DE102013216745A1

DE102013216745A1 - Wälzlagerkäfig

Info

Publication number: DE102013216745A1
Application number: DE102013216745.8A
Authority: DE
Inventors: Nico Kirchhoff; Claus Müller; Bertram Haag
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-08-23
Filing date: 2013-08-23
Publication date: 2015-02-26
Anticipated expiration: 2033-08-24
Also published as: US9829039B2; CN105473650A; WO2015024565A1; US20160201723A1; DE102013216745B4

Abstract

Ein Wälzlagerkäfig, insbesondere für mangelgeschmierte Anwendungen, umfasst – einen Grundkorpus (2) aus Kunststoff, – eine modifizierte Oberfläche (4) des Grundkorpus (2), – eine metallische Beschichtung (3) auf der modifizierten Oberfläche (4) des Grundkorpus (2).

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Wälzlagerkäfig mit einem Grundkorpus aus Kunststoff, auf welchen eine metallische Beschichtung aufgebracht ist.
Hintergrund der Erfindung
Ein Wälzlagerkäfig aus metallisiertem Kunststoff ist beispielsweise aus der WO 2009/135477 A1 bekannt. Die metallische Beschichtung deckt den Grundkorpus zumindest abschnittsweise ab und weist ein Gefüge mit einer nanokristallinen Körnung auf. Als Metalle, welche die Beschichtung bilden, kommen Eisenlegierungen oder Legierungen auf Basis von Titan oder Nickel in Betracht. Die metallische Beschichtung kann elektrochemisch auf den Grundkorpus aufgebracht werden.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen metallisierten Kunststoffkäfig eines Wälzlagers gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere hinsichtlich Haltbarkeit und Verschleißfestigkeit weiterzuentwickeln.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Wälzlagerkäfig mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Der Wälzlagerkäfig weist einen Grundkorpus aus Kunststoff auf, dessen Oberfläche modifiziert ist. Auf die modifizierte Oberfläche des Grundkorpus ist eine metallische Beschichtung aufgebracht. Bei dem Wälzlagerkäfig kann es sich um einen Lagerkäfig für einen Rollenlager, beispielsweise Zylinderrollenlager, Kegelrollenlager oder Pendelrollenlager, ebenso handeln wie um einen Lagerkäfig eines Kugellagers.
Durch die Modifikation der Oberfläche des Grundkorpus, verglichen mit dem Zustand der Oberfläche des Grundkorpus nach dem Herstellungsvorgang, beispielsweise Spritzgussvorgang, wird eine verbesserte Haftung der metallischen Beschichtung auf dem Grundkorpus erreicht. Dies gilt auch in Fällen, in denen der Kunststoff-Grundkorpus durch Extrusion oder Zerspanung hergestellt wird. Als Material zur Herstellung des Grundkorpus eignet sich z. B. Polyamid, insbesondere glasfaserverstärktes Polyamid PA66, oder Polyetheretherketon (PEEK). Eine besonders geeignete PEEK-Variante ist PEEK 10/10/10. Dem Grundmaterial PEEK sind hierbei jeweils 10% Kohlenstofffaser, Graphit und Polytetrafluorethylen (PTFE) zugesetzt. Weitere für die Herstellung des Grundkorpus geeignete Kunststoffe sind POM (Polyoxymethylen), ABS (Acrylbutadienstyrol), PPA (Polyphtalamid), PPS (Polyphenylensulfid), PEI (Polyethylenimin), PP (Polypropylen), PS (Polystyrol) und PET (Polyethylenterephtalat).
Die Kunststoffoberfläche des Grundkorpus kann durch eine mechanische und/oder chemische Behandlung modifiziert sein. Eine mechanische Modifikation stellt z. B. die Bestrahlung mit Partikeln, insbesondere Glaskugeln, beispielsweise Glaskugeln mit einem Durchmesser von maximal 250 µm, dar. Eine chemische Oberflächenmodifizierung ist beispielsweise durch Beizen oder Ätzen des Grundkorpus erreichbar. Ebenso kann die Oberfläche des Grundkorpus durch chemisches Andocken eines haftvermittelnden Agenz modifiziert werden. Unter dem Begriff „chemische Modifikation“ werden auch die Anwendung von kolloidalen Systemen sowie schwefelbasierten Systemen subsumiert. Insbesondere fallen Verfahrensschritte, die als Plato-(Plasmatechnik, Oberflächenbehandlung) Verfahren bekannt sind, unter Behandlungsmethoden, mit welchen eine chemische Modifikation der Oberfläche des Grundkorpus erreicht wird. Zahlreiche Varianten von Plato-Verfahren wurden von der Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der Angewandten Forschung e. V. veröffentlicht. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die Offenlegungsschrift DE 198 51 101 A1 verwiesen.
Die modifizierte Kunststoffoberfläche des Grundkorpus eignet sich zur Aufbringung einer metallischen Initialschicht, beispielsweise auf Nickel- oder Kupferbasis. Die metallische Beschichtung des Wälzlagerkäfigs ist vorzugsweise als nanokristalline Beschichtung ausgebildet. Die Korngröße dieser Beschichtung liegt vorzugsweise unter 500 nm, insbesondere unter 100 nm. Zum technologischen Hintergrund wird beispielhaft auf die Patentschrift DE 102 62 102 B4 verwiesen. Die metallische Beschichtung des Wälzlagerkäfigs enthält beispielsweise Chrom, Kupfer, Nickel, Cobalt und/oder Eisen und weist vorzugsweise eine Schichtdicke im Bereich von 20–500 µm auf. Weitere geeignete Materialien, die in der metallischen Beschichtung enthalten sein können, sind Silber und Titan. Die Härte der metallischen Beschichtung ist vorzugsweise größer als 300 HV 0,3. In einer alternativen Ausgestaltung ist die Beschichtung als NiP oder NiP-Nano-Beschichtung ausgebildet.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass trotz der engen geometrischen Toleranzen, die generell bei Wälzlagerkomponenten gefordert sind, eine relativ große Welligkeit des Grundkorpus, welche insbesondere durch die Modifikation der Oberfläche entstehen kann, nicht nur tolerabel, sondern unter diversen Betriebsbedingungen, insbesondere bei Mangelschmierung des Wälzlagers, sogar von Vorteil ist. In bevorzugter Ausgestaltung weist die modifizierte Oberfläche des Grundkorpus eine Welligkeit auf, die mindestens 10 mal so groß wie die Rauheit der modifizierten Oberfläche und größer als die Schichtdicke der metallischen Beschichtung ist. Unter Rauheit wird hierbei der Mittenrauwert Ra nach DIN EN ISO 4287 verstanden. Die Welligkeit Wt ist ebenso im Sinne der DIN EN ISO 4287 zu verstehen, wobei als Grenzwellenlängenwerte die Regelwerte nach DIN EN ISO 1302 Ziffer 6.5.3 anzusetzen sind.
Vorteilhafte Weiterbildungen sehen Veränderungen der metallischen Beschichtung vor, indem entweder in diese Beschichtung selbst weitere Bestandteile eingebracht sind oder eine Zusatzschicht auf die metallische Beschichtung aufgebracht ist. Zusätzliche Bestandteile in der metallischen Beschichtung können z. B. Verschleißschutzpartikel sein. Geeignete Hartstoffpartikel, welche die Verschleißfestigkeit der metallischen Beschichtung verbessern, sind z. B. SiC, TiC, TiO₂ und Diamant. Statt der Hartstoffpartikel oder zusätzlich zu solchen Verschleißschutzpartikeln können auch reibungsreduzierende Partikel, z. B. aus PTFE, Graphit, MoS₂ oder WS₂ oder Kombinationen dieser Partikel in der metallischen Beschichtung enthalten sein.
Eine auf die metallische Beschichtung aufgebrachte Zusatzschicht kann beispielsweise als Sol-Gel-Schicht (z. B. SiO₂ oder ZrO₂), auch als Nanopartikel unterstützte Sol-Gel-Schicht, ausgebildet sein. Mit einer solchen Schicht sind insbesondere die Benetzbarkeit sowie Antifouling-Eigenschaften optimierbar.
Eine besonders hohe Härte des Wälzlagerkäfigs ist durch eine Zusatzschicht auf Kohlenstoffbasis herstellbar. Hierbei kann es sich um eine reine Kohlenstoffschicht oder um eine Schicht, welche Kohlenstoff und Wasserstoff enthält, handeln. Die Schicht kann in beiden Fällen durch Metalle (z.B. W, Cr) oder Nichtmetalle (z.B. Si, O) dotiert sein.
Als Deckschicht der Beschichtung des Wälzlagerkäfigs kann eine Spritzschicht aufgebracht werden, wofür sich thermische Verfahren, Plasmaverfahren, sowie das HVOF-Verfahren (High Velocity Oxygen Fuel: Hochgeschwindigkeitsflammspritzen) eignen. Ein besonderer Vorteil des HVOF-Verfahrens ist die Tatsache, dass die in das zu beschichtende Material eingetragene Wärmemenge in Relation zur aufgebrachten Materialmenge relativ gering ist, sodass der Kunststoff des Grundkorpus nicht geschädigt wird.
Der erfindungsgemäße Wälzlagerkäfig eignet sich insbesondere für die Verwendung in Wälzlagern, welche mit Mangelschmierung betrieben werden. Auch Wälzlager, die permanent oder zeitweise trocken laufen, erreichen mit dem erfindungsgemäßen Wälzlagerkäfig eine hohe Lebensdauer. Gleiches gilt für sogenannte mediengeschmierte Wälzlager, das heißt, Wälzlager, die sich in einem Medium befinden, insbesondere von einem Medium durchströmt sind, welches nicht primär für Schmierungszwecke vorgesehen ist. Ein solches Medium kann beispielweise ein verflüssigtes Gas oder Wasser, auch Meerwasser, sein.
Ein besonderer Vorteil des Wälzlagerkäfigs liegt in einer sehr günstigen Relation zwischen seiner Masse und seiner mechanischen Belastbarkeit. Der Wälzlagerkäfig ist daher auch für Wälzlager geeignet, die bei sehr hohen Drehzahlen betrieben werden. Die Querschnitte des Kunststoff-Grundkorpus sind dabei ebenso wie die Schichtdicken der metallischen Beschichtung den zu erwartenden Belastungen an verschiedenen Stellen des Wälzlagerkäfigs anpassbar. Im Fall einer den Grundkorpus vollständig umschließenden metallischen Beschichtung ist jegliche Einwirkung eines Umgebungsmediums und/oder Schmiermittels auf den Kunststoff des Grundkorpus ausgeschlossen. Insbesondere ist dadurch ein Quellen des Grundkorpus dauerhaft verhindert. Die damit erreichte Dimensionsstabilität des Wälzlagerkäfigs erlaubt eine Konstruktion mit sehr geringem Spiel, insbesondere Spiel der Wälzkörper in den Käfigtaschen, was wiederum die Eignung des Wälzlagerkäfigs für schnell drehende Wälzlager verbessert. Ebenso ist damit das Geräuschverhalten des Wälzlagers gegenüber herkömmlichen Wälzlagern mit Metall- oder Kunststoffkäfig verbessert.
Die vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten der metallischen Beschichtung und gegebenenfalls auch der Zusatzschicht erlauben eine Anpassung der Eigenschaften des Wälzlagerkäfigs an unterschiedlichste Anforderungen. Dies betrifft beispielsweise die physiologische Unbedenklichkeit und Lebensmittelverträglichkeit, die Biokompatibilität, Antifouling-Eigenschaften, sowie die Magnetisierbarkeit. In allen Anwendungsfällen sorgt die vorzugsweise geschlossene metallische Beschichtung auf dem Wälzlagerkäfig für eine gute Wärmeableitung, was insbesondere bei der Kombination von Mangelschmierung und hohen Drehzahlen und Lasten von besonderer Bedeutung ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, jeweils in schematischer Darstellung:
1 in einer Schnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines Wälzlagerkäfigs aus metallisiertem Kunststoff,
2 in einer Darstellung analog 1 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Wälzlagerkäfigs.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Die 1 und 2 zeigen jeweils einen stark vergrößerten, nicht maßstäblichen Ausschnitt eines Querschnitts eines insgesamt mit den Bezugszeichen 1 gekennzeichneten Wälzlagerkäfigs, hinsichtlich dessen prinzipieller Funktion auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen wird.
Jeder Wälzlagerkä1 weist einen Grundkorpus 2 aus Kunststoff auf, auf welchem sich eine metallische Beschichtung 3 befindet. Die metallische Beschichtung 3 ist hierbei auf eine modifizierte Oberfläche 4 des Grundkorpus 2 aufgebracht. Die Modifikation der Oberfläche 4 des Grundkorpus 2 ist in den 1 und 2 durch eine deutlich erkennbare Rauheit der Oberfläche 4 veranschaulicht. Abweichend von der symbolischen Darstellung nach den 1 und 2 kann es sich bei der Modifikation der Oberfläche 4 des Grundkorpus 2 jedoch auch um eine lediglich chemische Oberflächenmodifikation handeln, die keinen Einfluss auf die messbare Rauheit hat. In jedem Fall weichen Eigenschaften der Oberfläche 4, unmittelbar bevor die metallische Beschichtung 3 aufgebracht wird, von der Oberflächenbeschaffenheit des Grundkorpus 2 unmittelbar nach dessen Produktion ab.
Im Ausführungsbeispiel nach 1 sind in die metallische Beschichtung 3 verschiedene Partikel 5, 6, nämlich Verschleißschutzpartikel 5 sowie reibungsreduzierende Partikel 6, eingebaut. Die Partikel 5, 6 sind derart gering dimensioniert, dass sie keinen Einfluss auf die Undurchlässigkeit der metallischen Beschichtung 3 haben. Bei der metallischen Beschichtung 3 handelt es sich um eine nanokristalline Beschichtung mit einer mittleren Korngröße von weniger als 500 nm.
Im Ausführungsbeispiel nach 2 enthält die metallische Beschichtung 3 im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach 1 keine Zusatzstoffe. Stattdessen ist in diesem Fall auf die metallische Beschichtung 3 eine Zusatzschicht 7 aufgebracht. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Kohlenstoffschicht oder um eine Sol-Gel-Schicht handeln. In beiden Fällen beträgt die Summe der Schichtdicken aus metallischer Beschichtung 3 und Zusatzschicht 7 nicht mehr als 0,5 mm.
Sowohl im Ausführungsbeispiel nach 1 als auch im Ausführungsbeispiel nach 2 kann eine Endbearbeitung der metallischen Beschichtung 3 bzw. der Zusatzschicht 7 durch Schleifen, Gleitschleifen, Honen oder Elektropolieren vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlagerkäfig
2: Grundkorpus
3: Metallische Beschichtung
4: Modifizierte Oberfläche
5: Verschleißschutzpartikel
6: Reibungsreduzierende Partikel
7: Zusatzschicht

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

WO 2009/135477 A1 [0002]
DE 19851101 A1 [0006]
DE 10262102 B4 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 4287 [0008]
DIN EN ISO 4287 [0008]
DIN EN ISO 1302 Ziffer 6.5.3 [0008]

Claims

Wälzlagerkäfig, mit – einem Grundkorpus (2) aus Kunststoff, – einer modifizierten Oberfläche (4) des Grundkorpus (2), – einer metallischen Beschichtung (3) auf der modifizierten Oberfläche (4) des Grundkorpus (2).
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Modifikation der Oberfläche (4) des Grundkorpus (2) eine chemische Modifikation vorgesehen ist.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte Oberfläche (4) des Grundkorpus (2) eine Welligkeit (Wt) aufweist, die mindestens zehnmal so groß wie die Rauheit (Ra) der modifizierten Oberfläche (4) und größer als die Schichtdicke der metallischen Beschichtung (3) ist.
Wälzlagerkäfig nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Beschichtung (3) Verschleißschutzpartikel (5) enthält.
Wälzlagerkäfig nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf die metallische Beschichtung (3) eine Zusatzschicht (7) aufgebracht ist.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzschicht (7) eine Sol-Gel-Schicht vorgesehen ist.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzschicht (7) eine Kohlenstoffschicht vorgesehen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerkäfigs, mit folgenden Schritten: – Ein Grundkorpus (2) aus Kunststoff wird hergestellt, – die Oberfläche (4) des Grundkorpus (2) wird modifiziert, – auf die modifizierte Oberfläche (4) des Grundkorpus (2) wird eine metallische Beschichtung (3) aufgebracht.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (4) des Grundkorpus (2) durch ein Plasma modifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (4) mechanisch vorbehandelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf die metallische Beschichtung (3) eine Zusatzschicht (7) durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen aufgebracht wird.