DE1525077B2

DE1525077B2 - Selbstschmierende gleitlageranordnung

Info

Publication number: DE1525077B2
Application number: DE1965E0029863
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Ebauches SA
Current assignee: Ebauches SA
Priority date: 1964-08-17
Filing date: 1965-08-09
Publication date: 1976-10-14
Also published as: CH431395A; GB1106794A; US3376082A; DE1525077C3; CH1073464A4; DE1525077A1

Description

Die Erfindung betrifft eine selbstschmierende Gleitlageranordnung, bei welcher die Gleitschicht des einen Teils aus Teilchen eines duktilen Metalls, wie Zinn oder Kupfer, oder einer entsprechenden Metallegierung, eines Bindemittels, wie Polyurethan- oder Epoxidharz, und regellos orientierten Teilchen einer selbstschmierenden Substanz mit Lamellarstruktur, wie Graphit oder Molybdändisulfid, besteht.

Es sind bereits selbstschmierende Gleitlageranordnungen bekanntgeworden, bei welchen die in trockenem Zustand selbstschmierende Substanz eine hohe Beständigkeit gegen mechanischen Verschleiß, gegen chemische Korrosion und gegen Zersetzung durch Feuchtigkeit besitzen muß und überdies unter dem Einfluß außerordentlich unterschiedlicher Temperaturen zwischen etwa —20 und +120⁰C keinerlei Veränderung erfahren darf.

Aus der US-PS 29 92 137, der DT-AS 10 40 324 und der OE-PS 1 91 680 sind bereits Lageranordnungen bekanntgeworden, bei welchen auf einer Lagerschale ein dünner Gleitbelag aufgetragen ist, welcher aus Pulver geeigneter Lagermetalle besteht, deren Pulverteilchen mittels Kunststoff gebunden sind, wobei zur Verbesserung der Gleiteigenschaften in geringen Mengen Graphit oder Molybdändisulfid dem Metallpulver beigemischt sein kann. Bei derart ausgebildeten Lagern, die keine selbstschmierende Eigenschaft haben, bestimmt die Metallpulverkomponente der Gleitschicht den Gebrauchswert dieser Lager. Da bei derartigen Lagern auf eine Flüssigkeitsschmierung nicht verzichtbar ist, haben sie eine andere Aufgabe und ein anderes Aufgabengebiet als die vorliegend in Betracht kommenden Lageranordnungen.

Weiterhin ist es bekannt. Festschmierstoffe, wie Graphit und Molybdändisulfid, für die Trockenschmierung von Lagern anzuwenden. Hierzu wird eines der beiden Lagerteile z. B. mit einem Molybd^ndisulfidfilm überzogen. Derartige Lager sind nur sehr begrenzt als ίο selbstschmierende Lager einsetzbar. In der Regel haben diese Molybdändisulfid-Überzüge die Aufgabe, bei Ausfall der Flüssigkeitsschmierung dem Lager gewisse begrenzte Notlaufeigenschaften zu verleihen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine diesen Bedingungen in jeder Hinsicht gerecht werdende selbstschmierende Lageranordnung zu schaffen, die im Hinblick auf den auftretenden Verschleiß eine außerordentlich lange Lebensdauer gewährleistet und weiterhin gegenüber selbst extremen klimatischen und atmosphärischen Verhältnissen praktisch unempfindlich ist Zu diesem Zwecke ist die selbstschmierende Substanz mit Lamellarstruktur in geeigneter Weise zwischen den Gleitebenen oder Reibungsflächen der Lageranordnung anzuordnen, so daß die zwangsläufig regellos angeordneten kristallinen Lamellen im Schmierbereich zu den miteinander in Berührung stehenden Flächen hin orientiert und fixiert werden, um dadurch einerseits ihre Gleiteigenschaften und ihre Schmierergiebigkeit voll wirksam werden zu lassen und andererseits eine gleichmäßige und zusammenhängende homogene Schmierschicht zu gewährleisten.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, die Lageranordnung der in Betracht kommenden Art in der Weise auszubilden, daß die Gleitschicht dieses einen Teils der Anordnung derart aufgebaut ist, daß Körnchen oder Kügelchen aus Teilchen des Metalls, vermischt mit Teilchen der selbstschmierenden Substanz mit Lamellarstruktur, in eine Mischung aus Teilchen des Bindemittels und Teilchen der selbstschmierendtn Substanz eingebettet sind, und daß die Gleitschicht des anderen Teils in der gleichen Weise aufgebaut ist oder lediglich aus einer sehr dünnen Schicht aus der Substanz mit Lamellarstruktur besteht.

Es konnte festgestellt werden, daß bestimmte Verbindungen von Metallen mit Elementen der VI. Hauptgruppe, z. B. Metallsulfide, -selenide, -telluride, und Halogenide von Metallen mit aufeinanderfolgenden Schichten aus dünnen ebenen Gittern in besonders vorteilhafter Weise als selbstschmierende Substanzen mit Lamellarstruktur einsetzbar sind.

Die zum Bilden der Sulfide, Selenide, Telluride oder Halogenide besonders geeigneten Metalle sind insbesondere Kobalt Kupfer, Zink, Molybdän, Silber,

SS Cadmium, Indium, Zinn, Antimon, Wolfram und Uran. Diese Metalle sind lediglich als Beispiele angeführt, ohne dadurch eine Beschränkung zum Ausdruck bringen zu wollen. Als selbstschmierende Substanz könnten auch Graphit oder Nitride, beispielsweise Bornitrid, verwendet werden.

Die gemäß der Erfindung ausgebildete Lageranordnung ist nachstehend anhand eines in den F i g. 1 bis 3 dargestellten, besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels, bei welchem als Substanz mit Lamellarstruktur

6s Molybdändisulfid Anwendung findet näher erläutert Es zeigen:

F i g. 1 einen Schnitt durch zwei miteinander in Berührung stehende zusammengesetzte Schichten aus

reibungsarmer Substanz, in schematischer Darstellung,

F i g. 2 einen Schnitt durch ein Wellenlager mit der in ihm gelagerten Welle,

Fig.3 einen Schnitt durch die obere Schicht des Lagermaterials einer Lageranordnung, der die Struktur unter Einwirkung der Reibung veranschaulicht

Die Struktur von Molybdändisulfid besteht aus aufeinanderfolgenden Schichten aus Molybdänatomen 1 und Schwefelatomen 2 (Fig. 1). Die Molybdändisulfid-Kristalle lassen sich leicht an den Schnittebenen 3 spalten, die in dem Gitter der vorher mittels Sekundärbindungen untereinander festgelegten Schwefelatome verlaufen. Diese Schnitt- oder Spaltungsebenen sind Flächen mit geringer Energie, also mit niedrigem Reibungskoeffizienten.

Die Reibungsfläche 4 in F i g. 1 befindet sich genau in der einen oder anderen der Schnitt- oder Spaltungsebenen 3. Es scheint also, daß eine Reibungsfläche mit sehr niedrigem Reibungskoeffizienten auf diesen nach der Ebene dieser Fläche genau orientierten Molybdändisulfid-Kristalliten aufliegen muß.

Um ein seibstschmierendes Lager zu erhalten, muß die Substanz mit Lamellarstruktur, beispielsweise Metallsulfid, -selenid, -tellurid oder -halogenid, d. h. im dargestellten Beispiel Molybdändisulfid, mit einem geeigneten Metall agglomeriert werden.

Um eine gute Haftkraft zu dieser Agglomeration zu gewährleisten, muß ein duktiles Metall mit einer bestimmten Affinität gegenüber der verwendeten Lamellarsubstanz verwendet werden, das gegenüber chemischer Korrosion eine gute Beständigkeit aufweist

In dem so gebildeten Körper sind die kristallinen Lamellen zwangsläufig regellos angeordnet so daß nur die nach der Ebene der Reibungsfläche orientierten Kristallite ihre Aufgabe als Schmiermittel erfüllen.

Als geeignetes duktiles Agglomerations- und Einbettungsmetall für die Lamellarsubstanz lassen sich Zinn, Cadmium, Indium, Blei, Kupfer, Silber, Zink und Gold verwenden. Legiert man diese Metalle mit anderen Metallen, so ist es möglich, die mechanischen Eigenschäften dieser Metalle in gewünschter Weise einzustellen und ihre Korrosionsbeständigkeit zu beeinflussen.

Im dargestellten Beispiel ist das Agglomerationsmetall Cadmium. Das Agglomerat Cadmium/Molybdändisulfid besteht aus Kügelchen 6 (F i g. 3), in weichen die Molybdändisulfid-Kristallite nach allen Richtungen orientiert sind. Jedoch erfährt die Oberfläche dieses Agglomerate unter Einwirkung der Reibung durch Berührung mit der anderen Reibungsfläche eine geringfügige Verformung. Das Einlaufen, d. h. das feine Abschleifen, bewirkt die Mikroschmelze (Mikrofusion) der Unebenheiten des Einbettungsmetalls. Diese Verformung in der Gleitfläche orientiert alle sich in der Berührungszone befindenden Molybdändisulfid-Kristallite genau nach der Gleitebene. Die Gleitebene bildet sich zwischen den Schnitt- oder Spaltungsebenen des Molybdändisulfids, wobei das Einbettungsmetall lediglich als Träger dient Bei Beginn der Abnutzungserscheinung werden neue Molybdändisulfidkristallebenen freigelegt, so daß auf diese Weise eine bestimmte Reserve an reibungsarmer Substanz sichergestellt ist Die kristallinen Kanten des Molybdändisulfids sind Zonen hoher Energie und werden durch Fremdelemente besetzt, die die Gleitfähigkeit beeinträchtigen. Durch Verwendung von sehr reinem Molybdändisulfid mit ziemlich großen Kristalliten erhält man eine Gleitfläche, die in der Kontinuität der Schwefelatomgitter ein Mindestmaß an Fehlern aufweist

Das verwendete Cadmium sowie auch die vorstehend erörterten übrigen Agglomerationsmetalle weisen eine geringe mechanische Festigkeit auf. Durch Hinzufügung einer anderen Substanz ist die Herstellung eines höheren Drücken standhaltenden mechanischen Trägers möglich. Das Agglomerat — im vorliegenden Beispiel Cadmium/Molybdändisulfid — wird, wie bereits vorstehend erörtert, in kleine Körnchen oder Kügelchen 6 zerteilt (Fig.3) und dann mittels eines Kunststoffes oder eines gegenüber dem Agglomerationsmetall eine starke Haftkraft aufweisenden organischen Bindemittels gebunden.

Somit ist die Gleitfläche durch das Bindemittel unterteilt, was, sofern dieses einen hohen Reibungskoeffizienten aufweist, den Koeffizienten des Komplexes heben würde. Um diesem Nachteil zu begegnen, wird das Bindemittel selbst in homogener Mischung mit einer Substanz mit Lamellarstruktur, beispielsweise mit Molybdändisulfid, vermischt Kunststoffe auf Polyurethan- und Epoxidharz-Basis sind für diesen Zweck besonders geeignet, ohne ihre Haftkraft gegenüber dem Primäragglomerat zu verlieren.

Das Agglomerat Kunststoff/Substanz mit Lamellarstruktur 7 verbindet die Cadmium/Molybdändisulfid-Kügelchen 6, wie dies in F i g. 3 dargestellt ist.

In erhärtetem Zustand darf der verwendete Kunststoff unter Einwirkung der Reibung nur eine geringfügige plastische Verformung erfahren. Um zu ermöglichen, daß trotzdem eine einwandfreie Orientierung der sich in der Berührungszone befindenden Molybdändisulfid-Kristallite erfolgt, ist die Verwendung einer viel feineren Güte als die bei dem ersten Agglomerat aus duktilem Metall und Substanz mit Lamellarstruktur verwendete angezeigt. Die kristallinen Fehler in der Gleitfläche sind hierbei natürlich zahlreicher. Das Verhältnis zwischen Kunststoff und Molybdändisulfid in diesem Komplex muß so eingestellt werden, daß sich eine solche Gleitflächenbeschaffenheit ergibt, die ein Höchstmaß an aus dem Agglomerat mit Cadmium stammenden Oberflächenelementen aus Molybdändisulfid mit großen Kristalliten gewährleistet.

Bei den selbstschmierenden Lageranordnungen nach der Erfindung, die beispielsweise aus einer Welle 8 und einem Lager 9 bestehen (F i g. 2), wird eines der beiden Teile, beispielsweise das Lager 9, mit einer Schicht 10 aus der vorstehend beschriebenen Substanz ausgekleidet, während der andere Teil, die Welle 8, nur mit einer sehr dünnen Schicht 11 aus der Substanz mit Lamellarstruktur, im vorliegenden Falle aus Molybdändisulfid, versehen wird.

Wenn diese Molybdändisulfidschicht auf der Welle 8 fehlen würde, wurden gleich bei Beginn des Einlaufens aus der Oberfläche der Lagermaterialschicht 10 Molybdändisulfid-Kristalle herausgerissen werden, die sich dann auf der Oberfläche des nicht behandelten Teils festsetzen würden. Wenn dieses Teil aus poliertem Stahl besteht, würde, da die Haftkraft zwischen dem polierten Stahl und dem Molybdändisulfid mittelmäßig ist, ziemlich rasch eine von Korrosionserscheinungen begleitete erhebliche Abnutzung auftreten. Das sich dann bildende Eisenoxid würde als die Lagerfläche rasch zerstörendes Schleif- oder Abriebmittel wirken, wobei die Abnutzung mit einer beschleunigten Geschwindigkeit fortschreiten würde. Man muß also der Herrichtung des zweiten Teils der Lageranordnung, sofern er aus Stahl ist, besondere Beachtung schenken.

Zum Erzielen einer einwandfreien Haftwirkung zwischen dem Stahl und dem Molybdändisulfid muß

eine geeignete Zwischenschicht 12 vorgesehen werden. Diese Schicht muß einerseits gegenüber Stahl eine einwandfreie Haftwirkung aufweisen und andererseits das Molybdändisulfid sehr stark binden. Gleichzeitig muß sie eine wirksame Schutzschicht gegen die Korrosion des Eisens bilden.

Zum einwandfreien Binden des Molybdändisulfids führen bestimmte gegenüber Schwefel eine chemische Affinität besitzende Metalle zu ausgezeichneten Ergebnissen. Dies ist beispielsweise der Fall bei Nickel, Kobalt, Kupfer, Zink, Molybdän, Silber, Gold, Cadmium, Indium, Zinnn, Antimon, Wolfram oder Uran. Diese Metalle lassen sich auf Stahl z. B. mittels eines elektrolytischen Verfahrens oder mittels Aufdampfung im Vakuum aufbringen. Auch kann man eine Legierung aus mindestens einem der vorerwähnten Metalle mit einem anderen Metall verwenden. Das so hergerichtete Teil erhält als Abschluß einen Molybdändisulfidüberzug in Form einer gleichmäßigen Schicht, die durch Reibung mit pulverförmigem Molybdändisulfid oder mittels Aufdampfung im Vakuum erzielt wird. Die Orientierung der Molybdändisulfid-Kristallite wird somit durch den Flächenzustand des Grundmetalls erzielt.

Die Oberfläche dieser Metalle kann gegebenenfalls mit Hilfe einer Umwandlung entsprechend dem unter der Bezeichnung »sulfinuze« bekannten Verfahren unmittelbar in Sulfide, Selenide oder Telluride oder in Halogenide umgewandelt werden.

Man kann also ein Metall wählen, auf dem Schwefel, Selen, Tellur oder ein Halogen befestigt ist, das aber

ίο anders ist als das Metall der anderen Gleitfläche mit der gleichen Funktion einer selbstschmierenden Substanz mit Lamellarstruktur.

Unter diesen heterogenen Kombinationen befinden sich Komplexe, die mit einer ausgezeichneten Stabilität verbundene sehr niedrige Reibungskoeffizienten aufweisen. Eine Gleitebene zwischen zwei verschiedenen Elementen der Schwefelgruppe (Schwefel, Selen, Tellur), beispielsweise MeS₂-MeSe2, MeS2-MeTe2 usw., besitzt einen schlechten Reibungskoeffizienten, der sich aus der chemischen Affinität zwischen diesen Elementen erklärt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Selbstschmierende Gleitlageranordnung, bei welcher die Gleitschicht des einen Teils aus Teilchen eines duktilen Metalls, wie Zinn oder Kupfer, oder einer entsprechenden Metallegierung, eines Bindemittels, wie Polyurethan- oder Epoxidharz, und regellos orientierten Teilchen einer selbstschmierenden Substanz mit Lamellarstruktur, wie Graphit oder Molybdändisulfid, besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht dieses einen Teils der Anordnung derart aufgebaut ist, daß Körnchen oder Kügelchen aus Teilchen des Metalls, vermischt mit Teilchen der selbstschmierenden Substanz mit Lamellarstruktur, in eine Mischung aus Teilchen des Bindemittels und Teilchen der selbstschmierenden Substanz eingebettet sind, und daß die Gleitschicht des anderen Teils in der gleichen Weise aufgebaut ist oder lediglich aus einer sehr dünnen Schicht aus der Substanz mit Lamellarstruktur besteht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Indium als duktiles Metall.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Wahl einer sehr dünnen Schicht einer Substanz mit Lamellarstruktur als Gleitschicht des anderen Teils der Anordnung zwischen dem Metall des anderen Teils und seiner

"Gleitschicht eine metallische Zwischenschicht aus Nickel, Kobalt, Kupfer, Zink, Silber, Molybdän, Gold, Cadmium, Indium, Zinn, Antimon, Wolfram oder Uran bzw. aus einer Legierung mindestens eines dieser Metalle mit einem anderen Metall vorgesehen ist