DE69019032T2

DE69019032T2 - Verfahren zur Herstellung von geschmierten Lagern.

Info

Publication number: DE69019032T2
Application number: DE69019032T
Authority: DE
Inventors: Kamleshwar Upadhya
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1989-02-21
Filing date: 1990-02-20
Publication date: 1996-01-18
Anticipated expiration: 2010-02-21
Also published as: JPH02267265A; EP0384705B1; DE69019032D1; JP2680158B2; US4956858A; EP0384705A2; EP0384705A3

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Lagern mit integraler Festschmiermittel-Schmierung und insbesondere Lager zur Verwendung unter harten Umgebungsbedingungen, wie sie beispielsweise in einer Röntgenröhre angetroffen werden, wo organische Schmiermittel nicht akzeptabel sind.
Ein Hauptbestandteil einer herkömmlichen Röntgenanlage sowie einer Computertomographie(CT)anlage ist eine Röntgenröhre, welche die Röntgenstrahlquelle darstellt. Derartige Röhren enthalten ein Vakuum von etwa 10&supmin;&sup6; bis 10&supmin;&sup4; Pa (10-8 bis 10&supmin;&sup9; Torr) und arbeiten derart, daß sie einen Elektronenstrom von einer geheizten Elektrode durch eine hohe Spannung gegen eine Targetanode beschleunigen. Der Wirkungsgrad derartiger Röhren ist niedrig, weshalb als Nebenprodukt der Röntgenstrahlerzeugung eine beträchtliche Wärme in der Anode erzeugt wird.
Um die Wärmekonzentration in der Anode zu reduzieren, wird die Anode mit Drehzahlen bis hin zu 10.000 UpM gedreht, wodurch der Kathode kontinuierlich eine neue und kühlere Oberfläche dargeboten wird. Bei einer Hochleistungsröntgenröhre kann die Oberfläche der Anode Temperaturen von 3200ºC erreichen und Bereiche der Anode außerhalb der unmittelbaren Targetoberfläche können Temperaturen von etwa 1300ºC erreichen.
Ein großer Teil der in der Anode erzeugten Wärme wird durch die Glaswände der Röhre von Anodenüberzügen hohen Emissionsvermögens abgestrahlt. Selbst die Anodentragestruktur, einschließlich der Tragelager, auf denen sie uinläuft, können Temperaturen bis hin zu 450ºC erreichen. Es ist zu bemerken, daß die Anodentragestruktur einschließlich der Lager in einem evakuierten Röntgenröhren-Mantel enthalten sind.
Die kombinierte Wirkung der hohen Drehzahl, der hohen Betriebstemperaturen und einer Vakuumumgebung stellen an die Anodentragelager hohe Anforderungen. Ein Lagerschaden stellt deshalb die Hauptbegrenzung für die Standzeit der Röntgenröhre dar. Ein derartiger Schaden kann entweder von einem Lager-"schweißen", einem Fressen der Wälzelemente des Lagers in ihrem Laufring aufgrund unzureichender Schmierung oder von einem Lagergeräusch herrühren, das einen Röhrenaustausch trotz anderweitig akzeptablem Betrieb erfordert. Es wird angenommen, daß das Lagergeräusch von Oberflächenunregelmäßigkeiten in den Lagern und von partikelförmigem Material innerhalb des Laufrings herrührt, entweder von Fremdsubstanzen, die in das Lager während der Lagerherstellung eingeschlossen wurden, oder Partikel, die von den Lagern selbst abgeschieden werden.
Die extreme Betriebstemperatur von Röntgenröhren sowie ihre intern evakuierte Umgebung schließen von vornherein die Verwendung organischer Schmiermittel auf Röntgenröhrenlagern aus. Bei dieser Anwendung würden organische Schmiermittel sich schnell zersetzen oder verdampfen. Die Industrie hat deshalb ihre Aufmerksamkeit auf Feststoffschmiermittel zur Verwendung mit derartigen Lagern gerichtet, einschließlich Metallen, wie beispielsweise Blei, Silber und Gold, und verschiedenen Nicht- Metallen, wie beispielsweise Molybdändisulfid und Niobdisalinid.
Die Verwendung von Metallen, insbesondere von Silber, als Schmiermittel ist mit dem Problem verbunden, das Lagersubstrat mit Schmiermittel zu überziehen, um eine Entschichtung des Schmiermittels von dem Lagersubstrat unter Betriebsbedingungen zu verhindern. Die niedere Haftfähigkeit, die Silber zu einem guten Schmiermittel in Werkzeugstahllagern macht, ist die Ursache, daß es einer Verbindung mit den Lagerelementen widersteht.
Dieses Problem der Schmiermittelhaftung ist im Stand der Technik durch die Verwendung mehrfacher plattierter Zwischenschichten aus unterschiedlichen Materialien entgegengetreten worden, um die Verbindung zwischen dem Stahllagerteil und dem Schmiermittelüberzug zu verbessern. Progressive elektroplattierte Schichten aus Nickel, Kupfer und Silber, die zur Ermöglichung einer gegenseitigen Diffusion erwärmt werden, sind im US-Patent Nr. 4 508 396 mit dem Titel "Method of Producing Bearing Component", erteilt am 2. April 1985, offenbart. Die Nachteile dieser Vorgehensweise bestehen darin, daß zusätzliche Schritte für die Mehrfach-Elektroplattierungsvorgänge erforderlich sind, und daß die durch die Elektroplattierung erzeugte Oberfläche relativ rauh ist und eine schwache Struktur hat. Die Dickenänderungen jeder der Mehrfachschichten können außerdem aggregieren, um das Profil der endgültigen Lagerfläche zu stören.
Die Haftung zwischem dem festen Schmiermittel und dem Lagersubstrat kann alternativ durch die Verwendung von Schleifmitteln oder Ätzmitteln erhöht werden, um die Lageroberfläche aufzurauhen, wodurch der dem Schmiermittel präsentierte Bindungsoberflächenbereich vergrößert wird. Ein derartiges Aufrauhen steht jedoch dem letztendlichen Ziel entgegen, eine glatte Schmiermittelschicht zu erzeugen, und kann eine zusätzliche Plattierungsdicke erforderlich machen, um die endgültige Oberflächenausführung zu verbessern. Wie nachfolgend erläutert wird, wird angenommen, daß eine erhöhte Schmiermittelschichtdicke die Schmierwirkung der Schicht vermindern kann. Wenn das Aufrauhen durch Schleifmittelstrahlen durchgeführt wird, können Schleifpartikel auf dem Lager festsitzend verbleiben und die Schmiermittelschicht zerstört oder abgelöst werden und dadurch das Röhrengeräusch erhöhen und die Standzeit des Lagers verkürzen.
Die US-A-4 097 760 offenbart eine Röntgenröhre mit einer drehbaren Anode, die durch eine Lagerstruktur getragen ist, die Abschnitte aufweist, die durch Blei geschmiert sind. Das Blei wird durch einen einzigen Plattierungsprozeß aufgetragen, um einen dünnen Film mit einer Dicke von ungefähr 10.000 Å oder weniger zu erzeugen. Das Problem mit einer derartigen Anordnung ist, daß die Dicke der Schicht die Schmiermittelwirkung tatsächlich reduziert.
Im Gegensatz dazu schafft die vorliegende Erfindung gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum gleichmäßigen Überziehen von Lagerelementsubstraten zur Verwendung in Röntgenstrahlröhren mit einem festen Schmiermittel, enthaltend die Schritte: Entfernen von Verunreinigungen von den Lagerelementsubstraten, Ionisieren des festen Schmiermittels, Anlegen einer ersten Vorspannung an die Substrate, um einen ersten Teil des ionisierten festen Schmiermittels in Richtung auf die Substrate zu beschleunigen und den ersten Teil des festen Schmiermittels unter der Oberfläche der Lagerelementsubstrate zu implantieren, um eine Implantationsschicht zu erzeugen, Anlegen einer zweiten Vorspannung an die Substrate, um einen zweiten Teil des ionisierten festen Schmiermittels in Richtung auf die Substrate zu beschleunigen und den zweiten Teil des festen Schmiermittels direkt auf die Implantationsschicht zu plattieren, um eine plattierte Schicht mit einer Gleichförmigkeit innerhalb ± 100 Å zu bilden.
Gemäß einem-zweiten Aspekt schafft die Erfindung eine Röntgenröhre enthaltend einen evakuierten Mantel, eine Anode und eine Kathode, die in dem Mantel enthalten sind, eine Lagereinrichtung zur Halterung der Anode, wobei die Lagereinrichtung ein Lagersubstratmaterial mit einer Implantationsschicht des festen Schmiermittels aufweist, wobei die Implantationsschicht mit einer Ionen-plattierten Schicht überdeckt ist, die durch eine durch Plasma unterstützte Ionen-Plattierung mit einer Schicht aus festem Schmiermittel plattiert ist.
Gemäß einem dritten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Lager mit benachbarten Lagerelementen, die aus einem Substratmaterial mit kontaktierenden Laufflächen zusammengesetzt sind, wobei ein oder mehr Lagerelemente eine Ionen-plattierte Schicht aus festem Schmiermittel hat, das auf die äußere Oberfläche einer Implantationsschicht des festen Schmiermittels plattiert ist, wobei die Implantationsschicht sowohl festes Schmiermittel als auch Substratmaterial aufweist.
Die vorliegende Erfindung verwendet ein dreistufiges Schmiermittel-Beschichtungs- oder Überziehverfahren, das aus einer Reinigungsstufe, durch die beispielsweise durch ein Zerstäubungsverfahren Verunreinigungen von dem Lagermaterial entfernt werden, einer Implantierungsstufe, die dazu dient, das Verbinden des Schmiermittelmaterials mit dem Lagersubstrat zu verbessern, und einer vorzugsweise Plasma-unterstützten Plattierungsstufe besteht, die einen dünnen Überzug aus festem Schmiermittel direkt auf dem Lager aufträgt. Die Zeitsteuerung jeder Stufe, die Temperatur des Lagers, die das Lager umgebende Atmosphäre und die letztendliche Dicke der Schmiermittelschicht sind kritisch für ein optimales Schmiervermögen oder einen niedrigen Reibungskoeffizienten und die Haltbarkeit des Schmiermittels und wird im einzelnen durch die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform nachfolgend erläutert.
Das zu beschreibende Verfahren schafft eine Möglichkeit, feste Schmiermittel auf einem unähnlichen oder verschiedenen Substrat aufzutragen, ohne die Oberflächenrauhheit des Substrats zu erhöhen oder die sphärische Gestalt oder andere Abmessungsaspekte der endgültigen Lageroberfläche zu verschlechtern. Das Ionenplattierungsverfahren erlaubt das Auftragen einer dünneren und gleichmäßigeren Schmiermittelschicht als sie durch Techniken erzeugt werden kann, wie beispielsweise Elektroplattieren oder -polieren. Das Ionenplattieren erzeugt außerdem eine glattere Oberflächenausführung. Das Verbinden einer Ionenplattierungsschicht direkt mit dem Stahlsubstrat wird durch Oberflächenionenimplantieren durchgeführt, das die Verbindungseigenschaften des Substrats verbessert. Dieses direkte Auftragen der festen Schmiermittelschicht auf dem Lagersubstrat beseitigt die Notwendigkeit für Zwischenschichten aus Übergangsmaterialien zur Fördern der Verbindung und beseitigt dadurch die Dickenschwankungen und die Rauhheit von diesen Schichten.
Das beschriebene Verfahren reduziert die Kosten beim Auftragen fester Schmiermittel. Die Zerstäubungs- und Ionenimplantierungsstufen können unmittelbar vor der Plattierungsstufe sowie mit derselben Ausrüstung durchgeführt werden. Die Verwendung des Ionenplattierens und das Auftragen extrem dünner Schichten von Schmiermaterial, weniger als 1000 Å, reduziert die Kosten der teuren Schmiermaterialien bei der Verwendung und hinsichtlich des Ausschusses. Die Beseitigung der Notwendigkeit für Übergangs schichten zur Förderung der Schmiermittelanbindung reduziert auch die Verarbeitungskosten der Lager.
Das Verfahren reduziert außerdem die Neigung zum Ablösen oder Abblättern von Schmiermittelpartikeln von den Lagern während des Einsatzes. Obwohl die Anmelderin nicht wünscht, an eine spezielle Theorie gebunden zu werden, wird angenommen, daß eine zu dicke Schicht aus festem Schmiermittel die Neigung der Schicht fördert, sich von den sich vorschiebenden Lagerkontaktoberflächen "abzuschälen" und Schmiermittelpartikel von seiner Oberfläche abzulösen. Es wird angenommen, daß diese Partikel zum Lagergeräusch und -schaden beitragen und eine Hochspannungsinstabilität in der Röntgenröhre verursachen. Die Anmelderin hat festgestellt, daß dünne, äußerst gleichmäßige Schmiermittelschichten den effektiven Reibungskoeffizienten des überzogenen Lagers durch ein Reduzieren des Abschälens und durch ein Vermindern der Menge des Lagermaterialmehls, das von dem Lager freikommt, verringert. Die Anwendung der Ionenplattierung direkt über der Substratfläche ohne die Verwendung von Zwischenverbindungsschichten oder einem Oberflächenaufrauhen erlaubt eine präzise Steuerung der Schmiermitteldicke. Eine dünnere Schmiermittelschicht reduziert auch die Schmiermittelverformung, die zu einem Abschälen führt und den effektiven Reibungskoeffizienten im Lager vermindert.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht in der Verbesserung der Oberfläche und der physikalischen Eigenschaft der Schmiermittelschicht. Das plattierte Lager wird in einem sehr hohen Vakuum (10&supmin;&sup5; Pa - 10&supmin;&sup7; Torr) abgekühlt, um die Oberflächenoxidation zu reduzieren, die später zu einer Schmiermittelablösung beiträgt. Das Ionenplattieren wird bei erhöhten Temperaturen durchgeführt, um die Duktilität der festen Schmiermittelschicht zu verbessern und außerdem die Schmiermittelablösung zu reduzieren. Das Ionenplattieren wird in der Anwesenheit von ionisiertem Argon durchgeführt, von dem angenommen wird, daß es eine gleichmäßigere und gleichachsige Plattierungsstruktur durch selektives Entfernen mikroskopischer "Spitzen" in der plattierten Oberfläche und allgemein das Dispergieren der Plattierungssilberionen fördert. Die resultierende Gleichmäßigkeit reduziert sowohl direkt den Reibungskoeffizenten des Lagers durch Verbessern der Oberflächenkontaktdynamik und reduziert indirekt den Reibungskoeffizienten des Lagers durch Reduzieren des spezifischen Oberflächenbereichs, der einer Oxidation ausgesetzt ist, und dadurch die gesamte Ausbildung von Oxidpartikeln, die abblättern können.
Die vorstehend genannten sowie weitere potentielle Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hervor, die als nichtbeschränkendes Beispiel in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erfolgt; es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise Schnittansicht einer Lagerkugel unter Darstellung vergrößerter Einzelheiten der festen Schmiermittelschicht sowie der Zone einer oberflächlichen Ionenimplantation auf dem Lagersubstrat,
Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Ionenplattierungsvorrichtung die zur Verwendung bei der Verarbeitung der Lagerkugel von Fig. 1 geeignet ist,
Fig. 3 eine vereinfachte perspektivische Ansicht des Plasma- Einschließungszylinders der Ionenplattierungsvorrichtung von Fig. 2,
Fig. 4 eine Aufsicht eines in dem Einschließungszylinder von Fig. 3 gehaltenen Schüttelkorbs, der die Lagerkugeln während der Verarbeitung trägt,
Fig. 5 ein Flußdiagramm der Lageroberflächenverarbeitung gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 6 eine Schnittansicht einer Röntgenröhre, die Lagerelemente einschließt, die gemäß der vorliegenden Erfindung überzogen sind,
Fig. 7 eine detaillierte Schnittansicht einer Lageranordnung zur Verwendung in der Röntgenröhre von Fig. 6.
Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt ein mit einem festen Schmiermittel überzogenes Lager, das gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hergestellt ist, eine äußere Schmiermittelschicht 72 aus Silber von ungefähr 1000 Å. Diese Schmiermittelschicht 72 ist direkt auf dem Substrat 76 niedergeschlagen, dessen Oberfläche 74 durch eine oberflächliche Ionenimplantation behandelt worden ist, wie nachfolgend erläutert.
Das Kugellagersubstrat hat einen Durchmesser von 0,4 cm (5/32 inch) und ist gemäß den Standards der AFBMA-Klasse 10 mit einer Rockwell 45N-Härte von 70 bis 76 gemäß dem ASTM-Standard E-18 hergestellt. Das Substratmaterial ist ein Hochgeschwindigkeits- Werkzeugstahl, der der AISI-Kategorie T-15 entspricht und unter dem Handelsnamen Vasco Supreme von der Teledyne Vasco, Latrobe, Pennsylvania, gehandelt wird. Für den Fachmann ist offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung auf andere Lagerstrukturen mit Laufflächen angewendet werden kann, wie beispielsweise Walzenlager, bei denen ein zylindrisches Laufelement zwischen einem inneren und einem äußeren Laufring gehalten wird, und daß das Lagersubstrat aus anderen Stahl- oder Legierungsklassen vergleichbarer Härte und Endbearbeitung zusammengesetzt sein kann.

Schmiermittelüberziehanlage

Wie allgemein in Fig. 2 und 3 gezeigt, umfaßt ein Schmiermittelüberziehsystem, das zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet ist, einen hohlen Quarz-Vakuumzylinder 18, der durch abnehmbare Aluminiumendplatten 19 abgedichtet ist, um eine Vakuumkammer 20 zu bilden, die einer Evakuierung bis zu einem Druck von 10&supmin;&sup5; Pa (10&supmin;&sup7; Torr) zu widerstehen vermag. Nachfolgend zu erläuternde mechanische Wellen, elektrische Drahte und eine Rohrleitung verlaufen durch die Endplatten 19 mittels auf dem Gebiet der Technik bekannter Gasdichteranschlüsse. Die unterste Endplatte 19 nimmt einen Vakuumpumpdurchlaß auf, der mittels eines Nebenschlußventils 58 abwechselnd eine Verbindung mit einer Vorpumpe 62 oder einer Diffusionspumpe 60 herstellt. Die Vorpumpe 60 ist eine mechanische Rotationspumpe und führt die Anfangsevakuierung des Quarz-Vakuumzylinders ausgehend vom Atmosphärendruck durch. Die eine (nicht gezeigte) Kältefalle enthaltende Diffusionspumpe erzeugt die Endevakuierung, die erforderlich ist, um ein Feinvakuum von ungefähr 10&supmin;&sup5; Pa (10&supmin;&sup7; Torr) zu erzeugen. Angebracht an sowie kommunizierend mit der Innenseite des Vakuumpumpendurchlasses 54 ist ein Ionen-Vakuummeßgerät 62, das die Drücke in dem Quarz-Vakuumzylinder 18 mißt. In den Vakuumpumpendurchlaß zwischen dem Nebenschlußventil und der unteren Aluminiumendplatte 19 ist eine Strömungsdrossel 56 eingesetzt, deren Arbeitsweise nachfolgend erläutert wird.
In der Vakuumkammer 20 ist ein transparenter Plasma-Einschließzylinder 32 aufgehängt, der ebenfalls eine abnehmbare obere sowie untere Aluminiumendplatte 33 hat, die eine Plasmakammer 21 in der Vakuumkammer 20 bilden. Der Plasma-Einschließzylinder 32 ist nicht luftdicht. Wenn er mit seinen Endplatten 33 zusammengebaut ist, können Gase innerhalb der Plasmakammer 21 mit Gasen außerhalb der Plasmakammer 21 sowie innerhalb der Vakuumkammer 20 mittels der Spalte zwischen dem Plasma-Einschließzylinder 32 und seinen Endplatten 33 und mittels Öffnungen 31 kommunizieren, welche vorwiegend in Richtung auf die Oberseite der Plasmakammer 21 angeordnet sind. Gasförmiges Argon, das mittels des Rohrs 28 durch die untere Endplatte 33 der Plasmakammer eingelassen wird, strömt allgemein vom Boden zur Oberseite der Pasmakammer 21 und hinaus in die Vakuumkammer 20 durch die Öffnungen 31. Das Argonrohr 28 verläuft durch die Bodenvakuumkammer-Endplatte 19 zum Meßventil 24, um unter Druck stehendes Argon aus dem Argonzylinder 22 einzulassen.
Ein widerstandsgeheiztes Schiffchen 48, das eine kleine Menge an Silber 65 enthält, ist über der unteren Endplatte 33 in der Plasmakammer 21 gehalten. Eine Heizenergieversorgung 52 ist an das widerstandgeheizte Schiffchen 48 derart angeschlossen, daß ein elektrischer Strom zugeführt wird, um das Schiffchen auf zuheizen und das in dem Schiffchen enthaltene Silber 65 in der erforderlichen Weise zu schmelzen. Die Temperatur des Schiffchens 48 kann bis auf den Schmelzpunkt des Schmiermittels oder ungefähr 960ºC erhöht werden.
Eine Hilfanode 46, die eine Öffnung 45 enthält, ist über dem Schiffchen 48 derart positioniert, daß die Öffnung 45 um das Silber 65 zentriert ist. Die Hilfsanode 46 ist an der unteren Endplatte 33 mittels eines elektrisch leitenden Ständers 47 befestigt, der seinerseits durch eine geflochtene Anodenleitung 49 an den positiven Anschluß der Hochspannungsenergieversorgung 50 angeschlossen ist. Die Hochspannungsenergieversorgung 50 ist eine Gleichstromenergieversorgung, durch die bis zu 3000 Volt zugeführt werden können.
Über der Öffnung 45 der Hilf sanode 46 ist eine Blende 44 an einer Welle 30 befestigt, die durch die obere Endplatte 33 verläuft. Die Welle 30 ist ihrerseits mit einer flexiblen Welle 34 verbunden, äie durch die obere Endplatte 19 verläuft und in einem Knopf 12 endet. Die Drehung des Knopfs 12 dient dazu, die Blende 44 über die Öffnung 45 oder von dieser weg zu schwenken.
Zehn Zentimeter (4 inch) über dem Silber 65 und in direkter Sichtlinie zum Silber 65, wenn die Öffnung 45 nicht abgedeckt ist, befindet sich ein Schüttelkorb 42. Wie in Fig. 4 gezeigt, umfaßt der Schüttelkorb 42 einen Aluminiumring 84, der durch Speichen 82 an eine zentrale Nabe 80 angeschlossen ist Ein Silbernetz 43 ähnlichen Durchmessers wie der Ring 84 ist an der unteren Fläche des Rings 84 und den Speichen 82 befestigt, um eine flache Fangvorrichtung zu bilden, deren Wände die Speichen 82, der Ring 84 und die Nabe 80 sind und deren Boden das Netz 43 ist und die zusammen den Schüttelkorb 42 bilden. Der Schüttelkorb 42 enthält die Lagerkugeln 70 während des Überziehprozesses. Das Netz 43 ist aus demselben Material zusammengesetzt, das als festes Schmiermittel plattiert werden soll, nämlich Silber, so daß die Oberflächeverunreinigung der Lagerkugeln 70 während des Überziehprozesses reduziert ist.
Erneut mit Bezug auf die Fig. 2 und 3 ist der Schüttelkorb 42 an einer elektrisch leitenden vertikalen Welle 37 befestigt, die frei drehbar ist und sich durch die obere Endplatte 33 mittels einer isolierten Laufbuchse 35 erstreckt und die mit der Motorwelle 38 mittels eines elektrisch isolierenden Verbinders 39 verbunden ist. Die leitende Welle 37 ist mittels einer geflochtenen Kathodenleitung 40 an den negativen Anschluß der Hochspannungsenergieversorgung 50 angeschlossen. Die Motorwelle 38 verläuft aufwärts durch die obere Endplatte 19 zu einem Rüttelmotor 14, der durch einen Rüttelzeitgeber 16 gesteuert wird. Eine Aktivierung des Rüttelmotors 14 durch den Rüttelzeitgeber 16 führt zu einer Drehschwingung des Rüttelkorbs 42, die eine konstante Relativbewegung zwischen dem Rüttelkorb und den Lagerkugeln 70 in erforderlicher Weise erlaubt, um ein gleichmäßiges Überziehen während des Überzugprozesses sicherzustellen.
Ein Thermoelement 10 ist am Rüttelkorb 42 angebracht, um ein Maß der Temperaturen des Rüttelkorbs 42 und der Lagerkugel 70 während des Überziehprozesses zu liefern. An die untere Fläche der oberen Endplatte 33 ist außerdem ein Dickenmonitor 36 derart befestigt, wie er in der Halbleiterindustrie zum Messen der Metallisierungsgeschwindigkeiten bei der Herstellung integrierter Schaltungen verwendet wird.

Überziehprozeß

Wie im Prozeßblock 100 von Fig. 5 gezeigt, werden die Lagerkugeln 70 zunächst in aufeinanderfolgenden Ultraschall-bewegten Alkohol- und Methylchlorid-Bädern von Lösungsmitteln gereinigt, um das Instrumentenöl zu entfernen, mit dem die Lager durch den Hersteller überzogen worden sind. Die Lager werden daraufhin luftgetrocknet und in dem Rüttelkorb 42 in der Plasmakammer 21 angeordnet.
Die Vakuumkammer 20 und die Plasmakammer 21 werden daraufhin auf 10&supmin;&sup5; Pa (10&supmin;&sup7; Torr) evakuiert, mit hochreinem Argon auf Atmosphärendruck gefüllt und daraufhin erneut auf 10&supmin;&sup5; Pa (10&supmin;&sup7; Torr) evakuiert, wie im Prozeßblock 102 dargestellt. Der Zweck dieser Prozedur besteht darin, Streugasmoleküle, wie beispielsweise Stickstoff und Sauerstoff, in angemessenem Ausmaß zu entfernen, die mit dem Silberendüberzug kombinieren könnten, um Oxide und Nitrite zu bilden, welche die Schmierfähigkeit des Silberüberzugs reduzieren könnten.
Der Rüttelzeitgeber 16 wird aktiviert, um den Rüttelkorb derart in Schwingung zu versetzen, daß eine gleichmäßige Verarbeitung der Lagerkugeln 70 während des Zerstäubungsreinigungsprozesses zu erzeugen, der durch den Prozeßblock 104 dargestellt ist. Zu diesem Zeitpunkt wird hochreines gasförmiges Argon in die Plasmakammer 21 eingeführt, wodurch der Druck aufungefähr 2780 Pa (21 m Hg) erhöht wird. Die Strömungsdrossel 56 im Vakuumpumpendurchlaß 54 verhindert eine Sättigung der Diffusionspumpe mit dem eingeleiteten Argonstrom. Die Hochspannungsenergieversorgung 50 wird auf eine Spannung von 2,5 bis 2,8 kVolt eingestellt, wodurch ein elektrisches Hochspannungsfeld zwischen der Hilfsanode 46 und dem Rüttelkorb 42 und den Lagerkugeln 70 erzeugt wird. Innerhalb dieses Felds strömende Argonatome werden ionisiert, und die dadurch aufgeladenen Argonionen werden durch das elektrische Feld in Richtung auf den Rüttelkorb unter Aufprallen auf denselben und die Lagerkugeln 70 beschleunigt. Die Wirkung der Hochgeschwindigkeits-Argonionen, die auf den Lagerkugeln 70 auftreffen, ist zweifach: 1) Oberflächenverunreinigungen werden von den Lagerkugeln 70 entfernt und 2) die Temperatur der Lagerkugeln 70 wird erhöht. Dieser Zerstäubungsreinigungsprozeß, der durch den Prozeßblock 104 dargestellt ist, wird für 3 bis 5 Minuten fortgesetzt, zu welcher Zeit die Temperatur der Lagerkugeln auf ungefähr 200 bis 250ºC angestiegen ist. Die Dauer der Zerstäubungsreinigung ist für den Prozeß kritisch. Ein zu geringes Reinigen führt dazu, daß Oberflächenverunreinigung zurückbleiben, wodurch die Haftung des darauffolgend aufgebrachten festen Schmiermittels vermindert wird. Ein zu starkes Reinigen führt dazu, daß die Oberfläche angefressen wird, wodurch die maximale Glätte der überzogenen Lageroberfläche vermindert wird. Innerhalb dieses Bereichs kann die Zeitsteuerung des Zerstäubungsreinigungsprozesses 104 eingestellt werden, um die Temperatur der Lagerkugeln 70 auf ungefähr 200ºC während des darauffolgenden Plattierungsprozesses einzustellen. Während des Zerstäubungsreinigungsprozesses 104 ist die Blende 44 über der Anodenöffnung 45 angeordnet, und das widerstandbeheizte Schiffchen 48 wird auf eine Temperatur unmittelbar unter dem Schmelzpunkt des enthaltenen Silbers 65 aufgeheizt.
Die Spannung der Hochspannungs-Energieversorgung 50 wird auf 2,8 bis 3,0 kVolt erhöht, um die oberflächliche Implantierung von Silberionen einzuleiten, wie im Prozeßblock 106 dargestellt. Dieser Schritt 106 sowie der nächste Schritt 110 sollten unmittelbar auf das Zerstäubungsreinigen 104 ablaufen, um die Möglichkeit einer chemischen Reaktion der aktivierten Lagerkugeloberflächen mit Verunreinigungen zu reduzieren. Die dem widerstandgeheizten Schiffchen 48 zugeführte Spannung wird nunmehr erhöht, um das enthaltene Silber 65 gleichmäßig zu schmelzen. Die Blende 44 wird gedreht, um die Öffnung 45 und das Silber 65 freizulegen. Verdampfende Silberatome können nunmehr in den Raum zwischen der Hilfsanode 46 und dem Rüttelkorb 42 strömen, wo sie ionisiert und in Richtung auf die Lagerkugeln 70 beschleunigt werden. Die Spannung von Anode zu Kathode ist ausreichend, um die beschleunigenden Silberionen in der Oberfläche der Lagerkugeln 70 zu implantieren. Es wird angenommen, daß die derart implantierten Silberionen innerhalb weniger Atomradien der Oberfläche der Lagerkugeln gehalten werden, die eine Oberflächenionenimplantierungsschicht bildet.
Die Oberflächenimplantierung 106 wird für 0,5 bis 1 Minute fortgesetzt, zu welchem Zeitpunkt die Spannung auf 2,0 bis 2,2 kVolt abgesenkt wird, um das Plasma-unterstützte Ionenplattieren einzuleiten, wie beim Prozeßblock 110 dargestellt. Wie erwähnt, kann die Zeitdauer des Zerstäubungsreinigungsprozesses 104 geringfügig derart eingestellt werden, daß die Lagerkugeln 70 zum Zeitpunkt des Plattierens ungefähr 200º haben. Diese Temperatur fördert eine gleichachsige Plattierungsstruktur, welche die Schmierfähigkeit des Schmiermittelüberzugs verbessert. Während des Plattierungsprozesses wird der Druck wie bei den Schritten 104 und 106 auf 18 bis 21 m beibehalten.
Der Plattierungsprozeß erfordert typischerweise ungefähr 0,5 bis 3 Minuten; zulässig ist jedoch eine gewisse Variation der Niederschlagsrate, abhängig von der Fähigkeit der Anlage, die Plattierungsparameter konstant zu halten. Demnach wird die Plattierung fortgesetzt, bis eine Schicht von ungefähr 850 bis 1150 Å erhalten wird, wie dies durch das Dickenmeßgerät 36 indirekt überwacht werden kann. Die derart erzeugte Ionenplattierungsschicht 72 kann eine gleichmäßige Dicke bis innerhalb ± 100 Å haben. Der Plattierungsprozeß erzeugt eine plattierte Schicht aus einem im wesentlichen reinen festen Schmiermittel.
Bei der Beendigung des Ionenplattierungsprozesses 110 wird der Rüttelzeitgeber 16 ausgeschaltet, und die Plattierungskammer wird erneut auf 10&supmin;&sup7; Torr evakuiert, wie beim Prozeßblock 112 dargestellt. Die Lagerkugeln 70 werden unter Vakuum auf Raumtemperatur abkühlen gelassen, um die Bildung von Oxiden und Nitriten zu verhindern, deren Ausbildung bei den hohen Plattierungstemperaturen beschleunigt wäre.

Röntgenröhre

Sobald die Lagerkugeln 70 abgekühlt sind, können sie für eine begrenzte Zeitdauer mit der Luft während ihres Einbaus in Röntgenröhren in Kontakt kommen. Wie in Fig. 7 gezeigt, werden die Lagerkugeln 70 in Lagern 150 eingebaut, die aus einem äußeren Nutlaufring 162 und einem inneren Nutlaufring 164 bestehen. Der innere Nutlaufring 164 ist in zwei gleiche Hälften entlang seiner Umfangsnut geteilt, um das Einführen von 12 Lagerkugeln 70 in die Laufringe 162 und 164 zu erlauben. Die inneren und äußeren Laufringe 162 und 164 sind aus Hochgeschwindigkeits-Werkzeugstahl aufgebaut.
Wie in Fig. 6 gezeigt, wird ein Lager 150 an jedem Ende der Lagerwelle 158 angeordnet. Eine Molybdänring 161 drückt gegen die vorderen und hinteren Lagerhalter 163, die gegen die äußeren Lagerlaufringe 162 sitzen, um die zusammengesetzten Lager 150 mit einer axialen Vorbelastung zu versehen.
Ein Ende der Lagerwelle 158 ist am Zentrum einer scheibenförmigen Anode 156 starr befestigt und außerdem an einer ringförmigen Rotorbuchse 160, welche die Lagerwelle 158 entlang ihrer Länge umgibt, und dient als Anker für einen (nicht gezeigten) Induktionsmotor, der an die Lagerwelle 158 einen Drehmoment abgibt und der die Anode 156 in Drehung versetzt. Diese gesamte Anodenanordnung ist in einem Glasmantel 154 enthalten, der bis auf 10&supmin;&sup7; Pa (10&supmin;&sup9; Torr) evakuiert werden kann. Auf die Oberfläche der Anode 156 gerichtet und außerdem innerhalb des Glasmantels 154 ist eine Kathode 152 vorgesehen, die einen Strahl hochenergetischer Elektronen in Richtung auf die Stirnseite der sich drehenden Anode 156 emittiert, wie dies auf dem Gebiet der Technik bekannt ist.
Bei dem beschriebenen Beispiel wurde das feste Silberschmiermittel lediglich auf die Lauffläche der Lagerkugeln und nicht auf die Oberfläche der beiden Laufringe aufgetragen. Die Rollflächen von einem oder beiden der Laufringe können zusätzlich oder anstatt des Überzugs auf der Lagerkugel überzogen sein, unter der Voraussetzung, daß die kombinierte Schmiermittelschicht zwischen jeweils zwei kontaktierenden Oberflächen auf ungefähr 700 bis 1500 Å aufrechterhalten wird.
Es ist ferner zu bemerken, daß, obwohl die Auftragung des festen Schmiermittels im Zusammenhang mit der Herstellung von Lagern für Röntgenröhren diskutiert worden ist, derartige Techniken gleichermaßen auf die Herstellung von Lagern für andere anspruchsvolle Umgebungen anwendbar sind, wie beispielsweise zur Verwendung in einem Weltraum-Leistungsreaktor (SP-100), bei dem organische Lösungsmittel entweder wegen niedriger Drücke oder hoher Temperaturen unbrauchbar sind, die innerhalb der Lagersysteme erzeugt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist beschrieben worden; dem Fachmann erschließen sich jedoch eine Vielzahl von Abwandlungen. Beispielsweise kann die Oberflächenionenimplantierungstechnik mit anderen festen Schmierstoffen verwendet werden, wie beispielsweise Gold und Blei, um die Haftung zu verbessern und die Schmiermittelablösung zu reduzieren. Indium und Zinn sind weitere mögliche Alternativen. Außerdem können andere Inertgase, wie beispielsweise Helium, anstelle von Argon zum Zerstäuben und zum Unterstützen des Überziehprozesses verwendet werden.

Claims

1. Verfahren zum gleichmäßigen Überziehen von Lagerelementsubstraten zur Verwendung in Röntgenröhren mit einem festen Schmiermittel, enthaltend die Schritte:

Entfernen von Verunreinigen von den Lagerelementsubstraten;

Ionisieren des festen Schmiermittels;

Anlegen einer ersten Vorspannung an die Substrate, um einen ersten Teil des ionisierten festen Schmiermittels in Richtung auf die Substrate zu beschleunigen und den ersten Teil des festen Schmiermittels unter der Oberfläche der Lagerelementsubstraten zu implantieren, um eine Implantationsschicht zu erzeugen;

Anlegen einer zweiten Vorspannung an die Substrate, um einen zweiten Teil des ionisierten festen Schmiermittels in Richtung auf die Substrate zu beschleunigen und den zweiten Teil des festen Schmiermittels direkt auf die Implantationsschicht zu plattieren, um eine plattierte Schicht mit einer Gleichförmigkeit innerhalb ± 100 A zu bilden.

2. Ver-ahren nach Anspruch 1, wobei die plattierte Schicht eine Dicke zwischen 750 A und 1600 A hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Lagerelementsubstrat während des Plattierungsprozesses auf einer Temperatur von 150º bis 250ºC gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ionen-Plattierung in einer inerten Atmosphäre bei einem Druck von etwa 2780 Pa (21 um Hg) durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verunreinigungen durch Zerstäubungsreinigung entfernt werden und die Ionen-Implantation und das Ionen-Plattieren unmittelbar nach dem Zerstäubungsreinigen ohne Kühlung der Lagerelemente folgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat in einem Vakuum nach dem Plattieren gekühlt wird, um eine Oxydation des festen Schmiermittels zu reduzieren.

7. Röntgenröhre enthaltend:

einen evakuierten Mantel;

eine Anode und eine Kathode, die in dem Mantel enthalten sind;

eine Lagereinrichtung zur Halterung der Anode, wobei die Lagereinrichtung ein Lagersubstratmaterial mit einer Implantationsschicht des festen Schmiermittels aufweist, wobei die Implantationsschicht mit einer Ionen-plattierten Schicht überdeckt ist, die durch eine durch Plasma unterstützte Ionen-Plattierung mit einer Schicht aus festem Schmiermittel plattiert ist.

8. Lager mit benachbarten Lagerelementen, die aus einem Substratmaterial mit kontaktierenden Laufflächen zusammengesetzt sind, wobei ein oder mehr Lagerelemente eine Isonen-plattierte Schicht aus festem Schmiermittel hat, das auf die äußere Oberfläche einer Implantationsschicht des festen Schmiermittels plattiert ist, wobei die Implantationsschicht sowohl festes Schmiermittel als auch Substratmaterial aufweist.

9. Lager nach Anspruch 8, wobei das feste Schmiermittel aus der aus Ag, Au, Pb, In und Sn bestehenden Gruppe ausgewählt ist und die Dicke der Ionen-plattierten Schicht, gemessen zwischen irgendwelchen zwei kontaktierenden Oberflächen, größer als 750 A und kleiner als 1600 A ist.