкм, или, соответственно, нижней границей 15 мкм и верхней границей 35 мкм, или, соответственно, нижней границей 18 мкм и верхней границей 25 мкм, и/или средней шириной, выбранной из области с нижней границей 10 мкм и верхней границей 40 мкм, или, соответственно, нижней границей 15 мкм и верхней границей 35 мкм, или, соответственно, нижней границей 18 мкм и верхней границей 25 мкм, и/или средней высотой, выбранной из области с нижней границей 2 нм и верхней границей 20 нм, или, соответственно, нижней границей 5 нм и верхней границей 15 нм, или, соответственно, нижней границей 5 нм и верхней границей 8 нм.
Также возможно, чтобы содержался графит с размером частиц, выбранным из области с нижней границей 2 мкм и верхней границей 8 мкм.
Отношение MoS2 к графиту может быть выбрано, согласно усовершенствованию изобретения, из области с нижней границей 1,5:1 и верхней границей 4,5:1.
Самосмазывающееся поведение слоя полимера может варьироваться при этом в широких пределах, так что при необходимости, учитывая соответствующие доли MoS2 и, соответственно, графита, т.е. при изменении долевых отношений обеих этих добавок к полиимидной смоле, можно снова особо подгонять, по меньшей мере, одно из свойств слоя полимера к соответствующему случаю применения.
Слой подшипникового металла может быть образован сплавом, выбранным из группы, включающей в себя сплавы на основе алюминия, олова, свинца, меди, CuPb, AlSn, сплавы на AlZn-, AlSi-, AlSnSi-, CuAl-, CuSn-, CuZn-, CuSnZn-, CuZnSn-, CuBi-, а также на AlBi-основе, причем относительно их свойств они достаточно известны из специальной литературы по подшипниковым элементам, так что дальнейшее обсуждение здесь является излишним. Вследствие этого достигаются преимущества, что прочность сцепления слоя полимера с этими материалами подшипникового металла также улучшена без применения необходимых промежуточных сцепляющих слоев.
Как уже упомянуто, также предпочтительно располагать слой полимера непосредственно на слое подшипникового металла, так что можно отказаться от используемых, как правило, блокирующих диффузию слоев, например прослоек никеля.
Также возможно, в частности, при достаточной прочности сцепления, что слой подшипникового металла расположен непосредственно на опорном теле, т.е. снова без размещения промежуточных слоев и сцепляющих средств, вследствие чего можно упрощать конструкцию подшипникового элемента и, вместе с тем, в данном случае могут понижаться также издержки производства.
Выгодным образом в ходе испытаний соответствующего изобретению подшипникового элемента также установлено, что является преимуществом, если поверхность слоя полимера имеет среднее арифметическое отклонение Ra профиля шероховатости, согласно DiN EN ISO 4287 и, соответственно, ASME B 46.1, выбранное из области с нижней границей 0,2 мкм и верхней границей 1,5 мкм, или, соответственно, нижней границей 0,5 мкм и верхней границей 1,0 мкм, или, соответственно, нижней границей 0,8 мкм и верхней границей 0,9 мкм, и, соответственно, если, согласно другим вариантам осуществления, поверхность слоя полимера имеет максимальную высоту Rz профиля шероховатости, согласно DiN EN ISO 4287 и, соответственно, ASME B 46.1, выбранную из области с нижней границей 0,5 мкм и верхний границей 10 мкм, или, соответственно, нижней границей 3 мкм и верхний границей 8 мкм, или, соответственно, нижней границей 5 мкм и верхней границей 6 мкм.
С одной стороны, этими мероприятиями достигают того, что во время фазы приработки ввиду вершин профиля - при рассмотрении относительно общей внутренней поверхности подшипникового элемента образуется меньшая поверхность соприкосновения с расположенным в подшипнике валом, и при этом имеется более незначительное трение, чем можно было бы ожидать только ввиду выбора материала и, соответственно, сопряжения полиимидная смола - сталь, и, с другой стороны, после этой фазы приработки эти вершины в данном случае сошлифованы настолько, что подшипниковая опора отвечает необходимым условиям допусков.
Слой полимера может иметь среднюю толщину, выбранную из области с нижней границей 1 мкм и верхней границей 40 мкм, или, соответственно, нижней границей 3 мкм и верхней границей 30 мкм, или, соответственно, нижней границей 4 мкм и верхней границей 25 мкм, вследствие чего подшипниковый элемент может снова подгоняться под соответствующий случай применения, например, большой подшипник или малый подшипник, и вместе с тем при надежно обеспеченных на долгий срок, неизменных свойствах элемента подшипника достижима соответствующая оптимизация издержек.
Слой полимера имеет, предпочтительным образом, твердость по Виккерсу, выбранную из области с нижней границей 20 HV и верхней границей 45 HV, или, соответственно, нижней границей 22 HV и верхней границей 35 HV, или, соответственно, нижней границей 25 HV и верхней границей 30 HV, вследствие чего достигают соответственно улучшенных антифрикционных характеристик при достаточном пределе выносливости подшипникового элемента.
В частности, подшипниковый элемент выполнен как вкладыш подшипника скольжения, или, соответственно, полувкладыш или втулка подшипника.
Используемый для подшипникового элемента в двигателе с покоящимся валом слой полимера образован, в частности, слоем полимера с соответствующим изобретению составом. Однако возможно, чтобы слой полимера был образован полимером, выбранным из группы, включающей в себя политетрафторэтилен, полиимидные смолы, эпоксидные смолы, фенольные смолы, полиамид 6, полиамид 66, полиоксиметилен, силиконы, полиарилэфиркетоны, полиарилэфирэфиркетоны, дифториды поливинилидена, сульфиды полиэтилена, вследствие чего может происходить соответствующая адаптация к ожидающемуся движению, так как эти полимеры обнаруживают полностью разные свойства, в частности, относительно переноса материала вала на подшипниковый элемент, который вызывается микродвижением.
При этом к слою полимера могут прибавляться дополнительно уменьшающие трение добавки, например MoS2, графит, нитрид бора (гексагональный), дисульфид вольфрама, ПТФЭ, свинец, так что этот слой полимера может использоваться не только как "транспортное предохранительное средство", но и, по меньшей мере, в фазе приработки двигателя обеспечивать соответствующим образом уменьшенное трение скольжения между подшипниковым элементом и валом.
Как уже упомянуто, на подшипниковом элементе может использоваться смазывающий лак из полимера, в частности, выбранного из группы, включающей в себя политетрафторэтилен, полиимидные смолы, эпоксидные смолы, фенольные смолы, полиамид 6, полиамид 66, полиоксиметилен, силиконы, полиарилэфиркетоны, полиарилэфир-эфиркетоны, дифториды поливинилидена, сульфиды полиэтилена, для производства слоя полимера как защитного слоя для предотвращения переноса материала покоящегося вала на подшипниковый элемент. При этом станет возможным подготавливать двигатели непосредственно у производителя, без необходимости особых мер или, соответственно, без опасности того, что при транспортировке уже готовых двигателей произойдет приваривание материала подшипника к валу. Таким образом возможно поставлять такие компоненты предварительно смонтированными соответствующим потребителям, в частности, в автомобильную промышленность, которая вступает, как известно, на путь закупки готовых компонентов, с меньшей частотой отказа элементов.
Для лучшего понимания изобретения оно разъясняется подробнее посредством следующих чертежей, на которых:
Фиг.1 - соответствующий изобретению подшипниковый элемент в форме полувкладыша подшипника скольжения;
Фиг.2 - диаграмма, на которой представлена соответствующая предельная нагрузка в зависимости от варьируемых долей MoS2 и графита.
Изначально установлено, что в описанных по-разному вариантах осуществления одинаковые части снабжаются одними и теми же ссылочными позициями или, соответственно, теми же самыми обозначениями конструктивных элементов, причем приведенные при общем описании утверждения могут переноситься по смыслу на одинаковые части с теми же самыми ссылочными позициями и, соответственно, обозначениями конструктивных элементов. Также выбранные в описании указания о расположении, например, наверху, внизу, со стороны и т.д. могут переноситься по смыслу на непосредственно описываемую, а также представляемую фигуру, и при перемене положения - на новое расположение. В дальнейшем отдельные признаки или комбинации признаков из показанных и описанных разных примеров осуществления могут также представлять собой самостоятельные, изобретательские или соответствующие изобретению решения.
Подшипниковый элемент 1, согласно фиг.1, образован из опорного тела 2, слоя 3 подшипникового металла, а также слоя 4 полимера в качестве антифрикционного слоя. Опорное тело 2 выполнено, как правило, из стали, однако само собой разумеется, может также выполняться из сопоставимых материалов, которыми может реализоваться та же самая или, соответственно, сходная функция, а именно, - обеспечение механической прочности подшипникового элемента 1. При этом механическая прочность всего подшипникового элемента 1 зависит от соответствующей области применения, так что, например, могут также находить применение самые различные медные сплавы, например латунь, бронза. Кроме того, опорным телом 2 гарантируется определенная стабильность формы.
Слой 3 подшипникового металла образован из антифрикционного сплава. Он состоит в этом примере осуществления из алюминиевой матрицы, по меньшей мере, в одной пластичной фазе, а также внедренных твердых частиц. При этом эта, по меньшей мере, одна пластичная фаза может быть образована, по меньшей мере, одним элементом из первой группы элементов, включающей в себя олово, сурьму, индий и висмут. Твердые частицы могут быть образованы, например, по меньшей мере, из одного элемента из второй группы элементов, включающей в себя медь, марганец, кобальт, хром и железо или, соответственно, элементами - скандий и/или цирконий. Также возможно, чтобы эти твердые частицы были образованы посредством интерметаллических фаз, в частности, из последних упомянутых элементов, или, соответственно, из элементов второй группы элементов с алюминием, или, соответственно, посредством интерметаллических фаз, образованными из упомянутых элементов.
Само собой разумеется, однако, что в антифрикционном сплаве могут содержаться какие-либо другие известные из уровня техники пластичные фазы и/или твердые частицы.
С помощью пластичной фазы можно придавать подшипниковому элементу 1 аварийную антизадирную способность, если в слое 4 полимера возникают дефекты (повреждения) при эксплуатации подшипникового элемента 1, и, таким образом, слой 3 подшипникового металла, по меньшей мере, частично вступает в непосредственный контакт с расположенной в подшипнике деталью, например с валом. Вместе с тем, подшипниковому элементу 1 также придается способность восприятия возникающих при износе вследствие использования подшипникового элемента 1 прочных частиц. Твердые частицы придают алюминиевому сплаву необходимую механическую прочность.
В качестве слоя 3 подшипникового металла подходят, в частности, антифрикционные сплавы на основе олова, висмута, индия, свинца, или алюминия, а также сплавы на основе CuPb, при необходимости с высоким содержанием свинца, или на основе AlSn, или, соответственно, AlBi. В частности, предпочтительны имеющие повышенное содержание олова сплавы на основе олова. Также применимы бессвинцовые сплавы на основе меди.
Подходящие антифрикционные сплавы на основе меди представляют собой, например, CuPb22Sn2, CuPb10Sn10, CuPb15Sn7, CuSn6, CuSn4Zn1. В частности, предпочтительны бессвинцовые медные сплавы на CuAl-, CuSn-, CuZn-, CuSnZn-, CuZnSn-, а также CuBi-основе, принимая во внимание более слабое загрязнение окружающей среды.
Подходящие антифрикционные сплавы на основе олова представляют собой, например, SnSb8Cu4, SnSb12Cu6Pb.
Подходящие антифрикционные сплавы на основе свинца представляют собой, например, PbSb10Sn6, PbSb15Sn10, PbSb15SnAs.
Антифрикционные сплавы на основе алюминия могут образовывать, например, AlSn40, AlSn20, AlSn25, AlSn10, AlSn6 и т.д.
Далее, возможно использовать антифрикционные сплавы на основе AlZn, например AlZn4SiPb, или на основе AlSi, например, AlSi11CuMgNi, или на основе AlSnSi, например, AlSn20Si4.
Согласно изобретению слой 4 полимера состоит из полиимидной смолы, дисульфида молибдена, а также графита, причем доля полиимидной смолы в слое 4 полимера выбрана из области с нижней границей 60% и верхней границей 80%, доля MoS2, выбрана из области с нижней границей 15% и верхней границей 25% и доля графита выбрана из области с нижней границей 5% и верхней границей 15%.
Смола может содержаться, по меньшей мере, в одном растворителе, в частности органическом растворителе, например ксилоле, вследствие чего может облегчаться обрабатываемость. При этом доля растворителя может быть выбрана из области с нижней границей 40 мас.% и верхней границей 80 мас.%, в частности, с нижней границей 50 мас.% и верхней границей 70 мас.%, преимущественно с нижней границей 60 мас.% и верхней границей 65 мас.%, по отношению к доле смолы, т.е. смолы с растворителем. Таким образом сухая доля смолы, в частности полиамидимидной смолы, может быть выбрана из области с нижней границей 20 мас.% и верхней границей 50 мас.%, в частности, нижней границей 30 мас.% и верхней границей 40 мас.%, преимущественно, - нижней границей 35 мас.% и верхней границей 37,5 мас.%. Основываясь на этом, нанесенный согласно изобретению слой 4 полимера может, например, иметь сухой состав из 35 мас.% полиамидимидной смолы, 45 мас.% MoS2 и 20 мас.% графита, или, соответственно, сухой состав, который рассчитывается из указанных областей значений для отдельных составляющих материалов слоя 4 полимера.
В случае необходимости этот слой 4 полимера для повышения механической прочности может содержать другие добавки, например волоконные матрицы, такие как, например, арамидные волокна, тугоплавкие соединения, такие как, например, карбиды, оксиды, нитриды. Такие добавки уже известны из уровня техники для этого вида слоев 4 полимера для подшипниковых элементов 1, например, из ЕР 1263914 A1. Таким образом, можно использовать, например, тугоплавкие соединения из CrO2, Fe3O4, PbO, ZnO, CdO, Al2O3, SiO2, SnO2, SiC, Si3N4, причем их доля может изменяться в обычных границах, как например, раскрыто в указанном EP-A1.
Особенно предпочтительным является, если для согласования коэффициента трения используются твердые частицы, которые уже содержатся в антифрикционном слое 3.
Также предпочтительно, в частности, если отношение между долями MoS2 и графита в слое 4 полимера выбрано из области от 1,5:1 до 4,5:1, например от 1,5:1 до 2,5:1.
С соответствующим изобретению составом для слоя 4 полимера возможно реализовать антифрикционный слой с хорошей скользящей и аварийной антизадирной способностью, который делает возможным, при необходимости, даже работу в условиях сухого трения. Этот слой отличается, в частности, простотой технического обслуживания. Возможна эксплуатация с малым количеством смазочного материала, или, соответственно - без смазочного материала. При необходимости может достигаться смазывание водой, что выгодно, в частности, если соответствующий изобретению подшипниковый элемент 1 используется, например, для насосов. Наряду с соответствующим сокращением массы, может наблюдаться также меньшая чувствительность к кромочному давлению.
Соответствующий изобретению подшипниковый элемент 1 может вместо выполнения в виде полувкладыша подшипника скольжения, как представлено на фиг.1, использоваться также по-иному, например как упорное кольцо, втулка скольжения и т.д., в частности, для применения в моторостроении.
Примеры составов, выбранных из соответствующих изобретению областей содержания полиимидной смолы с удаляемым растворителем, MoS2, а также графита для слоя 4 полимера сведены в таблицу 1, причем они, само собой разумеется, не должны пониматься ограничительно для изобретения, а эти примеры лишь подтверждают изобретательский характер.
| Таблица 1 | |||
| Номер | Смола (%) | MoS2 (%) | Графит (%) |
| 1 | 60 | 25 | 15 |
| 2 | 62 | 25 | 13 |
| 3 | 65 | 20 | 15 |
| 4 | 68 | 17 | 15 |
| 5 | 70 | 20 | 10 |
| 6 | 72 | 20 | 8 |
| 7 | 61 | 25 | 14 |
| 8 | 65 | 23 | 12 |
| 9 | 70 | 25 | 5 |
| 10 | 75 | 15 | 10 |
| 11 | 65 | 25 | 10 |
| 12 | 77 | 15 | 8 |
| 13 | 78 | 12 | 10 |
| 14 | 80 | 15 | 5 |
С этим составом производились, соответственно, подшипниковые элементы 1, состоящие из стального опорного вкладыша, на который нанесен подшипниковый металл CuPb22Sn2 и на него - слой 4 полимера. В последующих исследованиях установлено, что с помощью этого состава получаются очень похожие свойства подшипникового элемента 1, так что в дальнейшем, лишь в качестве примера, эти свойства обсуждаются посредством подшипникового элемента 1 со слоем 4 полимера, содержащим 70% полиимидной смолы, 20% MoS2 и 10% графита.
По отношению к 100% предельной нагрузке против сваривания трением для этого соответствующего изобретению подшипника, по сравнению с ним стандартный подшипник из уровня техники с политетрафторэтиленовым (ПТФЭ) покрытием на AlSn40 показывает лишь ухудшенное примерно на 87% значение при тех же условиях испытаний.
Износостойкость измерялась у подшипника с теми же габаритными размерами и теми же условиями смазки. Установлено, что соответствующий изобретению слой полимера достигает по сравнению со слоем ПТФЭ примерно в 8 раз лучшего значения в отношении износостойкости.
В проводимых далее исследованиях соответствующий изобретению слой 4 полимера этого состава наносился также на слой связывающего металла из CuPb22Sn2 или, соответственно, - из AlSn25 и при этом могло быть установлено, что износостойкость варьирует в пределах +/- 5% от того значения, которого достигают с AlSn40, из чего следует, что соответствующий изобретению слой 4 полимера может наноситься, по меньшей мере, на все выпускаемые антифрикционные металлы, без того, чтобы существенно изменялись его выдающиеся свойства.
Соответствующие улучшения могли быть достигнуты также относительно коррозии.
На фиг.2 нанесена предельная по задирам нагрузка в процентах, относительно доли графита, а также доли MoS2, соответственно, в процентах, причем для состава 70% смолы, 20% MoS2 и 10% графита принято значение 100% нормы, и, соответственно, достигнутые значения могут быть получены из таблицы 2. Из этого графика очень отчетливо следует, что соответственно изобретению составленный слой 4 полимера, т.е. снабженные им подшипниковые элементы 1 имеют отчетливо лучшее значение относительно предельной по задирам нагрузки, чем это имеет место в случае соответствующих слоях полиимидной смолы, которые известны из состояния техники.
| Таблица 2 | |||
| Графит [%] MoS2 [%] | 5 | 10 | 15 |
| 15 | 91,8 | ||
| 20 | 98 | 100 | |
| 40 | 65,8 | 67,4 | |
| 60 | 47,5 |
Принимая во внимание самосмазывающееся поведение, было найдено, что можно достигать улучшения свойств, если используются пластинки MoS2 с уже упомянутыми выше размерами.
Также предпочтительно, если используется графит с размером частиц, выбранной из области с нижней границей 2 мкм и верхней границей 8 мкм.
Дальнейшего улучшения свойств, в частности износостойкости, против кавитации, а также коррозионной стойкости как в процессе прирабатывания, так и в ходе продолжительной эксплуатации, можно достигать, если с составленным, согласно изобретению, слоем 4 полимера производится подшипниковый элемент 1, в котором этот слой 4 полимера имеет профиль шероховатости, со значениями высоты Rz профиля шероховатости, согласно DiN ISO 4287 или, соответственно, ASME B 46.1, а также, соответственно, средними арифметическими отклонениями Ra профиля шероховатости, также согласно DiN ISO 4287 и, соответственно, ASME B 46.1, в соответствии с уже указанными значениями и, соответственно, выбранными из указанных областей.
Производство соответствующего изобретению подшипникового элемента 1 происходит так, что на металлическом опорном теле 2 производится слой 3 подшипникового металла известным из уровня техники способом, например прокаткой, литьем, спеканием, электролитическим осаждением, или с помощью способа ионно-плазменного напыления. На этом слое 3 подшипникового металла может производиться соответствующий изобретению слой 4 полимера также известными из уровня техники способами, например способом напыления или способом намазывания, причем этот слой полимера может еще в заключение подвергаться термической обработке. Соответствующая предварительная обработка также известна из уровня техники, так что дальнейшее обсуждение здесь является излишним.
Соответствующий изобретению слой 4 полимера подходит, в частности, также для оснащения подшипниковых элементов 1 для двигателей, причем этот слой 4 полимера используется как защитный слой или, соответственно, "упаковочный слой", чтобы избегать передачи материала вала в связывающий металл и, соответственно, в подшипниковый элемент 1 и, вместе с тем, микросваривания, которое как следствие ведет к отказу двигателя. Чтобы достигать этого действия или, соответственно, усиливать его, также можно покрывать сам вал слоем 4 полимера. Таким образом, в основном слой 4 полимера может использоваться как так называемый защитный слой против этого микросваривания, вызванного передачей материала от установленной в подшипнике детали на соответствующую деталь подшипника.
Для этого образования защитного слоя или, соответственно, "упаковочного слоя" для транспортировки уже собранных двигателей с установленным валом, могут использоваться наряду, в частности, с надлежащим, соответствующим изобретению слоем 4 полимера, также слои полимера на основе политетрафторэтилена, полиимидных смол, эпоксидных смол, фенольных смол, полиамида 6, полиамида 66, полиоксиметилена, силиконов, полиарилэфиркетонов, полиарилэфирэфиркетонов, дифторидов поливинилидена, сульфидов полиэтилена, а также смесей из них, причем к этим полимерам также снова могут быть прибавлены самосмазывающиеся дополнения, например MoS2, графит, гексагональный нитрид бора, различные сульфиды металлов и т.д., так же, как и уже упомянутые твердые частицы.
Примеры осуществления показывают возможные варианты осуществления подшипникового элемента 1, причем нужно отметить, что изобретение не ограничено специально представленными вариантами его осуществления, а наоборот, возможны также различные комбинации отдельных вариантов осуществления между собой, и эта возможность изменений находится в компетенции специалиста в данной области техники. Все допустимые варианты осуществления, которые возможны за счет комбинирования отдельных деталей представленного и описанного варианта исполнения, также входят в объем защиты.
Для порядка нужно в заключение указать на то, что для лучшего понимания строения подшипникового элемента 1 он и, соответственно, его составные части представлялись частично не в масштабе, и/или увеличенными, и/или уменьшенными.
Лежащая в основе самостоятельных изобретательских решений задача может быть получена из описания.
1. Подшипниковый элемент (1) с металлическим опорным телом (2), расположенным на нем слоем (3) подшипникового металла, а также с расположенным поверх него слоем (4) полимера, причем слой (4) полимера включает в себя полиамидимидную смолу, дисульфид молибдена (MoS2) и графит и причем между слоями при необходимости расположены другие слои, например связывающая пленка, отличающийся тем, что доля полиамидимидной смолы выбрана из области с нижней границей 23,08 мас.% и верхней границей 35,78 мас.%, доля MoS2 выбрана из области с нижней границей 40,37 мас.% и верхней границей 48,08 мас.% и доля графита выбрана из области с нижней границей 23,85 мас.% и верхний границей 28,85 мас.%.
2. Элемент (1) по п.1, отличающийся тем, что отношение MoS2 к графиту выбрано из области с нижней границей 1,5:1 и верхней границей 4,5:1.
3. Элемент (1) по п.1, отличающийся тем, что содержит MoS2-пластинки со средней длиной, выбранной из области с нижней границей 10 мкм и верхней границей 40 мкм, и/или со средней шириной, выбранной из области с нижней границей 10 мкм и верхней границей 40 мкм, и/или со средней высотой, выбранной из области с нижней границей 2 нм и верхней границей 20 нм.
4. Элемент (1) по п.1, отличающийся тем, что содержит графит с размером частиц, выбранной из области с нижней границей 2 мкм и верхней границей 8 мкм.
5. Элемент (1) по п.1, отличающийся тем, что слой (3) подшипникового металла образован сплавом, выбранным из группы, включающей в себя сплавы на основе алюминия, олова, свинца, меди, CuPb, AlSn, AlZn-, AlSi-, AlSnSi-, CuAl-, CuSn-, CuZn-, CuSnZn-, CuZnSn-, CuBi-, а также AlBi-основе.
6. Элемент (1) по п.1, отличающийся тем, что слой (4) полимера расположен непосредственно на слое (3) подшипникового металла.
7. Элемент (1) по п.1, отличающийся тем, что слой (3) подшипникового металла расположен непосредственно на опорном теле (2).
8. Элемент (1) по п.1, отличающийся тем, что поверхность слоя (4) полимера имеет среднее арифметическое отклонение Ra профиля шероховатости, согласно DiN EN ISO 4287, выбранное из области с нижней границей 0,2 мкм и верхней границей 1,5 мкм.
9. Элемент (1) по п.1, отличающийся тем, что поверхность слоя (4) полимера имеет максимальную высоту Rz профиля шероховатости, согласно DiN EN ISO 4287, выбранную из области с нижней границей 0,5 мкм и верхней границей 10 мкм.
10. Элемент (1) по п.1, отличающийся тем, что слой (4) полимера имеет среднюю толщину, выбранную из области с нижней границей 1 мкм и верхней границей 40 мкм.
11. Элемент (1) по п.1, отличающийся тем, что слой (4) полимера имеет твердость по Виккерсу, выбранную из области с нижней границей 20 HV и верхней границей 45 HV.
12. Элемент (1) по п.1, отличающийся тем, что он выполнен как полувкладыш подшипника скольжения, или упорное кольцо, или втулка подшипника.
