DE102015216872A1

DE102015216872A1 - Beschichteter Stahlkäfig für ein Wälzlager sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102015216872A1
Application number: DE102015216872.7A
Authority: DE
Inventors: Christoph Meder; Horst Masuch; Milan Madron; Reinhard Rumpel; Jürgen Lechner
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-09-03
Filing date: 2015-09-03
Publication date: 2017-03-09

Abstract

Die Erfindung betrifft Wälzlagerkäfig (10) für ein zumindest einreihiges Wälzlager, dessen Grundkörper (12) aus einer Stahllegierung hergestellt ist, welcher an seiner Oberfläche eine Beschichtung (24) aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial aufweist. Zur Optimierung der Eigenschaften der Oberfläche des Wälzlagerkäfigs (10) ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass das Kunststoffmaterial der Beschichtung (24) aus Polyamidimid (25), Festschmierstoffpartikeln (26) sowie aus Nano-Partikeln (28) mit einer hohen Abrasionsbeständigkeit besteht. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Wälzlagerkäfigs (10).

Description

Bezeichnung der Erfindung
Beschichteter Stahlkäfig für ein Wälzlager sowie Verfahren zu dessen Herstellung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Wälzlagerkäfig für ein zumindest einreihiges Wälzlager, dessen Grundkörper aus einer Stahllegierung hergestellt ist, welcher an seiner Oberfläche eine Beschichtung aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial aufweist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wälzlagerkäfigs.
Aus der DE 10 2012 101 651 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerkäfigs für ein zumindest einreihiges Wälzlager sowie ein mit einem derartigen Wälzlagerkäfig ausgerüstetes Wälzlager bekannt. Dieser Wälzlagerkäfig verfügt über eine Vielzahl von Taschen zur Aufnahme jeweils eines Wälzkörpers. Zur Herstellung des Wälzlagerkäfigs wird ein Ring oder Ringsegmente aus einem metallischen Vollmaterial bereitgestellt. Der Herstellungsvorgang zur Ausbildung eines Grundkörpers des Wälzlagerkäfigs kann durch einen Umformprozess und/oder einen materialabtragenden Prozess erfolgen. Anschließend wird der Grundkörper zur Vorbereitung eines thermischen Beschichtens desselben mittels eines thermoplastischen Kunststoffpulvers auf eine Temperatur oberhalb einer minimal erforderlichen Beschichtungstemperatur erwärmt. Danach wird der Grundkörper in ein Wirbelbett mit dem thermoplastischen Kunststoffpulver eingetaucht, wobei beim Verweilen des Grundkörpers in dem Wirbelbett Kunststoffpulver an dem Grundkörper anhaftet, aufschmilzt und hierdurch eine vollständige Beschichtung des Grundkörpers des Wälzlagerkäfigs ausbildet wird.
Nachteilig bei diesem bekannten Herstellverfahren und dem damit hergestellten Wälzlagerkäfig ist unter anderem, dass sich aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des metallischen Grundkörpermaterials und der thermoplastischen Kunststoffbeschichtung innerhalb dieser Beschichtung Risse bilden können, die Schadstellen darstellen. Ferner kann sich die Beschichtung aufgrund einer unzureichenden Haftung bereichsweise vom metallischen Grundkörper des Wälzlagerkäfigs abheben und dadurch Hohlräume ausbilden. Das aus der DE 10 2012 101 651 A1 bekannte Herstellverfahren ist vergleichsweise teuer und die für die Beschichtung genutzten thermoplastischen Kunststoffe Polyamid (PA), Polyetherketon oder Polyetheretherketon (PEEK) sind hinsichtlich ihrer Abriebfestigkeit verbesserungswürdig. Daher schlägt die DE 10 2012 101 651 A1 gemäß einer speziellen Ausführungsform schon vor, zur Herstellung des Beschichtungsmaterials zusätzlich zu dem Pulver aus den genannten Kunststoffen auch reibungsmindernde Partikel, wie beispielsweise Fluorpolymerpartikel, auf den Wälzlagerkäfig aufzutragen.
Eine an die Erfindung gestellte erste Aufgabe besteht darin, unter Vermeidung der vorstehend genannten Nachteile einen kostengünstig herstellbaren Wälzlagerkäfig vorzustellen, welcher jedoch die Vorteile eines stählernen Wälzlagerkäfigs mit einer Kunststoffbeschichtung kombiniert. Darüber hinaus liegt der Erfindung die zweite Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum einfachen Herstellen eines solchen Wälzlagerkäfigs anzugeben.
Zur Lösung der produktbezogenen Aufgabe geht die Erfindung aus von einem Wälzlagerkäfig für ein zumindest einreihiges Wälzlager, dessen Grundkörper aus einer Stahllegierung hergestellt ist, welcher an seiner Oberfläche eine Beschichtung aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial aufweist. Bei diesem Wälzlagerkäfig ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass das Kunststoffmaterial der Beschichtung aus Polyamidimid, Festschmierstoffpartikel sowie aus Nano-Partikel mit einer hohen Abrasionsbeständigkeit besteht.
Durch diese Beschichtung kann dem stählernen Wälzlagerkäfig eine Reihe vorteilhafter physikalischer Eigenschaften verliehen werden. So sind die Reibungs-, Verschleiß- und Notlauf- beziehungsweise Notschmiereigenschaften des Wälzlagerkäfigs gezielt optimiert. Hierbei reduziert der in den Polyamidimid-Kunststoff eingebettete partikelförmige Festschmierstoff die Reibung der mit dem Käfig in Kontakt kommenden Bauteile, während die Nanopartikel die Abrasionsbeständigkeit der Beschichtung verbessert.
Die Festschmierstoffpartikel bestehen vorzugsweise aus einem selbst schmierenden Material, wie beispielsweise aus Graphit, Molybdändisulfid, Blei, Kupfer, Aluminium, Keramik oder aus Kunststoffen, wie etwa Polytetrafluorethylen (PTFE).
Die Beschichtung auf dem Stahlkäfig besteht beispielsweise aus dem bekannten Gleitlack Durotect^®P, welcher zusätzlich mit den erwähnten Nano-Partikeln mit hoher Abrasionsbeständigkeit versetzt ist.
Die Dicke der Beschichtung auf den Grundkörper des Wälzlagerkäfigs mit dem Kunststoffmaterial beträgt bevorzugt 20 μm bis 30 μm, wobei vorzugsweise der gesamte Grundkörper mit der Beschichtung bedeckt ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Wälzlagerkäfig nicht segmentiert sondern einteilig ausgebildet ist, dass dieser zwei ringförmige Seitenteile aufweist, welche mittels axial ausgerichteter Stege fest miteinander verbunden sind, dass die Seitenteile und die Stege Wälzkörpertaschen begrenzen, in welche die Wälzkörper eines Wälzlagers aufgenommen werden, und dass der Wälzlagerkäfig für ein Zylinderrollenlager, Kegelrollenlager oder Pendelrollenlager ausgebildet ist, welches als Großwälzlager einen Außendurchmesser von wenigstens 0,5 Metern aufweist.
Darüber hinaus wird die eingangs genannte zweite Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerkäfigs für ein zumindest einreihiges Wälzlager mit folgenden Schritten gelöst:

– Herstellen eines Grundkörpers des Wälzlagerkäfigs aus einer Stahllegierung,
– Erzeugen eines Kunststoffmaterials, welches aus Polyamidimid-Kunststoff, Festschmierstoffpartikeln sowie aus Nano-Partikeln mit einer hohen Abrasionsbeständigkeit besteht,
– Erzeugen einer Beschichtung auf den Grundkörper durch Aufsprühen des Kunststoffmaterials auf seine Oberfläche,
– Erhitzen der Beschichtung auf die Schmelztemperatur des Polyamidimid-Kunststoffs,
– Abkühlen und Aushärten der Beschichtung.

Dabei wird das Kunststoffmaterial auf den Grundkörper des Wälzlagerkäfigs vorzugsweise in einer Schichtdicke von 20 μm bis 30 μm aufgetragen. Gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel werden Festschmierstoffpartikel aus Polytetrafluorethylen (PTFE) verwendet.
Mit dem vorgestellten Verfahren lässt sich ein zumindest partiell mit einem Kunststoff beschichteter Wälzlagerkäfig vergleichsweise kostengünstig herstellen. Der so gefertigte Wälzlagerkäfig vereint die Vorteile eines leicht herstellbaren, mechanisch hoch beanspruchbaren und besonders haltbaren Stahlkäfigs mit den günstigen Eigenschaften eines Kunststoffkäfigs, zu denen unter anderem dessen Reibungsarmut, gute tribologische Eigenschaften, Laufruhe und ein vergleichsweise geringes Gewicht zählen.
Zum besseren Verständnis der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung beigefügt. In dieser zeigt
1 eine perspektivische Teilansicht eines Wälzlagerkäfigs, der mit der vorgeschlagenen Beschichtung versehen ist, und
2 einen vergrößerten Querschnitt durch einen Seitenring des Wälzlagerkäfigs gemäß 1, in welcher die erfindungsgemäße Beschichtung besser erkennbar ist.
Der in 1 dargestellte Wälzlagerkäfig 10 ist zum Einbau in ein nicht dargestelltes Kegelrollenlager vorgesehen. Dieses Kegelrollenlager ist mit einem Außendurchmesser von mehr als 0,5 Metern ein so genanntes Großwälzlager, welches beispielsweise in einem Windenergiekonverter eingebaut wird. Der Wälzlagerkäfig 10 weist einen im Wesentlichen kegelabschnittförmigen Grundkörper 12 auf, der rotationssymmetrisch zu einer Längsmittelachse 14 ausgebildet ist. Der Grundkörper 12 des Wälzlagerkäfigs 10 besteht aus einem ringförmigen ersten Seitenteil 16 und einem ringförmigen zweiten Seitenteil 18, welche mittels einer Vielzahl von Stegen 20 fest miteinander verbunden sind. Die beiden ringförmigen Seitenteile 16, 18 weisen demnach jeweils unterschiedliche Durchmesser auf. Die Stege 20 sind zwischen den beiden ringförmigen Seitenteilen 16, 18 umfangsbezogen gleichmäßig zueinander beabstandet angeordnet. Jeweils zwei benachbarte Stege 20 umgrenzen zusammen mit den zugeordneten Seitenringabschnitten eine Wälzkörpertasche 22, in welchen jeweils ein kegelförmiger Wälzkörper einsetzbar ist. Die Stege 20 verlaufen im Wesentlichen parallel zur Längsmittelachse 14 des Wälzlagerkäfigs 10.
Die Herstellung des unsegmentierten, also einstückig ausgebildeten und aus einem Stahl beziehungsweise einer Stahllegierung gebildeten Grundkörpers 12 des Wälzlagerkäfigs 10 kann durch beliebige spanende Herstellungsverfahren, Umformverfahren, Urformen, thermische Fügeverfahren, formschlüssige Fügeverfahren oder eine Kombination von mindestens zwei der genannten Fügeverfahren erfolgen.
Der komplette Wälzlagerkäfig 10 besteht aus dem Grundkörper 12 und einer diesen Grundkörper 12 vorzugsweise vollständig bedeckenden Beschichtung 24, welche im Betrieb des Wälzlagers mit einem benachbarten Bauteil reibend zusammenwirken kann. Wie 2 veranschaulicht, besteht die Beschichtung 24 des Grundkörpers 12 des Wälzlagerkäfigs 10 aus einem thermoplastischen Polyamidimid-Kunststoff 25, in den Festschmierstoffpartikel 26 mit einem Füllgrad von beispielsweise bis zu 50%, bezogen auf das Volumen des Polyamidimid-Kunststoff 25, eingebettet sind. Die Festschmierstoffpartikel 26 bestehen im hier vorgestellten Ausführungsbeispiel aus Polytetrafluorethylen (PTFE). Außerdem sind in diesen Polyamidimid-Kunststoff 25 Nano-Partikel 28 eingebettet, die aus einem Material mit einer hohen Abrasionsbeständigkeit bestehen. Die Dicke der Beschichtung 24 beträgt vorzugsweise 20 μm bis 30 μm.
Durch die in den Polyamidimid-Kunststoff 25 eingebetteten Partikel des Festschmierstoffes 26 lässt sich insbesondere eine Rissbildungsneigung der Beschichtung 24, deren mechanische Belastbarkeit und Abriebfestigkeit, sowie im Fall von zumindest geringfügig elektrisch leitfähigen Partikeln das Auftreten von Reibungselektrizität beziehungsweise einer elektrostatischen Aufladung vermeiden. Ferner steigern die Festschmierstoffpartikel 26 die Wärmeausgleichsfähigkeit zwischen dem Grundkörper 12 aus Stahl und der Beschichtung 24 in einem signifikanten Maße. Die Festschmierstoffpartikel 26 bestehen aus einem Material aus einer Stoffgruppe mit selbst schmierenden Eigenschaften, zu der beispielsweise Graphit, Molybdändisulfid, Blei, Kupfer, Aluminium, Keramik oder Kunststoffe gehören. Die zusätzlich in den Polyamidimid-Kunststoff 25 eingebetteten Nano-Partikel 28 erhöhen die Abriebfestigkeit der Beschichtung 24.
Zur Herstellung des beschriebenen Wälzlagerkäfigs 10 wird in einem ersten Verfahrensschritt der Grundkörper 12 des Wälzlagerkäfigs 10 aus Stahl hergestellt. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines materialabtragenden Vorgangs, insbesondere durch spanende Herstellungsverfahren, oder mittels Umformverfahren, Urformen, thermische Fügeverfahren oder formschlüssige Fügeverfahren. Darüber hinaus kann die Herstellung des Wälzlagerkäfigs 10 gegebenenfalls auch im so genannten ALM-Prozess ("Additive Layer Manufacturing") erfolgen, der eine vollautomatische Herstellung beliebig komplexer Geometrien durch schichtweises und örtlich begrenztes Aufschmelzen sowie wieder Abkühlen von Metallpulverschichten in einem Metallpulverbett erlaubt.
In einem nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt erfolgt das Erzeugen eines Kunststoffmaterials aus einem Polyamidimid-Kunststoff 25, in dem Festschmierstoffpartikel 26 sowie Nano-Partikeln 28 mit einer hohen Abrasionsbeständigkeit eingelagert werden. Im vorgestellten Ausführungsbeispiel bestehen die Festschmierstoffpartikel 26 aus Polytetrafluorethylen (PTFE). Anschließend wird eine Beschichtung 24 auf dem Grundkörper 12 durch Aufsprühen des genannten Kunststoffmaterials auf seine Oberfläche erzeugt. Sodann wird die Beschichtung 24 auf die Schmelztemperatur des Polyamidimid-Kunststoffs 25 erhitzt, wodurch sich die Beschichtung fest mit der Oberfläche des Grundkörpers 12 des Wälzlagerkäfigs 10 verbindet. Schließlich erfolgt ein Abkühlen und Aushärten der Beschichtung 24.
Bezugszeichenliste

10: Wälzlagerkäfig
12: Grundkörper des Wälzlagerkäfigs
14: Längsmittelachse des Wälzlagerkäfigs
16: Erstes ringförmiges Seitenteil
18: Zweites ringförmiges Seitenteil
20: Steg
22: Wälzkörpertasche
24: Beschichtung
25: Polyamidimid-Kunststoff
26: Festschmierstoffpartikel
28: Nano-Partikel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012101651 A1 [0003, 0004, 0004]

Claims

Wälzlagerkäfig (10) für ein zumindest einreihiges Wälzlager, dessen Grundkörper (12) aus einer Stahllegierung hergestellt ist, welcher an seiner Oberfläche eine Beschichtung (24) aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial der Beschichtung (24) aus Polyamidimid (25), Festschmierstoffpartikeln (26) sowie aus Nano-Partikeln (28) mit einer hohen Abrasionsbeständigkeit besteht.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 1, dass die Beschichtung (24) aus dem Gleitlack Durotect^®P, die Festschmierstoffpartikel (26) aus Graphit, Molybdändisulfid, Blei, Kupfer, Aluminium, Keramik oder Kunststoffen, sowie aus Nano-Partikel (28) mit einer hohen Abrasionsbeständigkeit besteht.
Wälzlagerkäfig nach Anspruch 1, dass die Beschichtung (24) aus dem Gleitlack Durotect^®P, die Festschmierstoffpartikel (26) aus Polytetrafluorethylen (PTFE), sowie aus Nano-Partikel (28) mit einer hohen Abrasionsbeständigkeit besteht.
Wälzlagerkäfig nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (24) mit dem Kunststoffmaterial in einer Dicke von 20 μm bis 30 μm auf den Grundkörper (12) des Wälzlagerkäfigs (10) aufgetragen ist.
Wälzlagerkäfig nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (24) mit dem Kunststoffmaterial auf den gesamten Grundkörper (12) des Wälzlagerkäfigs (10) aufgetragen ist.
Wälzlagerkäfig nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzlagerkäfig (10) nicht segmentiert ausgebildet ist, dass dieser zwei ringförmige Seitenteile (16, 18) aufweist, welche mittels axial ausgerichteter Stege (20) fest miteinander verbunden sind, dass die Seitenteile (16, 18) und die Stege (20) Wälzkörpertaschen (22) begrenzen, und dass der Wälzlagerkäfig (10) für ein Zylinderrollenlager, Kegelrollenlager oder Pendelrollenlager ausgebildet ist, welches als Großwälzlager einen Außendurchmesser von wenigstens 0,5 Metern aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerkäfigs (10) für ein zumindest einreihiges Wälzlager, dessen Grundkörper (12) aus einer Stahllegierung besteht, und welcher an seiner Oberfläche eine Beschichtung (24) aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial aufweist, umfassend die Schritte: – Herstellen eines Grundkörpers (12) des Wälzlagerkäfigs (10) aus einer Stahllegierung, – Erzeugen eines Kunststoffmaterials, welches aus Polyamidimid-Kunststoff (25), Festschmierstoffpartikeln (26) sowie aus Nano-Partikeln (28) mit einer hohen Abrasionsbeständigkeit besteht, – Erzeugen einer Beschichtung (24) auf den Grundkörper (12) durch Aufsprühen des Kunststoffmaterials auf seine Oberfläche, – Erhitzen der Beschichtung (24) auf die Schmelztemperatur des Polyamidimid-Kunststoffs (25), – Abkühlen und Aushärten der Beschichtung (24).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial auf den Grundkörper (12) des Wälzlagerkäfigs (10) in einer Schichtdicke von 20 μm bis 30 μm aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass Festschmierstoffpartikel (26) aus Polytetrafluorethylen (PTFE) verwendet werden.