DE1900049A1 - Selbstschmierendes Lager - Google Patents

Description

Kamen Corporation (US - prio 22.11.1968 Bloomfleld. Connecticut 59*7) V.St.A. Hamburg, den 27. Dezember I968 Selbstsohnierendes Lager

Die Erfindung bezieht βion auf ein selbstschmierend^» Lager mit zwei Lagerteilen, die einander berührende, gegeneinander bewegbar· Pläohen aufweisen, von denen eine mindestens teilweise aus einem festen Schmiermittel und die andere aus keramischem Material besteht*

Ea ist Aufgabe der Erfindung bei einen derartigen Lager die Lebensdauer tu erhöhen, einen Betriebabereioh zu schaffen, der sich insbesondere bis zu hohen Temperaturen, etwa 427° C erstreckt, und auoh in an sich ungeeigneter Umgebung aufrechterhalten wird. Ferner soll sich da« erflndungsgemaaae Lager in verschiedenen Bauforaen und Ausbildungen herstellen lassen, eine geringe Verschiebung der statischen Radiallast sowie geringen Anlaufwiderstand, Korrosionsfestigkeit und keine Einlaufseit haben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemüss dadurch gelöst, daß das keramlaohe Material eine Stärke von etwa 0,013 mm bis 0,25 um hat und auf eine metallische Unterlage aufgebracht

009829/0785

let, deren Bruchfestigkeit etwa zwischen 24,6 kg/mm und

ο
176 kg/mm liegt. Ein derartiges Lager kann hohe etßtische und dynamische Belastungen aufnehmen.

Die metallische Unterlagen besteht vorzugsweise aus Titan, einer Legierung auf Titanbasis, einer Eisenlegierung, Aluminium oder einer Legierung auf Aluminiumbasis.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Figo I zeigt in perspektivischer Darstellung ein Anschluß β tu ok mit einem Lager gesnäss der Erfindung, wobei Teile weggebroohen sind, um den Aufbau des Lagers zu zeigen.

Fig. 2 seigt einen senkrechten Schnitt durch des Ende des AneohlußetUokes gemäse Fig. 1·

Das Lager gemüse der Erfindung let «in sogenanntes Gleitlager. Es enthält zwei Lagerteile mit einander berührenden Fläohen, die nicht aufeinander abrollen, sondern gleiten. Bei dem Lager gemüse der Erfindung bestehen die beiden einander berührenden Flächen aus keramischen Material und

009829/0765

ei mim resten Schmiermittel_t dieses feots Schmiermittel kenn als Schicht auf einem &r»oere.n UntorcrundEatarial auf gebracht sein csjer aus einem Verhältnisses ig kompaktem Körper bestehen. Das Schmiermittel hat in festem Zustand Schmier- oder Gleiteigenschaft. Vorzugswulse wird die FJäche aus feutem Schmiermittel mit Hilf« eines kompakten Körpers hergestellt, die im wesentlichen aus kohlenstoffhaltigem Materiel besteht, beispielsweise! aus einem Körper aus einer verdichteten Mischung von amorphem Kohlenstoff und Graphit oder aus einer verdichteten Mischung aus amorphem Kohlenstoff und Graphit, die afc Füllstoff ein fietall oder einen anderen Stoff, beispielsweise Silber oder Antimon enthMlt. Die keramische Flüche besteht aus einer dünnen Schicht aus keramischem Material, das auf eine metallische Unterlagen aufgebracht 1st, die vorzugsweise eine verhältniemKasig hohe Bruchfestigkeit Im Vergleich zu der des keramischen Materials hat. Ferner soll sie einen hohen Korrosionswiderstand haben. Oeelgnet sind beispielsweise !legierungen auf Titanbasis, Eisenlegierungen, Aluminium oder Legierungen auf AluminiumbasIs. Die Kombination von keramischer und fester SohmlerflHohe ergibt ein trockene« Lager, das die Schmiereigenschaft des festen Schmiermittels ausnutzt und keine zusätzlichen Schmiermittel benötigt.

009829/07Θ5

Die hohe Abriebfestigkeit des keramischen Materials verringert den Verschleiß der Lagerteile und ermöglicht somit eine große Lebensdauer. Die Verwendung der dünnen keramischen Schicht auf einer metallischen Unterlage verringert zudem die Schwierigkeiten Infolge Brechens, Verspanens oder anderer Zerstörung dee keramischen Materials» dessen Bruchfestigkeit verhKltnlemfiaslg gering ist. Die hooh bruchfeste metallische Unterlage nimmt nämlich den grüßten Teil der Kräfte auf. Ea können eoalt die hohe Bruchfestigkeit der Unterlage und die große Abriebfestigkeit des keramleohen Materials gemeinsam ausgenutzt werden, um ein Lager herzustellen, das eine hohe Lebensdauer hat und große Lasten aufnehmen kann.

Um dies zu erreichen muß, wie «loh gezeigt hat, die keramische Schicht ausreichend dünn sein, damit sie «loh bei Verformung der Unterlag· Infolg· Belastung ebenfalle etwas verformt, ohne zu brechen, wodurch dl· Oberflächenbelastungen auf die Unterlage Übertragen werden, die sich sonst in der keramischen Schicht aufbauen wurden. Ferner muß die Bruchfestigkeit der Unterlage Innerhalb eines bestimmten Bereiches liegen. Ist sie zu niedrig, so bildet die Unterlage keine ausreichende Abstützung für die Sohioht, und die Unterlage verformt sich zu stark, was ein Brechen der Sohioht zur Folge hat. Ist andererseits

009829/0785

die Bruchfestigkeit der Unterlage zu hoch» so entsteht keine richtige Dämpfungowlrkung, die OberflHchenbelaatungen werden nicht auf die Unterlage Übertragen und die Schicht bricht oder wird infolge der Belastungen zerstört. Ea hat sich gezeigt, daß die Bruchfestigkeit der Unterlage vorzugsweise zwischen 24,6 kg/mm (35.000 psi) und 176 kg/mm (25O.OOO pel) liegen soll, um eine optimale Anpassung der Bruohneigung der Schicht infolge Deformation und JLr-folge der Oberfläohqnbelastungen zu erhalten. Ferner soll die Schicht eine Stärke zwischen 0,01]) on (O.OOO5 inch) und 0,25 mm (0.010 inch) haben. Vorzugsweise liegt die Schicht» stärke zwisohen 0,1J mn und 0,025 on.

Es hat sich ferner gezeigt, daß Titan und eine Legierung auf Titanbasis besonderes geeignet für die Unterlage 1st, da diese eine besonders gute Verbindung mit der keramischen Schioht ermöglichen. Ferner ist dl···· Unterlagenaterlal chemisch unempfindlicher als die meisten anderen Materialien, die benutzt werden könnten. Dadurch wird die Korrosion in ungeeigneter Umgebung vermieden oder zumindest verringert, was bei anderen Materialien nicht der Pail wäre. Ferner ist dieses Unterlagematerial leichter als andere Materialien und ermöglicht somit eine Gewichtsverringerung. Außerdem hält es seine Festigkeit auch bei hohen Temperaturen, beispiels-

009829/0785

weiee bis zu etwa 427° C (800° P) und ermöglichst somit die Herstellung von Lagern für den Betrieb in derartigen Temperaturbereichen. Aber vielleicht am wichtigstem 1st, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient etwa gleich dem der verschiedenen Schlchtmaterialien 1st, die für die keramische Schicht verwendet werden können, so daß nur geringe oder gar keine Schicht Infolge unterschiedlicher Ausdehnung von Unterlage und Schicht bsi größeren Tempera» buränderungen entstehen.

Als keramisches Material »ure Aufbringen auf dia Unterlage können verschiedenste Stoffe verwendet werden. Bs hat sich jedoch gezeigt» daß Schichten, die überwiegend «us einer von fünf spesiallen Orundkomponenten bestehen« besonders gute Resultate liefern« inebesonder« wenn sie zusammen mit einer Unterlage aus Titan oder einer Legierung auf Titan» basis verwendet werden. Diese fünf Qrundkoaiponenten für die keramisohe Schicht sind Chromoaxyd (Cr₂O*), Titandloxyd (TiO₂), AlunlnluDoxyd (Al₂O,), Tltanoarbld (TiC) und Wolframcarbid (WC)· Jede dieser Komponenten kann entweder praktisch allein oder zusaanen Bit weiteren Zusätzen verwendet werden, um die gewünschte Schioht herzustellen oder um das Aufbringen einer derartigen Sohloht auf die Unterlage zu erleichtern. Es können beispielsweise folgende

009829/0705

Mischungen verwendet werden: 8O# ^Cr2°3 ⁺ TiC + 5-2CJi Ni, 5OJ6 WC + 35g NiCr + 15# NiAl, WC ·*· 9% Co (alle Frozentangaben sind Gewichtsprozente). Das NlCr besteht aus 8Oj6 Ni and 2OJ6 Cr<> Obwohl die angegebenen Materialien in allen möglichen Kombinationen verwendet werden können, hat sich bisher gezeigt, daß eine Kombination zu bevorzugen ist, bei der die infrage lcotnmende Flüche des ersten Lagerteile mit Hilfe eines Körpers aus verdichteten amorphen Kohlenstoff und Graphit' mit Silber als Füllstoff hergestellt ist, während die Fläche des zweiten Lagerteile aus einer keramischen Schicht aus Ib wesentlichen reinem Chromooxyd besteht, das auf eine Unterlage aus elnur Titanlegierung aufgebracht ist, die außer Titan 50ew.£ Aluminium und 2,5Qew.£ von Ti-5M-2.5Sn enthält. Freitisch d.'.e gleiohen Ergebnisse erhält nan, wenn nan die Legierung auf Titanbasis durch eine Legierung ersetzt, die außer Titan 6 Oew.Jf Alueiniua und 4 Oew.Jt von T1-6A1-W enthält.

Die Figuren zeigen als AusfUhrungsbelspiel ein Kugelgleitleger, das in einem AnschluöatUck untergebracht ist. Dieses AnschluQstUok 10 hat eine Bohrung 12, In der das Luger befestigt ist. Die einander berührenden und gegeneinander verschiebbaren Flächen des Lagers bestehen aus einem inneren Kugelteil Ik und einem äußeren Lagerteil aus zwei getrennten

009829/0785

ringförmigen Körpern 16. Das Innere Tell 14 let zusammengesetzt aus einer metallischen Unterlage 18 und einer keramischen Schicht 20. Die Unterlage 18 1st ähnlich geformt wie die Kugeltelle von UbIlohen Kugelgleltlagem. Sie ist ringförmig und hat eine kugeischiohtfönnlge Außenfläche 22, auf der el oh die keramische Sohloht 20 befindet. Wie bereits erwähnt, hat die Sohloht 20 ein· Stärke von weniger als 0,25 m. Sie hat eine Außenfläche 23, die entsprechend der kugelsohlohtföralgen Fläche 22 der Unterlage geformt 1st und die duroh Läppen oder andere Bearbeitung eine hohe Oberflächengüte erhalten hat. Die Ober· fläohengUte beträgt mindestens 5 RMS, obwohl auoh ein· Oberflächengüte oberhalb von 5 RNS benutzt werden kann. Duroh die Unterlage 18 1st eine Bohrung 26 geführt, an deren Enden die Unterlage jeweils eine senkrecht zur Aohse der Bohrung gerlohtet· Endfläche 24 aufweist. Diese Endflächen bilden eine ringförmige Kante an jede« End· der Bohrung. Zm Betrieb wird der untere «in Gewinde aufweisende Teil des Anschluß«tüolces 10 mit einem Maschinenteil versohraubt, während ein anderer Maschinenteil mit dem inneren Lagerteil 14 über ein Verbindungsstück verbunden wird, das in die Bohrung geführt wird. Die Endflächen 24 tragen keine keramische Sohloht 20 und bilden Anlagefläohen für Unterlegscheiben oder andere Kaltevor-

009829/0785

richtungen, dl· fest angezogen werden können, um ein anderes Teil mit dem Lager zu verbinden. Bs sei bemerkt, daß die Haltekräfte, die zwischen den Endflächen 24 aufgebrecht werden, nur auf die metallische Unterlage 18 wirken und nloht oder nur bis zu einem vernaohlKssigbaren Qrad auf die keramische Schicht 20 Übertragen werden. Dadurch wird eine Beschädigung des keramischen Materials durch die von den Haltevorrichtungen auf das innere Lagerteil wirkenden Kräfte vermieden.

Das die beiden ringförmigen Körper 16 aufweisende äuflere Lagerteil enthält eine innere kugelBchichtförmige Pläohe 28, die die Außenfläche 23 der keramischen Sohicht des inneren Lagerteils 14 berührt. Die beiden ringförmigen Körper 16 bestehen mindestens teilweise aus kohle&rtig»ro Material und enthalten, wie bereite erwähnt, vorzugsweise eine Misohung aus verdichtetem amorphe» Kohlenstoff und Graphit, die, falls erwünscht, als Füllstoff Silber, Antimon oder einen anderen Zusatz enthalten kann. Die beiden ringförmigen Körper 16 werden von einem Käfig 30 gehalten, der zwei radial naoh innen gerichtete Wände yz aufweist, die an gegenüberliegenden Flächen der ringförmigen Körper anliegen. Weitere Wände 34 sind radial naoh außen gegen die geneigten ringförmigen Sitzflächen des Anschluß-

009829/0785

Stückes 10 abgeschrägt, um den Käfig im Anechlußetüclc zu halten. Über die einander berührenden kugelechlohtfurniigen Flächen 23 und 28 kann sich das innere Lagerteil 14 weitest gehend frei gegenüber den ringförmigen Teilen 16 bewegen. Bei dieser Lagerart können daher keine hohen Biege* oder Schubkräfte auf das innere Lagertall 3.4 (beispielsweise infolge fehlenden Fluchten«) wirken und daher 1st die keramische Schicht gans besondere gut für derartige Lagerarten geeignet, denn es werden Verformungen der Schicht Infolge hoher Biege- oder Schubkraft* vermieden.

Das dargestellte Lager 1st jedoch xur Aufnahf&e vor verhältnlsiaässlg großen Radialkräften geelgntt, die während der Bewegung des inneren Lagerteile gegenüber deai Äußeren Lagerteil Zug- und Druckspannungen auf verschiedene Bereiche des Inneren Lagerteile 14 ausüben, Ds da« innere Lagerteil 14 fast vollständig sue einen hochfeaten Metall besteht und nur ein« dünne Keraeiksohioht aufweist, kann das Netall die Belastungen aufneheen, ohne das unzulässig höh· Kräfte auf die Keraeiksohioht wirken« die dadurch gegen Zerstörung infolge dieser Kräfte geschützt ist. Außerdee 1st die Stärke der Keriuttiksohlcht derart gewählt, daß sie sich bei Verformung der Unterlage ;nlt verformt» wodurch die Spannungen auf die Unterlage übertragen werden, die sich sonst in der Keramik-

009829/0785

«chioht aufbauen würden. Wie bereits erwähnt, liegt die StKrIc· der Schicht etwa in Bereich zwischen 0,01? nm und 0,25 Β», wobei eine Stärke von 0,1 na bevorzugt wird, Das für die Unterlage verwendete Material hat eine Bruchfestigkeit von 24,6 kg/mm² bis 176 kg/n»².

Das innere Lagerteil 14 gemüse den dargestellten Auaführungsbeispiel wurde auf folgende Weise hergestellt: ein kugelförmiges Metallteil wurde durch Sspanabhebende Bearbeitung aua einer Stange aus einer Titanlegierung (Ti-5A1-2,5Sn) hergestellt, wobei der Durchmesser etwa 0,15 mn bis 0,25 am unter dem endgültigen Kugeldurahnesser lag und die Oberflächengüte etwa 125 RK3 betrug. Die Bohrung und die beiden ebenen Endflächen wurden ebenfalls durch ~ äaabhebende Bearbeitung hergestellt. Die verwendete Hateria!stange war vorher durch Olühen auf eine Härte zwischen 30 Ra und 40 Ra gebracht worden· Die Bruchfestigkeit betrug etwa 84,4 kg/ma . Dann wurden auf die Endflächen Nasken aufge· bracht und die Oberfläche der Kugel wurde durch Dampf-Strahlen aufgerauht, um eine bessere Haftung für die keramische Schicht zu erreichen. Die kugelsohiohtfOrmige Pläohe wurde dann bis su einer Stärke von 0,15 nm bis 0,25

009829/0785

nit Chroooxyd (Cr₂O-) beschichtet. Das Aufbringen der Schicht erfolgte mit Hilfe einer PlasmaeprUheinriohtung. Nach dem Beechiohten wurde die kugelechiohtfurmlge Fläche einer Oberflächenbearbeitung unterzogen und der Durchmesser duroh einen Läppvorgang eingestellt, so da0 die Stärke der fertigen Schicht zwischen 0,06 mn und O,lj5 am lag.

PUr das Aufrauhen der KugelsohlohtflKoh· kann auch «In anderes bekanntes Verfahren als das Danpfetrahlen benutzt werden.

su:eoh.

009829/078 5

Claims (1)

1. Kamen Corporation (US ~ prio 22.11.1968

   Bloomfleld. Connecticut 59^7)

   V.St.A. Hamburg, den 27. Dezember I968

   Patentansprüche

   Selbetaohmierendee Lager mit zwei Lagerteilen, die einander berührende, gegeneinander bewegbare Plächen aufweisen, von denen eine mindestens teilweise aus einem festen Schmiermittel und die andere aus keramischem Material besteht, daduroh gekennzeichnet, daß das keramische Material (20) eine Stärke von etwa O,013 mn bis 0,23 mm hat und auf eine metallische Unterlage (18) aufgebracht ist, deren Bruchfestigkeit etwa zwischen 24,6 kg/mm² und 176 kg/mm² liegt.

   2. Lager nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, daß die metallisch· Unterlage (18) aus Titan, einer Legierung auf Tltanbasis, einer Eisenlegierung» Aluminium oder einer Legierung auf Alumlnlumbasle besteht.

   3. Lager naoh Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Material (20) aus Alueiniumoxyd, Chromoxyd, Titandioxyd, Titanoarbld, Wolframcarbid oder Mischungen aus diesen besteht.

   009829/0785

   k. Lager nach einem dor Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das fest« Schmiermittel (16) kohle artiges Material, enthält,

   5ο Lager nach Anspruch H, daduroh gekennseichnet, daß das feste Schmiermittel (16) eina Mischimg aus aaorpbesa Kohlenetoff und Graphit enthalt*

   6ο Lager nach Anspruch 5, dadurch gekernte icJme S, in der Mischung aus amorphem Kohlenstoff und Graphit Metall als Füllmittel vorhanden 1st»

   Τ» Lager nach Anspruch 6, dadurch gekennzsißhnat·, daß das Metall Silber oder Antimon ist,

   8, Lager naoh einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet* daß das im ersten Lagerteil angeordnete feste Schmiermittel die Form eines oder mehrerar Ringe (16) mit nach innen gewölbter kugelschichtförmiger Fläche (28) hat und daß die im zweiten Lagerteil (14 angeordnete metallische Unterlage (18) ringförmig ist und eine naoh außen gewölbte Jcugelschichtförmige Fläche (22) aufweist, auf die das keramische Material (20) aufgebracht ist.

   009829/0785

   9» Lager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet_f daß die ringförmig· Metallische Unterlage (18) zwei einander gegenüberliegende Endflächen (24) aufweist, die frei von keramischem Material sind.

   10.Lager »ach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch die ringförmige metallische Unterlage (18) eine Bohrung (12) geführt 1st.

   11.Lager nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet» daß die Endflächen (24) senkrecht zur Achse der Bohrung (12) verlaufen,

   12.Lager nach «ine» der Ansprüche 1 bis al, dadurch gekennseiahntt, daß die keramische Schicht (20) überwiegend aus ChroBoxyd besteht»

   IJ.Lager nach einen der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Schicht (20) Überwiegend aus Aluminlumoxyd besteht,

   14.Lager nach einen der Ansprüche 1 bis 11» dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Schicht (20) überwiegend aus Titanoxyd besteht«.

   009829/0785

   15oLager naoh einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daS die keramische Schicht (20) über«' wiegend aus Wolframcarbid besteht«

   16»Lager naoh einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Schicht (20) Überwiegend aus Titanoarbid besteht.

   auιaeh.

   009829/0785