DE102009038418A1

DE102009038418A1 - Lagerkomponente, insbesondere Lagerring oder Dichtring für ein Wälz- oder Gleitlager

Info

Publication number: DE102009038418A1
Application number: DE102009038418A
Authority: DE
Inventors: Klaus Becker; Stefan Fleischmann; Frank Steinhauer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-08-21
Filing date: 2009-08-21
Publication date: 2011-02-24
Also published as: WO2011020464A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lagerkomponente, insbesondere Lagerring oder Dichtring für ein Wälzlager oder ein Gleitlager, umfassend ein Korpus mit einem Grundkörper (2) und einer auf dem Grundkörper (2) entlang einer Grenzfläche (3) aufgebrachten Beschichtung (4), wobei das Material des Grundkörpers (2) einen faserverstärkten Kunststoff mit in einer Kunststoff-Matrix, insbesondere in einer ausgehärteten Harzmatrix, angeordneten Fasern umfasst, und wobei das Material der Beschichtung (4) eine Keramik umfasst. Die Lagerkomponente löst dabei erfindungsgemäß die Aufgabe, eine einfach herstellbare Lagerkomponente anzugeben, die die Vorteile der vollkeramischen Lagerkomponente beibehält im Betrieb verbesserte Eigenschaften aufweist. Die Erfindung betrifft weiter ein Lager mit einer derartigen Lagerkomponente.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Lagerkomponente, insbesondere einen Lagerring oder einen Dichtring für ein Wälzlager oder ein Gleitlager, mit einem Korpus und einer auf dem Korpus aufgebrachten Beschichtung, sowie ein Lager mit einer Lagerkomponente.
Aus der Praxis sind Lagerring bzw. Dichtringe für Wälz- oder Gleitlager bekannt, wobei die Lagerringe bzw. Dichtring vollständig aus einer Keramik hergestellt sind. Derartige vollkeramische Lagerkomponenten weisen sich durch gute Verschleißeigenschaften sowie chemische Beständigkeit aus und finden insbesondere in öl- oder mediengeschmierten Lagern Verwendung. Nachteilig an diesen Lagerkomponenten, deren Korpus vollständig aus einer Keramik besteht, ist, dass die Lagerkomponente ein hohes Gewicht im Vergleich zum Volumen aufweist, wobei die Sprödigkeit der Keramik insbesondere bei der Montage der Lagerkomponente Schwierigkeiten bereitet. Zudem sind insbesondere großvolumige vollkeramische Lagerkomponenten aufwendig in der Herstellung, die über einen Sinterprozess bei hohen Temperaturen verläuft, und für eine Serienherstellung wenig preisgünstig. Aufgrund der Härte des keramischen Materials sind vollkeramische Lagerkomponenten wenig schwingungsdämpfend.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine einfach herstellbare Lagerkomponente anzugeben, die die Vorteile der vollkeramischen Lagerkomponente beibehält im Betrieb verbesserte Eigenschaften aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird für ein Lager nach Anspruch 8 erfindungsgemäß gelöst durch eine Lagerkomponente nach Anspruch 1, mit den wesentlichen Merkmalen, dass das Material des Grundkörpers einen faserverstärkten Kunststoff mit in einer Kunststoff-Matrix, insbesondere in einer ausgehärteten Harzmatrix, angeordneten Fasern umfasst, und dass das Material der Beschichtung eine Keramik umfasst.
Die Lagerkomponente ist damit zwei- oder mehrlagig ausgebildet und umfasst einen massiven Grundkörper, der im wesentlichen das Volumen der Lagerkomponente bestimmt, und eine an dem Grundkörper angeordnete Beschichtung, deren Oberfläche die tribologischen Eigenschaften der Lagerkomponente beispielsweise im Gleit- oder Wälzkontakt bestimmt. Die Beschichtung umfasst dabei beispielsweise Keramiken auf Oxid-, Nitrid oder Carbid-Basis. Die Lagerkomponente ist kostengünstig und in großer Zahl herstellbar, da der kostspielige Keramikanteil auf die dünne Beschichtung reduziert ist und das faserverstärkte Kunststoff-Material des Grundkörpers schnell und einfach im in großen Stückzahlen herstellbar ist. Die im Vergleich zu der Dicke des Grundkörpers sehr dünne Beschichtung aus der Keramik lässt sich mittels nasschemischer Verfahren, mittels Plasma-unterstützten Abscheideverfahren oder mittels Spritzverfahren auftragen, also mittels Verfahren, die zur Ausbildung einer massiven vollkeramischen Lagerkomponente nur zeitaufwendig durchführbar sind.
Als Material für die Beschichtung bzw. den Grundkörper lassen sich verschiedene Materialkombinationen auswählen, beispielsweise dahingehend, dass Wärmedehnungen innerhalb der Lagerkomponente, die entlang der Grenzfläche auftreten, aufgenommen und teilweise ausgeglichen werden.
Der faserverstärkte Kunststoff des Grundkörpers ist im Vergleich zu der Vollkeramik elastisch nachgiebig und kann bei Betrieb des Lagers Schwingungen aufnehmen und dämpfen. Auch nimmt der Grundkörper mechanische Spannungen auf, die beispielsweise aufgrund von verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich des Lagers verursacht werden. Bei starker Durchbiegung der in dem Lager gelagerten Welle verhindert eine als Lagerring ausgebildete Lagerkomponente ein Festfressen der Welle in der Keramik, da die Keramik nur als dünne Beschichtung auf dem elastisch nachgiebigen Grundkörper vorgesehen ist.
Als Material für die Beschichtung sind insbesondere Keramiken auf Chromoxid- oder auf Siliziumcarbid-Basis vorgesehen.
Als Fasern für den faserverstärkten Kunststoff des Grundkörpers sind insbesondere Fasern aus Glas, aus Graphit, aus Aramid, aus PTFE bzw. Kohlefaser oder Fasern aus einem Metall, speziell aus einem Metall wie Kupfer, Eisen, Nickel oder Aluminium, oder Fasern aus einer oxidischen oder nicht-oxidischen Keramik vorgesehen, eingeschlossen den Fall, dass Fasern aus verschiedenen Werkstoffen, beispielsweise teils Fasern aus Glas und teils Fasern aus Graphit oder Kohlenstoff, in dem Kunststoff des Grundkörpers enthalten sind.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der faserverstärkte Kunststoff zusätzlich funktionelle Beimischungen in Form von einem Pulver oder Kurzfasern umfasst. Die Pulver bzw. Kurzfasern können dem Grundkörper bestimmte Eigenschaften verleihen, beispielsweise einen hohen elektrischen Widerstand, eine gute thermische Leitfähigkeit oder eine hohe Durchschlagsspannung. Weiter können die Beimischungen so gewählt werden, dass sich das spezifische Gewicht des Grundkörpers und damit des Lagerbestandteils reduziert.
Hinsichtlich der funktionellen Beimischungen ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Partikel des Pulvers bzw. die Kurzfasern der Kurzfaserbeimischungen nahe der Grenzfläche in Richtung auf die Beschichtung vorstehen. Die Oberfläche des Grundkörpers erhält dabei eine Rauhigkeit, die die mechanische Anbindung der Beschichtung an den Grundkörper verbessert. Hierzu kann die Konzentration der Beimischungen zu der Oberfläche des Grundkörpers, die die Grenzfläche mit der Beschichtung ausbildet, hin zunehmen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der faserverstärkte Kunststoff Keramikteilchen umfasst, die aus dem gleichen Material bestehen wie die Beschichtung. Diese Keramikteilchen ermöglichen eine feste Anbindung der Beschichtung an den Grundkörper für den Fall, dass die Keramikteilchen aus dem gleichen oder einem chemisch vergleichbaren Material wie die Beschichtung bestehen. Hier tritt zu einer rein mechanischen Anbindung der Beschichtung an den Grundkörper eine chemische Anbindung. Besonders bevorzugt ist daher vorgesehen, dass die Keramikteilchen nahe der Grenzfläche angeordnet sind und in Richtung auf die Beschichtung vorstehen. Es versteht sich dabei, dass die Keramikteilchen zusätzlich als funktionelle Beimischung wirken und eine spezielle Eigenschaft des Grundkörpers erzeugen können, beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit bzw. die thermische Leitfähigkeit des Grundkörpers beeinflussen können.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Beschichtung nanomodifizierte Keramikpartikel umfasst. Derartige nanomodifizierte Keramikpartikel ermöglichen die Ausbildung einer Keramikschicht bei niedriger Sintertemperatur und mithin bei Temperaturen, bei denen das Material des Grundkörpers chemisch beständig ist. Nanomodifizierte Keramikpartikel bilden ein Gemisch mit einer hohen inneren Oberfläche und weisen daher Eigenschaften auf, die von chemisch gleichartigen, größeren Partikeln abweichen können.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Grundkörper als lagenweise gepresster bzw. gewickelter Verbund ausgebildet ist. Der Grundkörper lässt sich damit einfach in verschiedene, zumindest flache oder drehsymmetrische Formen bringen, die als Grundlage für das Aufbringen der Beschichtung dienen. Weiter lassen sich funktionelle Beimischungen einfach während des Herstellvorgangs des Grundkörpers zuführen und insbesondere eine hohe Konzentration der Keramikteilchen, die chemisch im wesentlichen dem Material der Beschichtung entsprechen, derart herstellen, dass der gepresste bzw. gewickelte Verbund vor dem Aushärten mit den Keramikteilchen versehen wird, beispielsweise, indem der Verbund mit der noch nicht vollständig erhärteten Kunststoff-Matrix mit den Keramikteilchen bestäubt wird.
Vorzugsweise beträgt die Dicke der Beschichtung ca. 10 Mikrometer bis ca. 10 Millimeter, so dass das Volumen und damit die Masse der Lagerkomponente durch den Grundkörper bestimmt wird, dessen Dichte deutlich geringer ist als die Dichte der Beschichtung, so dass die Lagerkomponente ein geringeres Gewicht im Vergleich zu einer vollkeramischen Lagerkomponente aufweist.
Der Begriff ,Lagerkomponente' umfasst nicht nur Lagerringe für Wälzlager oder Gleitlager bzw. Dichtringe für Wälzlager oder Gleitlager, die Bestandteile von Dichtungen sind, sondern auch Buchse, Bundbuchsen, Anlaufscheiben oder Streifen, wie sie für Gleitlager insbesondere bekannt sind.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher beschrieben und erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer als Lagerring ausgebildeten erfindungsgemäßen Lagerkomponente.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine als Lagerring 1 eines Gleitlagers ausgebildete Lagerkomponente, die insbesondere als Außenring des Gleitlagers vorgesehen ist.
Der Lagerring 1 umfasst ein zweiteiliges Korpus mit einem Grundkörper 2 und einer auf dem Grundkörper 2 entlang einer Grenzfläche 3 aufgebrachten Beschichtung 4, die fest mit dem Grundkörper 2 verbunden ist. Sowohl der Grundkörper 2 als auch die Beschichtung 4 weisen jeweils eine im wesentlichen hohlzylindrische Gestalt auf mit einer gemeinsamen Drehachse 5, wobei die Beschichtung 4 auf der auf die Drehachse 5 weisenden inneren Mantelfläche, die als Grenzfläche 3 ausgebildet ist, fest an dem Grundkörper 2 haftend ausgebildet ist.
Der Grundkörper 2 ist aus einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildet, speziell aus einem mittels einer gleichen Anzahl von Glasfasern und Kohlenstofffasern verstärkten, ausgehärteten Harzmatrix aus Phenolharz, wobei die Glas- bzw. Kohlenstofffasern einen kreisförmigen Querschnitt von ca. 50 μm aufweisen. Der Grundkörper 2 ist als lagenweiser Verbund ausgebildet, wobei bei der Herstellung des Grundkörpers 2 die Glas- bzw. Kohlenstofffasern in einer Phenolharzflüssigkeit benetzt und dann innerhalb einer hohlzylindrischen Form gewickelt werden, so dass eine Vorstufe des hohlzylindrischen Grundkörpers 2 entsteht, deren Außendurchmesser dem Innendurchmesser der Form entspricht.
Die Beschichtung 4 ist aus einer Keramik ausgebildet, speziell einer Chromoxid-Keramik, wobei die Beschichtung 4 eine homogene Erstreckung senkrecht zu der Richtung der Drehachse 5 von ca. 200 μm aufweist. Die Beschichtung 4 ist mittels eines naßchemischen Abscheideverfahrens auf die in Richtung der Drehachse 5 weisenden Innenfläche des Grundkörpers 2 aufgebracht worden, nachdem die Vorstufe des Grundkörpers 2 vollständig ausgehärtet war.
In den Grundkörper 2 sind Keramikteilchen 6 eingearbeitet, die in 1 bildlich nur abschnittsweise und stark schematisiert dargestellt sind. De Keramikteilchen 6 bestehen aus dem gleichen Material wie die Beschichtung 4, also aus Chromoxid-Keramik, wobei die Konzentration der Keramikteilchen 6 in der Beschichtung 4 hin zu der Grenzfläche 3 zunimmt. Insbesondere stehen einzelne Keramikteilchen 6 an der Grenzfläche 3 in Richtung auf die Beschichtung 4 vor und bilden abschnittsweise eine besonders feste, im wesentlichen materialschlüssige Verbindung mit der Beschichtung 4 aus. Die Keramikteilchen 6 wurden während des vorstehend beschriebenen Wickelprozesses bei der Ausbildung der Vorstufe des Grundkörpers 2 in das Phenolharz eingefügt, und zwar pro Zeiteinheit umso mehr Keramikteilchen, je weiter der Wickelprozess fortgeschritten war. Abschließend wurde die noch nicht vollständig erhärtete Vorstufe des Grundkörpers 2 mit den Keramikteilchen bestäubt, die an der Innenfläche der Vorstufe des Grundkörpers 2 haften und bei der Aushärtung der Vorstufe in dem Grundkörper 2 fest aufgenommen sind.
Der Lagerring 1 ist als äußerer Lagerring eines Gleitlagers ausgebildet, wobei die auf die Drehachse 5 weisende Fläche der Beschichtung 4 als Lauffläche ausgebildet ist, in deren Bereich die Chromoxid-Beschichtung verschleißreduzierend wirkt. Eine besondere Anwendung eines derartigen Lagerrings 1 ist für Gleitlager in der Fluidtechnik, beispielsweise für Kreiselpumpen, zu sehen, oder bei Anwendungen, die ein chemisch widerstandsfähiges bzw. ein Lager mit einer hohen Härte im Bereich der Laufbahn erfordern, zu sehen.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel umfasste die Kunststoffmatrix des Grundkörpers ein ausgehärtetes Phenolharz. Es versteht sich, dass auch ein anderer Kunststoff, insbesondere ein anderes Harz wie Epoxidharz, entweder anstelle des Phenolharzes oder zusammen mit dem Phenolharz als Material für die Kunststoffmatrix des Grundkörpers vorgesehen sein kann.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel waren die Keramikteilchen 6 die einzigen Beimischungen in der Kunststoffmatrix. Es versteht sich, dass zusätzlich zu den Keramikteilchen weitere, insbesondere funktionelle Beimischungen wie feste Partikel oder Kurzfasern in der Kunststoffmatrix vorgesehen sein können, beispielsweise Beimischungen wie organische Fasern oder metallische Partikeln bzw. Fasern.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel war die Beschichtung 4 aus einer Chromoxid-Keramik ausgebildet. Es versteht sich, dass die Beschichtung aus einer anderen Keramik ausgebildet sein kann, insbesondere aus einer Silizium-Karbid-Keramik bzw. einer oxidischen, nitridischen oder carbidischen Keramik. Es versteht sich ebenfalls, dass die Keramik der Beschichtung 4 nicht durch einen naßchemischen Prozess aufgebracht sein muss, sondern ebenfalls durch einen plasma-unterstützten Beschichtungsprozess bzw. durch ein thermisches Spritzen aufgebracht sein kann.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel war die Lagerkomponente als Lagerring 1 eines Gleitlagers ausgebildet, dabei erstreckte sich die Beschichtung 4 entlang der gesamten inneren Mantelfläche der Lagerkomponente. Es versteht sich, dass die Lagerkomponente auch als Lagerring eines Wälzlagers ausgebildet sein kann, wobei sich die Beschichtung nur im Bereich der Laufbahn, wo der Wälzkontakt mit den Wälzkörpern des Wälzlagers stattfindet, erstrecken kann. Es versteht sich ferner, dass die Lagerkomponente zwar für ein Gleitlager vorgesehen sein kann, allerdings als Buchse, Bundbuchse oder als Streifen bzw. als Anlaufscheibe ausgebildet sein kann. Insbesondere lassen sich aus zwei beschichteten Anlaufscheiben zwei Lagerringe eines Axial-Gleitlagers ausbilden. Bei der Ausbildung der Lagerkomponente als Buchse, Bundbuchse oder Streifen bzw. Anlaufscheibe kann der Grundkörper als flacher, eben gepresster Verbund ausgebildet sein, auf den die Beschichtung 4 aufgetragen wird, wobei anschließend der beschichtete Verbund zu der Buchse bzw. Bundbuchse gebogen wird bzw. in ebener Form als Anlaufscheibe oder Streifen belassen wird.
Abweichend von dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass die Lagerkomponente nicht als Lagerring, sondern als Dichtring für ein Wälz- oder Gleitlager vorgesehen ist.
Bezugszeichenliste

1: Lagerring
2: Grundkörper
3: Grenzfläche
4: Beschichtung
5: Drehachse
6: Keramikteilchen

Claims

Lagerkomponente, insbesondere Lagerring oder Dichtring für ein Wälzlager oder ein Gleitlager, umfassend ein Korpus mit einem Grundkörper (2) und einer auf dem Grundkörper (2) entlang einer Grenzfläche (3) aufgebrachten Beschichtung (4), wobei das Material des Grundkörpers (2) einen faserverstärkten Kunststoff mit in einer Kunststoff-Matrix, insbesondere in einer ausgehärteten Harzmatrix, angeordneten Fasern umfasst, und wobei das Material der Beschichtung (4) eine Keramik umfasst.
Lagerkomponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der faserverstärkte Kunststoff zusätzlich funktionelle Beimischungen in Form von einem Pulver oder Kurzfasern umfasst.
Lagerkomponente nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel des Pulvers bzw. die Kurzfasern der Kurzfaserbeimischungen nahe der Grenzfläche (3) in Richtung auf die Beschichtung (4) vorstehen.
Lagerkomponente nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der faserverstärkte Kunststoff Keramikteilchen (6) umfasst, die aus dem gleichen Material bestehen wie die Beschichtung (4).
Lagerkomponente nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4) nanomodifizierte Keramikpartikel umfasst.
Lagerkomponente nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) als lagenweise gepresster bzw. gewickelter Verbund ausgebildet ist.
Lagerkomponente nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Beschichtung ca. 10 Mikrometer bis ca. 10 Millimeter beträgt.
Lager, insbesondere Wälzlager oder Gleitlager, umfassend eine Lagerkomponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.