DE2942265A1

DE2942265A1 - Lager mit niedriger reibung

Info

Publication number: DE2942265A1
Application number: DE19792942265
Authority: DE
Inventors: Yoshiki Fujita; Ken-Ichi Kakumoto
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1978-10-25
Filing date: 1979-10-19
Publication date: 1980-07-17
Also published as: DE2942265C2; FR2446956B1; GB2034417B; NL188420C; US4293171A; NL7907669A; NL188420B; JPS5557717A; GB2034417A; FR2446956A1

Description

DIPL.-CHEM. dr. HARALU STACH 2 9 A 2 2 6 5 PATENTANWALT ADENAUERALLEE 30 ■ 3000 HAMBURG 1 . TELEFON (040) 244923

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Aktenzeichen; Neuanmeldung

Anmelderin; Koyo Seiko Company Limited, Osaka / Japan

Lager mit niedriger Reibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Lager mit niedriger Reibung, mit Metallteilen, die einer Roll- oder Gleitreibung unterworfen sind. Solche Lager sind beispielsweise dazu ausgelegt, bei Unterdruck oder im Vakuum verwendet zu werden, beispielsweise in einer Röntgenröhre mit rotierender Anode, in Vakuumverdampfervorrichtungen oder ähnlichen Vakuumapparaten oder in Vorrichtungen, die für die Raumfahrt bestimmt sind.

Lager, die in einem Vakuum verwendet werden, bringen Schwierigkeiten bezüglich der Schmierung mit Öl oder Fett mit sich, so daß bisherige Lagerkoraponenten, beispielsweise Roll- oder WaIzelemente, mit einer festen Schicht aus einem Metall mit Schmiereigenschaften beschichtet sind, oder mit Molybdändisulfid oder einem ähnlichen Schmiermittel, um die Oberfläche, die der Rollreibung oder der Gleitreibung unterworfen ist, zu schmieren. Üblicherweise werden solche Metallbeschichtungen durch herkömmliche Ionenplattierungsverfahren gebildet, wie sie beispielsweise in der veröffentlichten und ungeprüften japanischen Patentanmeldung Nr. I98U0/I977 offenbart sind.

Jedoch haben die Überzüge, die durch die herkömmlichen Ionenplattierungsverfahren gebildet werden, den Nachteil, daß sie eine sehr geringe Haftfestigkeit besitzen und deshalb innerhalb kürzester Zeit während des Betriebs des Lagers sich abtrennen, so daß das Lager nur eine kurze Lebensdauer besitzt.

Im Hinblick auf diese Nachteile des Standes der Technik ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lager mit niedriger Reibung

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zu schaffen, das für einen längeren Zeitraum betrieben werden kann. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zumindest ⁶9er Hollreibung unterworfene Rollelemente mit wenigstens einer Metallzwischenschicht durch Ionenplattierung beschichtet sind, wobei die Metallzwischenschicht durch Ionenplattierung mit einer Außenschicht aus weichem Metall mit Schmiereigenschaften beschichtet ist, und die Festzustandslöslichkeit des Metalls in der Zwischenschicht in jedem ihm benachbarten Metall höher ist als die Festzustandslöslichkeit des weichen Metalls in dem Metall des rollenden Teiles.

Von den Metallteilen, die einer Rollreibung oder einer Gleitreibung unterworfen sind, sind zweckmäßig mindestens die Rollelemente jeweils mit einer Schicht aus weichem Material beschichtet, das schmierende Eigenschaften hat. Die weiche Metallschicht wird durch ein neuartiges Ionenplattierungsverfahren ausgebildet und besitzt eine hohe Haftstärke.

Jedes der Kollelemente ist zumindest mit einer Zwischenmetallschicht durch Ionenplattierung beschichtet, wobei diese Zwischenmetall schicht wiederum durch Ionenplattierung einen Überzug aus weichem Metall mit Schmiereigenschaften erhält. Die Festzustandslöslichkeit (solid solubility) des Metalls der Zwischenschicht in jedem dazu benachbarten Metall ist höher als es die Festzustandslöslichkeit des weichen Metalls in dem Grundmaterial des Rollelementes ist.

Bevorzugte Ausfuhrungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren im Detail erklärt.

Fig. 1 ist ein Vertikalschnitt, der eine Ausführungsform der Erfindung zeigt}

Fig. 2 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die ein Rollelement nach Fig. 1 zeigt; und

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Fig. 3 und k sind teilweise gebrochene Vorderansichten und zeigen weitere Ausführungsformen der Erfindung.

In den Fig. 1 bis k sind die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Kugel 1, die als Rollelement dient, wobei eine zusammengesetzte Beschichtung 2 die Oberfläche der Kugel 1 bedeckt, Ein innerer Ring 3 liefert einen Laufring, ein äußerer Ring k bildet einen weiteren Laufring sowie einen Käfig 5 zur Festlegung der Kugel 1.

Wie schematisch in Fig. 2 dargestellt, umfaßt die zusammengesetzte Beschichtung 2 Metallschichten 21 und 22, die als mittlere Schichten über die Oberfläche der Kugel 1 durch Ionenplattierung aufgebracht sind, sowie eine oberste oder äußerste Schicht 23, die aus einem weichen Metall mit Schmiereigenschaften, also geringem Reibungskoeffizient hergestellt ist und über die Schicht 22 durch Ionenplattierung gelegt ist. Die Löslichkeit im festen Zustand des Metalls jeder mittleren Schicht in dem jeweils benachbarten Material ist höher als die Löslichkeit des welchen Materials in dem Metall der Kugel 1.

Wenn die oberste Schicht 23 beispielsweise aus Gold oder Silber hergestellt wird, die als weiche Metalle mit Schmiereigenschaften bekannt sind, wird die Kugel 1 gesäubert und dann mit Nikkei ionenplattiert, anschließend mit Kupfer, um die Zwischenschichten 21 und 22 zu bilden und die Kupferschicht 22 wird daraufhin mit Gold oder Silber ionenplattiert, um die oberste Schicht zu bilden. Die Festzustandslöslichkeit von Nickel oder Kupfer der jeweiligen Zwischenschicht in den jeweils benachbarten Materialien ist höher als die Festzustandslöslichkeit von Gold oder Silber in dem Metallmaterial der Kugel 1.

Gold, Silber oder ähnliche weiche Metalle, die, wie allgemein bekannt Schmiereigenschaften bzw. geringe Reibungskoeffizienten haben, besitzen eine geringe Festzustandslöslichkeit in Eisenlegierungen, die für Lagerteile wie Roll- oder Wäzlelumente,

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Ringe und Käfige verwendet werden, wie es in Tabelle 1 aufgelistet ist, so daß selbst dann, wenn derartige Eisenlegierungsmaterialien direkt mit dem weichen Metall ionenplattiert werden, die dadurch erhaltene Schicht eine geringe Haftfestigkeit besitzt und deshalb innerhalb kürzester Zeit während des betriebsmäßigen Laufens des Lagers sich ablöst.

Die Festzustandslöslichkeit (solid solubility) von Metallen in anderen Metallen, wie in Tabelle 1 aufgelistet,ist entnommen, aus "Constitution of Binary Alloys" (1958) von Dr. phil. Max Hansen und ist in atomaren Prozenten (at.%) ausgedrückt.

Tabelle 1	Löslichkeit (at.^)	1	7	-	ο,	52
	O	1,3	-	k,	9
	0,06		00
		-	9
	-	1,	5
20
1
2

Metal 1kombinationen
Silber in Eisen
Silber in Kupfer
Kupfer in Nickel
Nickel in Eisen
Gold in Eisen
Gold in Kupfer
Silber in Nickel
Gold in Nickel

Bei der Ionenplattierung unterliegen das Metallmaterial, das plattiert werden soll, sowie das Plattiermaterial direkter lieaktion zwischen den Atomen in einer inerten Gasatmosphäre, so daß die Haftstärke der Plattierungsschicht stärker von der Festzustandslöslichkeit des einen Metalls in dem anderen Metall abhängt, als das bei anderen Plattierungsverfahren der Fall ist. Weiterhin ist festzuhalten, daß Gold oder Silber, weiche Metalle mit Schmiereigenschaften, eine niedrige Festzustandslöslichkeit in Eisenlegierungen haben, die weithin verwendet werden als Materialien für Lagerteile. Im Hinblick auf diese Eigenschaften sieht die vorliegende Erfindung zumindest eine Zwischenmetallschicht zwischen den zu plattierenden Materialien vor, nämlich

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zwischen dem Lagerteil und der obersten Plattierungsschicht aus einem Metall mit guten Schmiereigenschaften, das jedoch eine niedrigere Festzustandslöslichkeit in dem zu plattierenden Metall besitzt. Das Metall der Zwischenshicht hat eine Festzustandslöslichkeit in jedem benachbarten Material, die höher als die Festzustandslöslichkeit des plattierenden Materials in dem Grundmaterial ist, wodurch das Plattiermaterial mit dem Lagerteil mit verbesserter Festigkeit verbunden werden kann. Somit wird durch die vorliegende Erfindung zuverlässig und erfolgreich ein Lager mit niedriger Reibung und langer Lebensdauer geschaffen, das besonders vorteilhaft in speziellen Umgebungen wie beispielsweise Vakuum, Tiefsttemperaturen und Hochtemperaturen angewandt werden kann.

Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse eines Experimentes, die unter Verwendung eines Lagers entsprechend der vorliegenden Erfindung, eines Lagers, das durch herkömmliche Ionenplattierungsverfahren beschichtet wurde und eines Lagers ohne Plattierungen ermittelt wurden, um die Lebensdauer der Lager zu testen.

Tabelle 2

relative Test gegenstand Lebensdauer

erfindungsgemäßes Lager mit niedriger Reibung, bei dem die Rollelemente alleine mit Nickel, dann mit Kupfer und danach mit Gold ionenplattiert wurden 700

Lager mit niedriger Reibung, bei dem die Rollelemente alleine direkt mit Gold durch herkömmliches Verfahren ionenplattiert wurden 9

übliches unplattiertes Lager mit niedriger Reibung 1

Die Lagertypen, die für das Experiment verwendet wurden und die Testbedingungen waren folgende:

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Lagertyp: Kugellager Nr. 6000

Testbedingungen: Temperatur Zimmertemperatur

Druck 4 10~* Torr

Umdrehungsgeschwindigkeit 200 Upm

Druckbelastung 48 kp

Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse eines weiteren Experimentes, das unter der Verwendung des erfindungsgemäßen Lagers mit eine« Käfig nach Fig. 1 und unter Verwendung des erfindungsgemäßen Lagers ohne Käfig nach Fig. 3 durchgeführt wurde, um die Lager auf ihre Lebensdauer zu testen.

Tabelle 3 Typ des Lagers nach der Erfindung

Plattierung Käfig Lebensdauer

Mit Rollelementen, die nur mit Nickel, dann mit Kupfer, danach mit Gold plattiert wurden

mit Rollelementen, die nur mit Nickel, dann mit Kupfer und danach mit Silber ionenplattiert wurden

Der in dem Experiment verwendete Lagertyp und die Testbedingungen waren wie folgt:

Lagertyp: Nr. 626 Testbxlingungen: Temperatur Zimmertemperatur

Druck < 10~^ Torr

Umdrehungsgeschwindigkeit 200 Upm

Belastung 15 kp

keiner	60
mit Käfig	120
keiner	200
mit Käfig	250

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Die oben aufgegebenen Ergebnisse zeigen, daß die erfindungsgemäßen Lager mit niedriger Reibung eine bedeutend längere Lebensdauer als die Lager mit Rollelementen haben, die mit Gold oder Silber durch herkömmliche Ionenplattierungsverfahren beschichtet sind. Bei Lagern, die mit herkömmlichen Ionenplattierungsverfahren beschichtet sind, ist es bekannt, daß der Käfig zur Festlegung der Rollelemente dazu beiträgt, daß die Beschichtung während des Lagerlaufs sich abnutzt und abtrennt, was als Ergebnis hat, daß Lager mit niedriger Reibung, die keinen Käfig aufweisen, eine längere Lebensdauer als die Lager mit Käfig besitzen, wohingegen das in Tabelle 3 angegebene Testergebnis zeigt, daß die erfindungsgemäßen Lager mit niedriger Reibung mit Käfig eine verhältnismäßig längere Lebensdauer als die ohne Käfig besitzen, was im Hinblick auf die bisherige gegenteilige Auffassung der Fachwelt überraschend ist. Der Grund dafür dürfte in dem Hauptmerkmal der Erfindung zu suchen sein, daß die Schicht mit dem schmierenden weichen Material, d.h. Gold oder Silber, mit hoher Festigkeit an die doppelte Zwischenschicht 21 oder 22 aus Nickel oder Kupfer gebunden ist, die in der Oberfläche des Rollelementes ausgebildet ist, so daß das Metall der Zwischenschicht eine hohe Festzustandslöslichkeit in dem Metall jeder benachbarten Schicht b e s i1z t.

Wie bereits beschrieben, ist es ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Lagers mit niedriger Reibung, daß zumindest die Rollelemente mit einer zusammengesetzten Beschichtung 2 auf ihrer Oberfläche versehen sind, da die effektive Berührungsfläche mit den niedrigen Reibungskoeffizienten dadurch viel größer ist, als wenn die zusammengesetzte Beschichtung 2 auf dem Laufring oder in dem Käfig ausgebildet würde, und es wird ein stark verbesserter Schmierwirkungsgrad erreicht. Außerdem ist die Beschichtung leichter auszubilden. Insbesondere, wenn die Rollelemente, wie oben beschrieben, Kugeln sind, ändert sich der Teil der Kugel, der in Berührung mit den Laufringen steht, während des Laufs des Lagers aufgrund der Spin^bewegung

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der Kugeln. Dies ermöglicht es, daß die gesamte Fläche der als effektive Kontaktfläche dient, was zu sehr geringen Reibungskoeffizienten beiträgt.

Jedoch ist der Teil, der mit der zusammengesetzten Beschichtung 2 ausgebildet wird, nicht auf die Rollenelemente 1 begrenzt, vielmehr können solche zusammengesetzten Beschichtungen gleichermaßen auf den inneren und äußeren Laufringen 3 und k vorgesehen werden. Tabelle 4 ziegt die Ergebnisse eines weiteren Experiments, bei dem ein derart beschichtetes Lager auf seine Verwendbarkeit im Vergleich mit anderen Lagern getestet wurde.

Tabelle k Testgegenstand

erfindungsgemäßes Lager mit niedriger Reibung, bei dem die Rollelemente mit Nickel, dann mit Kupfer, danach mit Silber beschichtet wurden

relative Lebensdauer

erfindungsgemäßes Lager mit niedriger
Reibung, wobei die Rollelemente und
Innen- und Außenringe mit Nickel, dann
mit Kupfer, danach mit Silber beschichtet wurden 18

nichtplattiertes herkömmliches Lager mit niedriger Reibung 1

Lagertypen und Testbedingungen waren folgende:

Lagertyp:

Testbedingungen: Temperatur

Kugellager Nr. 727 Zimmertemperatur

Druck	1	'. 10~⁵ Torr
Umdrehungsge- schwindigkext	6	OO Upm
Druckbelastung	k	kp
Radialbelastung	, 6 kp

Die Testergebnisse, die in Tabelle k aufgeführt sind, zeigen an, daß das Kugellager, in dem der innere und der äußere Laufring

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ebenso vie die Kugeln mit einer Silberschicht beschichtet sind, in etva die gleiche lange Lebensdauer wie ein Lager besitzt, bei dem nur die Rollelemente alleine beschichtet sind.

Obwohl die Rollelemente 1 jeder oben beschriebenen Ausführungsform zum Aufnehmen der Lagerbelastung mit Zwischenschichten 21 und 22 aus Nickel und Kupfer und einer oberen Gold oder Silberschicht '23, die die Schicht 22 bedeckt, ausgebildet sind, kann jede zweite Kugel 1 bei Lagern ohne Käfig, beispielsweise Kugellagern, mit der Beschichtung 2 versehen werden, wie es aus Fig. k zu entnehmen ist. Tabelle 5 zeigt, daß Lager, die so beschichtet sind, eine längere Lebensdauer als diejenigen haben, bei der alle Kugeln 1 die Beschichtung 2 aufweisen.

In diesem Falle sind die Kugeln 1, die die Beschichtung 2 haben, durchmessermäßig größer als die unbeschichteten Kugeln 1, und zwar um den Betrag, der der Stärke der Beschichtung 2 entspricht. Die beschichteten Kugeln 1 tragen die Lagerbelastung, während die unbeschichteten Kugeln als Abstandshalter dienen.

Tabelle 5 Testgegenstand relative Lebensdauer

alle Kugeln ionenplattiert mit Nikkei, dann mit Kupfer, danach mit Silber (Kugellager Nr. 626) 5

jede zweite Kugel ionenplattiert mit Nickel, dann mit Kupfer, danach mit Silber (Kugellager Nr. 626) 12

Testbedingungen: Temperatur Zimmertemperatur Druck slO"' Torr

Umdrehungsgeschwindigkeit 3,200 Upm

Druckbelastung 1 5 kp

Obwohl die oben beschriebenen AusfUhrungsformen Kugellager sind, ist die Erfindung auch sinnvoll anzuwenden bei anderen Lagern

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niedriger Reibung, beispielsweise Walzenlagern, Kugellagern und sphärischen Lagern.

Entsprechend der oben beschriebenen Erfindung ist somit ein Kugellager mit niedriger Reibung geschaffen, bei dem von dan Metallkomponenten, die der Rollreibung oder der Gleitreibung unterworfen sind, zumindest jedes zweite Rollelement 1 mit Nickel und dann mit Kupfer ionenplattiert ist, um eine Nickel- und Kupfer-Zwischenschicht 21 und 22 zu bilden, und weiterhin ionenbeschichtet ist mit Gold oder Silber, um eine obere Schicht 23 über der Kupferschicht 22 zu bilden. Die Festzustandslöslichkeit des Metalls jeder Zwischen-schicht in dem jeweils benachbarten Metall ist höher als die Festzustandslöslichkeit von Gold oder Silber in dem Metallmaterial des Rollelementes 1. Als Ergebnis ist die Gold- oder Silberschicht 23 auf das Rollelement 1 mit einer hohen Haftfestigkeit aufgezogen. Die Nickel- und die Kupferschichten 21 und 22 liegen dazwischen, so daß die Gold- oder Silberschicht 23 an dem Rollelement 1 über einen längeren Zeitraum trotz der Rotation des Lagers gehalten wird. Dies führt zu einer erheblich verlängerten Lebensdauer des Lagers.

Bislang war man der Meinung, daß der Käfig dazu führt, die Trennung der Beschichtung von dem Rollelement zu unterstützen, jedoch zeigt der Käfig, wenn er mit dem erfindungsgemäßen Lager mit niedriger Reibung verwendet wird, keine nachteiligen Einflüsse auf die Gold-oder Silberschicht 23. Er kann vielmehr seine ihm zugedachte Punktion voll erfüllen, wodurch es nicht notwendig ist, eine Rille für die Kugeln auszubilden, wodurch die Anzahl von Zusemmenbauschritten bei der Herstellung verringert wird.

Obwohl Nickel und Kupfer für die ZwischensdiLditen 21 und 22 verwendet werden, um die Rollelemente 1 unter Verwendung von Gold und Silber als Schmierweichmetalle für die oberste Schicht entsprechend den vorangegangenen Ausführungsformen zu verwenden, sind die Metalle für die Zwischenschicht und das Leitmetall nicht auf diese Beispiele beschränkt. In der obengenannten und

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beschriebenen Erfindung wurden Zwischenschichten aus Nickel und aus Kupfer beschrieben. Das Rollelement 1 kann jedoch mit einer einzigen Zwischenschicht ionenplattiert werden, beispielsweise mit Nickel und daraufhin dann mit Gold oder Silber. Die Goldoder Silberschicht kann mit einer höheren Haftfestigkeit als bislang angebracht werden.

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Leerseite

Claims

DiPL.-c mfm. D^. HARALD STACH

PATENTANWALT

ADENAUERALLEE 30 · 30OO HAMBURG 1 · TELEFON (04O) 344323

Aktenzeichen; Neuanmeldung

Anmelderin; Koyo Seiko Company Limited

PATENTANSPRÜCHE

f1))Reibungsarme Lager mit Rollelementen und einer Roll- oder Gleitreibung unterworfenen Metallteilen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige Rollenelemente mit wenigstens einer durch Ionenplattierung aufgebrachten Metallzwischenschicht und einer auf diese durch Ionenplattierung aufgebrachten Außenschicht aus weichem Metall mit Schmiereigenschaften beschichtet sind, wobei die Festzustandslöslichkeit des Metalls der Zwischenschicht in jedem benachbarten Metall höher ist als die Festzustandslöslichkeit des weichen Metalls im Metall des Rollelements.
2) Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Metallteilen ein Käfig, ein innerer und ein äußerer Laufring sowie rollende Elemente gehören.
3) Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteile einen inneren und einen äußeren Ring sowie rollende Elemente umfassen.
h) Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteile aus einer Eisenlegierung, die Zwischenschicht aus Nickel und die oberste Schicht aus Gold und/oder Silber best ehen.
5) La^er nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteile aus einer Eisenlegierung hergestellt sind und die Rollelemente mit einer unteren Zwischenschicht aus Nickel und einer oberen Zwischenschicht aus Kupfer versehen sind, und als oberste Schicht Gold und/ oder Silber vorgesehen ist.

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ORlGlNAL INSPECTED

.a·
6) Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hollelemente Kugeln oder Rollen sind.
7) Lager nach einem der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd mit den beschichteten Rollelementen unbeschichtete Rollelemente angeordnet sind.

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