DE2800854C2 - Hoch-Präzisions-Wälzlager für extreme Bedingungen - Google Patents

Hoch-Präzisions-Wälzlager für extreme Bedingungen

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Präzisions-Wälzlager nach AFBMA Normen ABEC 0-9 für Anwendungen bis zu extremsten Umweltsbedingungen, insbesondere im Weltraum, im Hochtemperaturreaktorbau und zur Lagerung von Röütgendrehanoden bzw. Antikathoden für kontinuierlichen und intermittierenden Betrieb bis zu höchsten Drehzahlen im Ultrahoch- jo vakuum oder in Inertatmosphäre bis zu und über Temperaturen von 453° K.
Wälzlager, die für Weltraumanwendungen vorgesehen sind, sowie Wälzlager EIr Anwendungen im Hochtemperatur-Kenireaktorbau, die unter Inertgasatmosphäre laufen sollen, können nie"-t auf herkömmliche Weise geschmiert werden, da die beständigsten Flüssigschmiermittel bei Temperaturen über 453° K und/oder wegen des Vakuums verdampfen. Die Reibungskoeffizienten Stahl-Stahl ohne Schmiermittel *> sind sehr hoch und betragen bis zum 20fachen bei Betrieb im Hochvakuum (10~6 mbar) oder Helium einer Temperatur von 593° K.
Die Verschweißneigung zwischen dem Ringmaterial und den Kugeln bzw. Rollen des Lagers führt zu +5 übermäßigem Verschleiß der Rollreibepartner, so daß die Lager eine stark begrenzte Lebenszeit aufweisen. Infolge des Verschleißes findet eine ständige Änderung der Lagercharakteristika statt. Für den Temperaturbereich bis 723° K und im Hochvakuum wurden Kugella- }o ger, deren Laufbahn mit Titankarbid beschichtet wurde (Schweizer Archiv für angewandte Wissenschaft und Technik, Heft 6, 33. Jahrgang 1967 und Heft 6, 36. Jahrgang 1970 und proceedings of the first european space tribology symposium, Frascati, ESA SP III, Italy, 9.-11. April 1975, page 281-291), erfolgreich eingesetzt. Das Titankarbid hat gegen Stahl einen sehr geringen Reibungswiderstand und dient bei diesen Anwendungen gleichzeitig als Diffusionsbarriere gegenüber den Stahlkugeln. fco
Der Nachteil dieser Schutzbeschichtung, die mittels Abscheidung aus der Gasphase erfolgt, ist die hohe Abscheidungstemperatur (1073 - 1473° K).
Wälzlagerstähle, wie z.B. die Stähle 100Cr oder 440C, zeigen bei diesen Beschichtungstemperaluren so b0 starken Verzug, daß Lager der Güteklasse ABEC 0-9 nach AFBMA nicht hergestellt werden können. Lager der Güte ABEC 0-9 sind die Voraussetzung für
schnelldrehende Lager.
Aus dem DE-GM 72 32 284 sind Kugellager für Röntgendrehanoden bekannt, bei denen Kugeln und/ oder Laufringe aus temperaturbeständiger Oxidkeramik bestehen. Solche Werkstoffe enthalten jedoch Restporositäten, die den Reibungskoeffizienten erhöhen und somit die Lebensdauer der Lager beschränken.
Aus der DE-OS 15 25 191 ist es bekannt, gehärtete Metalle mit sogenannten selbstschmierenden Metallen, wie Silber und Blei, zu beschichten. Auch ist die Verwendung von Hartmetallkugeln in Wälzlagern bekannt (DE-AS 12 86 825). Auch aus der DE-PS
9 54564 sind aus der Gasphase abgeschiedene Hartstoffschichten zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Wälzlagern bekannt Es werden die guten Eigenschaften von TiN als Diffusionsbarriere erwähnt (vgL auch Werkstattechnik, Zeitschrift für industrielle Fertigung, Heft 9, 1971, S. 561-62, wo die bessere Stabilität von TiN gegenüber Diffusions- und Korrosionsangriffen als TiC beschrieben ist). TiN hat aber einen hohen Reibungskoeffizienten gegenüber Stahl von 0,65 in Luft, der im Vakuum noch ansteigt (verglichen mit TiC: 0,25 in Luft und 0,1 im Vakuum). Somit kommt TiN als Werkstoff für unter extremen Bedingungen, wie im Weltraum, anwendbare Diffusionsbarrieren nicht in Frage.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseir-gen und Präzisionswälzlager anzugeben, die für Anwendungen in extremen Umweltsbedingungen geeignet sind.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand des Unteranspruches.
Die erfindungsgemäßen Wälzlager verwenden ebenfalls die guten Reibungseigenschaften des Titankarbides oder anderer geeigneter Hartstoffe gegen Stahl und deren geringe gegenseitige Löslichkeit, um die gewünschten physico-chemischen Eigenschaften der Oberfläche der Reibungspartner zu erzeugen. Es werden zu diesem Zwecke die Siahlkugeln normaler Präzisions-Wälzlager durch Hartmetallkugeln, die mit einer Diffusionsbarriere aus verschleißfestem Hartstoff von niedrigem Reibungskoeffizient beschichtet sind, ersetzt Als Hartstoffe können harte und verschleißfeste Materialien mit niedrigem Reibungskoeffizienten gegenüber dem Ringmaterial, bestehend aus Karbiden und/oder Nitriden und/oder Karbonitriden und/oder Boriden und/oder Suiziden und/oder Oxiden der Gruppe III bis VI des periodischen Systems, eingesetzt werden. Die Hartinetallkugeln können ohne Schaden und Verzug bei hohen Temperaturen beschichtet werden. Präzisionskugel-Hersteller können diese beschichteten Kugeln ohne Problem auf das Endmaß der gewünschten Güteklasse nach AFBMA-Normen fertigbearbeiten.
Durch diese Fertigungsmethode wird es nun möglich, auch Präzisionslagern den gewünschten Schutz für Anwendungen unter extremen Bedingungen zu geben. Zudem geben die Hartmetallkugeln den Lagern eine um
10 bis 20% erhöhte Steifigkeit.
Die Ringe können aus Stahl, hochwarmfesten und/oder korrosionsbeständigen Legierungen bestehen. Als Käfig kann entweder ein herkömmlicher Stahlkäfig, der mit einer Trockenschmierschicht versehen ist, oder ein Kunststoffkäfig mit oder ohne selbstschmierende Füllstoffe oder Beschichtungen verwendet werden.
Nach Festlegung der Lagergüteklasse werden Hartmetallkugeln unter Berücksichtigung einer Bearbei-
28 OO
tungszpgabe auf die geforderte Genauigkeit und Toleranz geschliffen. Sodann werden sie durch Abscheidung aus der Gasphase oder einem anderen geeigneten Verfahren mit Hartstoff beschichtet Dies kann nach dem fflr Präzisionsteile aus der CH-PS 4 55 856 bekannten Verfahren geschehen.
Danach folgt die Fertigbeai-beitung der Kugel auf die gewünschte Genauigkeit und der Zusammenbau des Lagers mit den vorgesehenen Käfigen und Laufringen.
Als Laufringt: können serienmäßige, demoritierbare Ringe der gewünschten Güteklasse verwendet werden.
Die Erfindung sei an einigen Anwendungsbeispielen erläutert:
1. In heliumgekühlten Kernreaktoren soll die Standzeit der Lager erhöht werden, um den Wartungszyklus zu verlängern.
Kugellager nach der Erfindung mit Hartmetallkugeln mit einer nach dem Verfahren der chemischen Abscheidung in der Gasphase nach der CH-PS 4 55856 aufgebrachten Diffusionsbarriere aus Titankarbid von 6 μπι Schichtdicke, Laufringen aus Wälzlagerstahl 100 Cr 6 und molybdändisulfid-beschichteten Stahlkäfigen wurden in ReinJthelium bei 593°K mit 100 Umdrehungen/min geprüft und eine 25mal längere Standzeit aäs mit herkömmlichen, mit Stahlkugeln ausgerüsteten Lagern erzielt
2. Schnelldrehende Röntgendrehanoden-(antikathoden)-Iager haben während ihres Betriebes eine sehr hohe thermische Strahlungsbelastung zu ertragen. n> Die Ausstattung mit herkömmlichen Lagern erfordert nicht nur einen sehr intensiven Wartungsbetrieb, sondern beinhaltet die Gefahr des Versagens der Röntgenanlage in kritischen Momenten.
Zur Verbesserung der Standzeit von Schnelldrehenden Röntgendrehanoden bzw. Antikathoden können Kugellager gemäß der Erfindung mit Hartmetallkugein mit einer nach einem geeigneten Verfahren, z. B. nach der CH-PS 4 55 856, aufgebrachten Diffusionsbarriere aus Titankarbid von 4n 6 μπι Schichtdicke, Laufringen aus Wälzlagerstahl 100 Cr 6 und molybdändisulfid-beschichteten Bronzekäfigen eingesetzt werden. Falls das System mit klassischen Schmierstoffen, Ölen oder Fetten geschmiert wird, haben die erfindungsgemäßen ·»> Lager aufgrund des geringen Reibungskoeffizienten Titankarbid gegen Stahl den Vorteil ausgezeichneter Notlaufeigenschaften.
3. Lagerelemente für Weltraumanwendungen müssen gegen Verschweißen geschützt werden. Dazu "'" sollen sie aufgrund der geringen zur Verfugung stehenden Energien ein sehr kleines Anlaufmoment haben.
Kugellager gemäß der Erfindung mit titankarbidbeschichteten Hartmetallkugeln, Stahlringen aus rostfreiem Stahl 440 C und Bronze-Käfigen weisen die für Weltraumanwendungen notwendigen physico-chemischen Eigenschaften, wie niedriger Reibungskoeffizient (achtmal kleiner als derjenige von Stahl gegen Stahty auf und die geringe Löslichkeit von Stahl gegen Titankarbid verhindert die Kaltverschweißung der Rollreibepartner,
In den Zeichnungen sind einige Ausführungsformen erfindungsgemäßer Präzisions-Wälzlager dargestellt In ihnen zeigt F i g. 1 Wälzlager ohne Käfig und F i g. 2 ein Kugellager mit Käfig.
F i g. 1A zeigt einen Ausschnitt aus einem Lager ohne Käfig im Schnitt, bestehend aus einem äußeren Laufring 1, einem inneren Laufring 2 und dazwischen angeordneten Kugeln 3 als Wälzkörper, von denen eine erkennbar ist Die Kugel 3- ist mit einer Hartstoffbeschichtung 7 versehen.
Beim Beispiel nach F i g. 1B sind die Wälzkörper hartstoffbeschichtete zylindrische Rollen 4, beim Beispiel nach Fig. IC hartstoffbeschichtete konische Rollen 5 und beim Beispiel nach Fig.ID hartstoffbeschichtete Nadeln 6.
F i g. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Käfigkugellager im Schnitt, bestehend aus einem "^ßeren Laufring 8, einem inneren Laufring 9, HartmeiaRkugein 14 als Wälzkörper und einem Käfig 10. Die Hartmetallkugeln 14 sind mit einer Hartstoffbeschichtung 15 versehen. Der Käfig kann aus Stahl mit Trockenschmierschicht besteheis oder auch aus Kunststoff mit oder ohne Füllstoff und gegebenenfalls ebenfalls mit einer selbstschmierenden Beschichtung versehen sein.
Je nach Anwendungsgebiet lassen sich für das dargestellte Käfigkugeliager folgende Materialangaben für die Hartstoffbeschichtung 15 der Kugeln 14, die Laufringe 8,9 und den Käfig 12 machen:
Präzisionskugellager für heliumgekühlte Anwendungsfälle, z. B. Kernreaktoren:
Laufringe 8,9:
Wälzlagerstahl 100 Cr 6
Hartstoffbeschichtung 15:
TiC
Käfig 12:
Molybdändisulfid-beschichteter Stahl.
Präzisionskugellager für schnelldrehende Röntgenanoden:
Laufringe 8,9:
Wälzlagerstahl 100 Cr 6
Hartstoffbeschichtung 15:
TiC
Käfig 12:
Molybdän-beschichtete Bronze
Präzisionskugellager für Weltraumanwendungen:
Laufrhge8,9:
rostfreier Stahl 440 C
HartstoffbeschichlUiig 15:
TiC
Käfig 12:
Bronze.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

28 OO Patentansprüche:
1. Hochpräzisionswälzlager, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper aus Hartmetall bestehen und mit einer harten und verschleißfesten Außenschicht versehen sind, weiche als Diffusionsbarriere wirkt und einen niedrigen Reibungskoeffizienten gegenüber der Rollfläche aufweist ic
2. Hochpräzisionswälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsbarriere aus einem Carbid und/oder Carbonitrid und/oder Oxid von Elementen der Gruppen III bis Vl des Periodensystems in Form einer Mischung oder eines ts Mischkristalls besteht, welche den Wälzkörper mit einer homogenen, gut haftenden Schicht bedeckt und die auf die gewünschte Genauigkeitsklasse poliert ist
20
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