DE102009018822A1 - Wälzlager - Google Patents

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Abstract

Das Wälzlager weist eine innere Laufschale (12) und eine äußere Laufschale (16) auf, zwischen denen sich Wälzkörper (15) befinden. Die beiden Laufschalen bestehen aus Hartmetall und die Wälzkörper (15) bestehen aus Hartmetall oder keramischem Material. Da solche Materialien extrem spröde sind, sind die Laufschalen (12, 16) jeweils mit einem Stützring (10, 19) abgestützt, der durch eine Hartlotschicht (13, 18) mit der jeweiligen Laufschale verbunden ist. Als Material für die Stützringe eignet sich besonders Titan. Das Wälzlager zeichnet sich durch eine hohe Temperaturbeständigkeit und geringe Reibungsverluste aus.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Wälzlager, wie Kugellager, Rollenlager oder Nadellager.
  • Die üblichen Wälzlager haben Laufschalen und Wälzkörper, die jeweils aus Stahl bestehen. Die herkömmlichen Lager sind bis zu einer Einsatztemperatur von etwa 200°C geeignet. Für höhere Temperaturen verwendet man keramische Lager, die zwar temperaturbeständig sind, jedoch den Nachteil einer hohen Sprödigkeit haben. Bei Stoß- oder Schlagbeanspruchungen kann das Lager bersten, mit der Folge, dass erhebliche Beschädigungen an Maschinenteilen auftreten können.
  • Gute Laufeigenschaften erfordern den Einsatz harter Materialien bei den Komponenten eines Wälzlagers. Gehärtete Materialien, wie beispielsweise gehärteter Stahl, sind aber nicht gegen hohe Temperaturen im Bereich von 500°C beständig. Sie verlieren ihre Härte bei hohen Temperaturen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wälzlager zu schaffen, das gute Laufeigenschaften und geringen Verschleiß hat, hochtemperaturbeständig ist und eine hohe Berstfestigkeit hat.
  • Das Wälzlager nach der vorliegenden Erfindung ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Hiernach bestehen die innere und die äußere Laufschale aus Hartmetall und die Wälzkörper bestehen aus Hartmetall oder keramischem Material. Die innere Laufschale ist von einem inneren Stützring abgestützt und die äußere Laufschale ist von einem äußeren Stützring abgestützt.
  • Das erfindungsgemäße Wälzlager zeichnet sich dadurch aus, dass die Laufschalen und Wälzkörper aus harten und temperaturbeständigen Materialien bestehen, die geringe Reibungsverluste haben und sich durch hohe Temperaturbeständigkeit auszeichnen. Die Laufschalen, die an sich aus sprödem Material bestehen, sind durch Stützringe abgestützt, welche eine höhere Nachgiebigkeit haben als die Laufschalen. Die Stützringe bilden Stützkörper, die das Bersten der Laufschalen verhindern. Auf diese Weise hat das Wälzlager nicht nur eine hohe Wärmebeständigkeit sondern auch eine hohe Stoßfestigkeit.
  • Mit den erfindungsgemäßen Werkstoffpaarungen können Lager für Betriebstemperaturen in der Größenordnung von 500°C hergestellt werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die innere Laufschale mit dem inneren Stützring durch eine Hartlotschicht verbunden. In ähnlicher Weise kann die äußere Laufschale mit dem äußeren Stützring durch eine Hartlotschicht verbunden sein. Hartlot ist oxidationsbeständig für Temperaturen bis 650–700°C. Die Hartlotschicht besteht vorzugsweise aus einem Hochtemperatur-Silberlot.
  • Die Lauffläche mindestens einer der beiden Laufschalen kann mit einer Hartstofflaufschicht beschichtet sein. Diese besteht vorzugsweise aus DLC (Diamond like Carbon), AlCrN, AlTiN, CrN oder TiB2 und liefert gute Gleiteigenschaften für die Wälzkörper.
  • Eine gute Werkstoffkombination mit geringen Reibverlusten ergibt sich, wenn die Laufschalen aus Hartmetall und die Wälzkörper aus SiN oder AlO bestehen. Ebenfalls besteht die Möglichkeit, Lager mit großen Durchmessern herzustellen, da gegenüber rein keramischen Lagern eine erheblich größere Schadenstoleranz besteht. Ein Bersten der Laufschalen wird durch die angelöteten Stützringe verhindert. Die Stützringe bilden jeweils die tragende Struktur des Wälzlagers.
  • Ein Stützring aus Titan ist vorteilhaft, da Titan einen ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten wie Hartmetall besitzt. Alternativ können die Stützringe aus einer Nickellegierung bestehen oder aus ungehärtetem Stahl.
  • Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die einzige Figur der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. In der Zeichnung ist ein Längsschnitt des erfindungsgemäßen Wälzlagers dargestellt.
  • Bei dem Wälzlager des vorliegenden Ausführungsbeispiels handelt es sich um ein Kugellager. Unter den Begriff „Wälzlager” fallen außerdem Rollenlager, Kegellager und Nadellager und dergleichen.
  • Das Wälzlager weist einen inneren Stützring 10 auf, der aus einem relativ weichen Material von hoher Festigkeit besteht. Der innere Stützring ist generell zylindrisch und er umschließt die Öffnung 11 für eine Welle, die mit dem Wälzlager gelagert werden soll. Der Stützring 10 ist von einer inneren Laufschale 12 umgeben, welche ebenfalls ringförmig ausgebildet ist. Die innere Laufschale 12 besteht aus hartem Material mit guten Laufeigenschaften für die Wälzkörper. Die Laufschale 12 ist an der Umfangsfläche des inneren Stützringes 10 mit einer Hartlotschicht 13 angebondet. Diese besteht aus einem Hartlot, das oxidationsfest lötbar ist. Vorzugsweise liegt die Schmelztemperatur des Hartlots oberhalb von 500–1200°C. Als Lot wird ein Hochtemperatur-Silberlot verwendet oder ein Cu/Ni Basislot.
  • Auf dem Umfang der inneren Laufschale 12 rollen Wälzkörper 15 ab, bei denen es sich im vorliegenden Beispiel um Kugeln handelt. Die Laufschale 12 hat eine entsprechende Laufrinne 14.
  • Die Wälzkörper 15 sind außen von einer äußeren Laufschale 16 umgeben, die ebenfalls eine Laufrinne 17 aufweist. Der äußere Laufring ist durch eine Hartlotschicht 18 mit einem äußeren Stützring 19 verbunden.
  • Die innere Laufschale 12 und die äußere Laufschale 16 bestehen aus Hartmetall, insbesondere Wolframcarbid. Dies ist ein sehr hartes und sprödes Material aus dem unter anderem auch die Schneidstähle hergestellt werden, die bei der spanabhebenden Werkstückbearbeitung eingesetzt werden. Die Wälzkörper 15 bestehen ebenfalls aus Hartmetall oder aus keramischem Material. Keramische Materialien, die hierfür geeignet sind, sind SiN und AlO.
  • Die Stützringe 10 und 19 bestehen vorzugsweise aus Titan, insbesondere aus hochtemperaturfestem Ti-6.2.4.2. Vorteilhaft ist, dass Titan einen ähnlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten wie Hartmetall besitzt. Daher treten zwischen der jeweiligen Laufschale und ihrem Stützring praktisch keine temperaturbedingten Spannungen auf.
  • Um eine Erosion des Hartmetalls der Laufschalen zu verhindern, sind die Laufrinnen 14 und 17 zusätzlich mit einer Laufschicht 20 bzw. 21 beschichtet.
  • Gute Werkstoffkombinationen ergeben sich, wenn die Laufschalen 12 und 16 aus Hartmetall (Siliziumcarbid oder Wolframcarbid) bestehen und die Wälzkörper 15 aus Siliziumnitrid (SiN). In diesem Fall sind die Reibverluste sehr gering. Da gegenüber ausschließlich keramischen Lagern durch die Stützringe eine erheblich größere Schadenstoleranz besteht, können mit der erfindungsgemäßen Konstruktion auch Lager mit großen Durchmessern hergestellt werden. Ein Bersten der Lagerschalen wird durch die Unterstützung der keramikartigen Laufschalen durch die Stützringe verhindert.
  • Die Erfindung eignet sich für Wälzlager, die unter hohen Betriebstemperaturen arbeiten müssen, beispielsweise im Triebwerksbau, in der chemischen Industrie, im Motorenbau usw. Das Lager ist für Betriebstemperaturen von über 500°C, insbesondere im Bereich 600–700°C geeignet.
  • Die Stützringe 10 und 19 bestehen aus einem Material, dessen Härte wesentlich geringer ist als diejenige der Laufschalen. Außer Titan eignet sich hierfür auch eine Nickellegierung oder ungehärteter Stahl.

Claims (10)

  1. Wälzlager mit – einer inneren Laufschale (12), – einer äußeren Laufschale (16), und – zwischen den Laufschalen angeordneten Wälzkörpern (15), dadurch gekennzeichnet, dass die innere und die äußere Laufschale (12, 16) aus Hartmetall und die Wälzkörper (15) aus Hartmetall oder keramischem Material bestehen, und dass die innere Laufschale (12) von einem inneren Stützring (10) und die äußere Laufschale (16) von einem äußeren Stützring (19) geringerer Härte als die jeweilige Laufschale abgestützt ist.
  2. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Laufschale (12) durch eine Hartlotschicht (13) mit dem inneren Stützring (10) verbunden ist.
  3. Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Laufschale (16) durch eine Hartlotschicht (18) mit dem äußeren Stützring (19) verbunden ist.
  4. Wälzlager nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartlotschicht (13, 18) bis zu 700°C oxidationsbeständig ist.
  5. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lauffläche mindestens einer der beiden Laufschalen (12, 16) mit einer Hartstofflaufschicht (20, 21) beschichtet ist.
  6. Wälzlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstofflaufschicht aus DLC (Diamond like Carbon), AlCrN, AlTiN, CrN oder TiB2 besteht.
  7. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (15) aus SiN, SiC oder AlO bestehen.
  8. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Stützringe (10, 19) aus Ti besteht.
  9. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Stützringe (10, 19) aus einer Ni-Legierung besteht.
  10. Wälzlager nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Stützringe (10, 19) aus ungehärtetem Stahl besteht.
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