DE1900049C3

DE1900049C3 - Selbstschmierendes Lager

Info

Publication number: DE1900049C3
Application number: DE1900049A
Authority: DE
Inventors: Stanley S. Rockville Conn. Hudacko Vincent John Copley Ohio Orkin
Original assignee: Kaman Aerospace Corp Bloomfield Conn (vsta)
Current assignee: Kaman Aerospace Corp Bloomfield Conn (vsta)
Priority date: 1968-11-20
Filing date: 1969-01-02
Publication date: 1980-06-26
Also published as: SE347555B; US3535005A; DE1900049A1; DE1900049B2; JPS4820327B1

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 Lagerteils 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 Saphiereinkrisiall 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 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 einem derartigen Lager die Lebensdauer zu erhöhen, einen Betriebsbereich zu schaffen, der sich insbesondere bis zu hohen Temperaturen von etwa 427°C 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 erfindungsgemäfi dadurch gelöst, daß bei einem Lager der eingangs angegebenen Art das zweite Lagerteil aus einem Grundkörper aus Titan oder einer Titanlegierung mit einer Bruchfestigkeit zwischen 24,6 und 176 kg/mm² besieht, welcher eine etwa 0,013 bis 0,25 mm dicke Gleitschicht aus Aluminiumoxid, ^⁰ 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 enihälL

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 verringert zudem die Schwierigkeiten infolge Brechens, Verspanens oder anderer Zerstörung des keramischer. 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 /u 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. ist andererseits di~ Bruchfestig keit 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 Bruchfestigkeil der Unterlage zwischen 24,6 kg/mm* 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 0,1 3 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 k"iinten. Dadurch wird eine Korrosion in ungeeigneter Umgebung vermieden oder zumindest verringerl, was

bei anderen Materialien nicht der Fall wäre. Ferner ist dieses Unterlagematerial leichter als andere Materialien und ermöglicht somit eine Gewichtsverringerung. Außerdem behält es seine Festigkeit auch bei hohen Temperaturen, beispielsweise bis zu etwa 427°C, und ermöglicht somit die Herstellung von Lagern für den Beirieb in derartigen Temperaturbereichen. Wohl am wichtigsten ist, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient etwa gleich dem der verschiedenen Schichtmaterialien ist, die für die keramische Schicht verwendet 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 '.eramische Schicht sind Chromoxid (CoOä), Titandioxid (TiC>2), Aluminiumoxid (AI2O3), 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% Cr2U3 + 20% NiCr₁TiC + 5-20% Ni, 50% WC + 35% NiCr + 15% NiAl, WC + 9% Co (alle Pro/enlangaben 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 bevorzug! 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 besttht, das auf einer Unterlage aus einer Titanlegierung aufgebracht ist, die außer Titan 5 Gew.% Aluminium und 2,5 Gew.% von Ti-5AI-2,5S enthält. Praktisch die gleichen Ergebnisse erhält man, wenn man die Legierung auf Titanbasis durch eine Legierung ersetzt, die außiv Titan 6 Gew.% Aluminium und 4 Gew.-% von Ti-6AI-4V enthält.

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung ein Anschlußstück mit einem Lager gemäß der Erfindung, wobei Teile weggebrochen sind, um den Aufbau des Lagers zu zeigen.

Fig. 2 zeigt einen senkrechten Schnitt durch das Ende des Anschlußstückes gemäß Fig. 1.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Kugelgleitlager, das in einem Anschlußstück 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 Ü. !vh geformt wie die Kugelleile 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 b5 weniger als 0,25 mm. Sie hat eine Außenfläche 23, die entsprechend der kugelschichtförmigen Fläche 22 der Unterlage geformt ist 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 tier 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 verbinden. 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 kohleartigcm 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 ringfö.migen 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 Sit/flädien des Anschlußslückes 10 abgeschrägt, um den Käfig im Anschlußstück /u halten. Über die einander berührenden kugelschichtförmigen !lachen 23 und 28 kann sich das innere Lagerteil 14 wcitestgehend 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 Huehtens) wirken, und daher ist die keramische Schicht ganz besonders gut für derartige Lagerarten geeigne¹, 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 gegen über 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 nui 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 Stärkt 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 bereits erwähnt, liegt die Stärke der Schicht etwa

im Bereich zwischen 0,013 mm und 0,25 mm, wobei eine Stärke von 0,1 mm bevorzugt wird. 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 AusfiihrungsbeKpiel 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 Malerialstange war vorher durch Glühen auf eine Härte zwischen 30 Rc und 40 Rc gebracht worden. Die Bruchfestigkeit betrug etwa 84,4 kg/mm². Dann wurden auf die Endflächen Masken aufgebracht, und die Oberfläche der Kugel wurde durch Dampfstrahlen aufgerauht, um eine bessere Haftung für die keramisch^ Schicht zu erreichen. Die kugelschichtförmige Fläche wurde dann bis zu einer Stärke von 0,13 mm bis 0,25 mm mit Chromoxyd (CrjOj) beschichtet. Das Aufbringen der Schicht erfolgte mit Hilfe einer Plasmasprüheinrichtung. Nach dem Beschichten wurde die kugelschichlförmige Fläche einer Oberflächenbearbeitung unterzogen 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 ein anderes bekanntes Verfahren als das Darnpfstralilen benutzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche: 19 OO

1..Selbstschmierendes Lager mit zwei Lagerteilen, welche einander flächenförmig berührende Gleitflächen aufweisen, wobei das Gleittnaterial des ersten Lagerteils ein festes, eine Mischung aus amorphem Kohlenstoff und Graphit enthaltendes Schmiermittel und das des zweiten Lagerteils 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 und 176 kg/mm² besteht, welcher eine etwa 0,013 bis 0,25 mm dicke Gleitschicht aus Aluminiumoxid, Chromoxid, Titandioxid, Tilancarbid, Wolframcarbid 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.