DE102011004803A1

DE102011004803A1 - Bauteil, insbesondere für ein Wälz- oder Gleitlager

Info

Publication number: DE102011004803A1
Application number: DE201110004803
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Braun; Sergej Schwarz; Kerem Köksal; Tim Matthias Hosenfeldt; Gudrun Martin; Jürgen Windrich; Daniel Pöpperl; Helmut Schillinger; Rainer Pflug
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2012-08-30
Also published as: WO2012116902A1

Abstract

Bauteil, insbesondere für ein Wälz- oder Gleitlager, umfassend einen metallischen Grundkörper mit wenigstens einer zylindrischen Fläche, wobei auf die zylindrische Fläche ein thermoplastischer Schrumpfschlauch aufgeschrumpft ist

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere für ein Wälz- oder Gleitlager, umfassend einen metallischen Grundkörper mit wenigstens einer zylindrischen Fläche.
Hintergrund der Erfindung
Ein Bauteil mit einer zylindrischen Fläche, das mit einer anderen Fläche einen Reibkontakt bildet, unterliegt einem Verschleiß. Verschleiß tritt beispielsweise auf, wenn ein zylindrischer Bolzen in einer Bohrung geführt ist und/oder gedreht wird oder wenn mehrere Bauteile mit zylindrischen Flächen eine Gleit- oder Wälzbewegung durchführen. Unter extremen Einsatzbedingungen wie bei erhöhter Temperatur und/oder Mangelschmierung werden besondere Ansprüche an die Bauteile des Reibungskontakts gestellt. Beispielsweise kann einer der beiden Reibpartner mit einer verschleißenden Oberfläche versehen werden, um den anderen Reibpartner nicht zu beschädigen. Allerdings ist es wünschenswert, dass der Verschleiß erst mit Verzögerung auftritt, um einen frühzeitigen Ausfall des Bauteils zu vermeiden. In diesem Zusammenhang ist es bekannt, eine Messinghülse auf einen metallischen Grundkörper mit einer zylindrischen Fläche aufzupressen. Das weiche Messing bildet einen verschleißenden Reibpartner. Derartige Messinghülsen beziehungsweise Laufflächen aus Messing werden z. B. bei Gleitlagern benutzt.
Alternativ kann der metallische Grundkörper mit zylindrischer Fläche eine Beschichtung aufweisen. Für diesen Einsatzzweck ist eine Vielzahl von unterschiedlichen verschleißenden Beschichtungswerkstoffen bekannt. Für den Einsatz bei hohen Temperaturen haben sich besonders Gleitlacke und Beschichtungen aus PEEK (Polyetheretherketon) bewährt, die temperaturstabil bis ca. 250°C sind. Ein mit einem Gleitlack versehenes Lager ist aus der DE 101 18 365 A1 bekannt. In der Druckschrift DE 20 2008 006 915 U1 wird ein Lager mit einem Gleitmaterial beschrieben, das u. a. aus PEEK bestehen kann.
Sowohl die erwähnten Messinghülsen als auch die Beschichtungen weisen jedoch auch Nachteile auf. Messingbuchsen sind relativ massiv und erhöhen die Gesamtmasse beträchtlich. Um die Messingbuchse aufpressen zu können, muss das Bauteil erhöhten Anforderungen an die Toleranzen genügen. Beschichtungen mit einem Gleitlack sind vergleichsweise dünn, eine Schichtdicke von ca. 25 μm wird im Allgemeinen nicht überschritten. An Stellen mit erhöhtem Verschleiß und mit hohen Flächenpressungen ist die Schicht daher schnell verschlissen.
Ein ähnliches Problem ergibt sich bei Bauteilen für Wälz- oder Gleitlager, bei denen eine elektrische Isolierung gefordert wird. Zu diesem Zweck ist es bekannt, die zylindrische Fläche eines Lagerbauteils mit einer Keramikbeschichtung zu versehen, um eine Stromisolation zu erzielen. Alternativ können bestimmte Lagerbauteile, beispielsweise Gehäuse, mit einer Kunstharzbeschichtung versehen werden. Problematisch ist allerdings, dass derartige Kunstharzbeschichtungen im Allgemeinen nicht überrollfähig sind, dementsprechend eignen sich Kunstharzbeschichtungen nicht für Laufflächen eines Wälz- oder Gleitlagers.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil für ein Wälz- oder Gleitlager anzugeben, das gute Verschleißeigenschaften aufweist und eine elektrische Isolation gewährleistet.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Bauteil der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass auf die zylindrische Fläche ein thermoplastischer Schrumpfschlauch aufgeschrumpft ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Schrumpfschlauch bei einer zylindrischen Gleitpaarung eine Gleitschicht bilden kann, die sich durch gute Verschleißeigenschaften und eine hohe Temperaturbeständigkeit auszeichnet. Zusätzlich stellt der Schrumpfschlauch eine elektrische Isolation sicher. Das erfindungsgemäße Bauteil umfasst somit den metallischen Grundkörper mit wenigstens einer zylindrischen Fläche, auf den ein thermoplastischer Schrumpfschlauch mittels Wärmebehandlung fest aufgeschrumpft ist, der die zylindrische Fläche zumindest teilweise bedeckt.
Bei dem erfindungsgemäßen Bauteil für ein Wälz- oder Gleitlager kann der Schrumpfschlauch eines der folgenden Materialien oder eine Mischung davon umfassen: Polyetheretherketon (PEEK), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyvinylchlorid (PVC), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyolefin.
Mit allen erwähnten Materialien kann eine Gleitschicht mit guten Verschleißeigenschaften, hoher Temperaturbeständigkeit und der erforderlichen elektrischen Isolation erhalten werden. Besonders bevorzugt wird jedoch ein aus PEEK bestehender Schrumpfschlauch.
Die Erfindung eignet sich besonders gut für Bauteile eines Wälz- oder Gleitlagers, die als Lageraußenring, Lagerinnenring, Lagerkäfig, Hülse, Buchse oder als zylindrischer Wälzkörper ausgebildet sind. Dabei ist jeweils wenigstens eine zylindrische Fläche vorhanden, auf die der thermoplastische Schrumpfschlauch aufgeschrumpft ist. Das Aufbringen des Schrumpfschlauches erfolgt vergleichsweise schnell im Vergleich zu anderen Beschichtungsverfahren, die aufwendige oder mehrstufige Verfahrensschritte erfordern.
Um die Härte des metallischen Grundkörpers zu beeinflussen, kann es bei dem erfindungsgemäßen Bauteil vorgesehen sein, dass der metallische Grundkörper gehärtet und/oder einsatzgehärtet und/oder carbonitriert und angelassen ist. Dementsprechend stehen verschiedene Härteverfahren zur Verfügung, um einen metallischen Grundkörper mit einer gewünschten Härte zur Verfügung zu stellen. Das Härten erfolgt bevor der zylindrische Schrumpfschlauch aufgeschrumpft wird.
Um eine besonders gute Haftung des Schrumpfschlauchs auf dem metallischen Grundkörper zu erzielen, kann der metallische Grundkörper eine Haftvermittlungsschicht aufweisen, insbesondere eine Phosphatschicht und/oder eine Silanschicht und/oder eine durch ein Hexafluoro-Derivat erzeugte Passivierungsschicht.
Bei dem erfindungsgemäßen Bauteil wird es bevorzugt, dass der aufgeschrumpfte Schrumpfschlauch eine Dicke von 50 μm bis 500 μm aufweist, insbesondere kann die Dicke näherungsweise 100 μm betragen.
Daneben betrifft die Erfindung eine Lageranordnung mit wenigstens zwei relativ zueinander bewegbaren, eine Reibpaarung bildenden Bauteilen, von denen wenigstens ein Bauteil einen metallischen Grundkörper mit wenigstens einer zylindrischen Fläche aufweist.
Die erfindungsgemäße Lageranordnung zeichnet sich dadurch aus, dass auf die zylindrische Fläche ein thermoplastischer Schrumpfschlauch aufgeschrumpft ist.
Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem metallischen Grundkörper mit wenigstens einer zylindrischen Fläche, insbesondere für ein Wälz- oder Gleitlager.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass auf die zylindrische Fläche ein thermoplastischer Schrumpfschlauch aufgeschrumpft wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es vorgesehen sein, dass der Schrumpfschlauch mittels Heißluft oder Induktionswärme aufgeschrumpft wird.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
1 einen metallischen Grundkörper und einen Schrumpfschlauch vor dem Aufschrumpfen;
2 ein erfindungsgemäßes Bauteil nach dem Aufschrumpfen des Schrumpfschlauchs;
3 eine perspektivische Ansicht des in 2 gezeigten erfindungsgemäßen Bauteils; und
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauteils.
1 zeigt in einer geschnittenen Ansicht einen metallischen Grundkörper 1, der als Welle ausgebildet ist und eine zylindrische Fläche 2 aufweist. Der Grundkörper 1 ist von einem Schrumpfschlauch 3 umgeben, dessen Dicke aus Darstellungsgründen in 1 in einem vergrößerten Maßstab gezeigt ist. Tatsächlich beträgt die Dicke des Schrumpfschlauches 3 z. B. 100 μm, es handelt sich somit um einen Film, der im Vergleich zum Grundkörper 1 äußerst dünn ist. 1 zeigt den Schrumpfschlauch 3 im Ausgangszustand, das heißt, im nicht geschrumpften Zustand. Der Schrumpfschlauch 3 besteht aus einem Thermoplast, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um PEEK (Polyetheretherketon).
2 zeigt das aus dem Grundkörper 1 und dem Schrumpfschlauch 3 bestehende Bauteil 4 nach dem Aufschrumpfen des Schrumpfschlauchs 3. Bei Wärmezufuhr durch Heißluft oder mittels induktiv erzeugter Wärme schrumpft der Schrumpfschlauch 3 bis er vollständig flächig an dem Grundkörper 1 anliegt und diesen umgibt. An der Außenseite des Bauteils 4 ist somit eine durchgehende Schicht gebildet, die gute Verschleißeigenschaften aufweist und zusätzlich eine elektrische Isolation bewirkt.
Wie in der perspektivischen Ansicht von 3 sichtbar ist, erstreckt sich der Schrumpfschlauch 3 lediglich über einen Teil der Länge des Grundkörpers 1. Es sind jedoch auch selbstverständlich andere Ausführungen möglich, bei denen der Schrumpfschlauch die zylindrische Fläche vollständig umhüllt.
Bei dem in den 1 bis 3 gezeigten Bauteil 4 bildet der Schrumpfschlauch 3 eine Gleitschicht mit guten Verschleißeigenschaften mit einer hohen Temperaturbeständigkeit. Die Wandstärke des Schrumpfschlauchs 3 kann in Abhängigkeit von dem beabsichtigten Einsatzzweck zwischen 50 μm und 500 μm gewählt werden, eine Dicke von ca. 100 μm wird jedoch bevorzugt. Verfahrenstechnisch ist das Anbringen des Schrumpfschlauchs 3 vergleichsweise einfach, indem ein Schrumpfschlauch verwendet wird, dessen Innendurchmesser größer als der Ausgangsdurchmesser des Grundkörpers ist. Dementsprechend kann der Schrumpfschlauch leicht auf den Grundkörper aufgebracht und anschließend durch Wärmezufuhr geschrumpft werden, so dass eine feste Verbindung entsteht. Im Vergleich zu einem Gleitlack ist die durch den Schrumpfschlauch gebildete Schicht dicker und somit wesentlich verschleißfester.
Das Bauteil 4 bildet gemeinsam mit wenigstens einem weiteren Bauteil eine Lageranordnung, wobei die relativ zueinander bewegbaren Bauteile eine Reibpaarung bilden.
Das in den 1 bis 3 gezeigte Bauteil 4 kann beispielsweise bei Rollstangen für Holzverarbeitungsmaschinen eingesetzt werden. Diese Rollstangen werden mittels eines zylindrischen Bolzens geführt und gelagert.
4 zeigt ein Bauteil 5 für eine Lageranordnung in einer geschnittenen Ansicht, umfassend einen Grundkörper 6 mit einer zylindrischen Fläche 7, der Grundkörper 6 ist an seiner Außenseite mit einem Schrumpfschlauch 8 versehen. Der Schrumpfschlauch 8 bildet eine Schicht mit guten tribologischen Eigenschaften, die gleichzeitig eine elektrische Isolation sicherstellt.
Der Grundkörper 6 kann aus einem kostengünstigen Stahlmaterial wie 16MnCr5, C45, 100Cr6, 31CrMoV9 oder 80Cr2 gefertigt sein kann. In dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht der metallische Grundkörper 6 aus dem Material 100Cr6, das vor dem Aufbringen des Schrumpfschlauchs 8 einsatzgehärtet ist. Bei anderen Ausführungen kann der metallische Grundkörper auch carbonitriert und angelassen sein. Auf den metallischen Grundkörper 6 ist eine Phosphatschicht (ZnPh, FePh) als Haftvermittlungsschicht aufgebracht. Alternativ kann eine Silanschicht als Haftvermittlungsschicht verwendet werden. Als weitere Alternative kann eine Passivierung mittels eines Haxafluoro-Derivats (Zr, Ti, Si oder Mischungen davon) aufgebracht sein.
Der als Deckschicht und Funktionsschicht dienende Schrumpfschlauch 8 kann direkt oder mit dem erwähnten Unterbau auf den Grundkörper 6 aufgebracht sein. Um eine möglichst geringe Adhäsionsneigung zum metallischen Grundkörper 6, einen hohen abrasiven Verschleißwiderstand, eine hohe chemische Beständigkeit, auch im Kontakt mit Öl, hohe mechanische Festigkeiten und ein großes Härte-zu-E-Modul-Verhältnis zu erreichen bei gleichzeitiger elektrischer Isolation, darf der Schrumpfschlauch keine metallischen Anteile enthalten. Dementsprechend kann der Schrumpfschlauch aus PEEK, PTFE, PMMA, PVC, PVDF, einem Olefin oder einer Mischung davon bestehen.
Da das in 4 gezeigte Bauteil 5 durch den Schrumpfschlauch 8 einen Verschleißschutz besitzt, wird auch der Gegenkörper, beziehungsweise der Reibpartner, aufgrund der hervorragenden tribologischen Schichteigenschaften geschützt. Durch die Verwendung eines Schrumpfschlauchs als Beschichtung kann für den metallischen Grundkörper ein kostengünstiger Werkstoff als Grundmaterial (16MnCr5, C45, 1000r6, 31CrMoV9, 80Cr2) verwendet werden, durch die Beschichtung können kostenintensive keramische Wälzkörper ersetzt werden. Die beschichteten Bauteile für eine Lageranordnung wie ein Gleit- oder Wälzlager besitzen bessere mechanische Eigenschaften, da die durch den Schrumpfschlauch gebildete Schicht die tribologischen und stromisolierenden Eigenschaften übernimmt und der zähe Rundkörper aus Stahl die mechanischen Lasten trägt. Die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele können durch Variation der Schichtdicke und der Anzahl der Trennschichten abgeändert werden. Beispielsweise können lediglich Wälzkörper beschichtet sein oder ein Innenring oder ein Außenring kann zusätzlich beschichtet sein.
Das in den Ausführungsbeispielen gezeigte Bauteil für eine Lageranordnung wie ein Wälz- oder Gleitlager kann darüber hinaus auch für andere Funktionseinheiten wie Abstütz- und Einsteckelemente, Wälzlagerkomponenten, Ausrücklager (Hülse), Kolbenbolzen, Gleitlagerbolzen, Lagerbuchsen, Steuerkolben, Linearführungen, Kreuzgelenkbüchsen und für andere mechatronische Systeme und Teile verwendet werden. Bei dem in 4 gezeigten Bauteil 5 handelt es sich um eine Kreuzgelenkbüchse, die einerseits elektrisch isoliert sein muss und andererseits geräuscharm laufen muss. Beides kann mit der Beschichtung durch den Schrumpfschlauch 8 erzielt werden.
Zur Herstellung des in 4 gezeigten Bauteils 5 wird der metallische Grundkörper 6 mit Alkohol gereinigt, alternativ kann dies mit CO₂ erfolgen. Anschließend wird eine Grundierung aufgebracht in Form einer Phosphatierung oder durch eine Silanschicht. Der verwendete Schrumpfschlauch wird auf der Innenseite mit einem Heißkleber beschichtet. Der Schrumpfschlauch 8 wird auf Maß geschnitten und an die gewünschte Position des Grundkörpers 6 gebracht, an der eine Gleit- und Isolationsfläche entstehen soll. Der Grundkörper 6 wird mittels Induktion, durch einen Wärmeofen oder einen Brenner auf diejenige Temperatur aufgeheizt, bei der das Schrumpfen des Schrumpfschlauchs 8 eintritt. Anschließend wird das fertige Bauteil 5 auf ca. 40°C abgekühlt, so dass weitere Montagearbeiten vorgenommen werden können. Fertigungstechnische Einsparungen können erzielt werden, wenn die Schrumpf- oder Schmelztemperatur des Schrumpfschlauchs so gewählt ist, dass sie der Anlasstemperatur des gehärteten metallischen Grundkörpers 6 entspricht. In diesem Fall entfällt das erneute Aufheizen des Grundkörpers 6, stattdessen kann das Aufschrumpfen direkt nach dem Anlassen erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: Grundkörper
2: zylindrische Fläche
3: Schrumpfschlauch
4: Bauteil
5: Bauteil
6: Grundkörper
7: zylindrische Fläche
8: Schrumpfschlauch

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

DE 10118365 A1 [0003]
DE 202008006915 U1 [0003]

Claims

Bauteil, insbesondere für ein Wälz- oder Gleitlager, umfassend einen metallischen Grundkörper mit wenigstens einer zylindrischen Fläche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die zylindrische Fläche (2, 7) ein thermoplastischer Schrumpfschlauch (3, 8) aufgeschrumpft ist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrumpfschlauch (3, 8) eines der folgenden Materialien oder ein Mischung davon umfasst: Polyetheretherketon (PEEK), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyvinylchlorid (PVC), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyolefin.
Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es als Lageraußenring, Lagerinnenring, Lagerkäfig, Hülse, Büchse oder als zylindrischer Wälzkörper ausgebildet ist.
Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Grundkörper (1, 6) eine Haftvermittlungsschicht aufweist, insbesondere eine Phospatschicht und/oder ein Silanschicht und/oder eine durch ein Hexafluoro-Derivat erzeugte Passivierungsschicht.
Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrumpfschlauch (3, 8) eine Dicke von 50 μm bis 500 μm aufweist, insbesondere eine Dicke von näherungsweise 100 μm
Lageranordnung mit wenigstens zwei relativ zueinander bewegbaren, eine Reibpaarung bildenden Bauteilen, von denen wenigstens ein Bauteil einen metallischen Grundkörper mit wenigstens einer zylindrischen Fläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf die zylindrische Fläche (2, 7) ein thermoplastischer Schrumpfschlauch (8) aufgeschrumpft ist.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem metallischen Grundkörper mit wenigstens einer zylindrischen Fläche, insbesondere für ein Wälz- oder Gleitlager, dadurch gekennzeichnet, dass auf die zylindrische Fläche ein thermoplastischer Schrumpfschlauch aufgeschrumpft wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrumpfschlauch mittels Heißluft oder Induktionswärme geschrumpft wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf den metallischen Grundkörper vor dem Aufbringen des Schrumpfschlauchs eine Haftvermittlungsschicht aufgebracht wird, insbesondere eine Phospatschicht und/oder eine Silanschicht und/oder eine durch ein Hexafluoro-Derivat erzeugte Passivierungsschicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eines der folgenden Materialien oder eine Mischung davon als Schrumpfschlauch verwendet wird: Polyetheretherketon (PEEK), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyvinylchlorid (PVC), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyolefin.