DE102021129948A1 - Wälzlagerschmierung mittels Aerosolabscheidung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum zumindest partiellen Beschichten eines Wälzlagerbauteils mit Schmierstoff (220),
gekennzeichnet durch folgende Schritte
- Bereitstellen des Wälzlagerbauteils (200) in einer Abscheidekammer, um auf dieses Bauteil Schmierstoff abzuscheiden,
- Bereitstellen des Schmierstoffs (220) in einem Aerosolgenerator (130),
- Einleiten eines Trägerfluids (210) in den Aerosolgenerator (130) zum Erzeugen eines Aerosols (215) aus oder mit dem in dem Trägerfluid (210) verteilten Schmierstoff (220),
- Einleiten des Aerosols (215) in die Abscheidekammer (110),
- zumindest partielle Beaufschlagung des Wälzlagerbauteils (200) mit dem Aerosol in der Abscheidekammer (110), wobei eine Schmierstoffschicht ganz oder teilweise auf dem Wälzlagerbauteil (200) durch Abscheiden des Schmierstoffs (220) aus dem Aerosol (215) ausgebildet wird.
Die Erfindung betrifft ferner ein Wälzlager, wobei die Schmierstoffschicht durch Abscheiden des Schmierstoffs (220) aus einem Aerosol (215) aufgebracht ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Wälzlagerbauteils mit zumindest einer partiellen Schmierstoff- und/oder sonstigen Gleitmittelschicht.
  • Die Erfindung betrifft außerdem ein Wälzlager, aufweisend zwei Lagerringe (Innenring, Außenring) mit jeweils einem Außenmantel und einem Innenmantel, wobei beim Innenring in der Außenmantelfläche und beim Außenring in der Innenmantelfläche eine Rollbahn oder eine Laufrillen für die Wälzkörper ausgebildet ist. Zumindest ein Teilbereich des Lagerrings, insbesondere wenigstens eine Rollbahn oder Laufrille, weist eine Schmierstoffschicht mit einem Schmierstoff auf.
  • Wälzlager sind Lager, bei denen zwischen mindestens einem inneren Lagerring und mindestens einem äußeren Lagerring, rollende Körper den Reibungswiderstand verringern. Zwischen den mindestens drei Hauptkomponenten innerer Lagerring, äußerer Lagerring und den Wälzkörpern tritt hauptsächlich Rollreibung auf. Zur Verminderung der Rollreibung dieser Lager erfolgt eine Schmierung. Das Auftragen der Schmierung soll möglichst einfach und kostengünstig erfolgen.
  • Die Vorveröffentlichung JP 2007 247 775 A beschreibt das Auftragen einer keramischen Versiegelungsschicht mittels Aerosolabscheidung an den Stirnflächen eines Wälzlagers zur Abdichtung nach außen. Damit soll eine Leckage an imprägniertem Schmiermittel aus dem Inneren des Wälzlagers nach außen verhindert werden.
  • Im Stand der Technik sind weitere Anwendungen der Aerosolabscheidung offenbart. Die DE 11 2007 000 436 T5 zeigt das Auftragen einer keramischen Schicht aus feinen Aluminiumoxidteilchen zur Isolierung gegenüber elektrischen Strömen unter Anwendung eines Aerosol-Abscheidungsverfahrens auf der Innenumfangsfläche des inneren Rings bzw. einer Umfangsfläche des äußeren Rings. Die Vorrichtung zum Ausbilden einer keramischen Schicht unter Anwendung des Aerosol-Abscheidungsverfahrens umfasst eine Vakuumkammer. Innerhalb der Vakuumkammer ist eine Aerosol-Einspritzdüse vorgesehen, um auf dem Außenring oder dem Innenring des Wälzlagers eine keramische Schicht auszubilden ist.
  • Die EP 1 231 294 A1 beschreibt ebenfalls ein Aerosol-Abscheidungsverfahren zur Bereitstellung einer elektrisch isolierenden Schicht auf beliebigen Substraten. Ein Trägergas aus einer Gasflasche durchströmt einen Aerosolgenerator, woraufhin das dadurch erzeugte Trägergas mittels einer Düse bei Überschallgeschwindigkeit in eine Vakuumkammer injiziert wird, sodass das Substrat eine Schicht auf einem Substrathalter bildet.
  • Die im Stand der Technik bekannten Verfahren zum Erzeugen einer Schmierstoffschicht auf den Wälzlagerbauteilen sind aufwendig.
  • Wegen weiterer Einzelheiten zur Aerosolabscheidung wird noch auf folgende Fundstellen verwiesen:
    • - Journal of Ceramic Science and Technology, Vol. 6 No. 3, Seiten 147-181 „An Overview of the Aerosol Deposition Method: Process Fundamentals and New Trends in Materials Applications“ von D. Hanft u. a
    • - Internet-Firmenveröffentlichung https://www.heraeus.com/en/landingspages/hpc/hpc_home.html mit Video zum Abscheideverfahren, abgerufen am 15.11.2021, 14-15 Uhr.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu eliminieren und die Bereitstellung einer Schmierstoffschicht auf den Wälzlagerbauteilen zu vereinfachen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Beschichtungsverfahren gemäß Anspruch 1 und ein Wälzlager gemäß Anspruch 7.
  • Ein erfindungsgemäßes Beschichtungsverfahren der eingangs genannten Art umfasst die Schritte
    • - Bereitstellen eines Wälzlagerbauteils in einer Kammer zum Abscheiden von Schm ierstoff,
    • - Bereitstellen eines Schmierstoffs zum Erzeugen der Schmierstoff- und/oder sonstigen Gleitmittelschicht in einem Aerosolgenerator,
    • - Einleiten eines Trägerfluids in den Aerosolgenerator zum Erzeugen eines Aerosols aus oder mit in dem Trägerfluid verteiltem Schmierstoff,
    • - Einleiten des so erzeugten Aerosols in die Abscheidekammer, bis die Schmierstoffschicht auf dem Wälzlagerbauteil durch Abscheiden des Schmierstoffs ausgebildet ist.
  • Ein Aerosol ist allgemein die feine Verteilung schwebender fester und/oder flüssiger Stoffe in einem Trägergasstrom. Der Trägerfluidstrom, insbesondere Trägergasstrom ist typischerweise ein Inertgas wie Stickstoff, Argon oder Helium. Als Schmierstoff kann grundsätzlich jedes geeignete feste und/oder flüssige Schmier- und/oder Gleitmittel eingesetzt werden. Das Verfahren ermöglicht die schnelle und kostengünstige Herstellung einer Schmierstoffschicht von bspw. 1-2 Mikrometern pro Minute. Das Aufbringen einer Schmierstoffschicht mittels des Aerosolabscheideverfahrens gewährleistet für das erfindungsgemäße Verfahren eine hohe Prozessstabilität und Wiederholbarkeit. Eine Vorbehandlung der Wälzlagerbauteile ist in den meisten Fällen nicht notwendig. Die Haftung der Schmierstoffschicht ist sehr gut, sodass die Wartungsintervalle der Wälzlager reduziert werden können. Das gewährleistet eine zuverlässige „metallische Trennung“ zweier Lagerkomponenten, womit sich mit diesem Verfahren hergestellte Lagerbauteile besonders gut für Vakuumapplikationen, für die Chipherstellung und/oder in der Luft- und Raumfahrttechnik eignen. Konkretes Anwendungsbeispiel sind Kreisellager.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
  • Vorzugsweise ist der Schmierstoff ein Feststoffschmierstoff oder weist einen Feststoffschmierstoffanteil auf.
  • Feststoffschmierstoffe verringern die Reibung allgemein, als dünne Schicht auf den Funktionsflächen aufgebracht, durch die enthaltenen Partikel bzw. Plättchen, die leicht aufeinander gleiten. Dabei ist die Feststoffschmierstoff-Partikelgröße vorzugsweise kleiner als 5 µm. Besonders gut geeignet für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrttechnik sind Feststoffschmierstoffe mit Gold-, Silber,- oder Molybdänpartikeln oder Kombinationen davon. In Flüssigkeitspumpen im Flüssigkeitsstrom in Raumfahrzeugen werden Feststoffschmierstoffe mit Gold- und Silberpartikeln angewendet, um eine verbesserte Gleitfunktion für die umströmende Flüssigkeit bereitzustellen.
  • In einer besonders bevorzugten Verfahrensausführung weist der Schmierstoff Molybdänsulfid auf.
  • Molybdänsulfid, bzw. Molybdändisulfid (MoS2), ist ein besonders geeigneter Feststoffschmierstoff, liegt typischerweise pulverförmig vor und kann in Schmierölen und Schmierfetten suspendiert oder direkt angewendet werden.
  • Besonders geeignet ist das Beschichtungsverfahren auf der Basis der beschriebenen Aerosol-Abscheidung für Wälzlager mit Lagerringen (Innenring und Außenring) und Rollbahnen bzw. Laufrillen auf der jeweiligen Innen- bzw. Außenmantelfläche.
  • Bevorzugt erfolgt das Aerosol-Abscheiden des Schmierstoffs auf die Wälzlager-Rollbahn oder -Laufrille des Wälzlager-Innen- und/oder -Außenrings. Beim Innenring kann die Rollbahn- oder Laufrillen-Beschichtung per Aerosol-Abscheidung besonders einfach erfolgen, weil dort die Rollbahn bzw. Laufrille auf der Außenmantelfläche des Lagerrings verläuft.
  • Die Erfindungsaufgabe wird auch durch ein erfindungsgemäß hergestelltes Wälzlager gelöst. Ein solches Wälzlager der eingangs genannten Art kennzeichnet sich dadurch, dass die Schmierstoffschicht durch Abscheiden des Schmierstoffs aus einem Aerosol gebildet ist.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale, Merkmals(unter)kombinationen, Vorteile und Wirkungen auf Basis der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels {bzw. -beispiele} der Erfindung und den Zeichnungen. Diese zeigen in
    • 1 eine Prinzipskizze einer Anordnung für ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Verfahren und
    • 2 eine schematische Draufsicht eines beispielhaften erfindungsgemäßen Wälzlagerrings.
  • Die Figuren sind lediglich beispielhafter Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt eine Verfahrensanordnung 100 für ein Verfahren zum Beschichten eines Wälzlagerbauteils mit einer Schmierstoffschicht. Das Bereitstellen des Wälzlagerbauteils, hier ein Lagerring 200, erfolgt durch Platzieren auf einem Bauteilhalter 111 in einer Abscheidekammer 110. In der Abscheidekammer 110 wird ein Vakuum von ca. einem Millibar durch eine Vakuumpumpe 140 erzeugt, die zum Absaugen von Luft oder Gas durch eine Saugleitung 141 mit der Abscheidekammer 110 verbunden ist. An einer Gasflasche 120, die ein Trägergas 210 bei Überdruck lagert, wird ein Auslassventil geöffnet, sodass über eine Trägergasleitung 121 einem Aerosolgenerator 130 Trägergas 210 zugeführt werden kann. Der Aerosolgenerator 130 kann ein Behälter sein, in dem Partikel eines Feststoffschmierstoffs 220 gelagert sind. Das Trägergas 210 vermischt sich mit dem Feststoffschmierstoff 220, der Trägergasstrom reißt die Feststoffpartikel mit, und ein Schmierstoff-Trägergasgemisch verlässt durch die Schmierstoff-Trägergasleitung 131 den Aerosolgenerator 130. Durch eine Einspritzdüse 112 betritt das Schmierstoff-Trägergasgemisch die Abscheidekammer 110. Die Schmierstoff-Partikel in dem im Aerosolgenerator 130 erzeugten Aerosol 215 werden entspannt und bei Umgebungstemperatur auf mehrere 100 Meter pro Sekunde beschleunigt. Durch deren hohe kinetische Energie werden die Partikel aus dem Aerosol 215 beim Aufprall auf den Lagerringen 200 bis auf die Größe von wenigen Nanometern weiter zerkleinert und bilden dabei eine Schicht auf dem Lagerring 200. Eine chemische Reaktion oder ein Phasenübergang des Schmierstoffs 220 finden nicht statt. Typischerweise werden dichte und kompakte Schmierstoffschichten von 1-70 Mikrometern erzeugt, wobei während des Abscheidens der Bauteilhalter 111 den Lagerring 200 bewegt und in Relation zur Einspritzdüse 112 entsprechend der Form des Lagerrings 200 und des Verlaufs von dessen Rollbahn bzw. Laufrille ausrichtet.
  • 2 zeigt einen Lagerring 200 mit einer Außenmantelfläche 201, einer Innenmantelfläche 202 und beidseitigen Stirnflächen 203. Bei einer üblichen (nicht gezeichneten) Wälzlager-Anordnung sind zwischen zwei Lagerringen 200 die Wälzkörper angeordnet, sodass im Falle des Lagerrings 200 als Wälzlager-Außenring die Innenmantelfläche 202 eine Laufbahnrille oder Laufbahnfläche für die Wälzkörper aufweist. Bei dem Lagerring 200 als Innenring enthält die Außenmantelfläche 201 die Laufbahnrille oder Rollbahn für die Wälzkörper. Für ein erfindungsgemäßes Wälzlager sind die Außenmantelfläche 201 des Innenrings und/oder die Innenmantelfläche 202 des Außenrings wenigstens teilweise durch das erfindungsgemäße, oben beschriebene Aerosol-Abscheideverfahren beschichtet. Vorzugsweise sind eine oder beide gegenüberliegenden Rollbahnen bzw. Laufrillen, die die Wälzkörper umfassen, mit dem Schmierstoff aus dem Aerosol beschichtet.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Verfahrensanordnung
    110
    Abscheidekammer
    111
    Bauteilhalter
    112
    Einspritzdüse
    120
    Trägergasüberdruckeinheit, insbesondere Trägergasflasche
    121
    Trägergasleitung
    130
    Aerosolgenerator
    131
    Schmierstoff-Trägergasleitung
    140
    Unterdruckeinheit, insbesondere Vakuumpumpe
    141
    Saugleitung
    200
    Wälzlagerbauteil, insbesondere Lagerring
    201
    Außenmantel(fläche)
    202
    Innenmantel(fläche)
    203
    Stirnfläche, Stirnseite
    210
    Trägerfluid, insbesondere Trägergas
    215
    Aerosol
    220
    Schmierstoff, insbesondere Feststoffschmierstoff
  • 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
    • JP 2007247775 A [0004]
    • DE 112007000436 T5 [0005]
    • EP 1231294 A1 [0006]

Claims (8)

  1. Verfahren zum zumindest partiellen Beschichten eines Wälzlagerbauteils mit Schmierstoff (220), gekennzeichnet durch folgende Schritte - Bereitstellen des Wälzlagerbauteils (200) in einer Abscheidekammer, um auf dieses Bauteil Schmierstoff abzuscheiden, - Bereitstellen des Schmierstoffs (220) in einem Aerosolgenerator (130), - Einleiten eines Trägerfluids (210) in den Aerosolgenerator (130) zum Erzeugen eines Aerosols (215) aus oder mit dem in dem Trägerfluid (210) verteilten Schmierstoff (220), - Einleiten des Aerosols (215) in die Abscheidekammer (110), - zumindest partielle Beaufschlagung des Wälzlagerbauteils (200) mit dem Aerosol in der Abscheidekammer (110), wobei eine Schmierstoffschicht ganz oder teilweise auf dem Wälzlagerbauteil (200) durch Abscheiden des Schmierstoffs (220) aus dem Aerosol (215) ausgebildet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoff (220) ein Feststoffschmierstoff ist oder einen Feststoffschmierstoffanteil aufweist.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoff (220) Molybdänsulfid aufweist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlagerbauteil ein Lagerring (200) ist mit einer mit einer Laufrille oder Rollbahn für Wälzkörper auf seiner Außenmantelfläche (201) oder Innenmantelfläche (202).
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheiden des Schmierstoffs (220) auf die Rollbahn oder Laufrille oder auf die Außenmantel- oder Innenmantelfläche (201,202) des Lagerrings (200) erfolgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei mittels einer in oder an der Abscheidekammer (110) angeordneten Ausblasdüse Aerosol in die Abscheidekammer geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausblasdüse auf die Rollbahn oder Laufrille oder auf die Außenmantel- oder Innenmantelfläche (201,202) des Lagerrings (200) gerichtet wird.
  7. Wälzlager, aufweisend einen Lagerring (200) mit einer Außenmantelfläche (201),einer Innenmantelfläche (202) und zwei gegenüberliegenden Stirnseiten (203), wobei zumindest ein Teilbereich des Lagerrings (200) eine Schmierstoffschicht mit einem Schmierstoff (220) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmierstoffschicht durch Abscheiden des Schmierstoffs (220) aus einem Aerosol (215) aufgebracht ist.
  8. Wälzlager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenmantelfläche (201) oder die Innenmantelfläche (202) oder die Laufrille oder die Laufbahn des Lagerrings (200) mit einer durch Aerosol-Abscheidung hergestellten Schmierstoffschicht versehen ist.
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EP1231294A1 (de) 1999-10-12 2002-08-14 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology Strukturiertes kompositmaterial, herstellungsverfahren und vorrichtung zur herstellung
JP2007247775A (ja) 2006-03-15 2007-09-27 Ntn Corp 焼結含油軸受
DE112007000436T5 (de) 2006-03-08 2009-01-15 Ntn Corp. Wälzlager und Verfahren zur Herstellung desselben

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