DE102008060116A1

DE102008060116A1 - Verfahren zur Herstellung einer Lageranordnung und Lageranordnung

Info

Publication number: DE102008060116A1
Application number: DE102008060116A
Authority: DE
Inventors: Stefanie Seufert; Helmut Hauck; Alexander Dilje; Hans-Jürgen FRIEDRICH; Berthold Beyfuss; Alfred Radina; Jonas Schierling
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2008-12-03
Filing date: 2008-12-03
Publication date: 2010-06-10
Also published as: US20110299800A1; EP2370705A1; WO2010063379A1; CN102239342A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lageranordnung (1), umfassend mindestens ein Lagerelement (2) und mindestens ein Umbauteil (3), wobei das Lagerelement (2) und das Umbauteil (3) bei bestimmungsgemäßem Gebrauch an einer Kontaktfläche aneinanderliegen, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: a) Anordnen des Lagerelements (2) und des Umbauteils (3) in der bestimmungsgemäß gewünschten relativen Lage zueinander und Platzieren einer reaktiven nanokristallinen Schicht (5) zwischen dem Lagerelement (2) und dem Umbauteil (3) im Bereich der Kontaktfläche (4); b) Auslösen einer exothermen Reaktion in der reaktiven nanokristallinen Schicht (5), so dass es durch zumindest teilweises Erhitzen der sich im Bereich der Kontaktfläche (4) befindlichen Oberfläche des Lagerelements (2) und/oder des Umbauteils (3) zu einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Lagerelement (2) und dem Umbauteil (3) kommt. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Lageranordnung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lageranordnung, umfassend mindestens ein Lagerelement und mindestens ein Umbauteil, wobei das Lagerelement und das Umbauteil bei bestimmungsgemäßem Gebrauch an einer Kontaktfläche aneinander liegen. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Lageranordnung.
In mannigfaltigen maschinenbautechnischen Anwendungen gilt es, ein Lagerelement (beispielsweise den Lageraußenring eines Wälzlagers) mit einem Umbauteil (z. B. einem Lagerträger) zu verbinden. Hierbei wird häufig eine feste und stabile Verbindung angestrebt. Dafür eigenen sich insbesondere stoffschlüssige Verbindungen, namentlich Löt- und Schweißverbindungen.
Sofern es sich um das Schweißen als stoffschlüssiges Verbindungsverfahren handelt, sind dann Einschränkungen zu machen, wenn das Lagerelement beispielsweise ein Lagerring ist. Dieser besteht zumeist aus durchhärtendem Wälzlagerstahl, insbesondere aus dem Stahlwerkstoff 100Cr6, der infolge seines hohen Gehalts an Kohlenstoff praktisch nicht schweißbar ist.
Soll ein solcher Lagerring stoffschlüssig mit einem Umbauteil verbunden werden, kommt daher statt dem Schweißen das Löten in Frage. Das Löten hat den Vorteil, dass auch nicht schweißbare Materialien miteinander verbunden werden können.
Nachteilig ist beim Löten indes, dass die Fügepartner im Bereich der Fügeflächen auf die notwendige Löttemperatur erhitzt werden müssen, was aufgrund der hohen Wärmeinbringung zu Schädigungen in der Lageranordnung führen kann. Das Aufheizen der zu fügenden Partner ist zudem energetisch aufwändig und führt zu einer großen Temperaturstreuung in den Bauteilen. Aufgrund dieser Temperaturstreuung kann es zu Verformungen oder gar Zerstörungen der Verbindungspartner kommen. Des Weiteren ist eine externe Energiequelle (z. B. ein Lötbrenner) nötig, was einen langwierigen Prozess darstellt und sich kaum für die Großserienfertigung eignet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine entsprechende Lageranordnung vorzuschlagen, mit dem bzw. mit der die genannten Nachteile vermieden werden können. Es soll also eine kostengünstige Möglichkeit geschaffen werden, mit der ein Lagerelement und ein Umbauteil stoffschlüssig verbunden werden können, auch wenn zumindest das Material eines der miteinander zu verbindenden Teile aus nicht schweißbarem Material bestehen. Andererseits soll durch den stoffschlüssigen Verbindungsvorgang keine oder jedenfalls nur eine untergeordnete Menge an Wärme in die Bauteile eingetragen werden, so dass es zu keiner Schädigung im Lagerelement bzw. im Umbauteil kommt.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist verfahrensgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte vorgesehen sind:

a) Anordnen des Lagerelements und des Umbauteils in der bestimmungsgemäß gewünschten relativen Lage zueinander und Platzieren einer reaktiven nanokristallinen Schicht zwischen dem Lagerelement und dem Umbauteil im Bereich der Kontaktfläche;
b) Auslösen einer exothermen Reaktion in der reaktiven nanokristallinen Schicht, so dass es durch zumindest teilweises Erhitzen der sich im Bereich der Kontaktfläche befindlichen Oberfläche des Lagerelements und/oder des Umbauteils zu einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Lagerelement und dem Umbauteil kommt.

Die nanokristalline Schicht dient demzufolge als „Brennstoff" für die Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung, sie erhitzt die beteiligten Partner, wodurch insbesondere eine Fügung nach Art einer Löt- oder Schweißverbindung hergestellt werden kann.
Das Auslösen der exothermen Reaktion gemäß Schritt b) in der reaktiven nanokristallinen Schicht kann auch durch zumindest teilweises Aufschmelzen der sich im Bereich der Kontaktfläche befindlichen Oberfläche des Lagerelements und/oder des Umbauteils zu einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen der nanokristallinen Schicht und dem Lagerelement und/oder dem Umbauteil führen.
Das Platzieren der reaktiven nanokristallinen Schicht zwischen dem Lagerelement und dem Umbauteil gemäß Schritt a) kann dabei erfolgen, während oder nachdem das Lagerelement und das Umbauteil in der bestimmungsgemäß gewünschten Relativlage angeordnet werden oder worden sind. Es ist aber alternativ auch möglich, dass das Platzieren der reaktiven nanokristalli nen Schicht zwischen dem Lagerelement und dem Umbauteil gemäß Schritt a) erfolgt, bevor das Lagerelement und das Umbauteil in der bestimmungsgemäß gewünschten Relativlage angeordnet werden.
In letzerem Falle besteht eine spezielle Möglichkeit darin, dass die reaktive nanokristalline Schicht auf das Lagerelement bzw. auf das Umbauteil im Bereich der Kontaktfläche aufgebracht wird.
Vor der Durchführung des Schrittes a) kann im Bereich der Kontaktfläche zwischen dem Lagerelement und der reaktiven nanokristallinen Schicht bzw. zwischen dem Umbauteil und der nanokristallinen Schicht zumindest abschnittsweise eine Schicht eines Lots platziert werden. Es ist alternativ aber auch möglich, dass vor der Durchführung des genannten Schrittes das Lagerelement bzw. das Umbauteil im Bereich der Kontaktfläche mit einer Beschichtung versehen wird, wobei die Beschichtung ein Lot ist oder ein Lot aufweist.
Das Auslösen der exothermen Reaktion in der reaktiven nanokristallinen Schicht gemäß obigem Schritt b) kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens dadurch erfolgen, dass ein elektrischer Strom durch die reaktive nanokristalline Schicht geleitet wird.
Während der exothermen Reaktion in der reaktiven nanokristallinen Schicht gemäß obigem Schritt b) kann das Lagerelement und das Umbauteil relativ zueinander aneinander gedrückt werden. Dies unterstützt die Bildung einer festen Verbindung zwischen den zu fügenden Bauteilen.
Die vorgeschlagene Lageranordnung umfasst mindestens ein Lagerelement und mindestens ein Umbauteil, wobei das Lagerelement und das Umbauteil bei bestimmungsgemäßem Gebrauch an einer Kontaktfläche aneinander liegen. Erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass eine reaktive nanokristalline Schicht im Bereich der Kontaktfläche angeordnet ist, wobei die reaktive nanokristalline Schicht nach Ausführung einer exothermen Reaktion eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Lagerelement und dem Umbauteil bildet.
Die reaktive nanokristalline Schicht kann dabei als separate Struktur zwischen das Lagerelement und das Umbauteil eingebracht sein. Es ist aber auch möglich, dass die reaktive nanokristalline Schicht als Beschichtung auf das Lagerelement und/oder auf das Umbauteil aufgebracht ist.
Zwischen der reaktiven nanokristallinen Schicht und dem Lagerelement bzw. zwischen der reaktiven nanokristallinen Schicht und dem Umbauteil kann ferner eine Schicht aus einem Lot angeordnet sein. Es ist aber auch möglich, die reaktive nanokristalline Schicht zusammen mit dem Lot als separates Element auszubilden, welches gemäß obigem Schritt a) eingebracht werden kann.
Das Lagerelement ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung Bestandteil eines Wälzlagers und weist mindestens eine Laufbahn für Wälzkörper auf. Möglich ist es aber auch, dass das Lagerelement Bestandteil eines Gleitlagers ist und mindestens eine Gleitfläche aufweist.
Das Umbauteil kann als Lagerträger ausgeführt sein. Der Lagerträger kann mindestens eine kreisförmige Ausnehmung für die Aufnahme des Lagerrings eines Wälzlagers aufweisen, wobei die reaktive nanokristalline Schicht entlang des Umfangs der kreisförmigen Ausnehmung angeordnet ist. Das Umbauteil besteht insbesondere in letztgenanntem Falle aus Blech.
Das Lagerelement besteht zumeist aus Stahl, insbesondere aus Wälzlagerstahl, besonders bevorzugt aus 100Cr6, um den Nachteil, dass das genannte Material nicht schweißbar ist, erfindungsgemäß in einfacher Weise umgehen zu können. Das Lagerelement kann aber auch aus einem nichtmetallischen Material, insbesondere aus einem Keramikmaterial, bestehen, wie es für manche Gleitlager typisch ist.
Das erfindungsgemäße Konzept stellt also darauf ab, für das Fügen von Lagerelement und Umbauteil einen Prozess vorzusehen, der auf den Einsatz von exotherm reagierenden Schichten oder Partikeln zurückzuführen ist. Diese Schichten basieren beispielsweise auf dem Einsatz von Nickel (Ni) und Aluminium (Al).
Zu Details betreffend die reaktive nanokristalline Schicht wird auf die US 6,991,856 B2 ausdrücklich Bezug genommen, wo die zum Einsatz vorgesehenen reaktiven nanokristallinen Schichten eingehend beschrieben und offenbart sind. Es handelt sich bei den vorgesehenen reaktiven nanokristallinen Schichten bevorzugt um Folien, die eine Vielzahl von dünnen Lagen aufweisen, die als eine lokale Wärmequelle fungieren können. Derartige Schichten sind handelsüblich beispielsweise unter der Bezeichnung NanoFoil^® von der Firma Reactive Nano Technogies Inc., USA, erhältlich. Die genannte Schicht stellt eine thermisch instabile Schicht dar, die beispielsweise durch Einleitung elektrischer Energie aktiviert werden kann.
Der vorgeschlagene Fügeprozess mit den reaktiven nanokristallinen Schichten ist auch unter der Bezeichnung „Kaltfügen" bekannt, da die zur Verbindung notwendige Energie in Bruchteilen von Sekunden durch die Schicht und zwar genau und ausschließlich in der Fügestelle quasi selbst generiert wird.
Die erfindungsgemäß vorgesehenen Schichten können beispielsweise durch Einlegen der genannten reaktiven nanokristallinen Folien aufgebaut werden. Alternativ ist es auch möglich, unter Nutzung bekannter Beschichtungsverfahren (beispielsweise durch „Physical Powder Deposition" – abgekürzt DVP) die Schicht aus reaktivem nanokristallinem Material direkt auf zumindest eine Seite der zu fügenden Kontaktflächen (von Lagerelement und/oder Umbauteil) aufzubringen. Hierbei ist abhängig von der erreichbaren Temperatur und des zu verbindenden Materials während der thermischen Reaktion gegebenenfalls noch ein Zusatzmaterial in Form eines Lots vorteilhaft bzw. notwendig.
In vorteilhafter Weise kann der erfindungsgemäße Vorschlag so ausgeführt werden, dass die stoffschlüssige Verbindung auf das gesamte Bauteil bezogen bei nahezu Raumtemperatur erfolgen kann. Dadurch ergibt sich kein thermischer Verzug an den zu fügenden Bauteilen und keine Zerstörung bzw. Beschädigung derselben. Ferner ist keine zusätzliche Energiequelle zur Wärmeeinbringung erforderlich.
Das vorgeschlagene Verfahren ist grundsätzlich für alle Arten von Lagerelementen einsetzbar (z. B. auch für Gleitlager mit keramischem Material), bei denen kostengünstig zusätzliche Bauteile hochfest befestigt werden sollen, z. B. Flansche, oder bei denen komplette Wälzlager (mit wärmempfindlichen Dichtungen) direkt stoffschlüssig mit Umbauteilen verbunden werden müssen.
Die reaktiven nanokristallinen Schichten werden bevorzugt in Form von Folien verwendet. Es ist aber auch möglich, diese Schichten in Form von pastösem Material aufzubringen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 schematisch den Schnitt durch eine Lageranordnung, bei der ein Wälzlager in Form eines Axialkugellagers eingesetzt wird,
2 schematisch den Schnitt durch eine Lageranordnung, bei der ein Wälzlager in Form eines Zylinderrollenlagers eine Welle relativ zu einem Umbauteil lagert,
3 schematisch den Schnitt durch eine Lageranordnung, bei der ein Gleitlager eine Welle relativ zu einem Umbauteil lagert, und
4 eine vergrößerte Darstellung des stoffschlüssigen Verbundes zwischen einem Lagerelement und einem Umbauteil.
In 1 ist eine Lageranordnung 1 dargestellt, die ein Wälzlager 7 in Form eines Axialkugellagers umfasst, das an einem Umbauteil 3 in Form eines Lagerträgers angeordnet ist. Genauer gesagt, ist einer der Lagerringe, nämlich das Lagerelement 2 stoffschlüssig mit dem Umbauteil 3 verbunden. Der Lagerring 2 hat eine Laufbahn 8 für die Kugeln des Lagers.
Das Lagerelement 2 und das Umbauteil 3 kontaktieren sich an einer Kontaktfläche 4. In den sich ergebenden Kontaktspalt ist eine Schicht 5 aus reaktivem nanokristallinem Material eingebracht. Wird diese Schicht 5 aktiviert, beispielsweise durch Anlegen eines elektrischen Stroms, der durch die Schicht 5 fließt, kommt es zu einem exothermen Vorgang, der zum Aufschmelzen der sich gegenüberliegenden Oberflächen des Lagerelement 2 und des Umbauteils 3 führt und – im Zusammenwirken mit dem Aufschmelzen der Schicht 5 selber – zu einem festen stoffschlüssigen Verbund zwischen dem Lagerelement 2 und dem Umbauteil 3.
In 2 ist grundsätzlich dieselbe Situation illustriert, wobei hier ein Wälzlager 7 in Form eines Zylinderrollenlagers eine Welle 11 relativ zu dem Umbauteil 3 lagert.
Der Erfindungsvorschlag kann auch genauso – wie es 3 zeigt – eingesetzt werden, wenn es um die Festlegung eines Lagerelements in Form eines Gleitlagers 9 an einem Umbauteil 3 geht. Das Lagerelement 2 besteht hier aus einer aus keramischem Material bestehenden Gleitbuchse, die am Umbauteil 3 festzulegen ist. Die Gleitbuchse 2 hat eine Gleitfläche 10, über die eine Welle 11 gelagert wird.
Wiederum wird zur stoffschlüssigen Festlegung des Lagerelements 2 am Umbauteil 3 eine Schicht 5 aus reaktivem nanokristallinem Material eingesetzt.
Wie 4 zeigt, kann auch zwischen der reaktiven nanokristallinen Schicht 5 und dem Lagerelement 2 und/oder dem Umbauteil 3 eine Schicht 6 eines Lots angeordnet werden, bevor die Schicht 5 aktiviert und die stoffschlüssige Verbindung somit hergestellt wird.

1: Lageranordnung
2: Lagerelement
3: Umbauteil
4: Kontaktfläche
5: reaktive nanokristalline Schicht
6: Schicht eines Lots
7: Wälzlager
8: Laufbahn
9: Gleitlager
10: Gleitfläche
11: Welle

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

- US 6991856 B2 [0022]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Lageranordnung (1), umfassend mindestens ein Lagerelement (2) und mindestens ein Umbauteil (3), wobei das Lagerelement (2) und das Umbauteil (3) bei bestimmungsgemäßem Gebrauch an einer Kontaktfläche (4) aneinander liegen, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: a) Anordnen des Lagerelements (2) und des Umbauteils (3) in der bestimmungsgemäß gewünschten relativen Lage zueinander und Platzieren einer reaktiven nanokristallinen Schicht (5) zwischen dem Lagerelement (2) und dem Umbauteil (3) im Bereich der Kontaktfläche (4); b) Auslösen einer exothermen Reaktion in der reaktiven nanokristallinen Schicht (5), so dass es durch zumindest teilweises Erhitzen der sich im Bereich der Kontaktfläche (4) befindlichen Oberfläche des Lagerelements (2) und/oder des Umbauteils (3) zu einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Lagerelement (2) und dem Umbauteil (3) kommt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Platzieren der reaktiven nanokristallinen Schicht (5) zwischen dem Lagerelement (2) und dem Umbauteil (3) gemäß Schritt a) von Anspruch 1 erfolgt, während oder nachdem das Lagerelement (2) und das Umbauteil (3) in der bestimmungsgemäß gewünschten Relativlage angeordnet werden oder worden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Platzieren der reaktiven nanokristallinen Schicht (5) zwischen dem Lagerelement (2) und dem Umbauteil (3) gemäß Schritt a) von Anspruch 1 erfolgt, bevor das Lagerelement (2) und das Umbauteil (3) in der bestimmungsgemäß gewünschten Relativlage angeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive nanokristalline Schicht (5) auf das Lagerelement (2) und/oder auf das Umbauteil (3) im Bereich der Kontaktfläche (4) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Durchführung des Schrittes a) gemäß Anspruch 1 im Bereich der Kontaktfläche (4) zwischen dem Lagerelement (2) und der reaktiven nanokristallinen Schicht (5) und/oder zwischen dem Umbauteil (3) und der nanokristallinen Schicht (5) zumindest abschnittsweise eine Schicht eines Zusatzmaterials (6), insbesondere eines Lots oder eines lothaltigen Materials, platziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Durchführung des Schrittes a) gemäß Anspruch 1 das Lagerelement (2) und/oder das Umbauteil (3) im Bereich der Kontaktfläche (4) mit einer Beschichtung (6) versehen wird, wobei die Beschichtung (6) ein Lot ist oder ein Lot aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslösen der exothermen Reaktion in der reaktiven nanokristallinen Schicht (5) gemäß Schritt b) von Anspruch 1 erfolgt, indem ein elektrischer Strom durch die reaktive nanokristalline Schicht (5) geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass während der exothermen Reaktion in der reaktiven nanokristallinen Schicht (5) gemäß Schritt b) von Anspruch 1 das Lagerelement (2) und das Umbauteil (3) relativ zueinander aneinander gedrückt werden.
Lageranordnung (1), umfassend mindestens ein Lagerelement (2) und mindestens ein Umbauteil (3), wobei das Lagerelement (2) und das Umbauteil (3) bei bestimmungsgemäßem Gebrauch an einer Kontaktfläche (4) aneinander liegen, dadurch gekennzeichnet, dass eine reaktive nanokristalline Schicht (5) im Bereich der Kontaktfläche (4) angeordnet ist, wobei die reaktive nanokristalline Schicht (5) nach Ausführung einer exothermen Reaktion eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Lagerelement (2) und dem Umbauteil (3) bildet.
Lageranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive nanokristalline Schicht (5) als separate Struktur zwischen das Lagerelement (2) und das Umbauteil (3) eingebracht ist.
Lageranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive nanokristalline Schicht (5) als Beschichtung auf das Lagerelement (2) und/oder auf das Umbauteil (3) aufgebracht ist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der reaktiven nanokristallinen Schicht (5) und dem Lagerelement (2) und/oder zwischen der reaktiven nanokristallinen Schicht (5) und dem Umbauteil (3) eine Schicht aus einem Lot (6) angeordnet ist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement (2) Bestandteil eines Wälzlagers (7) ist und mindestens eine Laufbahn (8) für Wälzkörper aufweist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement (2) Bestandteil eines Gleitlagers (9) ist und mindestens eine Gleitfläche (10) aufweist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Umbauteil (3) ein Lagerträger ist.
Lageranordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerträger (3) mindestens eine kreisförmige Ausnehmung für die Aufnahme des Lagerrings eines Wälzlagers aufweist, wobei die reaktive nanokristalline Schicht (5) entlang des Umfangs der kreisförmigen Ausnehmung angeordnet ist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Umbauteil (3) aus Blech besteht.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement (2) aus Stahl, insbesondere aus Wälzlagerstahl, besonders bevorzugt aus 100Cr6, besteht.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement (2) zumindest teilweise aus einem nichtmetallischen Material besteht.
Lageranordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement (2) aus Keramikmaterial besteht.