DE1900049A1 - Selbstschmierendes Lager - Google Patents
Selbstschmierendes LagerInfo
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Description
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
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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.
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
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ei mim resten Schmiermittelt 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.
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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
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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-
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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
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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
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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-
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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-
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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-
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«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
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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.
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Claims (1)
- Kamen Corporation (US ~ prio 22.11.1968Bloomfleld. Connecticut 59^7)V.St.A. Hamburg, den 27. Dezember I968PatentansprücheSelbetaohmierendee 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.009829/0785k. 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.009829/07859» Lager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnetf 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«.009829/078515oLager 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
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