DE909236C - Verfahren zum Schmieren von in hohem Vakuum arbeitenden Lagern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schmieren von in hohem Vakuum arbeitenden Lagern. Eine besondere Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die zur Schmierung der Lager rotierender Anoden von Röntgenröhren.

Das Schmieren von in hohem Vakuum arbeitenden Lagern nach den bisher gewohnten Methoden ist mit Schwierigkeiten verbunden. Die üblichen öle und Fette sind in vielen Fällen ungenügend, und zwar wegen des hohen Dampfdruckes des Schmiermittels, weil bei Verwendung derartiger Mittel das Vakuum zerstört wird. In dem Gehäuse von Röntgenröhren wandert flüssiges Schmiermittel zur Anodenscheibe und verursacht hierdurch den Ausfall der Röhre. Sogar Schmiermittel, die einen außerordentlich hohen Dampfdruck haben, wie sie beispielsweise bei DifFusionspumpen Verwendung finden, haben sich für den angegebenen Zweck als ungenügend erwiesen.

Es wurde gefunden, daß blättriger Graphit, der als ein gutes Mittel zur Verringerung der Reibung in Lagern gilt, diese seine reibungsvermindernde Eigenschaft im Vakuum verliert. Bei Abwesenheit von Luft oder Gas nimmt Graphit die Eigenschaft an, abschabend zu wirken. Wenn Graphit einem im Vakuum laufenden Kugellager beigegeben wird, werden die Kugeln und ihre Laufbahnen abgeschabt, und die Oberflächen werden in kurzer Zeit rauh. Demzufolge sind die bisher üblichen Schmiermaterialien für den Gebrauch in hohem Vakuum nicht genügend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Schmieren von Lagern, die im Vakuum laufen, anzugeben.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch

gelöst, daß als Schmiermittel Molybdänsulfid, Molybdäntellurid, Molybdänselenid, Wolframsulfid, Wolframtellurid oder Mischungen von zweien oder mehreren dieser Stoffe verwendet werden.

Zweckmäßig werden die Lagerflächen nach Anbringung des Schmiermittels auf eine Temperatur über 200° C und unter der Zersetzungstemperatur des Schmiermittels gebracht und hierbei unter ίο Vakuum gehalten.

Zum besseren Verständnis der Erfindung sind in den Fig. ι und 2 eine Röntgenröhre mit rotierender, mit dem erfindungsgemäßen Schmiermittel geschmierter Anode im Achsschnitt und ein Querschnitt durch ein Kugellager samt Käfig gezeigt.

Ein für den Gebrauch im Vakuum geeignetes Schmiermittel soll einen niedrigen Dampfdruck besitzen oder einen Dampfdruck, der so niedrig ist, wie der höchste zulässige Druck in dem evakuierten Gerät für den Temperaturbereich, dem das Material unterworfen werden muß. In manchen Fällen muß der Dampfdruck unmeßbar klein sein. Ein hoher Dampfdruck würde nicht bloß die Zerstörung des as Vakuums zur Folge haben und damit die eigentliche Zweckbestimmung des Gerätes unmöglich machen, sondern auch in vielen Fällen an anderen Stellen des Gerätes Material niederschlagen und die Teile des Gerätes mit einem Überzug oder Film derart versehen, daß der Betrieb gestört würde.

Es wurde gefunden, daß Molybdänsulfid eine physikalische Struktur und chemische Eigenschaften besitzt, welche es in hohem Maße für die Verwendung als Schmiermittel für Lager im Vakuum geeignet machen. Wie sich gezeigt hat, besitzen die Kristalle von Molybdänsulfid eine Plattenstruktur, in welcher in aufeinanderfolgenden Platten die Molybdänatome im wesentlichen in derselben Ebene angeordnet sind, mit zwei Lagen von Schwefelatomen zwischen aufeinanderfolgenden Lagen von Molybdänatomen. Die Atome in jeder Lage befinden sich in einer ebenen, hexagonalen Ordnung. Ferner ist ein großer Kristall aus Molybdänsulfid aufgebaut aus Molybdänlagen, die durch starke Ionenverkettung an benachbarte Schwefellagen gebunden sind, während die aneinanderstoßenden Schwefellagen nur durch schwache, homeopolare Bindung aneinander haften. Somit besteht der Kristall aus blättrigen Körpern mit einer zentralen Molybdänatomreihe, die auf jeder Seite fest an Schwefel gebunden ist. Diese blättrigen Körper von Molybdänsulfid können daher mechanisch leicht getrennt werden in ebene Platten, die ein flockiges oder geschichtetes Aussehen und einen schmierigen Griff besitzen.

Während die Schwefellagen bei der Bildung eines vollständigen Kristalls von Molybdänsulfid nur schwach aneinander haften, besteht eine wesentlich größere Affinität derselben Schwefelatome für Metall. Daher verbinden sich die Molybdänsulfidplatten unter bestimmten Bedingungen schnell und fest mit Metall, Die Schwefelatome, die zueinander von schwacher Affinität sind, werden nicht durch ebenso große Kräfte gehalten, als jene sind, die den Schwefel an das Metall binden oder Metall an Metall. Ein metallisches Kugel- oder Walzenlager verhält sich im Vakuum wesentlich anders als inatmosphärischer Luft. Es wurde festgestellt, daß die Abwesenheit eines Luftfilms an der Oberfläche der Lagerelemente eine Kohäsion des Metalls zwischen den einzelnen Lagerelementen beim Betrieb im Vakuum zur Folge hat. Die metallischen Kugeln oder Rollen haften an dem Metall der Laufbahnen und umgekehrt; es entsteht ein Kontakt durch Kohäsion, der durch das Rollen der Kugeln oder Walzen während des Betriebes gebrochen wird. Es findet rasch eine Übertragung oder Verlagerung von Metallteilchen statt, und in kurzer Zeit entstehen sichtbare Rillen oder Vertiefungen. Sowohl die Kugeln wie ihre Laufbahnen werden rauh, das Lager arbeitet dann mit Geräusch und die Antriebskraft steigt beträchtlich. In Luft findet diese Kohäsion, die beim Betrieb im Vakuum das Aufrauhen des Lagers zur Folge hat, nicht statt, wahrscheinlich deshalb nicht, weil ein an der Oberfläche des Metalls vorhandener Gas- oder Luftfilm eine trennende Wirkung ausübt.

Bei der Einführung von Molybdänsulfid in ein Rollen- oder Walzenlager haften die Schwefelatome an den Metalloberflächen und erzeugen dort einen Schutzfilm, der die metallische Kohäsion im Vakuum verhindert. Überdies übt das Molybdänsulfid eine schmierende "Wirkung aus, was eine erhebliche Verbesserung der Lagercharakteristiken zur Folge hat. Sogar bei höherem Druck pro Flächeneinheit verhindert das Molybdänsulfid einen unmittelbaren Kontakt von Metall zu Metall. Zudem besitzt das Molybdänsulfid Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen Temperaturen; es kann bei Temperaturen bis zu 700⁰ C als Schmiermittel verwendet werden.

Das bisher behandelte Molybdänsulfid ist ein Vertreter aus der Gruppe von vier anderen, metallischen Verbindungen, die ähnliche. Eigenschaften besitzen und daher als Schmiermittel für Lager im Vakuum Verwendung finden können. Diese anderen metallischen Verbindungen sind Molybdänselenid, Molybdäntellurid, Wolframsulfid und Wolframtellurid. Jede dieser metallischen Verbindungen eignet sich für die Schmierung von Lagern in hohem Vakuum und hohen Temperaturen. no

Die Fig. 1 zeigt ein Beispiel für einen besonderen Verwendungszweck.

Diese Figur ist ein Längsschnitt durch eine Hochleistungsröntgenröhre 10 mit rotierender Anode. Die Röntgenröhre umfaßt einen Glasmantel 12, der zweckentsprechend hoch evakuiert ist, nämlich auf weniger als io~³ mm Quecksilbersäule. Die rotierende Anode 14 besteht aus einer Metallscheibe, beispielsweise einer Wolframscheibe, die bei den durch den Stoß des Elektronenstromes erzeugten hohen Temperaturen arbeitet.

Früher war die Röntgenröhre mit einer stationären Anode ausgerüstet. Infolge der hohen Heizwirkung des Elektronenstromes wurde die Leistung der stationären Anodenröhre verringert. Es wurde gefunden, daß bei Drehung der Anode 14

bei hoher Geschwindigkeit der Elektronenstrom keinen Teil der Röhre für so lange Zeit trifft, daß eine Zerstörung der Wolframfläche eintreten würde; vielmehr wird der Elektronenstrom über eine weite, periphere Fläche verteilt. Es läßt sich, mit anderen Worten, eine wesentlich höhere Leistung erzielen, wenn man die Flächenelemente der Anodenoberfläche nacheinander dem Elektronenstrom aussetzt. Die Leistung einer Röhre von gegebener Größe ίο wird hierdurch um ein Vielfaches größer als bei stationären Anoden.

Die Anodenscheibe 14 ist auf einer drehbar gelagerten Welle 16 durch einen Keil oder einen Stift 18 oder auf andere geeignete Weise befestigt. Die Welle 16 ist fest vereinigt mit dem Rotor 20, welcher der Anode 14 die erforderliche hohe Drehgeschwindigkeit verleiht. Der Rotor 20 ist auf einer stationären Welle 22 drehbar gelagert. Die Welle 22 ruht auf einem metallischen, rohrförmigen Träao ger 24, der zugleich der Erdung dient. Der Träger 24 ist mit dem Glasmantel 12 fest verbunden und bildet einen Teil der Hülle des Systems. Ein Metallstreifen 28 ist an den Träger 24 angeschweißt und in den Glasmantel 12 an der Stoßkante 26 eingeschmolzen. Für den Antrieb des Rotors 20 ist ein Stator 30 vorgesehen, der die Glashülle 12 im Bereich des Rotors 20 ummantelt, so daß durch ein rotierendes magnetisches Feld auf induktivem Weg der Rotor 20 durch den Stator 30 in Drehung versetzt werden kann. Die Schwierigkeit liegt nur in der einwandfreien Lagerung des Rotors, denn hiervon hängt es ab, ob die erforderliche hohe Drehzahl erreicht werden kann. Auf der Welle 22 befinden sich zwei Kugellager 32 zur Lagerung des Rotors 20. Diese Lager bestehen aus äußeren Laufflächen 34, inneren Laufflächen 36 und Kugeln 38. Bei einer Ausführungsform ist das Kugellager mit Abschlußteilen 40 versehen, die den Zweck haben, Kammern zur Aufnahme von Molybdänsulfid als Schmiermittel zu bilden.

Eine Art der Anwendung der metallischen Molybdänsulfidverbindung an den Lageroberflächen besteht darin, daß man die Kugeln 38 zusammen mit einer kleinen Menge von flockigem Molybdänsulfid in einen Behälter bringt. Der Behälter wird geschüttelt oder gedreht, so daß die Kugeln ringsherum in Berührung mit dem Molybdänsulfid gelangen. Es bildet sich dann ein dünner Überzug von Molybdänsulfid an der Oberfläche der Kugeln schon nach kurzem Schütteln oder Drehen. Die Menge des Molybdänsulfids an der Oberfläche der Kugeln reicht aus für die übliche Lebensdauer einer Röntgenröhre. Die Kugeln werden dann in die Laufflächen und mit diesen in die Röntgenröhre eingesetzt; sie bedürfen beim Betrieb der Röhre keiner weiteren Wartung mehr durch Zugabe von Molybdänsulfid.

In manchen Fällen erweist es sich als zweckmäßige Vorsichtsmaßnahme, zusätzlich Molybdänsulfid in jedes Lager mit einzuschließen; in einem solchen Fall werden die auf die beschriebene Weise mit einem Überzug versehenen Kugeln eingefügt, und außerdem wird eine kleine Vorratsmenge an losem Molybdänsulfid beigegeben und in die durch die Teile 40 dann abzuschließenden Kammern gebracht.

Wenn die Kugellager in die Glashülle 12 eingebracht sind und das Ganze zu einer Einheit vereinigt ist, wird die Röhre vakuumdicht abgeschlossen und üblicherweise auf eine Temperatur von 700⁰ C erhitzt, um das Metall während der Evakuierung zu entgasen. Die Hitzebehandlung übt keine verschlechternde Wirkung auf das Molybdänsulfid aus. Die Genauigkeit dieser Phase in der Röhrenerzeugung läßt sich beobachten und feststellen an der Rotglut der Lager.

Neueste Versuche haben gezeigt, daß ein hochwertiges Kugellager in einer evakuierten Röhre ohne jede Schmierung eine Auslaufzeit von 5 bis 10 Sekunden besitzt. Mit der erfindungsgemäßen Schmierung durch Molybdänsulfid erreichen die gleichen Lager eine Auslaufzeit von 5 bis 25 Minuten. Außerdem wird das Laufgeräusch erheblich gemindert, und der Lauf findet wesentlich ruhiger statt. Durchgeführte Dauerversuche haben keinerlei Schäden der Lager oder gar den Ausfall eines Lagers erkennen lassen. Beispielsweise wurde eine Anode ohne Störung siebenundzwanzigtausendmal gestartet und wieder gestoppt. Diese Zahl könnte noch beliebig gesteigert werden. In der Praxis kann, wenn dies erwünscht ist, der Anodenauslauf auf 5 Sekunden beschränkt werden, beispielsweise durch eine elektromagnetische Bremse, nachdem die elektrische Belastung von der Röhre abgenommen ist.

Eine weitere wertvolle Eigenschaft des Molybdänsulfids bei Verwendung als Schmiermittel an Röntgenröhren mit rotierenden Anoden ist die, daß das Molybdänsulfid ein Leiter ist. Es sind daher keine besonderen Verbindungen erforderlich, um die Anode zu erden. Streu- oder Kriechströme, die eine Störung durch Lichtbogenbildung oder Funkenüberschlag verursachen wurden, konnten nicht beobachtet werden, wie dies der Fall ist bei Verwendung von nichtleitenden Schmiermitteln, wenn nicht eine Erdleitung vorgesehen wurde.

Die Entgasungstemperatur, welcher die Röhre ausgesetzt wird, stellt hohe Anforderungen, denen aber bei Verwendung von Molybdänsulfid als Schmiermittel vollauf Genüge geleistet werden no kann. Bei Dauerbetrieb über viele Stunden, unter Erzeugung von Röntgenstrahlen, steigt die Temperatur des Anodenlagers, erreicht aber wahrscheinlich nicht die Entgasungstemperatur. Normale Lagerbetriebstemperaturen erreichen einige hundert Grad Celsius während eines lang anhaltenden Betriebes. Daher sind die Temperaturcharakteristiken des Molybdänsulfids ein außerordentlich wichtiger Bestandteil der Erfindung. Das Molybdänsulfid hat sich als allen Anforderungen dieser kritischen Verwendung gewachsen gezeigt.

An Stelle des Überziehens der Lagerkugeln mit dem Schmiermittel durch Walzen in einem Behälter in Kontakt mit Molybdänsulfidflocken können auch andere Methoden zur Anwendung des Schmiermittels Verwendung finden. In manchen Fällen kann

es vollauf genügen, einfach einen der Abschlußteile 40 eines jeden Lagers zu entfernen, eine vorbestimmte Menge von Molybdänsulfid in das Lager einzubringen und den Abschlußteil 40 wieder einzusetzen. Während des normalen Betriebes des Lagers findet dann die Verteilung des Schmiermittels auf alle Metallflächen statt.

In Fig. 2 ist eine andere Art der Versorgung der Kugeln oder Walzen eines Lagers mit Molybdänsulfid gezeigt. Die Kugeln 38 sind von einem Käfig umgeben, ähnlich der üblichen Type von Käfigen, die den Zweck haben, die Kugeln im Abstand zu halten. Der Käfig besteht aus zwei symmetrischen Teilen 50, welche die Kugeln 38 in der sphärischen Ausnehmung 51 halten. Nieten oder andere Befestigungsmittel 52 verbinden die symmetrischen Hälften 50 zu einer Einheit. In jeder Käfighälfte befindet sich eine Ausnehmung 54 an einem Ort, an welchem die Kugeln 38 bei normalem Betrieb häufig mit dem Käfig in Berührung kommen. In diese Ausnehmungen wird eine gewisse Menge von Molybdänsulfid 56 als Schmiermittel eingebracht, und zwar in kompaktem Zustand, der durch Komprimieren oder mittels eines Bindemittels erhalten wird. Während des Betriebes reiben die Kugeln 38 an dem Material 56 mit der Folge, daß kleine Mengen dieses Materials auf der Oberfläche der Kugeln abgelagert und über das ganze Lager verteilt werden. Damit ist eine angemessene Versorgung mit dem Schmiermittel für die Erhaltung der Betriebsfähigkeit des Lagers gewährleistet. Der Käfig 50 kann aus Metall bestehen oder aus einem nichtmetallischen, gegossenen Kunststoff.

In letzerem Fall kann das Molybdänsulfid als Füllstoff dem Kunststoff beigegeben sein in solchen Mengen, daß es zur Erzeugung von Schmierüberzügen auf den Kugeln 38 zur Verfügung steht, während der Kunststoff als tragendes Lagermaterial während des Betriebes wirkt.

Die Lager 32 können mit Molybdänsulfid schon bei der Herstellung versehen werden, so daß die Bedienungsperson nichts weiteres zu tun braucht, als die Lager in der üblichen Weise in das Gerät einzusetzen. Die Beigabe des Molybdänsuliids bei der Herstellung erfolgt in einer der vorgegebenen Lebensdauer entsprechenden Menge; es braucht somit auch später zusätzlich kein Schmiermittel mehr nachgefüllt zu werden. Dies bedeutet einen Vorteil gegenüber dem Verfahren, nach welchem dünne Überzüge aus anderem Schmierstoff auf dem Wege des elektrischen Niederschlages oder Verdampfens auf den Kugeln erzeugt werden; diese Überzüge haben eine begrenzte Lebensdauer. Der Molybdänsulfidüberzug bildet sich immer wieder \-on selbst und hält sich von selbst, wenn eine geeignete Menge von Molybdänsulfid in das Lager eingebracht wurde. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich nicht bloß zum Schmieren von Lagern rotierender Anoden in Röntgenröhren, wie in den Figuren beispielsweise gezeigt, sondern überall dort, wo es sich um die Schmierung von Lagern handelt, welche im Vakuum laufen. Wie schon angedeutet, ist die Erfindung ^nicht beschränkt auf das Schmieren von Kugellagern; es können ebensogut Rollenlager, Walzenlager, Nadellager oder irgendwelche anderen Lagerungen geschmiert werden.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Schmieren von in hohem Vakuum arbeitenden Lagern, wie Kugel- oder Rollenlagern, rotierender Anoden von Röntgenröhren, dadurch gekennzeichnet, daß als Schmiermittel Molybdänsulfid, Molybdäntellurid, Molybdänselenid, Wolframsulfid, Woframtellurid oder Mischungen von zweien oder mehreren dieser Stoffe verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerflächen nach Anbringung des Schmiermittels auf eine Temperatur über 200° C und unter der Zersetzungstemperatur des Schmiermittels gebracht und hierbei unter Vakuum gehalten werden.

Angezogene Druckschriften: K. A. H ο f m a η η, Lehrbuch der anorganischen Chemie, 1928, S. 281 und 583.

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