DE2942265C2 - Reibungsarmes Wälzlager - Google Patents

Description

eine durch Ionenplattiening aufgebrachte Nickel-Zwischenschicht (21), eine auf die Nickel-Zwischenschicht (21) durch Ionenplattlerung aufgebrachte Kupfer-Zwischenschicht (22) sowie

eine auf die Kupfer-Zwischenschicht (22, 21) durch tonenplattierung aufgetragene schmierwirksame Äußenschichl (23) aus Gold oder m Silber aufweist.

Die Erfindung betrifft ein reibungsarmes Walzlager mit Wälzkörpern und diese führenden Lagertellen aus einer Eisenlegierung, wobei minaeslcns einige Walzkörper und gegebenenfalls auch andere lagerteile mn einer Beschichtung m!.' einer auf eine metallische /.wischen- m schicht aufgebrachten AuUcnschlchl aus schmlerwlrksamcm Metall versehen sind.

Das aus der GB-PS 7Ί7Ο8Ι bekannte Wälzlager dieser Art weist eine Silbcr-ZwlsCncnschichi und eine lndium-Außenschlcht auf, die jeweils elektrolytisch aufgebracht sind. Bei solchen elektrolytisch plattierten Lagertellen kommt es im Betrieb zu Ablösungen der Zwischen- bzw. Äußenschichl, da diese nicht die nötige Haftfestigkeit am Untergrund erreichen; das führt zu Betriebsstörungen und erhöhtem Aufwand. 4»

Bei der In der DE-OS 17 75 017 beschriebenen ahnlichen Gleitreibpaarung sind auf einen Grundmclallkörper aus Stahl ein Zwischenschicht aus Nickel und eine Außenschicht aus Gold aufgebracht. Es können auch mehrere Metall-Zwischenschichten vorgesehen werden, wobei jedes dieser Metalle gleichzeitig in dem Ihm vorhergehenden und dem nachfolgenden Mciall löslich und das mit dem Grundmclall direkt In Berührung stehende Metall in diesem löslich sein soll. Diese Beschichtungen werden mechanisch oder ebenfalls elck- si) trolytlsch aufgebracht und unterliegen ;aich den bereits genannten AbiftsungsheschiUllgungen.

Aus dem Aufsatz von D.M. Mntiox, »l'llm Deposition Using Accelerated Ions«, Office of Technical Services, Dept. of Commerce, Washington, USA, von 1963 ist es bereits bekannt, metallische Körper In einer inerten Gasatmosphiire durch Ionenplattlerung mit metallischen Oberflächenfllmcn zu versehen.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein rcibungsarmcs Wälzlager der eingangs genannten Art mit verlängerter mi Lebensdauer zu schallen.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist das Will/lager der eingangs genannten Art crllndungsgcniiUJ die im kennzeichnenden IcIl des Patentanspruchs definierten Merkmale auf. i.s

Die Verwendung des loncnplatllcrungsvcriahrens Tür Wälzlager wird als solche Im Rahmen dieser Erfindung nicht beansprucht.

Das erfindungsgemäße Wälzlager weist durch die Ionenplattierung fest mit dem jeweiligen Untergrund verbundene Zwischen- bzw. Außenschichten auf, die auch nach längerer Betriebsdauer frei von Ablösungsbeschädigungen sind. Die Materialwahl In den verschiedenen Schichten führt dazu, daß die Festzustandslöslichkeit des Metalls der Zwischenschicht in jedem angrenzenden Metall höher ist als die Festzustandslösl'chkelt das Metalls der Außcnschichl Im Metall des Wälzkörpers. Dabei wird eine Schlchlzcrslörung durch Fortdiffusion des schmierenden AuUcnschichlmelalls verhindert.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen tf?s erfindungsgemäßen Wälzlagers an Hand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen Vertikalschnitt eines Wälzlagers,

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht eines Wälzkörpers nach FI g. 1 und

Flg. 3 und 4 teilweise gebrochene Vorderansichten abgewandelter Wälzlager.

Fig. 1 zeigt eine Kugel 1 als Wälzkörper mit einer Beschichtung 2. Ein Innenring 3 und ein Außenring 4 bilden Laufringe, ein Käfig 5 dient zur Führung der Kugel 1.

Wie Fig. 2 schenvAlsch zeigt, umfaßt die Beschichtung 2 auf die Oberfläche der Kugel 1 durch lonenplatlicrung aufgebrachte Zwischenschichten 21 und 22 sowie eine Gold- oder Silber-Außenschicht 23 mit Schniicrclgcnschaflcn, also mit niedrigem Reibungskoeffizienten, die auf die äußerste Zwischenschicht Z2 durch lonenplulllerung aufgebracht ist. Zur Aufbringung der AuUcnschichl 23 aus Gold oder Silber wird die Kugel 1 gesäubert und dann zur Bildung der Zwischenschichten 21 und 22 mit Nickel und nachfolgend mit Kupfer lonenplattiert. Die Kupfer-Zwischenschicht 22 wird daraufhin mit Gold oder Silber lonenplatiicrt. Die FcstzusiandslöslichkeH des Nickels bzw. Kupfers der jeweiligen Zwischenschicht 21, 22 in den jeweils benachbarten Metallen ist höher als die Festzustandslöslichkcit von Gold oder Silber in dem Metall der Kugel I.

Gold, Silber oder ähnliche weiche Metalle mit Schmicrcigcnschaflen bzw. niedrigen Reibungskoeffizienten weisen eine geringe Festzustandslöslichkeit In Eisenlegierungen auf, die für Lagerteile wie Wälzelemcntc. Ringe und Käfige verwendet werden, wie Tabelle I zeigt. Wenn derartige Eisenlegierungen direkt mit dem welchen Metall ionenplattiert werden, weist die dadurch erhaltene Außenschicht eine geringe Haftfestigkeit auf und löst sich deshalb Innerhalb kurzer /eil vom Lagerteil ab.

Die l^:csl/.usland.slosllchkcllcn (solid soulblllty) von Metallen in anderen Metallen in Tabelle 1 sind dem Buch »Constitution of Binary Alloys« (1958) von Dr. Max Hansen entnommen und In Atomprozenten (at.-'ΊΟ ausgedrückt.

Tabelle I

Metall kombinationen

Löslichkeit (al.%)

Silber in Kiscn
Silber in Kupfer
Kupfer in Nickel
Nickel in Eisen
Ciokl in Kiscn

0 -0,52
0,06-4,9
100

7 -9
1.3 -1,5

Tabelle I

Tabelle λ

Metallkombinationen Löslichkeil (at.%) Versuchsgcgensland Lebensdauer

Gold in Kupfer
Silber in Nickel
Gold in Nickel

20 I 2

Bei der lonenplattierung unterliegen das Metall, auf das plattiert werden soll, sowie das Plalticrmaierial direkter atomarer Reaktion in einer inerten Gasalmosphäre, so daß die Haftstärke der Piatlierungsschichi stärker von der FestzuMandslöslichkeil des einen Metalls in dem anderen Metall abhängt, als das bei anderen Plattierungsverfahren der Fall ist. Andererseits is zeigen Gold oder Silber eine niedrige Festzuslandslös-Ilchkeit In Eisenlegierungen, als als Materialien für Lagerteile weithin verwendet werden. Daher ist zumindest eine Zwischenschicht aus Nickel zwischen dem Lagerte!! und der Äußenschicht aus Gold oder SÜber 2« vorgesehen. Das Nickel der Zwischenschicht hai cmc höhere Festzuslandslöslichkclt in jedem benachbarten Material im Vergleich mit der Fcstzuslandslöslichkcil des Goldes oder Silbers in dem Metall des Lagcrtcils, wodurch das Außenschichtmetall mit dem Lagerteil mit erhöhter Festigkeit verbunden wird. Dieses Wälzlager kann vorteilhaft für beispielsweise Vakuum, Tiefst- und Hochtemperaturen angewandt werden.

Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse eines Versuchs mit einem erfindungsgemäßen Wälzlager, einem nur mit M) Gold durch lonenplattierung beschichteten Lager und einem Lager ohne Piattierung.

Tabelle 2 Versuchsgegenstand

relative Lebensdauer

erfindungsgemäßes reibungsarmes 700

Wälzlager, bei dem die Wälzkörper mil
Nickel, dann mit Kupfer und d;:n:ich mil
Gold ioncnplatticrl wurden

reibungsarr-ies Wälzlager, bei dem liic 9

Wälzkörper nur direkt mit Gold ionenplattiert wurden

übliches unplatlierles reibungsarmes i

Wälzlager

Die Versuchs-Wälzlagertypen und die Versuchsbedingungen waren folgende:

Wälzlagertyp:
Testbedingungen:

Temperatur:
Umgebungsdruck:

Umdrehungsgeschwindig keit:

Lager-Druckhelastung:

Kugellager Nr. 6000 Zimmertemperatur < 10-5 Torr

200 Upm

48 kp

55

Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse eines weiteren Ver- <a suehs, der mit dem crlLtJungsgcmüLicn Wälzlager mit einem Käfig (Fig. I) bzw. ohne Käfig (Fig. 3) durchgeführt wurde.

60

crfindungsgemäßes Wälzlager mit Wälzkörpern, die mit Nickel, dann mit Kupfer, danach mil Gold plattiert wurden, ohne Käfig

dto. mit Käfig 120

crfindungsgemäßes Wälzlager mit Wälz- 200 körpern, die mit Nickel, dann mit Kupfer und danach mit Silber ionenplattiert wurden, ohne Käfig

dto. mit Käfig

250

Der dabei verwendete. Wälzlagertyp und die Verbedingungcn waren folgende:

Nr. 62o

Zimmertemperatur < 10 ' Torr

Uigerlyp:

Teslbedingungen: Temperatur:
Umgebungsdruck:

Umdrchungs- 200 Upm geschwindigkeit:

Lager-Druck- 15 Lp belastung:

Die Vcrsuchsergebnisse zeigen, daß die erfindungsgemäßen Wälzlager eine bedeutend längere Lebensdauer als solche aufweisen, deren Wälzkörper nur durch loncnplalticrung direkt mit Gold oder Silber beschichtet wurden. Bei solchen Wälzlagern ohne Zwischenschicht tragt der Käfig dazu bei, daß sich die Beschichtung während des Lagerlaufens abnutzt und ablöst. Daher zeigen diese rclbungsarmen Wälzlager ohne Käfig eine längere Lebensdauer als mit Käfig. Wie andererseits das In Tjbcllc 3 enthaltene Versuchscrgebnls zeigt, weisen (Jlc crflndungsgemalicn relbungsarmcn Wälzlager mit KiIfIg überraschenderweise ein verhältnismäßig längere Lebensdauer ah die ohne Käfig auf. Der Grund dafür dürfte darin /u suchen sein, daß die Auilcnschichl mil dem schmlerfählgcn welchen Metall, also Gold oder Silber, mit hoher Festigkell an die Zwischenschicht 21 oder 22 aus Nickel oder Kupfer gebunden ist.

Wie bereits beschrieben, sind zumindest die Wälzkörper mil der erflndungsgomäßen Beschichtung 2 versehen, da die effektive Berührungsfläche mit niedrigem Reibungskoeffizienten dadurch viel größer Ist, als wenn die Beschichtung 2 auf dem Laufring oder am Käfig ausgebildet würde. So wird eine stark verbesserte Schmierung erreich!; außerdem ist die Ecschichtung leichter auszubilden. Insbesondere, wenn die Wälzkörper wie beschrieben Kugeln sind, wechselt der in Berührung mit den Laufringen stehende Teil der Kugel während des Laufs des Wälzlagers aufgrund der Spinbewegung dcf Kugeln. So dient die gesamte Fläche der Kugel als effektive Koniaktfläche, was zu sehr geringen Reibungskoeffizienten beiträgt.

Jedoch lsi die Beschichtung 2 nicht auf die Wälzkörper I beschrankt, vielmehr können solche Bcschlchtunyen gleichermaßen auf ilen Inneren und/oder äußeren I.aulrlngen 3 und 4 vorgesehen werden. Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse eines weiteren Versuchs, bei dem ein derart beschichtetes Wälzlager im Vergleich mit anderen Lagern stand.

Tabelle 4 Tabelle

Vcrsuchsgcgcnstand

relative l.chcnsilauer

Vcrsuchsj-cgcnslnnil

relative Lebensdauer

erfindungsgemiiUes reibungsarmes I¹)

Wälzlager, bei dem die Wälzkörper mil Nickel, dann mil Kupfer und danach mil Sifter beschichtet wurden

erfindungsgemiilles reibungsarmes Wiilz- IK lager, hei dem die Wälzkörper sowie die Innen- unil Außenringe mit Nickel, dann mit Kupier, danach mil Silber beschichtet wurden

nichtplattiertes herkömmliches Wälzlager I

Wälzlagerlypcn und Versuchsbedingungen waren folgende:

Kugellager Nr. 727 alle Kugeln ionenplallicrl mil Nickel, dann mit Kupfer, danach mil Silber (Kugellager Nr. 626)

nur jede /weile Kugel ionenplallicrt mit Nickel, dann mit Kupfer, danach mit Silber (Kugellager Nr. (>2(i)

12

Versiiclishcdingungcn:

Wälzlagertyp:
Versuchsbedingungen: Temperatur:
Umgebungsdruck:

Umdrehungs- 100 llpm geschwindigkeit:

Lager-Druckbelastung:
K.i(li:il hcl.isl im)'

Zimmertemperatur *= 10 * Torr

6 kp

L>ie Vcrsuchsergebnisse in Tabelle 4 A-iu.en, daß das Wälzlager, bei dem der innere und der Süßere Laufring ebenso wie die Kugeln erfindungsgemüß beschichtet sind, in etwa die gleiche Lebensdauer wie ein Wälzlager aufweist, bei dem nur die Wälzkörper derart beschichtet sind.

Obwohl alle Wälzkörper 1 der gesamten Ausl'ührungsformen zur Aufnahme der I.agcr-Druckbclasiung mit Zwischenschichten 21 und 22 aus Nickel und Kupfer und einer äußeren Gold- oder Silberschicht 23 ausgebildet sind, kann statt dessen bei Lagern ohne Käfig, beispielsweise Kugellagern, jede zweite Kugel I mit der Beschichtung 2 versehen werden, wie Fig. 4 zeigt. Die Tabelle 5 zeigt, daß so beschichtete Wälzlager eine längere Lebensdauer als Wälzlager haben, bei denen alle Kugeln I die Beschichtung 2 aufweisen.

In diesem Falle sind die Kugeln 1 mit der Beschichtung 2 durchmessermäßig größer als die unhexchichlelcn Kugeln 1, und /war um den Beirat, der der Starke der Beschichtung 2 einspricht. Die beschichteten Kugeln 1 tragen die Lagerbelaslung. wahrend die unbeschichteten Kugeln als Abstandshalter dienen. Temperatur:
Umgebungsdruck:

Umdrehungsgeschwindig
keit:

Lager-Druekbclastung:

Zimmertemperatur «= IO ⁵ Torr

3,200 Upm

15 kp

Obwohl die oben beschriebenen Ausführungsformen Kugellager sind. Ist die Erfindung auch vorteilhaft anzuwenden für andere Wälzlager niedriger Reibung, wie Kugeliger und sphärische Lager.

Bislang war man der Meinung, daß der Käfig dazu führt, die Ablösung einer Beschichtung vom Wälzkörper zu beschleunigen, jedoch zeigt der Käfig bei erfindungsgcmaßcn Wälzlagern keine nachteiligen Einflüsse auf die (Ji)UI- oder Silberschicht 23. Fr kann vielmehr seine Funktion voll erfüllen, so dall es nlchl notwendig Ist, eine Kille für die Kugeln aus/uhllden. Dadurch wird die Anzahl von Arheitsschrllten bei der Fertigung vorteilhaft verringert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Reibungsannes Wälzlager mit Wälzkörpern und diese führenden Lagertellen aus einer Eisenlegierung, wobei mindestens einige Wälzkörper und gegebenenfalls auch andere Lagerteile mit einer Beschichtung mit einer auf eine metallische Zwischenschicht aufgebrachten AuUenschlchl aus schmierwirksamem Metall versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung jeweils

   Kl