DE60103152T2

DE60103152T2 - Lager mit amorpher borcarbidbeschichtung

Info

Publication number: DE60103152T2
Application number: DE2001603152
Authority: DE
Inventors: L. Gary DOLL
Original assignee: Timken Co
Current assignee: Timken Co
Priority date: 2000-06-06
Filing date: 2001-05-24
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2021-05-25
Also published as: AU7498801A; EP1290239B1; WO2001094657A3; WO2001094657A2; US6517249B1; EP1290239A2; ATE266105T1; DE60103152D1

Description

Technisches Sachgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Wälzlager und speziell eine Beschichtung für das Lager, welche die Beständigkeit des Lagers gegen Haft- und Schleifabrieb erhöht und die Betriebstemperatur des Lagers verringert, um zu ermöglichen, daß das Lager eine längere Nutzungsdauer aufweist.
Stand der Technik
In dem Versuch, die Wirksamkeit, Leistung und Verlässlichkeit von Maschinenausrüstung zu erhöhen, haben Wälzlager die Grenzen ihrer Tragfähigkeit erreicht. Zusätzlich arbeiten Lager nicht immer in ihrem idealen Zustand von elastisch-hydrodynamischer Schmierung, sondern in Betriebszuständen, die erhöhten Abrieb zur Folge haben: wie Gemischtschichtschmierung, Grenzschichtschmierung, Trockenbetrieb, oder durch Schleifmittelteilchen verursachter Abrieb.
In der elastisch-hydrodynamischen Schmierung sind die Rollelemente des Lagers durch einen unterstützenden Schmierfilm abgetrennt, welcher es ermöglicht, daß Lager ihre größtmögliche Lebensdauer erreichen. Unter normalen Betriebsbedingungen ist die maximale Lebensdauer primär durch die Festigkeit des Lagermaterials bestimmt.
In Gemischt- oder Grenzschichtschmierungssituationen entwickeln sich während des Betriebs keine unterstützenden Schmierfilme. Unter Roll- und Gleitkontakt berühren die Oberflächenunebenheiten der Lagerelemente (d. h. die Rollelemente und die Laufrillen) sich gegenseitig, die Oberflächen leiden aufgrund des Abriebs, und die Lebensdauer des Lagers ist verringert.
Obwohl der Trockenlauf keine erwünschte Betriebsbedingung ist, sind Rollelementlager oftmals einem unbeabsichtigten oder momentanen Ölverlust unterworfen. Manchmal kann der mit diesem Ölverlust verbundene übermäßige Abrieb potentiell katastrophale Beschädigung der Maschinenausrüstung verursachen.
Heutzutage wird den Abriebproblemen primär mit sehr hohen Stahlreinheitsgraden, ausgeklügelten Wärmebehandlungsverfahren, neuen Schmiermitteln und verbesserten Dichtungen entgegengetreten. Diesen Abriebproblemen kann auch durch das Aufbringen von Beschichtungen mit spezifischen mechanischen Eigenschaften auf den Lagerelementen entgegengetreten werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Es wurde festgestellt, daß, wenn die Kugel- bzw. Rollelemente und Laufrillen von Wälzlagern mit einer amorphen Borcarbidbeschichtung beschichtet werden, die Betriebsleistung der Lager dramatisch erhöht wird. Borcarbid zeigt hohe Abrieb- bzw. Verschleißbeständigkeit, Formbeständigkeit und Festigkeit. Borcarbid mit einer ungefähren Stöchiometrie von B₄C ist das im Moment dritthärteste bekannte Material nach Diamant und kubischem Bornitrid. Die extreme Härte von Borcarbid macht es beständig gegen Abrieb durch Abriebteilchen und abriebbeständig im Hinblick auf Oberflächenunebenheitskontakt. Borcarbid ist höchst nützlich für mechanische Komponenten, wenn es keine Fernstrukturordnung besitzt. Diese zusammenhangslose oder amorphe Form von Borcarbid leidet typischerweise nicht unter den großen Kompressionsbelastungen, die andere harte Beschichtungen besitzen. Dementsprechend können tribologische Beschichtungen mit ausreichender Dicke und mit hervorragenden Haftfestigkeiten mit Stahl verwirklicht werden. Zusätzlich weisen amorphe Borcarbidbeschichtungen auch eine sehr gute Bruchzähigkeit auf und sind gegen Mechanismen der Rißausbreitung beständig, die in kristallinen Beschichtungen auftreten.
Die Borcarbidbeschichtung kann mittels physikalischer und/oder chemischer Gas phasenabscheidungsverfahren aufgebracht werden. Während mittels chemischer Gasphasenabscheidungsverfahren abgeschiedene Beschichtungen üblicherweise mit sehr hohen Substrattemperaturen gewachsen werden, können mittels physikalischer Gasphasenabscheidungsverfahren abgeschiedene Borcarbidbeschichtungen bei Temperaturen gewachsen werden, die deutlich unter den Temperpunkten von niedriglegierten Stählen liegen.
Borcarbidbeschichtungen können mit oder ohne eine Haftverstärkungs- oder Zwischenschicht, die etwa 0,1 mm dick ist, auf Substrate aufgebracht werden. Die Zwischenschicht ist ein Metall wie Titan oder Chrom. Die Zwischenschicht kann auch durch das Diffundieren von Bor- und Kohlenstoftatomen in die zu beschichtende Stahloberfläche gebildet werden, beispielsweise durch das Anwenden einer hohen Vorspannung während der anfänglichen Stufen der Abscheidung.
Die Beschichtung selbst ist bevorzugt etwa 0,1 μm bis 5 μm dick, sie kann mit halbleitenden (beispielsweise Si) oder metallischen Elementen (beispielsweise Al, Ti, W oder Cr) dotiert sein, welche verwendet werden können, um die mechanischen Eigenschaften der Beschichtung zu modifizieren, sollte sich herausstellen, daß dies erwünscht ist. Eine weitere Modifizierung der mechanischen Eigenschaften von Borcarbid kann durch das Dotieren der Beschichtungen mit gasförmigen Elementen (beispielsweise H, N) erreicht werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Radialquerschnittsansicht eines typischen Wälzlagers;
2 ist eine Lateralquerschnittsansicht des Lagers entlang Linie 2-2 von 1;
3 ist ein Mikrobild einer Borcarbidbeschichtung mit einer offenen Mikrostruktur;
4 ist ein Mikrobild einer Borcarbidbeschichtung mit einer dichten Mikrostruktur;
5A und 5B sind Mikrobilder der Borcarbidbeschichtung nach einem Rockwell-Hafttest, wobei 5A schlechte Haftung der Beschichtung zeigt und 5B gute Haftung der Beschichtung zeigt;
6 ist ein Schaubild, in welchem die relative Lebensdauer eines Lagers, in dem die Borcarbidbeschichtung auf die Laufrillen aufgebracht wurde, mit einem unbeschichteten Lager verglichen wird;
7 ist ein Schaubild, in welchem die relative Lebensdauer eines Lagers, in dem die Borcarbidbeschichtung auf die Laufrillen aufgebracht wurde, mit einem unbeschichteten Lager, verglichen wird, wobei die Lager in einer mit Abriebteilchen schwangeren Umgebung betrieben werden; und
8 ist ein Schaubild, in welchem die mittels eines Kegelrollenlagers, in welchem die Drehschiene/Rolle-Endkopplungsstelle („rib-roller end interface") des Lagers mit der Borcarbidbeschichtung beschichtet ist, erhältlichen relativen Betriebsgeschwindigkeiten mit einem unbeschichteten Lager verglichen werden, wobei die Lager in einer Ölnebelschmierungsumgebung betrieben werden.
Entsprechende Bezugszeichen werden für jede der zahlreichen Figuren der Zeichnungen verwendet.
Beste Ausführungsform der Erfindung
Die folgende detaillierte Beschreibung veranschaulicht die Erfindung mittels Beispiel und nicht mittels Beschränkung. Diese Beschreibung wird einen Fachmann klar in die Lage versetzen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden, und beschreibt, von dem angenommen wird, daß es die beste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
Ein Lageraufbau 10 ist in den 1 und 2 gezeigt. Das Lager beinhaltet einen Innenlaufring 12 und einen Außenlaufring 14, welcher den Innenlaufring 12 umgibt und von dem Innenlaufring 12 beabstandet ist. Eine Mehrzahl von Rollelementen 16 ist in dem ringförmigen Raum zwischen den Laufringen 12 und 14 angeordnet. Die Rollelemente 16 sind als Kugeln gezeigt, könnten aber jegliche andere Art von Rollelement sein, das in einem Rotationswälzlager gefunden wird. Die Kugeln 16 berühren hier den Innenlaufring 12 entlang einer Laufrille 18 und berühren den Außenlaufring 14 entlang einer Laufrille 20. Die beiden Laufrillen 18 und 20, welche die kritischen Oberflächen der Laufringe 12 und 14 darstellen, nehmen die Form von Rillen an, welche im Querschnitt konkav sind, wobei die Krümmung im allgemeinen mit der Krümmung der Kugeln 16 übereinstimmt. Zusätzlich beinhaltet das Lager 10 ein Gehäuse 22 mit Aussparungen, welche die Kugeln 16 aufnehmen. Das Gehäuse 22 behält die geeignete Beabstandung zwischen den Kugeln bei. Obwohl in den 1 und 2 ein Kugelzapfenlager gezeigt ist, ist anzuerkennen, daß die vorliegende Erfindung genauso auf andere Lagerarten anwendbar ist, wie beispielsweise die verschiedenen Arten der Rolllager.
Es wurde festgestellt, daß der Lageraufbau durch das Beschichten der Rollelemente 16 und der Laufrillen 18 und 20 des Innen- und Außenlaufrings 12 und 14 mit einer amorphen Borcarbidbeschichtung erhöhte Haft- und Schleifabriebsbeständigkeit aufweist. Dies ermöglicht, daß das Lager eine niedrigere Betriebstemperatur aufweist (wenn es mit einem unbeschichteten Lager verglichen wird), um höhere Drehzahlen zu erreichen und eine erhöhte Leistungsdichte aufzuweisen. Bevorzugt weist die Beschichtung eine ungefähre Stöchiometrie von B₄C auf und wird auf die Lagerelemente zu einer Dicke von etwa 0,1 μm bis etwa 0,5 μm aufgebracht. Die Beschichtung wird mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) aufgebracht, kann aber auch mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) oder eines Hybrid-PVD/CVD-Verfahrens aufgebracht werden.
I. Beschreibung des Verfahrens, um Lager zu beschichten
Wie bemerkt, kann die Borcarbidbeschichtung mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD), physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) oder einer Kombination von beiden aufgebracht werden. In einem CVD-Verfahren können Bor-enthaltende Gase wie BCl₃ oder B₂H₆ mit Gasen wie CO oder CH₄ in einem Vakuumofen kombiniert werden, um Borcarbidbeschichtungen zu bilden. Die Reaktionen können wie folgt beschrieben werden:
Um die erwünschten chemischen Reaktionen zu erzeugen, wird das CVD-Verfahren entweder bei hoher Temperatur oder in einem Plasma durchgeführt. Die Stöchiometrie der Borcarbidbeschichtung ist durch die relativen Flußraten der Bor- und Kohlenstoff-enthaltenden Gase bestimmt. Normalerweise wird eine Stöchiometrie von B₄C angestrebt, obwohl auch andere Stöchiometrien erwünscht sind. Für tribologische Beschichtungen im allgemeinen und Lagerbeschichtungen im speziellen ist eine amorphe Form von B₄C erwünscht. Der Grund dafür ist, daß kristalline, keramische Beschichtungen empfänglicher für eine Rißbildung und -ausbreitung als amorphe Phasen sind. Amorph wird hierin definiert, Beschichtungen zu beschreiben, die wenig oder keine Fernkristallordnung aufweisen. Um amorphe Beschichtungen zu erhalten, muß das Borcarbid bei Substrattemperaturen deutlich unter dem Schmelzpunkt der erwünschten Borcarbidphase abgeschieden werden. Für B₄C entspricht dies T_m = 2420°C. Gleichzeitig ist es notwendig, daß die Borcarbidbeschichtung mit ausreichender Adatombeweglichkeit aufgebracht wird, um sicherzustellen, daß die Beschichtung eine dichte Mikrostruktur bildet. Eine ausreichende Adatombeweglichkeit betrifft die Fähigkeit der abgeschiedenen Atome (in diesem Fall sind Bor und Kohlenstoff die Adatome), um sich auf der Oberfläche zu bewegen oder zu fließen, anstatt festzuhängen, wo sie zuerst auftreffen. Eine offene Stabstruktur (wie in 3 gezeigt) ist für tribologische Beschichtungen unerwünscht, da die Art der Mikrostruktur den Bruch der Stabkristalle bzw. -körner fördert, was zu einem übermäßigen Abrieb und Abriebteilchenbildung führt. Die Adatombeweglichkeit ist durch die Substrattemperatur und die kinetische Energie der eintreffenden Atome bestimmt. Wenn ein Plasma in ein CVD-Verfahren einbezogen wird, kann die kinetische Energie der eintreffenden Spezies durch eine elektrische Vorspannung des Substrats erhöht werden. Diese Vorspannung kann entweder vom AC- oder DC-Typ sein. Ohne ein Plasma wird die Adatombeweglichkeit in einem CVD-Verfahren nur durch die Substrattemperatur geregelt.
In einem PVD-Verfahren kann Borcarbid direkt aus Festphasenmaterialien wie Bor, Kohlenstoff oder Borcarbid abgeschieden werden. Das bekannteste PVD-Verfahren, welches verwendet wird, um Borcarbidbeschichtungen abzuscheiden, ist das Magnetron-Sputtern. Bor- und Kohlenstoffspezies werden mittels eines leicht zu ionisierenden Gases wie Argon von Festphasentargets gesputtert. Die gesputterten Atome kondensieren anschließend auf Substraten (in diesem Fall Rollelementlager). Die erwünschten Eigenschaften der mittels PVD-Verfahren gewachsenen Borcarbidbeschichtungen sind die gleichen wie diejenigen, welche vorstehend für die CVD-Verfahren diskutiert wurden.
Abscheidungsverfahren, welche eine Kombination von PVD- und CVD-Verfahren verwenden, können auch zum Abscheiden von Borcarbidbeschichtungen verwendet werden. Ein Beispiel für ein solches Verfahrens ist eines, in welchem Bor in der Gegenwart eine Kohlenwasserstoffgases wie CH₄ (CVD) gesputtert wird (PVD). Die erwünschten Eigenschaften von in diesem Hybridverfahren gewachsenen Borcarbidfilmen sind auch mit den vorstehend diskutierten identisch.
Unabhängig von der Verfahrensart (CVD, PVD oder Hybrid) gibt es ähnliche Schritte in dem Abscheidungscyclus. Der erste Schritt ist üblicherweise ein Plasmaätzen des Substrats (d. h. der zu beschichtenden Laufrille oder des Rollelements). Hier wird das Substrat auf eine relativ hohe Spannung (beispielsweise –500 VDC) vorgespannt, und Argongas wird in die Abscheidungskammer eingespeist. Das Argon wird in der Gegenwart des starken elektrischen Feldes ionisiert, und Argonionen prallen auf das Substrat auf, wobei Verunreinigungen von der Oberfläche gesputtert werden. Die Dauer dieses Schritts hängt von der anfänglichen Sauberkeit der Substratoberfläche ab. Der Argongasdruck und die Flußrate hängen von der Geometrie der Abscheidungskammer und der Art der dem Substrat zugeführten Vorspannung (AC gegen DC) ab. Die Vorspannung, Flußrate und Gasdruck werden typischerweise eingestellt, um die notwendige Substratvorspannungsdichte bereitzustellen, um das Substrat ausreichend zu ätzen.
Borcarbid bindet nicht inhärent gut an Stahl. Deswegen werden Zwischenschichten verwendet, um zwischen dem Stahl und der Beschichtung überzugehen. Eine gute Zwischenschicht kann durch das Aufbringen eines Metalls wie Titan oder Chrom auf das Substrat bewerkstelligt werden. Ein anderer Weg, eine gute Zwischenschicht zu bilden, ist, Bor- und Kohlenstoffatome in die zu beschichtende Stahloberfläche zu diffundieren. Dies kann durch das Anlegen einer hohen Vorspannung (etwa –250 V bis etwa –1000 V) während der anfänglichen Stufen der Abscheidung der Borcarbidbeschichtung bewerkstelligt werden. Die angelegte Spannung kann entweder AC oder DC sein. Wenn eine AC-Spannung angelegt wird, kann eine geringere Spannung verwendet werden. Die Wechselwirkung der energetischen Argonionen erwärmen den nahen Oberflächenbereich des Stahls, was das Diffundieren der Bor- und Kohlenstoffatome in den Stahl ermöglicht. Typischerweise ist diese Zwischenschicht bei abgeschiedenem Metall etwa 0,1 mm dick, aber bei Diffusion sehr viel geringer.
Wenn ein Metall als eine Zwischenschicht verwendet wird, wird es üblicherweise als erwünscht betrachtet, allmählich zwischen dem reinen Metall und der Borcarbidbeschichtung überzugehen. Beim Magnetron-Sputtern kann dies durch das Verringern des an den Metalltargets angelegten Stroms während gleichzeitigem Erhöhen des an den Borcarbidtargets angelegten Stroms bewerkstelligt werden. Wenn der an den Metalltargets angelegte Strom das erwünschte Niveau erreicht hat, ist die Beschichtung aufgebracht. Die Dicke des Übergangsbereiches hängt von den Abscheidungssystemeigenschaften ab, ist aber typischerweise in der Größenordnung der Zwischenschicht. Der Zweck dieses Übergangsbereiches ist es, eine erwünschte Beschichtungsmikrostruktur zu initiieren und mögliche übermäßige Belastungsbildung in der Beschichtung aufgrund thermo-mechanischer Wirkungen zu vermeiden, die bei plötzlichen Übergängen zwischen verschiedenen Materialarten auftreten können. Beispielsweise würde das direkte Abscheiden von B₄C auf Chrom einen metall-keramischen Übergang ergeben, der unter thermischen Ausdehnungsfehlanpassungen und einer statistischen Verstärkung für mechanischen Bruch leiden könnte.
Der letzte Schritt in der Abscheidung ist das Aufbringen der Borcarbidbeschichtung selbst. Wie vorstehend erwähnt, kann Borcarbid sowohl verschiedene stabile Stöchiometrien aufweisen als auch zusätzliche Elemente wie Metalle (beispielsweise Aluminium, Titan, Chrom, Wolfram, etc.), Gase (beispielsweise Wasserstoff, Stickstoff, etc.) und Halbmetalle (beispielsweise Kohlenstoff) enthalten. Das Zugeben von Metallen in niedrigen Konzentrationen (d. h. < 10%) neigt dazu, Festphasenlösungen M_xB_yC zu bilden, die eine größere Härte und größere Oxidationsbeständigkeit als undotiertes Borcarbid aufweisen können. Bei höheren Konzentrationen (d. h. > 10%) neigen Metalle dazu, die Bildung von Gemischtphasenkompositen zu fördern. Wenn beispielsweise mit Titan dotiert wird, bilden sich ein Gemischtphasenkomposit von TiB₂ und B₄C. Diese Kompositphasen können auch eine große Härte und andere erwünschte Eigenschaften besitzen. Das Zugeben von gasförmigen Elementen wie Wasserstoff und Stickstoff kann auch die Eigenschaften des Borcarbids entweder durch die Bildung von ternären Festlösungen (beispielsweise BCN) oder durch die Verwirklichung von neuen Gemischtphasenkompositen (beispielsweise BN/C) verändern. Das Zugeben von zusätzlichem Kohlenstoff zu der Beschichtung kann die Stöchiometrie des Borcarbids verändern oder die Bildung eines Gemischtphasenkomposits (beispielsweise B₄C/C) fördern. Die Wahl der Stöchiometrie oder Festlösungen gegen Gemischtphasenkomposite hängt von der erwünschten Funktionalität der Beschichtung ab.
Für den speziellen Fall von Wälzlagern weist jede vorstehend diskutierte Modifizierung der Borcarbidbeschichtung einen Vorteil auf, abhängig von der jeweiligen Situation oder Betriebsumgebung der Lageranwendung. Um die Lagerlebensdauer zu erhöhen, können Borcarbidbeschichtungen auf die Laufrillen der Rollelemente (Kugeln oder Walzen) oder auf die Laufrillen der Innen- und Außenringe aufgebracht werden. In einer gutgeschmierten Umgebung wird virtuell kein Kontakt zwischen den Rollelementen und den Innen- und Außenringlaufrillen erzeugt.
Obwohl Beschichtungen die Lebensdauer erhöhen können, wenn ein Lager in einer gut geschmierten Umgebung betrieben wird, wird angenommen, daß Beschichtungen nur nützen oder die Lebensdauer erhöhen, welche durch Oberflächen-initiiertes Versagen beschränkt ist. Eine Beschichtung beeinflußt keine Lebensdauerbeschränkungen, welche mit Untergrundmaterialeigenschaften verbunden sind. Die Mehrzahl von echten Lageranwendungen erfahren zu einem gewissen Maß Metall-Metallkontakt. Die Borcarbidbeschichtung erhöht die Lebensdauer in diesen Fällen durch das Bereitstellen von Sperrschichten für Haft- und Abriebwechselwirkungen. Jedes Auftreten einer Haft- oder Abriebwechselwirkung in einen Rollkontaktzustand erzeugt eine statistische Wahrscheinlichkeit für eine Ursprungsstelle eines Oberflächenrisses. Die Borcarbidbeschichtung verringert das Auftreten dieser Wechselwirkungen, wodurch die statistische Lebensdauer des Lagers erhöht wird. Um dies zu bewerkstelligen, sollte die Beschichtung härter als Stahl sein, aber elastisch genug sein, um sich an eine plastische Verformung ihres Substrats anzupassen. Die Beschichtung sollte auch eine dichte Mikrostruktur (wie in 4 gezeigt) derart aufweisen, daß diese unter cyclischen Belastungsbedingungen nicht bricht. Mit „dicht" ist gemeint, daß die Dichte der Beschichtung > 90% der Dichte des festen (d. h. kristallinen) B₄C-Materials beträgt. Die Beschichtungstopographie sollte glatt genug sein, um das Risiko des Abriebkontakts auf einem unbeschichteten Element des Lagers zu minimieren.
Es liegt in der Natur von mittels PVD- und CVD-Verfahren gewachsenen Beschichtungen, einer Druckbelastung zu unterliegen, welche sich mit der Dicke der Beschichtung maßstablich verändert. Hierfür gibt es viele Gründe, aber die maßstäbliche Veränderung hängt oft von dem Unterschied in den Elastizitätsmodulen der Beschichtung und des Substrats ab. Für B₄C bedeutet dies, daß die erwünschte Dicke der Beschichtung für typische Lagerbelastungen in der Größenordnung von etwa 0,1 μm bis etwa 5 μm liegt, um die Lebensdauer zu erhöhen.
In Wälzlagern, in denen es eine deutliche Menge an Gleitbewegung gibt (beispielsweise der Drehschiene/Rolle („rib-roller") Endkontaktpunkt in Kegelrollenlagern oder auf Tonnenlagerlaufrillen), stellen Borcarbidbeschichtungen auch eine Sperrschicht für Haft- und Abriebsabnützung bereit. Wenn die Schmiermittelfilmdicke derart gering genug ist, daß deutlicher Metall-Metallkontakt auf einem unbeschichteten Lager auftritt, kann die Borcarbidbeschichtung eine Schutzschicht bereitstellen, um Haft- und Abriebswechselwirkungen abzuwehren. Diese Wechselwirkungen können ein frühzeitiges Lagerversagen aufgrund von Verschleiß oder Festfressen verursachen. Eine Borcarbid-Stahlübergangsfläche weist keinen geringen Reibungskoeffizienten auf. Borcarbidbeschichtung sind jedoch empfänglich für Oxidation, und die anschließende Bildung von Borsäure (als ein Ergebnis der Oxidation) weist einen sehr geringen Reibungskoeffizienten gegen Stahl auf. Additive zu Schmierölen und Schmieren sind üblicherweise hoch oxidierend. Es wird angenommen, daß die che mischen Wechselwirkungen zwischen den Additiven und dem Borcarbid eine Oberfläche mit geringer Reibung auf den beschichteten Oberflächen erzeugen können. Die oxidierte Oberfläche weist eine viel größere Abnützungsrate als das unoxidierte Borcarbid auf, und es sollte angenommen werden, daß sich Borcarbidbeschichtungen in der Gegenwart von hochoxidierenden Umgebungen leichter abnützen. Die Dicke der auf Gleitkontaktbereichen aufgebrachten Borcarbidbeschichtung kann bis zu einige Mikrometer Dicke betragen (d. h. etwa 0,1 bis 5 mm), da die Belastungen üblicherweise über größere Bereiche verteilt sind und die Hertzian-Kontaktbelastung weniger als auf den Rolloberflächen beträgt.
II. Beschreibung der Eigenschaftstests
Wie vorstehend diskutiert, sind einige der wichtigeren Eigenschaften der Borcarbidbeschichtungen, welche die Leistung des Wälzlagers beeinflussen, Härte, Modul, Haftfestigkeit, Beschichtungsstöchiometrie, Amorphizität, (Kristallinitätsmangel), Topographie und Mikrostruktur. Dieses Eigenschaften, und wie sie gemessen werden, sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.
Beispiele für Borcarbidbeschichtungen, welche offene und dichte Mikrostrukturen aufweisen, sind in den 3 und 4 gezeigt. Diese Bilder wurden unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops in einer Querschnittsgeometrie gemacht. Die in 3 gezeigte Borcarbidbeschichtung wurde bei niedrigen Substrattemperaturen (weniger als etwa 150°C) und bei niedrigen Adatombeweglichkeiten gewachsen. Die in 4 gezeigte Beschichtung wurde auch bei niedrigen Substrattemperaturen (weniger als etwa 150°C), aber mit hohen Adatombeweglichkeiten gewachsen.
5A und 5B zeigen eine qualitative Messung der Haftung von Borcarbidbeschichtungen. Die Messtechnik verwendet eine Rockwell C-Diamanteinkerbung der Beschichtung und des Substrats, anschließend eine visuelle Untersuchung des eingekerbten Bereichs. Wenn die Beschichtung eine schlechte Haftung am Substrat aufweist, delaminiert diese, wie für 5A der Fall. Wenn die Beschichtung andererseits eine ausreichende Haftung aufweist, bleibt sie mit dem Substrat verbunden, wie für die in 5B gezeigte Beschichtung der Fall. Die Beschichtung delaminiert wie in 5A, wenn diese einer zu hohen Druckbelastung unterworfen ist, oder wenn die Oberflächen vor dem Beschichten ungenügend gereinigt werden.
III. Beschreibung der Lagertestergebnisse
6 zeigt graphisch die Ergebnisse von Rollkontakt-Lebensdauertests von völlig fertiggestellten (geschliffen und abgezogen) Lagerlaufrillen mit einer 1 μm dicken Borcarbidbeschichtung der vorliegenden Erfindung und identischen Grundlinienlagen, die nicht beschichtet wurden. Die Mittelbalken auf dem Graph zeigen die relativen L50 Lebensdauern an, normalisiert zur Grundlinie, und die Fehlerbalken bezeichnen die oberen und unteren 65%-Vertrauensbereich. Die Borcarbidbeschichtung wurde nur auf die Innenlaufringe dieser Lager aufgebracht. Die Kugeln wurden nicht beschichtet. Aus den Daten ist ersichtlich, daß die Borcarbidbeschichtung die L50 Lebensdauern dieser Lager um über 50% vergrößerten.
7 zeigt die Lebensdauerverbesserung, welche Kegelrollenlagern, die in einer mit Abriebteilchen erfüllten Umgebung betrieben werden, mittels Borcarbidbeschichtungen der vorliegenden Erfindung verliehen wird. Die Abriebteilchen in diesem Test waren Stahlteilchen mit 5 μm Durchmesser, die mit Absicht zu dem Schmieröl zuge geben wurden. Die Mittelbalken in dem Graph bezeichnen die L15.91 Lebensdauern, normalisiert zur Grundlinie. Eine 2 μm dicke Borcarbidbeschichtung der vorliegenden Erfindung wurde auf die Lagerlaufrillen aufgebracht, und diese stellte etwa eine 3,8-fache Erhöhung in der L15.91 Lebensdauer im Vergleich zu den unbeschichteten, Grundlinien-Kegelrollenlagern bereit.
8 zeigt Testergebnisse für Kegelrollenlager, welche in einer Ölnebelschmierungsumgebung arbeiten. In dieser Umgebung ist die Drehschiene/Rolle-Endkopplungsstelle („rib-roller end interface") eines Kegelrollenlagers (wenn unbeschichtet) bei hohen Drehzahlen anfällig für Verschleiß. Die Daten in dieser Figur stellen die Höchstgeschwindigkeit dar, welche durch unbeschichtete Kegelrollenlager (Grundlinie) und Lager mit einer auf den Rollenenden aufgebrachten Borcarbidbeschichtung der vorliegenden Erfindung erhalten werden. Die Mittelbalken stellen L50 Werte dar und die Fehlerbalken stellen die oberen und unteren 65%-Vertrauensbereiche dar. Aus diesen Daten ist ersichtlich, daß die Borcarbidbeschichtung auf den Rollenenden eine 20% höhere Betriebsgeschwindigkeit erlaubt, als unter Verwendung von unbeschichteten Kegelrollenlagern in dieser Schmierumgebung möglich ist.
Da verschiedene Änderungen in den vorstehenden Bauweisen gemacht werden könnten, ohne vom Erfindungsumfang abzukommen, ist beabsichtigt, daß der gesamte in der vorstehenden Beschreibung enthaltene oder in den begleitenden Zeichnungen gezeigte Gegenstand als veranschaulichend, und nicht in einer beschränkenden Weise ausgelegt werden soll.

Claims

Wälzlager, welches einen ersten Laufring mit einer ersten Laufrille, einen gegenüber, doch von der ersten Laufrille beabstandet vorliegenden zweiten Laufring mit einer zweiten Laufrille und eine Mehrzahl von zwischen der ersten und zweiten Laufrille angeordneten Rollelementen derart aufweist, daß, wenn der erste Laufring relativ zu dem zweiten Laufring rotiert, die Rollelemente entlang der Laufrillen rollen, wobei mindestens eines) von der ersten Laufrille, der zweiten Laufrille und des Rollelements mit einer verschleißbeständigen Beschichtung beschichtet ist, wobei die Beschichtung amorphes Borcarbid umfaßt.
Wälzlager nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung eine ungefähre Stöchiometrie von B₄C aufweist.
Wälzlager nach Anspruch 2, wobei die Beschichtung eine Dichte von mehr als 90% der Dichte von festem B₄C aufweist.
Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung eine Dicke von etwa 0,1 μm bis etwa 5 μm aufweist.
Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung eine Härte von etwa 25 GPa aufweist.
Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung einen Modul von etwa 280 GPa aufweist.
Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, einschließlich einer Zwischenschicht zwischen der zu beschichtenden Lageroberfläche und der Borcarbidbeschichtung.
Wälzlager nach Anspruch 7, wobei die Zwischenschicht eine Dicke von etwa 0,1 mm aufweist.
Wälzlager nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei die Zwischenschicht ein auf die Oberfläche aufgebrachtes Metall umfaßt.
Wälzlager nach Anspruch 9, wobei das Metall Titan oder Chrom ist.
Wälzlager nach Anspruch 9, einschließlich eines Übergangsbereiches zwischen der Metallzwischenschicht und der Borcarbidbeschichtung.
Wälzlager nach Anspruch 11, wobei der Übergangsbereich eine Dicke von ungefähr gleich der Dicke der Zwischenschicht aufweist.
Wälzlager nach Anspruch 7, wobei die Zwischenschicht Bor- und Kohlenstoffatome umfaßt, die in die Lageroberfläche diffundiert sind.
Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Laufrille und die zweite Laufrille mit der Borcarbidbeschichtung beschichtet sind.
Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Teil der Rollelemente mit der Borcarbidbeschichtung beschichtet sind.
Wälzlager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung ein Dotierungsmittel beinhaltet.
Wälzlager nach Anspruch 16, wobei das Dotierungsmittel ein halbleitendes Element, ein metallisches Element, ein Gas oder ein Halbmetall ist.
Wälzlager nach Anspruch 17, wobei das halbleitende Element Si ist, das metallische Element aus der Gruppe, bestehend im wesentlichen aus Al, Ti, W, Cr und Kombinationen davon, ausgewählt ist, das Gas aus der Gruppe, bestehend im wesentlichen aus Wasserstoff, Stickstoff und Kombinationen davon, ausgewählt ist und das Halbmetall Kohlenstoff ist.
Verfahren zum Herstellen eines Wälzlagers, wobei das Lager einen ersten Laufring mit einer ersten Laufrille, einen gegenüber, doch von der ersten Laufrille beabstandet vorliegenden zweiten Laufring mit einer zweiten Laufrille und eine Mehrzahl von zwischen der ersten und zweiten Laufrille angeordneten Rollelementen umfaßt, wobei das Verfahren das Aufbringen einer Zwischenschicht auf die Oberfläche des zu beschichtenden Lagers und das Aufbringen einer amorphen Borcarbidbeschichtung über der Zwischenschicht umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Schritt des Aufbringens der Zwischenschicht das Aufbringen eines Metalls auf die Lageroberfläche umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 20, einschließlich eines Schritts des Bildens eines Übergangs zwischen der Metallzwischenschicht und der Borcarbidbeschichtung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei der Schritt des Aufbringens der Zwischenschicht einen Schritt des Diffundierens von Bor- und Kohlenstoffatomen in die Lageroberfläche umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, einschließlich eines vorbereitenden Schritts des Plasmaätzens der Lageroberfläche.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei der Schritt des Plasmaätzens das Vorspannen der Oberfläche auf eine Spannung von zwischen etwa –250V und etwa –1000V in einer Argongas enthaltenden Atmosphäre umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, wobei der Beschichtungsschritt das Abscheiden der Borcarbidbeschichtung zu einer Dicke von etwa 0,1 μm bis etwa 5 μm umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25, wobei der Schritt des Aufbringens der Borcarbidbeschichtung auf die Zwischenschicht das Wachsen der Beschichtung bei einer Substrattemperatur von weniger als etwa 150°C und mit hohen Adatombeweglichkeiten umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 26, umfassend das Plasmaätzen der Lageroberfläche vor dem Aufbringen der Zwischenschicht, wobei der Schritt des Aufbringens der Beschichtung aus amorphem Borcarbid das Aufbringen einer Beschichtung aus amorphem Borcarbid mit einer ungefähren Stöchiometrie von B₄C und einer dichten Mikrostruktur über der Zwischenschicht mittels PVD oder CVD oder einer Kombination von PVD und CVD umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei der Schritt des Aufbringens der Zwischenschicht das Aufbringen eines Metalls auf die Lageroberfläche umfaßt, wobei das Verfahren weiter einen Schritt des Bildens eines Übergangs zwischen der Metallzwischenschicht und der Borcarbidbeschichtung beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei der Schritt des Aufbringens der Zwischenschicht einen Schritt des Diffundierens von Bor- und Kohlenstoffatomen in die Lageroberfläche umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei der Beschichtungsschritt das Abscheiden der Borcarbidbeschichtung zu einer Dicke von etwa 0,1 μm bis etwa 5 μm umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei die Zwischenschicht ungefähr 0,1 mm dick ist.