WO2008119322A1 - Rolling bearing having bearing components comprising a solid lubricant - Google Patents

Rolling bearing having bearing components comprising a solid lubricant Download PDF

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    • F16C33/66—Special parts or details in view of lubrication
    • F16C33/6696—Special parts or details in view of lubrication with solids as lubricant, e.g. dry coatings, powder

Definitions

  • the invention relates to a rolling bearing in particular for use in environments in which a (permanent) conventional oil or grease lubrication is not possible.
  • roller bearings are generally to be understood as meaning relative movements realized by means of corresponding contact surfaces, which are in physical contact, of at least two bearing components.
  • the lubrication of rolling bearings by means of oil or grease is unproblematic.
  • the use of oily or greasy lubricants associated with considerable effort, completely impossible or undesirable. This applies in particular when the rolling bearing is used in sensitive work areas, for example in food technology or medical technology.
  • the use of the atmosphere can also prevent the use of conventional lubricants. close, for example, when the rolling bearing in vacuum ⁇ in a particularly aggressive atmosphere or at extreme temperatures to be used.
  • a rolling bearing is known in which at least one rolling bearing component is coated with alternating layers of predominantly diamond-like carbon with lesser amounts of metal carbide and layers of predominantly metal carbide with a smaller diamond-like carbon content.
  • DE 35 87 758 T2 discloses a rolling bearing with cylindrical rollers made of a heat and corrosion resistant ceramic material, which are formed for example of silicon nitride by a pressure sintering process.
  • the inner and outer ring of the rolling bearing can be formed from a heat and corrosion resistant material (eg a metal) and coated with a corrosion resistant film, eg vanadium carbide or a chromium compound or a ceramic material.
  • a roller bearing with rolling elements consisting of a sintered ceramic material with fractions of MgAl 2 OJ, silicon oxide and silicon carbide as sintering aids.
  • EP 0 794 345 A2 also describes a self-lubricating bearing with a fluorine-containing polyurethane polymer layer which has improved adhesion to the surfaces of the rolling bearing components.
  • roller bearings which are to manage without separate lubricant in that the raceways of the inner or outer ring are provided with a self-lubricating coating having a embedded in a resin matrix polytetrafluoroethylene fabric (PTFE fabric) (DE 102004 035 212 A1 ).
  • PTFE fabric resin matrix polytetrafluoroethylene fabric
  • roller bearings are known with different types of different - such as made of plastic or smaller in diameter - rolling elements that deliver lubricants and / or consist of self-lubricating material.
  • a rolling bearing with solid lubrication by means of a spacer is known, which is housed in a structural unit in a pocket of the bearing cage and contains a solid lubricant.
  • a self-lubricating bearing has a filler consisting of a binder and additives, which fills the remaining space between the inner ring and the outer ring and is rigidly connected to the bearing cage.
  • the object of the present invention is to provide a rolling bearing with self-lubricating properties which can be produced easily and inexpensively, in particular also in aggressive or contamination by lubricants (for example in the medical or food technology sector ) has a long service life even in high temperatures in very demanding environments.
  • the sintered self-lubricating hybrid material preferably produced by powder metallurgy advantageously has extremely high strength, hardness and stability and is particularly well suited for use at high temperatures. So can be allowed with materials on bronchial zebasis operating temperatures up to in the range of 350 0 C; With a hybrid material based on nickel or iron, even operating temperatures up to about 700 ° C. can be permitted.
  • the hybrid material combines the positive self-lubricating properties of, for example, a pure graphite component with the high stability of powder-metallurgically produced sintered metals.
  • the hybrid material by means of so-called micro wear, meters the dry lubricant held in it to the corresponding rolling or mating surfaces.
  • the rolling bearing according to the invention can be operated in a highly reliable and durable in a variety of environments and conditions of use.
  • the rolling bearing according to the invention can be used both in technical dry running and in vacuum.
  • media e.g., oils, fats, solvents, water, alkalis, acids, melts, etc.
  • the one outer layer of the sintered material existing or made entirely of the sintered material component is a rolling bearing cage.
  • the component may alternatively or additionally be at least one of the rolling elements, a bearing inner ring or a bearing outer ring.
  • Particles of graphite, molybdenum disulfide (MoS 2), tungsten disulfide (WS 2) and / or particles of polytetrafluoroethylene (PTFE) are provided as self-lubricating particles according to advantageous developments of the invention.
  • self-lubricating particles are contained in the sintered material up to a proportion of 50 percent by volume (Vol%).

Abstract

The invention relates to rolling bearing for applications in which (permanent) grease or oil lubrication is not possible or desired, having at least one rolling bearing component (housing, rolling element, and/or bearing races) made of a sintered bronze, iron, or nickel hybrid material, wherein the metal base comprises finely distributed self-lubricating particles (such as graphite, MoS2, WS2, or PTFE). Said rolling bearing combines the positive self-lubricating characteristics of the particles with the stability of a sintered metal.

Description

Bezeichnung der Erfindung Name of the invention
WÄLZLAGER MIT FESTSCHMIERSTOFF ENTHALTENDER LAGERKOMPONENTEROLLER BEARINGS WITH FIXED LUBRICANT BEARING COMPONENT
Beschreibungdescription
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager insbesondere zum Einsatz in Umgebungen, in denen die eine (permanente) konventionelle Öl- oder Fettschmierung nicht möglich ist.The invention relates to a rolling bearing in particular for use in environments in which a (permanent) conventional oil or grease lubrication is not possible.
Unter Wälzlagern sind im Rahmen dieser Erfindung allgemein mittels korrespondierender, in Körperkontakt stehender Kontaktflächen mindestens zweier Lagerkomponenten realisierte Relativbewegungen zu verstehen.In the context of this invention, roller bearings are generally to be understood as meaning relative movements realized by means of corresponding contact surfaces, which are in physical contact, of at least two bearing components.
In vielen Anwendungsfällen ist die Schmierung von Wälzlagern mittels Öl oder Fett unproblematisch. Bei besonderen Anwendungsfällen hingegen ist die Verwendung von öligen oder fetthaltigen Schmiermitteln mit erheblichem Aufwand verbunden, gänzlich unmöglich oder unerwünscht. Dies gilt insbe- sondere, wenn das Wälzlager in sensiblen Arbeitsbereichen eingesetzt wird, beispielsweise in der Lebensmitteltechnik oder der Medizintechnik. Auch die Einsatzatmosphäre kann den Einsatz konventioneller Schmiermittel aus- schließen, beispielsweise wenn das Wälzlager im Vakuumτ in besonders aggressiver Atmosphäre oder bei extremen Temperaturen eingesetzt werden soll.In many applications, the lubrication of rolling bearings by means of oil or grease is unproblematic. In special applications, however, the use of oily or greasy lubricants associated with considerable effort, completely impossible or undesirable. This applies in particular when the rolling bearing is used in sensitive work areas, for example in food technology or medical technology. The use of the atmosphere can also prevent the use of conventional lubricants. close, for example, when the rolling bearing in vacuum τ in a particularly aggressive atmosphere or at extreme temperatures to be used.
Andererseits ist eine kontinuierliche und ausreichende Schmierung der korrespondierenden, in Wälzkontakt stehenden Abrollflächen der Wälzlagerkomponenten (nachfolgend allgemein Wälzflächen genannt) in einem Lager eine ganz wesentliche Voraussetzung für einen langzeitstabilen und störungsfreien Lauf des Wälzlagers. Eine unzureichende oder unterbleibende Schmierung führt zu einem unmittelbaren Kontakt der aufeinander abrollenden Komponenten des Wälzlagers. Dies hat einen erhöhten Kontaktverschleiß - auch als Reibverschleiß bzw. Reibkorrosion bezeichnet - und damit in der Regel einen Lagerschaden oder Lagerausfall zur Folge.On the other hand, a continuous and sufficient lubrication of the corresponding, in rolling contact rolling surfaces of the rolling bearing components (hereinafter generally rolling surfaces called) in a camp is a very important prerequisite for a long-term stable and trouble-free running of the bearing. Insufficient or permanent lubrication results in direct contact of the rolling components of the rolling bearing. This has an increased contact wear - also known as fretting or fretting corrosion - and thus usually a bearing damage or bearing failure result.
Vor diesem Hintergrund sind verschiedene Ansätze und Vorschläge für Wälzlager bekannt geworden, die auch in aggressiven Umgebungsbedingungen und bei hohen Temperaturen ohne Fett- bzw. Ölschmierung eine lange und zuverlässig erreichbare Betriebsdauer aufweisen sollen.Against this background, various approaches and proposals for rolling bearings have become known, which should have a long and reliably achievable operating life even in aggressive environmental conditions and at high temperatures without grease or oil lubrication.
Aus der DE 698 12389 T2 ist ein Wälzlager bekannt, bei dem zumindest eine Wälzlagerkomponente mit abwechselnd mit Schichten aus vorwiegend diamantartigem Kohlenstoff mit geringeren Mengen Metallkarbid und Schichten aus vorwiegend Metallkarbid mit einem geringeren diamantartigen Kohlenstoffanteil beschichtet ist.From DE 698 12389 T2 a rolling bearing is known in which at least one rolling bearing component is coated with alternating layers of predominantly diamond-like carbon with lesser amounts of metal carbide and layers of predominantly metal carbide with a smaller diamond-like carbon content.
Die DE 35 87 758 T2 offenbart ein Wälzlager mit Zylinderrollen aus einem wärme- und korrosionsbeständigen Keramikmaterial, die beispielsweise aus Siliziumnitrit durch ein Drucksinterverfahren geformt sind. Der Innen- und Außenring des Wälzlagers kann dabei aus einem wärme- und korrosionsbe- ständigen Werkstoff (z.B. einem Metall) geformt und mit einem korrosionsbeständigen Film, z.B. Vanadiumkarbid oder einer Chromverbindung oder aber einem Keramikmaterial beschichtet sein. Auch aus der DE 694 33475 T2 ist ein Wälzlager mit aus einem gesinterten Keramikmaterial mit Anteilen von MgAI2O-J, Siliziumoxyd und Siliziumkarbid als Sinterhilfsmittel bestehenden Wälzkörpern bekannt.DE 35 87 758 T2 discloses a rolling bearing with cylindrical rollers made of a heat and corrosion resistant ceramic material, which are formed for example of silicon nitride by a pressure sintering process. The inner and outer ring of the rolling bearing can be formed from a heat and corrosion resistant material (eg a metal) and coated with a corrosion resistant film, eg vanadium carbide or a chromium compound or a ceramic material. Also known from DE 694 33475 T2 is a roller bearing with rolling elements consisting of a sintered ceramic material with fractions of MgAl 2 OJ, silicon oxide and silicon carbide as sintering aids.
Aus der DE 102 59 003 A1 ist ein Wälzlager für hochtourige Anwendungen mit integriertem Schmiermaterial bekannt, bei dem zueinander in Oberflächenkontakt stehende bewegte Teile durch zumindest teilflächige Beschich- tungen - vorzugsweise in Form einer Hybridpolymerschicht - mit einem Schmierstoff versehen sind.From DE 102 59 003 A1 a rolling bearing for high-speed applications with integrated lubricating material is known, in which standing in contact with the surface moving parts by at least partially coated coatings - are provided with a lubricant - preferably in the form of a hybrid polymer layer.
Auch die EP 0 794 345 A2 beschreibt ein selbstschmierendes Lager mit einer eine verbesserte Haftung auf den Oberflächen der Wälzlagerkomponenten aufweisenden, Fluorine enthaltenden Polyurethane-Polymerschicht.EP 0 794 345 A2 also describes a self-lubricating bearing with a fluorine-containing polyurethane polymer layer which has improved adhesion to the surfaces of the rolling bearing components.
Die bei den vorgenannten bekannten Wälzlagern vorgesehenen dünnen Schichten sind betriebsbedingt einer gewissen Abnutzung und Beschädigungsgefahr ausgesetzt und können deshalb insbesondere bei aggressiven Umgebungen und Einsätzen bei hohen Temperaturen keine ausreichende Beständigkeit gewährleisten. Wälzlagerkomponenten aus Keramik verteuern und verkomplizieren in der Regel die Wälzlagerkonstruktion und die Wälzlagerherstellung.The intended in the aforementioned known rolling bearings thin layers are operationally exposed to a certain wear and damage and therefore can not ensure sufficient resistance, especially in aggressive environments and operations at high temperatures. Rolling bearing components made of ceramic usually make the rolling bearing design and the rolling bearing manufacturing more complicated and complicated.
Es sind ferner Wälzlager bekannt, die ohne separate Schmiermittel dadurch auskommen sollen, dass die Laufbahnen des Innen- oder Außenrings mit einem selbstschmierenden Belag versehen sind, der ein in eine Harzmatrix eingebettetes Polytetraflourethylen-Gewebe (PTFE-Gewebe) aufweist (DE 102004 035 212 A1).There are also known roller bearings, which are to manage without separate lubricant in that the raceways of the inner or outer ring are provided with a self-lubricating coating having a embedded in a resin matrix polytetrafluoroethylene fabric (PTFE fabric) (DE 102004 035 212 A1 ).
Aus der DE 196 12 571 A1 und der JP 2005 133881 A sind Wälzlager mit einzelnen andersartigen - z.B. aus Kunststoff bestehenden oder in ihrem Durchmesser geringer bemessenen - Wälzkörpern bekannt, die Schmierstoffe abgeben und/oder aus selbstschmierendem Werkstoff bestehen. Aus der DE 199 81 108 T1 ist ein Wälzlager mit Feststoff-Schmierung mittels eines Abstandshalters bekannt, der in baulicher Einheit in einer Tasche des Lagerkäfigs aufgenommen ist und einen festen Schmierstoff enthält.From DE 196 12 571 A1 and JP 2005 133881 A roller bearings are known with different types of different - such as made of plastic or smaller in diameter - rolling elements that deliver lubricants and / or consist of self-lubricating material. From DE 199 81 108 T1 a rolling bearing with solid lubrication by means of a spacer is known, which is housed in a structural unit in a pocket of the bearing cage and contains a solid lubricant.
Einen ähnlichen Ansatz offenbart die DE 28 33769 C2, wobei ein selbstschmierendes Wälzlager einen aus einem Binder und Zusatzstoffen bestehenden Füllkörper aufweist, der den zwischen dem Innenring und dem Außenring noch verbleibenden Freiraum ausfüllt und mit dem Lagerkäfig starr verbunden ist.A similar approach is disclosed in DE 28 33 769 C2, wherein a self-lubricating bearing has a filler consisting of a binder and additives, which fills the remaining space between the inner ring and the outer ring and is rigidly connected to the bearing cage.
Diese Konstruktionen sind relativ fragil und verkomplizieren Aufbau und Montage der Wälzlager. Außerdem besteht die Gefahr, dass zuweilen als Pasten eingesetzte selbstschmierend wirkende Elemente mit der Zeit ihre Schmiereigenschaften verändern und/oder durch aggressive Umgebungs- medien ausgeschwemmt werden können.These constructions are relatively fragile and complicate the construction and assembly of rolling bearings. In addition, there is a risk that sometimes self-lubricating elements used as pastes change their lubricating properties over time and / or can be flushed out by aggressive environmental media.
Vor diesem schon durch vielfältige andersartige Ansätze geprägten Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Wälzlager mit Selbstschmiereigenschaften bereitzustellen, das einfach und kosten- günstig herstellbar ist, insbesondere auch in aggressiven oder hinsichtlich der Kontaminierung durch Schmierstoffe (beispielsweise im medizinischen oder Lebensmitteltechnik-Bereich) sehr anspruchsvollen Umgebungen auch bei hohen Temperaturen eine lange Betriebsdauer aufweist.Against this background, which is already characterized by many different approaches, the object of the present invention is to provide a rolling bearing with self-lubricating properties which can be produced easily and inexpensively, in particular also in aggressive or contamination by lubricants (for example in the medical or food technology sector ) has a long service life even in high temperatures in very demanding environments.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wälzlager mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.This object is achieved by a rolling bearing with the features of claim 1.
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, zumindest die Außenschicht einer Komponente des Wälzlagers oder zumindest die eine Komponente des Wälzlagers vollständig (Massivausführung) aus einem gesinterten Werkstoff auf Bronze-, Nickel- oder Eisenbasis mit darin enthaltenen und eingebundenen selbstschmierend wirkenden Partikeln (Hybrid-Werkstoff) auszuführen. Der vorzugsweise pulvermetallurgisch hergestellte, gesinterte selbstschmie- rende Hybridwerkstoff weist vorteilhafterweise eine außerordentlich hohe Festigkeit, Härte und Stabilität auf und ist insbesondere für Einsätze bei hohen Temperaturen bestens geeignet. So können bei Werkstoffen auf Bron- zebasis Einsatztemperaturen bis in den Bereich von 3500C zugelassen werden; bei einem Hybridwerkstoff auf Nickel- oder Eisenbasis können sogar Betriebstemperaturen bis ca. 7000C zugelassen werden.According to the invention it is provided, at least the outer layer of a component of the bearing or at least one component of the bearing completely (solid version) made of a sintered material on bronze, nickel or iron base contained therein and incorporated self-lubricating particles (hybrid material). The sintered self-lubricating hybrid material preferably produced by powder metallurgy advantageously has extremely high strength, hardness and stability and is particularly well suited for use at high temperatures. So can be allowed with materials on bronchial zebasis operating temperatures up to in the range of 350 0 C; With a hybrid material based on nickel or iron, even operating temperatures up to about 700 ° C. can be permitted.
Der Hybridwerkstoff verbindet die positiven selbstschmierenden Eigenschaf- ten beispielsweise eines reinen Graphitbauteils mit der hohen Stabilität von pulvermetallurgisch hergestellten Sintermetallen. Der Hybridwerkstoff gibt im Betrieb durch so genannten Mikroverschleiß den in ihm gehaltenen Trockenschmierstoff dosiert an die jeweiligen korrespondieren Wälz- oder Gegenlaufflächen ab.The hybrid material combines the positive self-lubricating properties of, for example, a pure graphite component with the high stability of powder-metallurgically produced sintered metals. During operation, the hybrid material, by means of so-called micro wear, meters the dry lubricant held in it to the corresponding rolling or mating surfaces.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Wälzlagers besteht darin, dass dieses in verschiedensten Umgebungen und Einsatzbedingungen hochzuverlässig und dauerhaft betrieben werden kann. Das erfindungsgemäße Wälzlager ist sowohl im technischen Trockenlauf, als auch im Va- kuum einsetzbar. In der Praxis hat sich aber auch gezeigt, dass es (auch vorübergehend) eingesetzt werden kann, wenn Medien zur Schmierung verfügbar sind (z.B. Öle, Fette, Lösungsmittel, Wasser, Laugen, Säuren, Schmelzen o.a.), die die Lagermaterialien chemisch nicht angreifen.Another significant advantage of the rolling bearing according to the invention is that it can be operated in a highly reliable and durable in a variety of environments and conditions of use. The rolling bearing according to the invention can be used both in technical dry running and in vacuum. However, in practice, it has also been found that it can be used (even temporarily) when media are available for lubrication (e.g., oils, fats, solvents, water, alkalis, acids, melts, etc.) that do not chemically attack the bearing materials.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wälzlagers ist die eine Außenschicht aus dem gesinterten Werkstoff bestehende aufweisende oder vollständig aus dem gesinterten Werkstoff bestehende Komponente ein Wälzlagerkäfig. Nach bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung kann die Komponente alternativ oder zusätzlich mindestens einer der Wälzkörper, ein Lagerinnenring oder ein Lageraußenring sein. Als selbstschmierend wirkende Partikel sind nach vorteilhaften Fortbildungen der Erfindung insbesondere Partikel aus Graphit, Molybdändisulfid (MoS2), Wolframdisulfid (WS2) und/oder Partikel aus Polytetraflourethylen (PTFE) vorgesehen.According to an advantageous embodiment of the rolling bearing according to the invention, the one outer layer of the sintered material existing or made entirely of the sintered material component is a rolling bearing cage. According to preferred developments of the invention, the component may alternatively or additionally be at least one of the rolling elements, a bearing inner ring or a bearing outer ring. Particles of graphite, molybdenum disulfide (MoS 2), tungsten disulfide (WS 2) and / or particles of polytetrafluoroethylene (PTFE) are provided as self-lubricating particles according to advantageous developments of the invention.
Die Eigenschaften und damit auch die Lebensdauer des Wälzlagers sind durch den Volumenanteil an selbstschmierenden Partikeln je nach Einsatzfall und Zuverlässigkeitsanforderungen individuell einstellbar. Nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung sind in dem gesinterten Werkstoff selbstschmierend wirkende Partikel bis zu einem Anteil von 50 Volumenprozent (Vol%) enthalten. The properties and thus the life of the rolling bearing are individually adjustable by the volume fraction of self-lubricating particles depending on the application and reliability requirements. According to an advantageous embodiment of the invention, self-lubricating particles are contained in the sintered material up to a proportion of 50 percent by volume (Vol%).

Claims

Patentansprüche claims
1. Wälzlager mit mehreren in Wälzkontakt stehenden Komponenten, bei dem mindestens eine Komponente eine Außenschicht oder aufweist, die aus einem gesinterten Hybrid-Werkstoff auf Bronze-, Ni- ekel- oder Eisenbasis besteht, in der selbstschmierend wirkende1. rolling bearing having a plurality of rolling contact components, in which at least one component has an outer layer or which consists of a sintered hybrid material on bronze, nickel or iron-based, in the self-lubricating acting
Partikel enthalten sind.Particles are included.
2. Wälzlager nach Anspruch 1 , bei dem die Komponente ein Lagerkäfig ist.2. Rolling bearing according to claim 1, wherein the component is a bearing cage.
3. Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Komponente mindestens ein Wälzkörper ist.3. Rolling bearing according to claim 1 or 2, wherein the component is at least one rolling element.
4. Wälzlager nach Anspruch 1 , 2 oder 3, bei dem die Komponente ein Lagerinnenring ist.4. Rolling bearing according to claim 1, 2 or 3, wherein the component is a bearing inner ring.
5. Wälzlager nach Anspruch 1 , 2, 3 oder 4, bei dem die Komponente ein Lageraußenring ist.5. Rolling bearing according to claim 1, 2, 3 or 4, wherein the component is a bearing outer ring.
6. Wälzlager nach Anspruch 1 , 2, 3, 4 oder 5, bei dem in der Außenschicht Partikel aus Graphit enthalten sind. 6. Rolling bearing according to claim 1, 2, 3, 4 or 5, wherein in the outer layer particles of graphite are included.
7. Wälzlager nach Anspruch 1 , 2, 3, 4 oder 5, bei dem in der Außenschicht Partikel aus M0S2 enthalten sind.7. Rolling bearing according to claim 1, 2, 3, 4 or 5, wherein in the outer layer particles of M0S2 are included.
8. Wälzlager nach Anspruch 1 , 2, 3, 4 oder 5, bei dem in der Außen- schicht Partikel aus WS2 enthalten sind.8. Rolling bearing according to claim 1, 2, 3, 4 or 5, wherein in the outer layer particles of WS 2 are included.
9. Wälzlager nach Anspruch 1 , 2, 3, 4 oder 5, bei dem in der Außenschicht Partikel aus Polytetrafluorethylen (PTFE) enthalten sind.9. Rolling bearing according to claim 1, 2, 3, 4 or 5, wherein in the outer layer particles of polytetrafluoroethylene (PTFE) are included.
10. Wälzlager nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem in dem gesinterten Werkstoff bis zu 50 VoI % selbstschmierende Partikel enthalten sind. 10. Rolling bearing according to at least one of the preceding claims, wherein in the sintered material up to 50% by volume of self-lubricating particles are contained.
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