DE1900049B2 - Selbstschmierendes Lager - Google Patents
Selbstschmierendes LagerInfo
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Description
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Die Erfindung betrifft ein selbstschmierendes Lager mit zwei Lagerteilen, welche einander flächenförmig
berührende Gleitflächen aufweisen, wobei das Gleitmaterial des ersten Lagerieils ein festes, eine Mischung aus
amorphem Kohlenstoff und Graphit enthaltendes Schmiermittel und das des zweiten Lagerteils ein
keramisches Material wie Aluminiumoxid ist.
Aus der US-PS 24 82 205 ist ein selbstschmierendes Lager bekannt, bei welchem ein Lagerteil aus
Kohlenstoff und das andere Lagerteil aus einem Korund-, Spinell- oder Saphiereinkristall besteht. Die
US-PS 27 52 210 beschreibt ein Lager, bei welchem eine Gleitfläche aus einem verhältnismäßig weichen Nicht-Eisenmetall
und die andere aus einem Metallkarbid *o besteht, wobei letzteres gegebenenfalls in Form einer
Schicht auf einen Grundkörper aus einem festen Material wie Stahl aufgebracht ist. Dieses Lager ist
allerdings nicht selbstschmierend.
Es ist demgegenüber die Aufgabe der Erfindung, bei *5
einem derartigen Lager die Lebensdauer zu erhöhen, einen Betriebsbereich zu schaffen, der sich insbesondere
bis zu hohen Temperaturen von etwa 4270C erstreckt, und auch in an sich ungeeigneter Umgebung aufrechterhalten
wird. Ferner soll sich das erfindungsgemäße Lager in verschiedenen Bauformen und Ausbildungen
herstellen lassen, eine geringe Verschiebung der statischen Radiallast sowie geringen Anlaufwiderstand,
gute Korrosionsfestigkeit und keine Einlaufzeit haben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Lager der eingangs angegebenen Art dsis
zweite Lagerteil aus einem Grundkörper aus Titan oder einer Titanlegierung mit einer Bruchfestigkeit zwischen
24,6 und 176 kg/mm2 besteht, welcher eine etwa 0,013 bis 0,25 mm dicke Gleitschicht aus Aluminiumoxid,
Chromoxid, Titandioxid, Titancarbid, Wolframcarbid oder deren Mischungen aufweist, wobei im Gleitmaterial
des ersten Lagerteils gegebenenfalls zusätzlich ein Metall als Füllmittel vorhanden ist.
Das Lager gemäß der Erfindung ist ein sogenanntes Gleitlager, dessen einander berührende Flächen aus
keramischem Material und einem festen Schmiermittel bestehen. Letzteres kann als Schicht auf ein anderes
Untergrundmaterial aufgebracht sein oder aus einem verhältnismäßig kompakten Körper bestehen. Das
Schmiermittel hat in festem Zustand Schmier- oder Gleiteigenschaften. Vorzugsweise wird die Fläche aus
festem Schmiermittel als kompakter Körper hergestellt der im wesentlichen aus kohlenstoffhaltigem Material
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 als Füllstoff ein
Metall oder einen anderen Stoff, vorzugsweise Silber oder Antimon enthält
Die keramische Fläche besteht aus einer dünnen Schicht aus keramischem Material, das auf eine
metallische Unterlage aufgebracht ist die eine verhältnismäßig hohe Bruchfestigkeit im Vergleich zu der des
keramischen Material hat Ferner soll sie einen hohen Korrosionswiderstand haben. Die Kombination von
keramischer und fester Schmierfläche ergibt ein trockenes Lager, das die Schmiereigenschaft des festen
Schmiermittels ausnutzt und keine zusätzlichen Schmiermittel benötigt.
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 %-irringert zudem die Schwierigkeiten infolge
Brechens, Verspanens oder anderer Zerstörung des keramischen Materials, dessen Bruchfestigkeit verhältnismäßig
gering ist. Die hoch-bruchfeste metallische Unterlage nimmt nämlich den größten Teil der Kräfte
auf. Es können somit die hohe Bruchfestigkeit der Unterlage und die große Abriebfestigkeit des keramischen
Materials gemeinsam ausgenutzt werden, um ein Lager zu erhalten, das eine hohe Lebensdauer hat und
große Lasten aufnehmen kann.
Um dies zu erreichen, muß, wie sich gezeigt hat, die keramische Schicht ausreichend dünn sein, damit sie sich
bei Verformung der Unterlage infolge Belastung ebenfalls etwas verformt, ohne zu brechen, wodurch die
Oberflächenbelastungen auf die Unterlage übertragen werden, die sich sonst in der keramischen Schicht
aufbauen würden. Ferner muß die Bruchfestigkeit der Unterlage innerhalb eines bestimmten Bereiches liegen.
Ist sie zu niedrig, so bildet die Unterlage keine ausreichende Abstützung für die Schicht, und die
Unterlage verformt sich zu stark, was ein Brechen der Schicht zur Folge hat. 1st andererseits die Bruchfestigkeit
der Unterlage zu hoch, so entsteht keine ausreichende Dämpfungswirkung, die Oberflächenbelastungen
werden nicht auf die Unterlage übertragen, und die Schicht bricht oder wird infolge der Belastungen
zerstört. Es hat sich gezeigt, daß die Bruchfestigkeit der Unterlage zwischen 24,6 kg/mm2 und 176 kg/mm2 liegen
muß, um eine optimale Anpassung der Bruchneigung der Schicht infolge Deformation und infolge der
Oberflächenbelastungen zu erhalten. Ferner soll die Schicht eine Stärke zwischen 0,013 mm und 0,25 mm
haben. Vorzugsweise liegt die Schichtstärke zwischen 0,13 mm und 0,025 mm.
Es hat sich ferner gezeigt, daß Titan und eine Legierung auf Titanbasis besonders geeignet für die
Unterlage sind, da diese eine besonders gute Verbindung mit der keramischen Schicht ermöglichen. Ferner
ist dieses Unterlagematerial chemisch unempfindlicher als die meisten anderen Materialien, die benutzt werden
könnten. Dadurch wird eine Korrosion in ungeeigneter Umgebung vermieden oder zumindest verringert, was
bei anderen Materialien nicht der Fall wäre. Ferner ist dieses UnterlagemateriaJ leichter als andere Materialien
und ermöglicht somit eine Gewichtsverringerung. Außerdem behält es seine Festigkeit auch bei hohen
Temperaturen, beispielsweise bis zu ^.twa 427°C, und
ermöglicht somit die Herstellung von Lagern für den Betrieb in derartigen Temperaturbereichen. Wohl am
wichtigsten ist, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient etwa gleich dem der verschiedenen Schichtmaterialien
ist, die für die keramische Schicht verwendet ic
werden, so daß nur geringe oder gar keine Spannungen infolge unterschiedlicher Ausdehnung von Unterlage
und Schicht bei größeren Temperaturänderungen entstehen.
Es hat sich gezeigt, daß Schichten, die überwiegend
aus einer von fünf speziellen Grundkomponenten bestehen, besonders gute Resultate liefern, insbesondere
wenn sie zusammen mit einer Unterlage aus Titan oder einer Legierung auf Titanbasis verwendet werden.
Diese fünf Grundkomponenten für die keramische Schicht sind Chromoxid (Cr2O3), Titandioxid (T1O2),
Aluminiumoxid (Al2O3), Titancarbid (TiC) und Wolframcarbid
(WC). Jede dieser Komponenten kann entweder allein oder zusammen mit weiteren Zusätzen verwendet
werden, um die gewünschte Schicht herzustellen oder um das Aufbringen einer derartigen Schicht auf die
Unterlage zu erleichtern. Es können beispielsweise folgende Mischungen verwendet werden: 80% Cr2O3 +
20% NiCr1TiC + 5-20% Ni, 50% WC + 35% NiCr +
15% NiAl, WC + 9% Co (alle Prozentangaben sind Gewichtsprozente). Das NiCr besteht aus 80% Ni und
20% Cr. Obwohl die angegebenen Materialien in verschiedenen Kombinationen verwendet werden können,
hat sich gezeigt daß eine Kombination bevorzugt ist, bei der die Gleitfläche des ersten Lagerteils aus
verdichtetem amorphem Kohlenstoff und Graphit mit Silber als Füllstoff besteht, während die Fläche des
zweiten Lagerteils aus einer keramischen Schicht aus im wesentlichen reinem Chromoxid besteht das auf einer
Unterlage aus einer Titanlegierung aufgebracht ist, die <to
außer Titan 5 Gew.% Aluminium und 2,5 Gew.% von Ti-5A1-2,5S enthält Praktisch die gleichen Ergebnisse
erhält man, wenn man die Legierung auf Titanbasis durch eine Legierung ersetzt die außer Titan 6 Gew.%
Aluminium und 4 Gew.-% von Ti-6A1-4V enthält.
F i g. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung ein Anschlußstück mit einem Lager gemäß der Erfindung,
wobei Teile weggebrochen sind, um den Aufbau des Lagers zu zeigen.
F i g. 2 zeigt einen senkrechten Schnitt durch das Ende des Anschlußstückes gemäß F i g. 1.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Kugelgleitlager, das in einem Anschlußsiück
untergebracht ist. Dieses Anschlußstück 10 hat eine Bohrung 12, in der das Lager befestigt ist Die einander
flächenförmig berührenden Gleitflächen des Lagers bestehen aus einem inneren Kugelteil 14 und einem
äußeren Lagerteil aus zwei getrennten ringförmigen Körpern 16. Das innere Teil 14 ist zusammengesetzt aus
einer metallischen Unterlage 18 und einer keramischen Schicht 20. Die Unterlage 18 ist ähnlich geformt wie die
Kugelteile von üblichen Kugelgleitlagern. Sie ist ringförmig und hat eine kugelschichtförmige Außenfläche
22, auf der sich die keramische Schicht 20 befindet. Wie bereits erwähnt hat die Schicht 20 eine Stärke von
weniger als 0,25 mm. Sie hat eine Außenfläche 23, die entsprechend der kugelschichtförmigen Fläche 22 der
Unterlage geformt isi und die durch Läppen oder andere Bearbeitung eine hohe Oberflächengüte erhalten
hat Die Oberflächengüte beträgt mindestens 5 RMS, obwohl auch eine Oberflächengüte oberhalb
von 5 RMS benutzt werden kann. Durch die Unterlage 18 ist eine Bohrung 26 geführt, an deren Enden die
Unterlage jeweils eine senkrecht zur Achse der Bohrung gerichtete Endfläche 24 aufweist Diese
Endflächen bilden eine ringförmige Kante an jedem Ende der Bohrung. Im Betrieb wird der untere ein
Gewinde aufweisende Teil des Anschlußstückes 10 mit einem Maschinenteil verschraubt 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 Schicht 20 und bilden Anlageflächen für Unterlegscheiben
oder andere Haltevorrichtungen, die fest angezogen werden können, um ein anderes Teil mit dem
Lager zu verbindea Es sei bemerkt daß die Haltekräfte, die zwischen den Endflächen 24 aufgebracht werden,
nur auf die metallische Unterlage 18 wirken und nicht oder nur bis zu einem vernachlässigbaren Grad 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 äußere Lagerteil enthält eine innere kugelschichtförmige
Fläche 28, die die Außenfläche 23 der keramischen Schicht des inneren Lagerteils 14 berührt Die beiden
ringförmigen Körper 16 bestehen mindestens teilweise aus kohleartigem Material und enthalten, wie bereits
erwähnt, vorzugsweise eine Mischung aus verdichtetem amorphem 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 nach innen gerichtete Wände 32 aufweist,
die an gegenüberliegenden Flächen der ringförmigen Körper anliegen. Weitere Wände 34 sind radial nach
außen gegen die geneigten ringförmigen Sitzflächen des Anschlußstückes 10 abgeschrägt, um den Käfig im
Anschlußstück zu halten. Über die einander berührenden kugelschichtförmigen Flächen 23 und 28 kann sich
das innere Lagerteil 14 weitestgehend frei gegenüber den ringförmigen Teilen 16 bewegen. Bei dieser
Lagerart können daher keine hohen Biege- oder Schubkräfte auf das innere Lagerteil 14 (beispielsweise
infolge fehlenden Fluchtens) wirken, und daher ist die keramische Schicht ganz besonders gut für derartige
Lagerarten geeignet, denn es werden Verformungen der Schicht infolge hoher Biege- oder Schubkräfte
vermieden.
Das dargestellte Lager ist jedoch zur Aufnahme von verhältnismäßig großen Radialkräften geeignet, die
während der Bewegung des inneren Lagerteils gegenüber dem äußeren Lagerteil Zug- und Druckspannungen
auf verschiedene Bereiche des inneren Lagerteils 14 ausüben. Da das innere Lagerteil 14 fast vollständig aus
einem hochfesten Metall besteht und nur eine dünne Keramikschicht aufweist kann das Metall die Belastungen
aufnehmen, ohne daß unzulässig hohe Kräfte auf die Keramikschicht wirken, die dadurch gegen Zerstörung
infolge dieser Kräfte geschützt ist Außerdem ist die Stärke der Keramikschicht derart gewählt, daß sie sich
bei Verformung der Unterlage mit verformt, wodurch die Spannungen auf die Unterlage übertragen werden,
die sich sonst in der Keramikschicht aufbauen würden.
Wie bereiiä erwähnt "cgi die Stärke der SciiiCiu ciwä
im Bereich zwischen 0,013 mm und 0,25 mm, wobei eine
Stärke von 0,1 mm bevorzugt wiH. Das für die
Unterlage verwendete Material hat eine Bruchfestigkeit von 24,6 kg/mm2 bis 176 kg/mm2.
Das innere Lagerteil 14 gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurde auf folgende Weise hergestellt:
Ein kugelförmiges Metallteil wurde durch spanabhebende Bearbeitung aus einer Stange aus einer
Titanlegierung (Ti-5Al-2,5Sn) hergestellt, wobei der Durchmesser etwa 0,13 mm bis 0,25 mm unter dem
endgültigen Kugeldurchmesser lag und die Oberflächengüte etwa 125 RMS betrug. Die Bohrung und die
beiden ebenen Endflächen wurden ebenfalls durch spanabhebende Bearbeitung hergestellt. Die verwendete
Materiaistange war vorher durch Giühen auf eine Härte zwischen 30 Rc und 40 Rc gebracht worden. Die
Bruchfestigkeit betrug etwa 84,4 kg/mm2. Dann wurder auf die Endflächen Masken aufgebracht, und die
Oberfläche der Kugel wurde durch Dampfstrahler aufgerauht, um eine bessere Haftung für die keramische
Schicht zu erreichen. Die kugelschichtförmige Fläche
wurde dann bis zu einer Stärke von 0,13 mm bis 0,25 mir mit Chromoxyd (Cr2O3) beschichtet. Das Aufbringer
der Schicht erfolgte mit Hilfe einer Plasmasprüheinrich tung. Nach dem Beschichten wurde die kugelschichtförmige
Fläche einer Oberflächenbearbeitung unterzoger und der Durchmesser durch einen Läppvorgang
eingestellt, so daß die Stärke der fertigen Schicht zwischen 0,06 mm und 0.13 mm lag.
Für das Aufrauhen der Kugelschichtfläche kann auch
is ein anderes bekanntes Verfahren ais das Dampfstrahlen
benutzt werden.
Claims (2)
1. Selbstschmierendes Lager mit zwei Lagerteilen, welche einander flächenförmig berührende GleitfJächen
aufweisen, wobei das Gleitmaterial des ersten Lagerteils ein festes, eine Mischung aus amorphem
Kohlenstoff und Graphit enthaltendes Schmiermittel und das des zweiten Lagerteiis ein keramisches
Material wie Aluminiumoxid ist, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Lagerteil aus
einem Grundkörper aus Titan oder einer Titanlegierung mit einer Bruchfestigkeit zwischen 24,6 u;nd
176 kg/mm2 besteht, welcher eine etwa 0,013 bis 0,25 mm dicke Gleitschicht aus Aluminiumoxid,
Chromoxid, Titandioxid, Titancarbid, Wolframcar- is
bid oder deren Mischungen aufweist, wobei im Gleitmaterial des ersten Lagerteils gegebenenfalls
zusätzlich ein Metall als Füllmittel vorhanden ist
2. Selbstschmierendes Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Gleitmaterial des
ersten Lagerteils Silber oder Antimon als Füllmittel vorhanden ist.
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