DE1421830C - Schmiermittel für Lager - Google Patents
Schmiermittel für LagerInfo
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Description
35
40
45
Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von Bleioxid als Schmiermittel für Lager.
Bleioxid weist bei erhöhten Temperaturen einen solchen Reibungskoeffizienten auf, daß es als Schmiermittel
oder Gleitmittel für Lager geeignet ist. Hierzu ■ werden feste Filmüberzüge aus Bleioxid auf besonderen
Materialien, beispielsweise auch auf Stahl aufgebracht. Ein derart aufgebautes Lager ist jedoch nur brauchbar,
solange der dünne Bleioxidfilm auf den stählernen Laufflächen des Lagers vorhanden ist. Da der überzug
ganz dünn sein muß, reibt er sich während einer ziemlich kurzen Zeit ab, so daß die Lebensdauer eines
solchen Lagers kurz ist. Für viele Anwendungszwecke ist das nachteilig.
An Schmiermittel und Gleitmittel für Lager müssen je nach dem Verwendungszweck und nach den
Umgebungsbedingungen verschiedenartige Anforderungen gestellt werden. So soll beispielsweise die
Gleitfläche eines Lagers außer einem möglichst geringen Reibungskoeffizienten in vielen Fällen ein gewisses
Einbettungsvermögen für Schmutz aufweisen. Unabhängig davon, ob äußerlich zugeführte Schmiermittel
in dem Lager verwendet werden oder nicht, darf keine Korrosion und Oxydation auftreten. Der
Verschleiß oder der Abrieb soll gering sein, im besonderen wenn das Lager während einer längeren Zeit
betrieben werden soll. Falls das Lager nur einmal kurzzeitig verwendet wird, beispielsweise in einer
Rakete, dann ist die Abriebgeschwindigkeit von untergeordneter Bedeutung. Auch die Umgebungstemperatur
und die Betriebsweise des Lagers, beispielsweise Dauerbetrieb oder Kurzbetrieb, haben auf die
an ein Lagerschmiermittel gestellten Anforderungen Einfluß. Ferner verlangt man, daß ein Lager unempfindlich
gegenüber Temperaturschwankungen ist, eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist und daß die thermische
Ausdehnung seiner Lauffläche derjenigen der benachbarten Teile angepaßt ist. Weitere allgemeine
Gesichtspunkte sind ein geringes Lagergewicht und -volumen sowie eine leichte Bearbeitbarkeit der
Lagerflächen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein Schmiermittel zu schaffen, das eine lange Lebensdauer
des Lagers garantiert und hinsichtlich seiner Schmier- , fähigkeit den verschiedensten Anforderungen genügt.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch die Verwendung eines Materials, bestehend aus Bleioxid
als Hauptbestandteil und aus mindestens einem anderen Oxid, mit welchem eine auf der Oberfläche
eines Lagers ausgebildete poröse Trägerschicht imprägniert wird, deren freie Oxidbildungsenergie positiver
als die von Bleioxid ist, als Schmiermittel für Lager.
Dabei ist dem Bleioxid zur Bildung des als Schmiermittel dienenden Materials eines oder mehrere Oxide
der Elemente Silicium, Aluminium, Wismut, Vanadium, Arsen, Molybdän, Wolfram, Antimon, Titan,
Zinn, Kupfer, Bor, Eisen und Chrom beigemengt. Auf diese Weise ergibt sich eine große Gruppe von
Lagerschmiermitteln, die die verschiedensten Anforderungen erfüllen. Durch die Wahl und Menge des dem
Bleioxid beigemengten Oxids bzw. der beigemengten Oxide kann man entsprechend den gestellten Forderungen
einige Schmiermitteleigenschaften herausarbeiten und andere unterdrücken.
Die poröse, von dem Oxidgemisch getränkte Träger- , schicht besteht vorzugsweise aus Kupfer oder Silber, k
Um eine lange Lebensdauer des Lagers zu gewährleisten, wird eine verhältnismäßig große Menge des
Oxidgemischs in die Trägerschicht eingebracht, so daß an den Laufflächen des Lagers stets eine ziemlich
große Schmiermittelmenge vorhanden ist.
Eine Schwierigkeit beim Einbringen des als Hauptbestandteil Bleioxid enthaltenden Oxidgemischs in
die sehr kleinen Poren der Trägerschicht besteht darin, daß dabei das Bleioxid zu Blei reduziert werden kann.
Um die Trägerschicht mit dem Oxidgemisch zu tränken, muß das Tränkmittel in einem gewissen
Maß das Material der Trägerschicht benetzen. Wenn die Trägerschicht aus Kupfer besteht, muß das Oxidgemisch
derart zusammengesetzt sein, daß. es bei den Tränktemperaturen die Oberfläche des Kupfers benetzt
und in die kleinen Poren und Zwischenräume der Trägerschicht hineinfließt. Die Imprägniertemperatur
und die anderen Bedingungen sind derart zu wählen, daß das Bleioxid nicht in beträchtlichem Maße zu
Blei reduziert wird. Hierzu muß das Oxidgemisch eine gewisse flüssige Löslichkeit im Kupfer aufweisen.
Geschmolzenes Bleioxid benetzt bei oder oberhalb einer Temperatur von .888° C Kupfer sehr gut und
dringt daher bei dieser Temperatur leicht in eine poröse Kupfermasse ein. Bleioxid hat jedoch einen
ziemlich hohen Reibungskoeffizienten, so daß es im Vergleich zu anderen Stoffen als Schmiermittel für
Lager nur begrenzte Verwendung findet. Um den Reibungskoeffizienten herabzusetzen und in zahlreichen
Fällen die Viskosität bei höheren Temperaturen zu verringern, werden die anderen genannten
Oxide dem Bleioxid zugesetzt. Um die Schmiermitteleigenschaft beträchtlich zu verbessern, müssen in
allen Fällen die anderen Oxide in einer solchen Menge dem Bleioxid beigemengt werden, daß die Mischung
eine niedrigere Schmelztemperatur als Bleioxid aufweist.
Oft hat das dem Bleioxid zugesetzte Oxidmaterial eine höhere Schmelztemperatur als Bleioxid. Die
Mischungen, die als Schmier- oder Gleitmittel verwendbar sind, haben jedoch stets eine niedrigere
Schmelztemperatur als die einzelnen Oxide. Fast alle dem Bleioxid beigemengten Oxide bilden mit ihm
ein oder mehrere Eutektika. Die verwendeten Anteile sind jedoch nicht auf die zur Bildung eines Eutektikums
notwendige Menge beschränkt. Viele Mischungen können als Keramiken bezeichnet werden. Andere
bilden Gläser, von denen einige eine feinverteilte, glasige Phase und andere eine entglaste Phase aufweisen können.
Für das Schmiermittel nach der Erfindung braucht man keinen Stützkörper, beispielsweise Stahl, Aluminium,
Kunststoff od. dgl. Falls jedoch ein" solcher verwendet wird, ist auf dem Stützkörper eine Trägerschicht
aus Kupfer oder Silber aufgelegt. Zur Bildung einer Trägerschicht mit oder ohne Stützkörper stehen
an sich bekannte Verfahren zur Verfugung. In der USA.-Patentschrift 2 902 748 ist ein Beispiel für ein
Verfahren zum Aufbringen einer Trägerschicht aus gesintertem Kupfer auf einem streifenförmigen
Material, beispielsweise aus Stahl, beschrieben. Eine wesentliche Eigenschaft der Trägerschicht besteht
darin, daß sein Oberfiächenmaterial eine freie Oxidbildungsenergie aufweisen muß, die positiver als die
des Bleioxids ist, so daß die Trägerschicht das Bleioxid nicht reduziert, wenn es in Form des Oxidgemisches
in die Trägerschicht eingebracht wird. Kupfer und Silber erfüllen dieses Erfordernis. Es können aber
auch andere Stoffe als Trägerschicht verwendet werden, wenn gewisse Vorsichtsmaßregeln befolgt werden. So
können beispielsweise gesinterte Eisen- oder Aluminiumteilchen die Trägerschicht bilden, wenn die
pulverförmigen Eisen- oder Aluminiumteilchen mit einem Material, z. B. Kupfer oder Silber überzogen
werden, so daß die mit dem Tränkmittel in Berührung stehende Trägerschicht eine freie Oxidbildungsenergie
aufweist, die positiver als die des Bleioxids ist.
Nachdem die Trägerschicht in an sich bekannter Weise ausgebildet ist, wird das Oxidgemisch in die
Zwischenräume und Poren eingebracht. Das dem Bleioxid beigemischte Oxid ist stets derart,zu wählen,
daß die Mischung einen niedrigeren Schmelzpunkt als Bleioxid aufweist, selbst wenn der Schmelzpunkt
des zusätzlichen Oxids oberhalb des Bleioxidschmelzpunktes liegt.
Das Oxidgemisch kann in die Trägerschicht durch ein Warmgußverfahren eingebracht werden oder in
Pulverform aufgebracht und anschließend erwärmt werden, bis es schmilzt und in die Poren der Trägerschicht
hineinfließt.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die Figur hingewiesen, die die Beziehung zwischen der
Prüfdauer und der Lagertemperatur eines Kupfer-Blei-Lagers und eines Lagers zeigt, in dem das
Schmiermittel der Erfindung benutzt wird.
Die Tabelle I enthält außerdem die Daten einer größeren Anzahl von Mischungen gemäß der Erfindung.
Arn kopf der Tabelle I stehen Bezugsdaten für Bleioxid zu Vergleichszwecken.
Für alle oxidischen Additive sind die dem Bleioxid hinzugefügte Menge, die eutektischen Punkte, die
Schmelztemperatur der Mischung bei den eutektischen Punkten, die Schmelzbedingungen und der
Reibungskoeffizient der verschiedenen Mischungen angegeben.
Tabelle I PbO-Grundmischungen
| Additiv | Bereich 0/ |
Eutektikum O/ |
Schmelz temperatur |
Geschmolzener Zustand | Reibungskoeffizient | (niedrigster) |
| /0 | /O | ?C | (mittlerer) | |||
| PbO | 888 | zähflüssig | 0,60 | |||
| SiO2 | 1 bis 28 | 8 | 733 | flüssig | 0,27 | 0,23 |
| 15 | 733 | zähflüssig | 0,27 | |||
| 28 | 733 | sehr zähflüssig | — | 0,45 | ||
| Al2O3 | 1 bis 4 | 4 | 865 | sehr zähflüssig | 0,68 | — |
| Bi2O3 | 1 bis 49 | 28 | 580 | flüssig | 0,38 | 0,22 |
| PbO-CrO3 | 1 bis 25 | 8 | 785 | zähflüssig | 0,31 | 0,28 |
| V2O5 | 1 bis 49 | 13 | 759 | flüssig | 0,38 | — |
| 45 | 482 | zähflüssig | 0,93 | — | ||
| As2O5 | 1 bis 49 | 5 | •804 | flüssig | 0,96 | — |
| 17 | 815 | flüssig | — | 0,14 | ||
| 33 | 787 | flüssig | 0,24 | 0,45 | ||
| PbO — MoO3 | 1 bis 33 | 18 | 787 | flüssig | 0,73 | 0,16 |
| PbO — WO3 | 1 bis 45 | 29 | 725 | flüssig | 0,22 |
Fortsetz u η ü
| Additiv , | Bereich O/ |
Eutektikum O/ |
Schmelz temperatur |
496 | Geschmolzener Zustand | Reibungskoeffizient | (niedrigster) |
| /O | % | -c | 815 | (mittlerer) | 0,17 | ||
| Sb2O3 · | 1 bis 49 | (unvolls | tändiges | 855 | flüssig | 0,23 | |
| Phasendiagramm) | 815 | 0,31 | |||||
| B2O3 | 1 bis 49 | 12 | 844 | flüssig | 0,44 | — | |
| TiO2 | 1 bis 3 | 3 | 815 | flüssig | 0,70 | — | |
| SnO2 | 1 bis 2 | 1,5 | 682 | sehr zähflüssig | — | — | |
| P2O5 | 1 bis 7,5 | 5 | flüssig | 0,39 | — | ||
| 9 | — | — | . — | ||||
| 25 bis 49 | 25 | flüssig | 0,50 | 0,18 | |||
| Cu2O | 1 bis 30 | 18 | sehr zähflüssig | 0,31 |
Tabelle I (Fortsetzung) PbO-Grundmischungen
| Zusammensetzung | SiO2 | Schmelz | Geschmolzener | Reibungskoeffizient | (niedrigster) | |
| PbO | Al2O3 | % | temperatur °C |
Zustand | 0,22 | |
| % | % | 28 | (mittlerer) | |||
| 71 | 1 | 16 | 721 | flüssig | 0,33 | |
| 83 | 1 | 13 . | 705 | flüssig | ||
| 85 | 2 | 9 | 705 | flüssig | ||
| 40 | 1 | 4 | 692 | flüssig | ||
| 91 | 5 | 6 | 771 | flüssig | ||
| 93 | 1 | 692 | feüssig | |||
| PbO | B2O3 | SiO2 | 482 532 |
flüssig flüssig |
0,30 0,33 |
0,19 |
| 85 93 |
11 5 |
4 2 |
||||
| PbO | V2O5 | TiO2 | 872 | flüssig | 0,32 | 0,17 |
| —1 89,5 |
—10 7,3 |
1—5 3,2 (kein Eutektikum) |
||||
| PbO | SiO2 | P2O5 | 755 | zähflüssig | 0,38 | 0,36 |
| I • 85 |
—30 12,5 |
1—30 2,5 (kein Eutektikum) |
||||
| PbO | SiO2 | Fe3O4 | dünnflüssig | 0,34 | 0,27 |
| 85 | 10 | 5 (kein Phasen diagramm verfügbar) |
|||
Um reproduzierbare Prüfresultate zu erhalten, sind die Proben, die die Angaben nach Tabelle I liefern,
aus gesintertem Kupfer hergestellt, ohne daß ein
Trägerelement aus Stahl od. dgl. verwendet wird. Das Kupferpulver, aus dem die Form hergestellt wird,
ist eine homogene Mischung mit einem weiten
Bereich der Partikelgröße, die bei einem Druck von 840 kg/cm2 kalt verfestigt und in Wasserstoff bei
einer Temperatur von 10000C gesintert wird. Die sich
ergebende Form weist etwa 30% Hohlräume je Raumeinheit auf.
Das Tränkmittel wird in den gewünschten Anteilen gemischt und auf seine Schmelztemperatur erwärmt,
worauf die poröse Kupferform in die geschmolzene Oxidmischung so lange eingetaucht wird, bis die
Poren der Form gefüllt sind. Alle Proben werden unmittelbar nach Verlassen des Schmelzbades mit
Wasser abgeschreckt.
Die Reibungsprüfungen werden bei Raumtemperatur und bei einer auf 40% aufrechtzuerhaltenden
Luftfeuchtigkeit ohne Schmiermittel ausgeführt, wenn man von dem Schmiermittel absieht, das von dem
Gleitflächenmaterial selbst zugeführt wird. Ein Prüfgerät gemäß Falex wird mit einem Prüfdorn aus Stahl
mit einem geringen Kohlenstoffgehalt verwendet, der mit 192 Umdrehungen/Min, umläuft und mit Gewichten
zwischen 31,5 und 256 kg belastet wird. Beim
) Prüfvorgang wird das Gewicht 5 Minuten lang auf
" einer vorgegebenen Höhe gehalten und dann vergrößert.
Wenn auch einige Mischungen auf der Basis von Bleioxid (PbO) einen Reibungskoeffizienten besitzen,
der wahrscheinlich zu hoch ist, als daß sie gewöhnlich für die Gleifiäche eines Lagers verwendet werden
können, besitzen sie doch kompensierende Eigenschaften und können ebenfalls als Reibungsmaterialien
in Kupplungsplatten u. dgl. verwendet werden. Alle Materialien weisen den Vorteil auf, der aus der Kurve
der Figur zu ersehen ist.
Wenn die Temperatur eines typischen Kupfer-Blei-Lagers über einen kritischen Punkt hinaus anwächst,
versagt das Lager (ausgezogene Linie). Ein Lager mit einer Trägerschicht gemäß der Erfindung kann zu
Anfang eine auf die Reibung zurückzuführende höhere Temperatur als das Kupfer-Blei-Lager zeigen; kurz
nachdem seine Temperatur einen vorgegebenen Punkt erreicht, fällt sie ab und wird etwa konstant mit der
Zeit beibehalten. Hier zeigt sich eine sehr wichtige
< Eigenschaft der Gruppe von Lagermaterialien gemäß
' der Erfindung.
Wegen dieser Eigenschaft kann das Material unter gewissen Bedingungen infolge der Bildung einer
Glasur oder eines oxidischen Oberflächenüberzuges auf der angreifenden rotierenden Welle ungeschmiert
laufen. Solange dieser Oberflächenfilm unversehrt bleibt und nicht durch Pressen usw. zerstört wird,
ist der Reibungskoeffizient niedriger, als wenn die Welle an einer nicht glasierten Oberfläche laufen
. würde. Daher kann man erwarten, daß das aufeinander arbeitende Material keine große Wirkung auf die
Reibung mit diesem Lagermaterial ausübt. Tatsächlich haben einige Testversuche gezeigt, daß diese glasurbildende
Eigenschaft des mit Oxiden durchdrungenen . Kupfers sogar ein einwandfreies Reiben an einem
umlaufenden Körper aus rostfreiem Stahl zuläßt. In diesem Fall ist der Reibungskoeffizient so niedrig wie
der, der an einer Stahlwelle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt beobachtet wird. Diese Beobachtung ist
äußerst bedeutsam im Hinblick darauf, daß die meisten Metalle nicht brauchbar sind, wenn sie
ungeschmiert an rostfreiem Stahl gleiten sollen; gewöhnlich fressen oder schweißen sich die Bestandteile
beträchtlich aneinander fest.
Wie man erkennen kann, besitzt die Gruppe der Mischungen auf der Basis von Bleioxid eine höhere
Temperaturstabilität als Kupfer-Blei-Materialien.
Ein weiterer Vorteil, der sich durch Prüfungen an einer Kupferform ergibt, in die eine Mischung auf
der Basis von Bleioxid und anderen Oxiden eingedrungen ist, liegt darin, daß das Gleitflächenmaterial
in einer reaktionsunfähigen Atmosphäre und in Luft ungeschmiert laufen kann. Beim Laufen
in Argon zeigt sich ein niedrigerer Reibungskoeffizient als beim Laufen in Luft. Viele Stoffe scheinen besser in
Luft als in einer reaktionsunfähigen Atmosphäre zu laufen, was vielleicht auf die Bildung eines Oxidfilms
während des Betriebs zurückzuführen ist. Eine Oxydation des Kupfers scheint jedoch seinen Reibungskoeffizienten
zu vergrößern.
Wenn auch der Reibungskoeffizient ein bedeutsamer Faktor ist, wählt man für einen vorgegebenen
Zweck mitunter ein Material mit einem höheren Reibungskoeffizienten, wenn dieses andere wünschenswerte
Eigenschaften aufweist. In vielen Fällen soll das Gleitfiächenmaterial der Korrosion widerstehen. Wenn
auch nur eine begrenzte Anzahl von Versuchen in einem normierten Bad zur Auswertung der Korrosion
aus Xylol, Laurinsäure und Nitrobenzol durchgeführt worden sind, zeigt sich doch, daß die geprüften
Oxidmischungen im Vergleich zum Bezugsmaterial aus Kupfer und Blei hervorstechen.
Tabelle II
Ergebnisse der Korrosionsauswertung
Ergebnisse der Korrosionsauswertung
| Material | Gewichts änderung g/h [Quadratzoll] |
| 40 Cu-Pb |
-0,120 -0,005 -0,005 |
| Cu — (PbO — 10% SiO2 — 5%A12O3) Cu — (PbO — 12% B2Q3V |
Mechanisch scheinen die Materialien auf der Basis von Bleioxid einen Vorteil gegenüber einer Kupferform
zu haben, die mit Blei getränkt ist. Zum Beispiel weist mit 30% bleigetränktem, gesintertem Kupfer
eine Zugfestigkeit von 910 kg/cm2 und eine Druckfestigkeit von 2870 kg/cm2 auf. Dieselbe gesinterte
Kupferform, in die ein Gemisch aus 85% PbO, 10% SiO2 und 5% Al2O3 eingedrungen ist, weist
eine Zugfestigkeit von 1190 kg/cm2 und eine Druckfestigkeit von 6020 kg/cm2 auf. Die stark vergrößerte
Druckfestigkeit ist ein großer Vorteil bei Lagern, die bei starken Belastungen schnell laufen
sollen. Ein Tränkmittel aus 85% PbO, 10% SiO2 und 5% Al2O3 in einer ungesinterten Kupferform
bringt dieselbe Zugfestigkeit und eine etwas vergrößerte Druckfestigkeit im Vergleich zum gesinterten
Kupfer mit sich, in das Blei eingedrungen ist; es zeigt sich also, daß es nicht von Bedeutung ist, eine gesinterte
Form zu verwenden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
209 638/17
Claims (2)
1. Verwendung eines Materials, mit welchem eine auf der Oberfläche eines Lagers ausgebildete
poröse Trägerschicht aus Kupfer oder Silber oder aus einem anderen mit Kupfer oder Silber überzogenen
Stoff imprägniert wird, bestehend aus
1. Bleioxid als Hauptbestandteil
und
und
2. einem oder mehreren Oxiden der Elemente Silicium, Phosphor, Aluminium, Wismut,
Vanadium, Arsen, Molybdän, Wolfram, Antimon, Titan, Zinn, Kupfer, Bor, Eisen und
Chrom
als Schmiermittel für Lager.
2. Verwendung eines Materials nach Anspruch 1, bestehend aus
1. Bleioxid als Hauptbestandteil
und
und
2. a) 1 bis 28% SiO2
oder
b) 1 bis 49% Bi2O3, V2O5, As2O5, Sb2O3
oder B2O3
oder
c) 1 bis 4% Al2O3
oder
oder
d) 1 bis 25% CrO3
oder
oder
e) 1 bis 33% MoO3
oder
oder
O 1 bis 45% WO3
oder
g) 1 bis 3% TiO2
g) 1 bis 3% TiO2
oder
h) 1 bis 2% SnO2
h) 1 bis 2% SnO2
oder
i) 1 bis 30% Cu2O
i) 1 bis 30% Cu2O
oder
k) 1 bis 7,5 oder 25 bis 49% P2O5
k) 1 bis 7,5 oder 25 bis 49% P2O5
als Schmiermittel für Lager.
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