WO2014128196A2 - Lagerkomponente eines wälz- oder gleitlagers sowie verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Lagerkomponente eines wälz- oder gleitlagers sowie verfahren zu deren herstellung Download PDF

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WO2014128196A2
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    • F16C29/02—Sliding-contact bearings

Definitions

  • the invention relates to a bearing component of a rolling or sliding bearing with a base body and a coating and a method for their preparation. Likewise, the invention relates to a bearing component of a rolling or sliding bearing with a tread surface forming a tread and a method for their preparation.
  • a bearing component with a coated base body can unite the advantageous properties of different materials specifically with each other, the material of the body, which is referred to in the following starting material, according to requirements may have significantly different properties and should be called the material of the coating, which is in the following order material.
  • the permanent application of the coating to the base body is difficult. This is especially true for high precision bearings, where the coating not only with a very low tolerance (eg., Maximum 10 ⁇ ) applied to the body, but must be maintained even after longer periods of operation, without causing property changes or even material failure. For this reason, it is necessary to treat both the material of the base body and the material of the coating when applying the coating to the body particularly gently. In particular, material stresses during application of the coating to the base body are to be avoided, so that the dimensional accuracy required in the application can be achieved and maintained.
  • a very low tolerance eg., Maximum 10 ⁇
  • the invention is therefore based on the object to provide a bearing component of a rolling or sliding bearing with a base body and a coating and a method for their preparation to the advantages of the two materials such as.
  • the invention is also based on the object to provide a bearing component of a rolling or sliding bearing having a tread forming a tread layer with further improved hardness and wear properties and which is inexpensive to produce.
  • the object is to provide a method for producing such a bearing component and a rolling or sliding bearing with such a bearing component.
  • a bearing component of a rolling or sliding bearing having a base body of at least one starting material and a tread forming coating of at least one order material, wherein the at least one starting material and the at least one Order material are connected by a thermal process.
  • a thermal process is understood to be that the at least one starting material and / or the at least one application material is melted and solidifies in a state in which the at least one starting material and the at least one application material are in contact. This is usually done by cooling the material to below its melting temperature.
  • connection partners ie the at least one starting material and the at least one application material
  • the two connection partners may already be in contact when one or both of the connection partners are melted.
  • This at least one starting material is preferably also melted separately or by the thermal energy of the applied application material, so that both connection partners are simultaneously in a plastic state and can enter into a particularly firm connection. NEN.
  • the at least one starting material and / or the at least one application material does not necessarily have to be completely melted. It is usually sufficient if only a thin contact area is melted to the respective connection partner.
  • the at least one application material is preferably completely melted and shaped by the application process in the plastic state or adapted to the contour of the starting material.
  • a hard, wear-resistant, corrosion-resistant, non-embrittling coating suitable for the bearing raceway of the main body for use in rolling and sliding bearings can be accomplished.
  • the tread extends along a line, preferably a straight or curved line, preferably along a closed line, more preferably along a line with a constant radius of curvature, such as a circular line.
  • the at least one starting material and the at least one application material are welded.
  • welding is understood to mean the non-detachable bonding of the at least one starting material to the at least one application material using heat and / or pressure, with or without welding consumables, the materials to be joined being heated until they liquefy and mix that they are firmly connected after solidification.
  • the at least one starting material is chemically different from the at least one application material, preferably chemically different from all the application materials.
  • At least one starting material has an insulating effect on electricity.
  • At least one starting material is selected from one of the following material groups: o plastics, preferably thermoplastics. o metals, preferably aluminum, titanium, bronze brass or steel. o Alloys with aluminum, titanium, bronze brass or steel as base metal. With aluminum alloys or titanium alloys low component weights can be realized, the titanium alloys are additionally wear-resistant and heat and corrosion resistant. Bronze alloys offer other advantages such as high toughness and runflat properties.
  • the at least one application material fulfills at least one of the following requirements:
  • At least one coating material is insulating against electricity.
  • At least one order material is selected from one of the following material groups: o plastics, preferably thermoplastics. o metals, preferably cobalt, nickel, aluminum or steel, preferably tough-hard chrome and / or nickel steel. Alloys, preferably with cobalt, nickel, aluminum as base metal, preferably with titanium carbide and / or vanadium carbide as alloying fraction. o Composite materials, preferably aluminum / silicon composites with carbides.
  • the bearing component is formed as an inner ring, outer ring, cage or rolling elements of a rolling bearing, wherein the rolling body is preferably spherical, conical or cylindrical.
  • the coating has a hardness in the range of 20 to 70 HRC, preferably in the range of 30 to 65 HRC, preferably in the range of 40 to 62 HRC.
  • the object of the invention is also achieved by a method for producing the bearing component according to at least one of the preceding embodiments, comprising at least one of the following steps:
  • the at least one order material in discontinuous and / or continuous form, preferably in powder form, in strand form or in ring form, preferably in one or more layers on the base body, wherein the Particle sizes of a powder applied in the form of coating material are preferably in the range of 20 to 100 ⁇ , preferably from 40 to 80 ⁇ , more preferably in the range of 50 to 70 ⁇ .
  • Mechanical processing of the base body before and / or after joining the at least one starting material with the at least one application material preferably by turning, grinding or other machining methods.
  • Another aspect of the invention according to the first teaching relates to a rolling or sliding bearing with at least one bearing component according to at least one of the preceding embodiments.
  • a bearing component of a roller or sliding bearing which has a tread layer forming a tread, wherein the tread layer of at least one matrix material and at least one at least partially dispersed in the at least one matrix material Dispersion material consists.
  • the term "dispersed” is to be understood as meaning that particles of the dispersion material are arranged discretely within the matrix material
  • the tread layer according to the invention therefore consists of a heterogeneous mixture which is formed by the at least one matrix material and the at least one dispersion material a dispersion material is preferably mixed in a solid or in a liquid state in a matrix of at least one matrix material in the liquid state, wherein the dispersion produced thereby is fixed by curing the matrix material.
  • disperse materials of very high hardness such as titanium carbides by dispersing in a matrix material can connect with this and can form together with the respective matrix material a solid, hard and wear-resistant composite material.
  • the dispersion material is completely dispersed in the matrix material. But it is also possible that the dispersion material is only partially dispersed in the matrix material and partly eliminated in the matrix material. In this case, the proportion of the dispersion material precipitated in the matrix material should be kept as low as possible in order to avoid impairing the hardness of the respective tread layer.
  • the tread layer is arranged on a base body of at least one starting material.
  • the main body of the bearing component can thus have other mechanical properties relative to the tread layer, which can be selectively adjusted depending on the application by selecting the starting material.
  • the differences in the mechanical properties of the base body and the tread layer can be achieved, in particular, by virtue of the starting material being different from the matrix material or if the starting material, if it is formed integrally with the matrix material, is free of dispersed-in particles of the dispersion material.
  • the tread layer may be part of the body.
  • the tread layer can be formed integrally and / or integrally with the main body or formed on this. In this way, a possible detachment of the tread layer from the main body can be avoided.
  • the tread layer is thermally and / or mechanically connected to the base body.
  • the tread layer can accordingly be understood as a coating applied to the base body.
  • a thermal connection in the sense of the second teaching of this invention is understood to be that the at least one starting material and / or the at least one matrix material is melted and solidifies in a state in which the at least one starting material and the at least one matrix material are in contact. This happens usually chzel by cooling the material to below its melting temperature.
  • the two connection partners ie the base body and the matrix material of the tread layer, may already be in contact when one or both of the connection partners are melted.
  • the at least one matrix material is applied in the molten and plastic state to the at least one starting material.
  • This at least one starting material is preferably also separately or by the thermal energy of the applied matrix material also melted, so that both connection partners are at the same time in a plastic state and can enter a particularly firm connection.
  • the at least one starting material and / or the at least one matrix material does not necessarily have to be completely melted. It is usually sufficient if only a thin contact area is melted to the respective connection partner.
  • the at least one matrix material is preferably completely melted and shaped by the application process in the plastic state or adapted to the contour of the starting material.
  • thermal connection is that the at least one starting material and the at least one matrix material are welded.
  • Welding is understood in the sense of this second teaching of the invention, the insoluble bonding of the at least one starting material with the at least one matrix material using heat and / or pressure, with or without welding consumables, wherein the materials to be joined are heated to their liquefaction and mix so that they are firmly connected after solidification.
  • Mechanical connection can be understood as any suitable non-positive and / or positive connection between the base body and the tread layer.
  • the tread layer may be formed by melting the matrix material and feeding the dispersion material into the matrix material melt.
  • the dispersion material can be dispersed in the matrix material before, during or even after the tread layer has been bonded to the base body.
  • the dispersion material can be simultaneously introduced into the matrix material melt. will give.
  • the tread extends along a line, preferably a straight or curved line, preferably along a closed line, more preferably along a line of constant radius of curvature such as a circular line.
  • the at least one dispersion material has particle sizes between 10 and 60 ⁇ m, preferably between 22 and 45 ⁇ m. This can ensure a favorable dispersion of the dispersion material particles in the matrix material. In addition, by such particle sizes, the excretion of the dispersion material in the matrix material can be reduced to a small degree.
  • the tread layer has a thickness of at least 0.5 mm, preferably 0.8 mm to 1.2 mm, preferably 1 mm. In this way it can be ensured that a sufficiently thick tread layer is available for the respective application, which sufficiently withstands the mechanical loads applied during operation.
  • the tread layer has a volume fraction of 20 to 60%, preferably, 30 to 60%, preferably 40 to 60%, preferably 50 to 60%, preferably 52 to 56% Has 54% of dispersion material and / or that the tread layer has a volume fraction of 40 to 80%, preferably, 40 to 70%, preferably 40 to 60%, preferably 40 to 50%, preferably 44 to 48%, preferably 46% matrix material.
  • the preferred volume fractions of the dispersion material and / or of the matrix material can reduce the risk of the formation of defects in the tread layer.
  • the cross section of the tread layer may prove advantageous if the cross section of the tread layer to an area ratio of 20 to 60%, preferably, 30 to 60%, preferably 40 to 60%, preferably 50 to 60%, preferably 52 to 56%, preferably 54% is formed by the dispersion material and / or if the cross section of the tread layer to an area ratio of 40 to 80%, preferably, 40 to 70%, preferably 40 to 60%, preferably 40th to 50%, preferably 44 to 48%, preferably 46% is formed by the matrix material.
  • the influence of the tread heterogeneity on its mechanical properties can thereby be reduced to a low level.
  • the at least one matrix material is chemically identical to the at least one starting material.
  • the at least one matrix material is chemically different from the at least one starting material.
  • the at least one matrix material is chemically different from the at least one dispersion material, preferably chemically different from all dispersion materials.
  • At least one matrix material is insulating against electricity.
  • At least one matrix material is selected from one of the following material groups: o plastics, preferably thermoplastics. o metals, preferably aluminum, titanium, bronze, brass or steel. o Alloys with aluminum, titanium, bronze, brass or steel as base metal.
  • the titanium alloys are additionally wear-resistant and heat and corrosion resistant.
  • Bronze alloys offer other benefits such as high toughness and runflat properties.
  • the at least one dispersion material fulfills at least one of the following requirements:
  • At least one dispersion material is insulating against electricity.
  • At least one dispersion material is selected from one of the following material groups: o plastics, preferably thermoplastics.
  • Metals preferably titanium, cobalt, nickel, aluminum or steel, preferably toughened chromium and / or nickel steel. Alloys, preferably with cobalt, nickel, aluminum as base metal, preferably with titanium carbide and / or vanadium carbide as alloying fraction.
  • titanium carbide preferably with titanium carbide and / or vanadium carbide as alloying fraction.
  • titanium carbide preferably with titanium carbide and / or vanadium carbide as alloying fraction.
  • o titanium carbide o diamond materials.
  • Composite materials preferably aluminum / silicon composites with carbides.
  • the bearing component is formed as an inner ring, outer ring, cage or rolling element of a rolling bearing, wherein the rolling body is preferably spherical, conical or cylindrical.
  • the object of the invention according to this second teaching is also achieved by a method for producing the bearing component preferably according to at least one of the preceding embodiments, comprising at least one of the following steps:
  • Applying energy to the at least one matrix material preferably with light, preferably with laser light, the intensity of the energy preferably being in the range of 1 to 500 kW / cm 2 , preferably in the range of 5 to 100 kW / cm 2 , depending on the matrix material, is preferably selected in the range of 20 to 50 kW / cm 2 , so that the penetration depth of an energy beam into the at least one matrix material in the range of 20 ⁇ to 2 mm, preferably from 100 ⁇ to 1, 5 mm, preferably in the range of 0, 8 mm to 1, 2 mm.
  • Partial or full-surface melting of the at least one matrix material wherein the at least one matrix material particularly preferably reaches a depth in the rich from 20 ⁇ to 2 mm, preferably in the range of 100 ⁇ to 1, 5 mm, preferably in the range of 0.8 mm to 1, 2 mm is melted from the tread.
  • the at least one dispersion material in discontinuous and / or continuous form, preferably in powder form, wherein the particle sizes of a powdered dispersion material in the range of 20 to 100 ⁇ , preferably from 40 to 80 ⁇ , preferably in the range of 22 to 45 ⁇ ,
  • Another aspect of the invention according to the second teaching relates to a rolling or sliding bearing with at least one bearing component according to at least one of the preceding embodiments.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a rolling bearing with a coated inner ring, a coated outer ring, a coated cage and a plurality of coated rolling elements as bearing components according to the invention.
  • Fig. 2 shows a schematic side view of a sliding bearing with a coated
  • Base body which extends along a straight line, as a first bearing component and along the running surface of the first bearing component displaceable second bearing component, which also has a coated base body.
  • FIG. 3 shows a schematic side view of a roller bearing with an inner ring having a tread layer according to the invention, an outer ring having a tread layer according to the invention, a cage having a tread layer according to the invention and a plurality of rolling elements having a tread layer according to the invention as bearing components according to the invention.
  • FIG. 4 shows a schematic side view of a slide bearing with a base body according to the invention having a tread layer extending along a straight line, as a first bearing component and along the tread of the first Bearing component displaceable second bearing component, which also has a tread layer according to the invention.
  • Fig. 5 shows schematically different possibilities of the surface treatment along with associated sectional images.
  • FIG. 6 shows micrographs of a tread layer according to the invention having dispersed therein
  • Hard material particles of titanium carbide are Hard material particles of titanium carbide.
  • FIG. 7 shows a graphic analysis and a further enlarged microsection of a tread layer according to the invention with dispersed titanium carbide hard-material particles.
  • FIG. 8 shows graphic analyzes and associated micrographs of a tread layer according to the invention with different contents of dispersed titanium carbide hard material particles.
  • the invention is concerned, according to a first teaching in particular with the application and connection of a hard, wear-resistant, corrosion-resistant, non-embrittling and suitable as a bearing race layer with a base body for use in rolling and plain bearings.
  • the design of the body is possible as a bearing ring, as a cage, as a rolling element or as a linear system.
  • the bearing raceway or surface can be designed for rolling elements or plain bearings.
  • Advantageous starting materials for the main body of the bearing component are in particular alloys based on aluminum, titanium or bronze, as well as brass or steel.
  • Advantageous application materials for coating the bearing component are, in particular, alloys based on aluminum, cobalt or nickel, in particular aluminum-based alloys with titanium and vanadium carbide, tough-hard chromium nickel steels or aluminum / silicon composite materials with carbides.
  • the coating material is bonded to the base material in one or more layers by means of thermal processes, for example laser deposition welding.
  • the works to be connected Substances are heated until they liquefy. After solidification, these are then firmly connected.
  • the coating material is promoted, for example, in strand form, in ring form or in powder form to the surface to be coated of the body and heated by applying energy to above its melting temperature.
  • a pulverulent application material is preferably applied with particle sizes in the range from 30 to 90 ⁇ m and, during the transport, is mixed with an inert inert gas to the surface of the base body to be coated.
  • the thermal energy is, for example. With an energy beam, in particular a laser beam out to be coated surface of the body to the supplied coating material and at the same time the starting material to a small depth of the starting material from 50 to 300 ⁇ to liquefy and these materials melt metallurgical with each other connect to. In the liquid state, the materials are preferably mixed slightly.
  • the principle of thermal conduction welding is used, wherein beam intensities up to 100 kW / cm 2 are used.
  • the wavelength and / or beam intensity of the laser light can be adjusted depending on the starting material and / or the order material, so that the energy actually absorbed by the material does not exceed certain limits and the desired penetration depth is not exceeded in the starting material. As a result, even low material thicknesses can be welded particularly gentle on the material.
  • the components are then machined by turning, grinding or other metal-cutting processes.
  • the first embodiment according to the first teaching of the invention relates to a rolling bearing with four bearing components according to the invention, wherein the first bearing component is formed as an inner ring 1 with coating 4 and the second bearing component is formed as an outer ring 2 with coating 5.
  • the third bearing component is formed by a plurality of rolling rolling elements 3 with coating 6, wherein the rolling elements 3, which are arranged between the inner ring 1 and the outer ring 2, are held by a coated cage 7 as a fourth bearing component at a distance to the at to roll the coating 4 of the inner ring 1 and through the coating 5 of the outer ring 2 formed treads.
  • the coatings 4, 5, 6 are applied to the respective base body 1, 2, 3, 7 according to the above-described laser deposition welding method and bonded to the respective base body 1, 2, 3, 7 over the full area and in a materially bonded manner.
  • the basic body 1, 2, 3, 7 may consist of identical or different starting materials, wherein the coatings 4, 5, 6 may be made of identical or different order materials. In order to allow the lowest possible material stresses in the case of temperature fluctuations, it may be useful if at least two or preferably all base bodies 1, 2, 3, 7 have the same starting material and / or at least two or preferably all coatings 4, 5, 6 are made from the same application material.
  • the second embodiment according to a first teaching of the invention relates to a linear sliding bearing with two bearing components according to the invention, wherein a bearing component has an elongated base body 8, the top side has a coating 9, which forms a tread, along which a second bearing component with a base body 10 and a coating 1 1 is slidably mounted.
  • the coatings 9, 1 1 are applied to the respective base body 8, 10 according to the above-described laser deposition welding method and bonded to the respective base body 8, 10 over the entire surface and by material engagement.
  • the invention is concerned, according to a second teaching in particular with the provision of a hard, wear-resistant, corrosion-resistant, non-embrittling and suitable as a bearing raceway tread layer for use in rolling and plain bearings.
  • the tread layer can be arranged on a base body or be part of a base body.
  • the execution of the respective body is possible as a bearing ring, as a cage, as rolling elements or as a linear system.
  • the bearing raceway or surface can be designed for rolling elements or plain bearings. materials
  • Advantageous starting materials for a basic body of the respective bearing component are in particular alloys based on aluminum, titanium or bronze, as well as brass or steel.
  • Advantageous matrix materials for a tread layer according to the invention of the respective bearing component are in particular aluminum, alloys based on aluminum, titanium or bronze, and brass or steel.
  • the matrix material is identical to the starting material.
  • the matrix material is integrally formed with the starting material or materially connected.
  • Advantageous dispersion materials for a tread layer according to the invention of the respective bearing component are in particular titanium carbides, diamond materials, alloys based on aluminum, cobalt or nickel, in particular aluminum-based alloys with titanium and vanadium carbide, tough-hard chromium nickel steels or aluminum / silicon composite materials with carbides.
  • the matrix material can be converted into a melt into which the dispersion material is then fed. After solidification of the melt, the particles of the dispersion material are held firmly within the matrix material.
  • the process for producing a tread layer according to the invention may comprise the following steps:
  • the matrix material can be energized, preferably with light, preferably with laser light, wherein the intensity of the energy preferably in the range of 1 to 500 kW / cm 2 , preferably in the range of 5 to 100 kW / cm 2, depending on the matrix material , preferably in the range from 20 to 50 kW / cm 2 can be selected, so that the penetration depth of an energy beam in the at least one matrix material in the range of 20 ⁇ to 2 mm, preferably in the range of 100 ⁇ to 1, 5 mm, preferably in Range of 0.8 mm to 1, 2 mm.
  • the matrix material By applying energy to the matrix material, it can be heated until a temperature above the melting temperature is established in the matrix material, with the highest melting temperature preferably being decisive in the case of different matrix materials having different melting temperatures.
  • the at least one matrix material can thereby be partially or completely melted, wherein the at least one matrix material preferably to a depth in the range of 20 ⁇ to 2 mm, preferably from 100 ⁇ to 1, 5 mm, preferably in the range of 0.8 mm 1, 2 mm from the tread can be melted.
  • the at least one dispersion material can be fed into the matrix material melt in discontinuous and / or continuous form.
  • the dispersion material can preferably be supplied in powder form, it being possible for the particle sizes of a dispersion material supplied in powder form to be in the range from 20 to 100 ⁇ , preferably from 40 to 80 ⁇ , preferably in the range from 22 to 45 ⁇ .
  • the at least one matrix material can be cooled below the melting temperature.
  • the supplied particles of the dispersion material are thus securely held in the solidified matrix material.
  • the respective tread layer can subsequently be processed by turning, grinding or by other machining methods.
  • the first embodiment shown in Fig. 3 relates to a rolling bearing with four bearing components according to the invention, wherein the first bearing component is formed as an inner ring 101 with a tread layer 104 and the second bearing component is formed as an outer ring 102 with a tread layer 105.
  • the third bearing component is formed by a plurality of rolling rolling elements 103 with a tread pattern.
  • Layer 106 wherein the rolling elements 103, which are arranged between the inner ring 101 and the outer ring 102, are held by a tread layer having a cage 107 as a fourth bearing component at a distance to the through the tread layer 104 of the inner ring 101 and the tread layer 105 roll of the outer ring 102 formed treads.
  • main bodies 101, 102, 103, 107 of the components may be provided with a tread layer 104, 105, 106 according to the invention.
  • individual ones of the main bodies 101, 102, 103, 107 may be free of a tread layer or have a coating.
  • the main body of the cage 107 may be provided free of a tread layer and instead with a suitable coating.
  • the tread layers 104, 105, 106 may be made by the method described above.
  • the tread layers 104, 105, 106 may be part of the respective base body 101, 102, 103, 107, ie be formed directly on the base bodies 101, 102, 103, 107.
  • the tread layers 104, 105, 106 may be subsequently applied to the respective base bodies 101, 102, 103, 107 and to be connected approximately thermally and / or mechanically to the base bodies 101, 102, 103, 107.
  • the base bodies 101, 102, 103, 107 may consist of identical or different starting materials, wherein the matrix materials and / or dispersion materials of the tread layers 104, 105, 106 may be identical or different. In order to permit the lowest possible material stresses in the event of temperature fluctuations, it may be useful if at least two or preferably all base bodies 101, 102, 103, 107 have the same starting material and / or at least two or preferably all tread layers 104, 105, 106 from the same matrix or dispersion materials are made.
  • the fourth exemplary embodiment according to a second teaching of the invention shown in FIG. 4 relates to a linear sliding bearing with two bearing components according to the invention, wherein a bearing component has an elongate base body 108 which has on the upper side a running surface layer 109 according to the invention which forms a running surface along which a second bearing component is also slidably mounted with a base body 1 10 and a tread layer 1 1 1.
  • the tread layers 109, 1 1 1 can be prepared by the method described above. In this case, the tread layers 109, 1 1 1 part of the respective base body 108, 1 10, So be formed directly on the basic bodies 108, 1 10. It is also possible that the tread layers 109, 1 1 1 are subsequently applied to the respective base body 108, 1 10 and about thermally and / or mechanically connected to the basic bodies 108, 1 10.
  • the representations in FIG. 5 schematically contrast different possibilities of surface treatment of materials together with associated micrographs.
  • the upper representation under a) shows an alloyed edge layer 1 12, which is adjacent to a starting material of a base body 1 14. To the right is a micrograph of such an alloyed surface layer.
  • the middle representation under b) shows a coating 1 16, which was applied to a starting material of a base body 1 18 by build-up welding. In an intermediate layer 120, there has been a thorough mixing of the coating material of the coating 16 and the starting material of the base 120. To the right is a microsection of such a coating.
  • the lower representation under c) shows a tread layer 122, which is arranged on a base body 124 made of a starting material.
  • the tread layer 122 consists of a matrix material 126 as well as solid particles 128 dispersed therein of a dispersion material.
  • the matrix material preferably consists of aluminum, preferably of an aluminum alloy, in particular of the aluminum material of the designation 3.4345.
  • the solid particles of the dispersion material are preferably made of titanium carbide. But other high-hardness materials, such as diamond, can be used as a dispersion material.
  • FIG. 6 Further micrographs of a tread layer according to the invention with dispersed-in hard titanium carbide particles can be seen in the illustrations in FIG. 6 and in a further enlarged view of FIG. It can be seen from the right-hand illustration in FIG. 7 that smaller particles of the titanium carbide dispersion material can form precipitates in the matrix material melt of the aluminum alloy. For this reason, it is advantageous to limit the spectrum of the particle sizes of the dispersion material, in particular to screen out minute particles before dispersing the dispersion material. As a result, precipitates can be reduced to a low level.
  • FIG. 8 shows various graphical analyzes as well as associated micrographs of a tread layer according to the invention with different contents of dispersed hard material particles of titanium carbide.
  • the left-hand diagram under d) shows the graphi- see analysis of a tread layer with a volume fraction of titanium carbide 26% at a tread layer thickness of 800 ⁇ . Under the graphical analysis, an associated microsection is shown.
  • the middle representation under e) shows the graphic analysis of a tread layer with a volume fraction of 38% titanium carbide at a tread layer thickness of 620 ⁇ . Under the graphical analysis, an associated microsection is shown.
  • the right-hand representation under f) shows the graphic analysis of a tread layer with a volume fraction of 54% titanium carbide with a tread layer thickness of 840 ⁇ m.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lagerkomponente eines Wälz- oder Gleitlagers mit einem Grundkörper und einer Beschichtung sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Um die Vorteile der beiden Werkstoffe wie bspw. ein geringes Gewicht des Grundkörpers und bspw. eine hohe Härte der bspw. als Laufbahn ausgeprägten Beschichtung zu kombinieren, stellt die Erfindung eine Lagerkomponente eines Wälz- oder Gleitlagers mit einem Grundkörper aus wenigstens einem Ausgangswerkstoff und einer eine Lauffläche bildenden Beschichtung aus wenigstens einem Auftragswerkstoff bereit, wobei der wenigstens eine Ausgangswerkstoff und der wenigstens eine Auftragswerkstoff durch ein thermisches Verfahren verbunden sind. Ebenso betrifft die Erfindung eine Lagerkomponente eines Wälz- oder Gleitlagers mit einer eine Lauffläche bildenden Laufflächenschicht, wobei die Laufflächenschicht aus wenigstens einem Matrixwerkstoff und wenigstens einem in den wenigstens einen Matrixwerkstoff zumindest teilweise dispergierten Dispersionswerkstoff besteht.

Description

Lagerkomponente eines Wälz- oder Gleitlagers sowie Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Lagerkomponente eines Wälz- oder Gleitlagers mit einem Grundkörper und einer Beschichtung sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Ebenso betrifft die Erfindung eine Lagerkomponente eines Wälz- oder Gleitlagers mit einer eine Lauffläche bildenden Laufflächenschicht sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Bestimmte Lageranwendungen erfordern unterschiedliche Eigenschaften für den Grundkörper und die Lauffläche des Lagers, wobei bspw. der Grundkörper besonders leicht, weich und günstig, die Lauffläche dagegen besonders hart, abriebfest und hochwertig sein muss. Eine Lagerkomponente mit beschichtetem Grundkörper kann die vorteilhaften Eigenschaften verschiedener Werkstoffe gezielt miteinander vereinen, wobei der Werkstoff des Grundkörpers, der im folgenden Ausgangswerkstoff genannt wird, anforderungsgemäß deutlich andere Eigenschaften aufweisen kann und soll als der Werkstoff der Beschichtung, der im folgenden Auftragswerkstoff genannt wird.
Aufgrund der unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften gestaltet sich das dauerhafte Aufbringen der Beschichtung auf den Grundkörper schwierig. Dies gilt besonders für Hochpräzisionslager, wobei die Beschichtung nicht nur mit einer besonders geringen Toleranz (bspw. maximal 10 μηη) auf den Grundkörper aufgebracht, sondern auch nach längeren Betriebszeiten erhalten bleiben muss, ohne dass es zu Eigenschaftsänderungen oder gar Materialversagen kommt. Aus diesem Grund ist es erforderlich, sowohl den Werkstoff des Grundkörpers als auch den Werkstoff der Beschichtung beim Aufbringen der Beschichtung auf den Grundkörper besonders schonend zu behandeln. Insbesondere sind Materialspannungen beim Aufbringen der Beschichtung auf den Grundkörper zu vermeiden, so dass die in der Anwendung erforderliche Maßhaltigkeit erreicht und erhalten werden kann.
Neben der Beschichtung eines weichen und/oder kostengünstigen Grundkörpers mit einer harten, abriebfesten und/oder hochwertigen Beschichtung besteht ein weiterer Ansatz darin, den gesamten Grundkörper aus sehr hochwertigem Material, beispielsweise aus vergütetem Wälzlagerstahl herzustellen, nur damit die Lauffläche die gewünschten Eigenschaften wie Härte und Abriebfestigkeit aufweist. Dies ist jedoch mit hohen Materialkosten verbunden.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zu Grunde, eine Lagerkomponente eines Wälz- oder Gleitlagers mit einem Grundkörper und einer Beschichtung sowie ein Verfahren zu deren Herstellung bereit zu stellen, um die Vorteile der beiden Werkstoffe wie bspw. ein geringes Gewicht des Grundkörpers und bspw. eine hohe Härte der bspw. als Laufbahn ausgeprägten Beschich- tung zu kombinieren.
Vor dem voranstehend genannten Hintergrund liegt der Erfindung ebenfalls die Aufgabe zu Grunde, eine Lagerkomponente eines Wälz- oder Gleitlagers anzugeben, die eine eine Lauffläche bildende Laufflächenschicht mit weiter verbesserten Härte- und Verschleißeigenschaften aufweist und die kostengünstig herstellbar ist. Ebenso besteht die Aufgabe darin, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Lagerkomponente sowie ein Wälz- oder Gleitlager mit einer solchen Lagerkomponente anzugeben.
In Bezug auf die Lagerkomponente wird zumindest eine der oben genannten Aufgaben erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 beziehungsweise Anspruch 9 gelöst. In Bezug auf das jeweilige Verfahren zur Herstellung wird zumindest eine der genannten Aufgaben erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 13 beziehungsweise Anspruch 21 gelöst. Ein erfindungsgemäßes Wälz- oder Gleitlager ist Gegenstand der Ansprüche 14 beziehungsweise 22. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend erläutert.
Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird zumindest eine der voranstehend genannten Aufgaben gelöst durch eine Lagerkomponente eines Wälz- oder Gleitlagers mit einem Grundkörper aus wenigstens einem Ausgangswerkstoff und einer eine Lauffläche bildenden Beschichtung aus wenigstens einem Auftragswerkstoff, wobei der wenigstens eine Ausgangswerkstoff und der wenigstens eine Auftragswerkstoff durch ein thermisches Verfahren verbunden sind. Als thermisches Verfahren wird im Sinne dieser Erfindung verstanden, dass der wenigstens eine Ausgangswerkstoff und/oder der wenigstens eine Auftragswerkstoff aufgeschmolzen wird und in einem Zustand, in welchem sich der wenigstens eine Ausgangswerkstoff und der wenigstens eine Auftragswerkstoff in Kontakt befinden, erstarrt. Dies geschieht üblicherweise durch Abkühlen des Werkstoffs auf unter dessen Schmelztemperatur. Beispielsweise können sich die beiden Verbindungspartner, d.h. der wenigstens eine Ausgangswerkstoff und der wenigstens eine Auftragswerkstoff, bereits in Kontakt befinden, wenn einer oder beide Verbindungspartner aufgeschmolzen werden. Alternativ wäre ein thermisches Beschichtungs- verfahren, wobei der wenigstens eine Auftragswerkstoff im aufgeschmolzenen und plastischen Zustand auf den wenigstens einen Ausgangswerkstoff aufgetragen wird. Dieser wenigstens eine Ausgangswerkstoff wird vorzugsweise gesondert oder durch die thermische Energie des aufgetragenen Auftragswerkstoffs ebenfalls aufgeschmolzen, so dass sich beide Verbindungspartner zeitgleich in plastischem Zustand befinden und eine besonders feste Verbindung eingehen kön- nen. Der wenigstens eine Ausgangswerkstoff und/oder der wenigstens eine Auftragswerkstoff muss nicht notwendigerweise vollständig aufgeschmolzen werden. Es reicht in der Regel aus, wenn lediglich ein dünner Kontaktbereich zum jeweiligen Verbindungspartner aufgeschmolzen wird. Im thermischen Beschichtungsverfahren wird der wenigstens eine Auftragswerkstoff vorzugsweise vollständig aufgeschmolzen und durch den Auftragsvorgang im plastischen Zustand geformt bzw. an die Kontur des Ausgangswerkstoffs angepasst. Dadurch kann eine harte, verschleißfeste, korrosionsbeständige, nicht versprödende und als Lagerlaufbahn geeignete Be- schichtung des Grundkörpers zur Anwendung in Wälz- und Gleitlagern bewerkstelligt werden. Vorteilhafterweise erstreckt sich die Lauffläche entlang einer Linie, vorzugsweise einer geraden oder gekrümmten Linie, bevorzugt entlang einer in sich geschlossenen Linie, besonders bevorzugt entlang einer Linie mit konstantem Krümmungsradius wie bspw. einer Kreislinie.
In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser ersten Lehre der Erfindung sind der wenigstens eine Ausgangswerkstoff und der wenigstens eine Auftragswerkstoff verschweißt. Unter Schweißen versteht man im Sinne dieser Erfindung das unlösbare Verbinden des wenigstens einen Ausgangswerkstoffs mit dem wenigstens einen Auftragswerkstoff unter Anwendung von Wärme und/oder Druck, mit oder ohne Schweißzusatzwerkstoffe, wobei die zu verbindenden Werkstoffe bis zu deren Verflüssigung erhitzt werden und sich vermischen, so dass sie nach dem Erstarren fest miteinander verbunden sind.
Es kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn der wenigstens eine Ausgangswerkstoff zumindest eine der folgenden Anforderungen erfüllt:
Der wenigstens eine Ausgangswerkstoff ist chemisch verschieden von dem wenigstens einen Auftragswerkstoff, vorzugsweise chemisch verschieden von allen Auftragswerkstoffen .
Wenigstens ein Ausgangswerkstoff wirkt gegenüber Strom isolierend.
Wenigstens ein Ausgangswerkstoff ist aus einer der folgenden Werkstoffgruppen ausgewählt: o Kunststoffe, vorzugsweise thermoplastische Kunststoffe. o Metalle, vorzugsweise Aluminium, Titan, Bronze Messing oder Stahl. o Legierungen mit Aluminium, Titan, Bronze Messing oder Stahl als Basismetall. Mit Aluminiumlegierungen oder Titanlegierungen lassen sich geringe Bauteilgewichte realisieren, wobei die Titanlegierungen zusätzlich verschleißfest sowie hitze- und korrosionsbeständig sind. Bronzelegierungen bieten andere Vorteile wie bspw. eine hohe Zähigkeit und Notlaufeigenschaften.
Es kann aber auch von Vorteil sein, wenn der wenigstens eine Auftragswerkstoff zumindest eine der folgenden Anforderungen erfüllt:
Wenigstens ein Auftragswerkstoff wirkt gegenüber Strom isolierend.
Wenigstens ein Auftragswerkstoff ist aus einer der folgenden Werkstoffgruppen ausgewählt: o Kunststoffe, vorzugsweise thermoplastische Kunststoffe. o Metalle, vorzugsweise Kobalt, Nickel, Aluminium oder Stahl, bevorzugt zäh-harter Chrom und/oder Nickelstahl. o Legierungen, vorzugsweise mit Kobalt, Nickel, Aluminium als Basismetall, bevorzugt mit Titancarbid und/oder Vanadiumcarbid als Legierungsanteil. o Verbundwerkstoffe, bevorzugt Aluminium- / Silizium Verbundwerkstoffe mit Carbiden.
Nach einer bevorzugten Ausführung der ersten Lehre der Erfindung ist die Lagerkomponente als Innenring, Außenring, Käfig oder Wälzkörper eines Wälzlagers ausgebildet, wobei der Wälzkörper vorzugsweise kugelförmig, konisch oder zylindrisch ist.
Es kann sich als nützlich erweisen, wenn die Beschichtung eine Härte im Bereich von 20 bis 70 HRC, vorzugsweise im Bereich von 30 bis 65 HRC, bevorzugt im Bereich von 40 bis 62 HRC aufweist.
Gemäß der vorliegenden ersten Lehre wird die Aufgabe der Erfindung ebenso gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung der Lagerkomponente nach wenigstens einer der vorangehenden Ausführungen, umfassend wenigstens einen der folgenden Schritte:
Auftragen des wenigstens einen Auftragswerkstoffs in diskontinuierlicher und/oder in kontinuierlicher Form, vorzugsweise in Pulverform, in Strangform oder in Ringform, bevorzugt in einer oder in mehreren Lagen auf den Grundkörper, wobei die Korngrößen eines in Pulverform aufgetragenen Auftragswerkstoffs liegen vorzugsweise im Bereich von 20 bis 100 μηη, bevorzugt von 40 bis 80 μηη, besonders bevorzugt im Bereich von 50 bis 70 μηη liegen.
Verbinden des wenigstens einen Ausgangswerkstoffs und des wenigstens einen Auftragswerkstoffs in festem oder flüssigem Zustand des wenigstens einen Ausgangswerkstoffs und/oder des wenigstens einen Auftragswerkstoffs.
Vermischen des wenigstens einen Ausgangswerkstoffs und/oder des wenigstens einen Auftragswerkstoffs in festem oder flüssigem Zustand des wenigstens einen Ausgangswerkstoffs und/oder des wenigstens einen Auftragswerkstoffs.
Beaufschlagung des wenigstens einen Ausgangswerkstoffs und/oder des wenigstens einen Auftragswerkstoffs mit Energie, vorzugsweise mit Licht, bevorzugt mit gebündeltem Licht, besonders bevorzugt mit Laserlicht, wobei die Intensität der Energie bevorzugt in Abhängigkeit von dem Ausgangswerkstoff und/oder dem Auftragswerkstoff im Bereich von 1 bis 500 kW/cm2, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 100 kW/cm2, bevorzugt im Bereich on 20 bis 50 kW /cm2 gewählt wird, so dass die Eindringtiefe eines Energiestrahls in den wenigstens einen Ausgangswerkstoff und/oder in den wenigstens einen Auftragswerkstoff im Bereich von 20 bis 400 μηη, vorzugsweise von 50 bis 200 μηη, bevorzugt im Bereich von 100 bis 200 μηι liegt.
Erhitzen des wenigstens einen Ausgangswerkstoffs und/oder des wenigstens einen Auftragswerkstoffs auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur, wobei vorzugsweise im Falle verschiedener Ausgangswerkstoffe und/oder Auftragswerkstoffe mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen die höchste Schmelztemperatur maßgeblich ist.
Partielles oder vollflächiges Aufschmelzen des wenigstens einen Ausgangswerkstoffs und/oder des wenigstens einen Auftragswerkstoffs an einer Kontaktfläche zu einem Ausgangswerkstoff und/oder zu einem Auftragswerkstoff, wobei der wenigstens eine Ausgangswerkstoff und/oder der wenigstens eine Auftragswerkstoff besonders bevorzugt bis in eine Tiefe im Bereich von 20 bis 400 μηη, vorzugsweise von 50 bis 200 μηη, bevorzugt im Bereich von 100 bis 200 μηη von der Kontaktfläche aufgeschmolzen wird. Mechanisches Bearbeiten des Grundkörpers vor und/oder nach dem Verbinden des wenigstens einen Ausgangswerkstoffs mit dem wenigstens einen Auftragswerkstoff, vorzugsweise durch Drehen, Schleifen oder mit anderen spanabhebenden Verfahren.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung nach der ersten Lehre betrifft ein Wälz- oder Gleitlager mit wenigstens einer Lagerkomponente nach wenigstens einer der vorangehenden Ausführungen.
Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird zumindest eine der eingangs genannten Aufgaben gelöst durch eine Lagerkomponente eines Wälz- oder Gleitlagers, die eine eine Lauffläche bildende Laufflächenschicht aufweist, wobei die Laufflächenschicht aus wenigstens einem Matrixwerkstoff und wenigstens einem in den wenigstens einen Matrixwerkstoff zumindest teilweise dispergierten Dispersionswerkstoff besteht.
Unter dem Begriff„dispergiert" soll erfindungsgemäß verstanden werden, dass Partikel des Dispersionswerkstoffs diskret innerhalb des Matrixwerkstoffs angeordnet sind. Die erfindungsgemäße Laufflächenschicht besteht demzufolge aus einem heterogenen Gemenge, welches durch den wenigstens einen Matrixwerkstoff sowie den wenigstens einen Dispersionswerkstoff gebildet ist. Dabei wird der wenigstens eine Dispersionswerkstoff vorzugsweise in festem oder in flüssigem Zustand in einer Matrix aus wenigstens einem Matrixwerkstoff in flüssigem Zustand eingemischt, wobei die hierdurch erzeugte Dispersion durch Aushärten des Matrixwerkstoffs fixiert wird.
Durch Dispergieren eines Dispersionswerkstoffs in einen Matrixwerkstoff werden die Möglichkeiten der Kombination unterschiedlicher Werkstoffe erhöht, so dass im Ergebnis Laufflächenschichten mit verbesserten Härte- und Verschleißeigenschaften hergestellt werden können. Durch das Dispergieren können Werkstoffpaarungen realisiert werden, die im Wege der konventionellen Beschichtung einer Lagerkomponente zu keiner oder nur zu einer unzureichenden Haftung der Beschichtung führen würde. Dies gilt insbesondere für Dispersionswerkstoffe mit sehr hohen Härten, wie zum Beispiel Titankarbiden.
Werkstoffe mit Härte- und Verschleißeigenschaften wie Titankarbide lassen sich zum Teil nur unter erheblichem Aufwand durch Beschichtung auf einen verhältnismäßig weichen Grundwerkstoff aufbringen. Sofern das Aufbringen einer solchen Beschichtung realisierbar sein sollte, besteht jedoch weiterhin die Gefahr des Ablösens im Betrieb. Denn es kann aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der Werkstoffe zu unterschiedlichen Ausdehnungen zwischen Grundkörper und Beschichtung kommen. Dies gilt insbesondere vor dem Hintergrund zulässiger Betriebstemperaturen von Lagerkomponenten, die mitunter zwischen -50 und +100 °C schwanken können.
Demgegenüber können sich Dispersionswerkstoffe sehr hoher Härten, wie beispielsweise Titan- carbide im Wege des Eindispergierens in einen Matrixwerkstoff mit diesem verbinden und können zusammen mit dem jeweiligen Matrixwerkstoff einen festen, harten und verschleißfesten Werkstoffverbund bilden.
Vorzugsweise ist der Dispersionswerkstoff vollständig in dem Matrixwerkstoff dispergiert. Es ist aber auch möglich, dass der Dispersionswerkstoff nur zum Teil in dem Matrixwerkstoff dispergiert und zum Teil in dem Matrixwerkstoff ausgeschieden ist. Der Anteil des in dem Matrixwerkstoff ausgeschiedenen Dispersionswerkstoffs ist in diesem Fall so gering wie möglich zu halten, um Beeinträchtigungen der Härte der jeweiligen Laufflächenschicht zu vermeiden.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Lagerkomponente ist die Laufflächenschicht an einem Grundkörper aus wenigstens einem Ausgangswerkstoff angeordnet. Der Grundkörper der Lagerkomponente kann somit gegenüber der Laufflächenschicht andere mechanische Eigenschaften aufweisen, die je nach Anwendungsfall durch Auswahl des Ausgangswerkstoffs gezielt eingestellt werden können. Die Unterschiedlichkeit der mechanischen Eigenschaften von Grundkörper und Laufflächenschicht können insbesondere dadurch erzielt werden, dass der Ausgangswerkstoff von dem Matrixwerkstoff verschieden ist oder dass der Ausgangswerkstoff, falls dieser einstückig mit dem Matrixwerkstoff ausgebildet ist, frei von eindispergierten Partikeln des Dispersionswerkstoffs ist.
Die Laufflächenschicht kann Teil des Grundkörpers sein. Insbesondere kann die Laufflächenschicht einstückig und/oder integral mit dem Grundkörper ausgebildet oder an diesem ausgeformt sein. Hierdurch kann eine mögliche Ablösung der Laufflächenschicht von dem Grundkörper vermieden werden.
Ebenso ist es möglich, dass die Laufflächenschicht thermisch und/oder mechanisch mit dem Grundkörper verbunden ist. Die Laufflächenschicht kann dementsprechend als eine auf den Grundkörper aufgebrachte Beschichtung verstanden werden.
Als thermische Verbindung wird im Sinne der zweiten Lehre dieser Erfindung verstanden, dass der wenigstens eine Ausgangswerkstoff und/oder der wenigstens eine Matrixwerkstoff aufgeschmolzen wird und in einem Zustand, in welchem sich der wenigstens eine Ausgangswerkstoff und der wenigstens eine Matrixwerkstoff in Kontakt befinden, erstarrt. Dies geschieht übli- cherweise durch Abkühlen des Werkstoffs auf unter dessen Schmelztemperatur. Beispielsweise können sich die beiden Verbindungspartner, d.h. der Grundkörper und der Matrixwerkstoff der Laufflächenschicht, bereits in Kontakt befinden, wenn einer oder beide Verbindungspartner aufgeschmolzen werden.
Alternativ wäre ein thermisches Beschichtungsverfahren, wobei der wenigstens eine Matrixwerkstoff im aufgeschmolzenen und plastischen Zustand auf den wenigstens einen Ausgangswerkstoff aufgetragen wird. Dieser wenigstens eine Ausgangswerkstoff wird vorzugsweise gesondert oder durch die thermische Energie des aufgetragenen Matrixwerkstoffs ebenfalls aufgeschmolzen, so dass sich beide Verbindungspartner zeitgleich in plastischem Zustand befinden und eine besonders feste Verbindung eingehen können. Der wenigstens eine Ausgangswerkstoff und/oder der wenigstens eine Matrixwerkstoff muss nicht notwendigerweise vollständig aufgeschmolzen werden. Es reicht in der Regel aus, wenn lediglich ein dünner Kontaktbereich zum jeweiligen Verbindungspartner aufgeschmolzen wird. Im thermischen Beschichtungsverfahren wird der wenigstens eine Matrixwerkstoff vorzugsweise vollständig aufgeschmolzen und durch den Auftragsvorgang im plastischen Zustand geformt beziehungsweise an die Kontur des Ausgangswerkstoffs angepasst.
Eine weitere Möglichkeit der thermischen Verbindung besteht darin, dass der wenigstens eine Ausgangswerkstoff und der wenigstens eine Matrixwerkstoff verschweißt werden. Unter Schweißen versteht man im Sinne dieser zweiten Lehre der Erfindung das unlösbare Verbinden des wenigstens einen Ausgangswerkstoffs mit dem wenigstens einen Matrixwerkstoff unter Anwendung von Wärme und/oder Druck, mit oder ohne Schweißzusatzwerkstoffe, wobei die zu verbindenden Werkstoffe bis zu deren Verflüssigung erhitzt werden und sich vermischen, so dass sie nach dem Erstarren fest miteinander verbunden sind.
Unter mechanischer Verbindung kann jede geeignete kraft- und/oder formschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper und der Laufflächenschicht verstanden werden.
In vorteilhafter Weise kann die Laufflächenschicht durch Aufschmelzen des Matrixwerkstoffs und Zuführen des Dispersionswerkstoffs in die Matrixwerkstoffschmelze gebildet sein.
Ist die Laufflächenschicht thermisch und/oder mechanisch mit dem Grundkörper verbunden, kann der Dispersionswerkstoff vor, während oder auch nach der Verbindung der Laufflächenschicht mit dem Grundkörper in dem Matrixwerkstoff eindispergiert werden. Beispielsweise kann beim vollständigen Aufschmelzen des Matrixwerkstoffs zur Verbindung mit dem Ausgangswerkstoff des Grundkörpers zeitgleich der Dispersionswerkstoff in die Matrixwerkstoffschmelze ge- geben werden. Ebenso ist es möglich, den Matrixwerkstoff der Laufflächenschicht, nach erfolgter Verbindung mit dem Grundkörper, erneut aufzuschmelzen und den Dispersionswerkstoff in die Schmelze zuzuführen.
Insgesamt kann hierdurch eine harte, verschleißfeste, korrosionsbeständige, nicht versprödende und als Lagerlaufbahn geeignete und an einem Grundkörper angeordnete Laufflächenschicht zur Anwendung in Wälz- und Gleitlagern bewerkstelligt werden. Vorteilhafterweise erstreckt sich die Lauffläche entlang einer Linie, vorzugsweise einer geraden oder gekrümmten Linie, bevorzugt entlang einer in sich geschlossenen Linie, besonders bevorzugt entlang einer Linie mit konstantem Krümmungsradius wie beispielsweise einer Kreislinie.
Es kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn der wenigstens eine Dispersionswerkstoff Partikelgrößen zwischen 10 und 60 μηη, vorzugsweise zwischen 22 und 45 μηη aufweist. Dies kann eine günstige Dispergierung der Dispersionswerkstoffpartikel in den Matrixwerkstoff gewährleisten. Zudem kann durch derartige Partikelgrößen die Ausscheidung des Dispersionswerkstoffs in den Matrixwerkstoff auf ein geringes Maß reduziert werden.
Weiterhin kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Lagerkomponente die Laufflächenschicht eine Dicke von zumindest 0.5 mm, vorzugsweise 0.8 mm bis 1.2 mm, vorzugsweise 1 mm aufweisen. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass für den jeweiligen Anwendungsfall eine ausreichend dicke Laufflächenschicht zu Verfügung steht, die den jeweils im Betrieb aufgebrachten mechanischen Belastungen ausreichend stand hält.
Gute Härte- und Verschleißeigenschaften können in vorteilhafter Weise dadurch erzielt werden, dass die Laufflächenschicht einen Volumenanteil von 20 bis 60 %, vorzugsweise, 30 bis 60 %, vorzugsweise 40 bis 60 %, vorzugsweise 50 bis 60 %, vorzugsweise 52 bis 56 %, bevorzugt 54 % Dispersionswerkstoff aufweist und/oder dass die Laufflächenschicht einen Volumenanteil von 40 bis 80 %, vorzugsweise, 40 bis 70 %, vorzugsweise 40 bis 60 %, vorzugsweise 40 bis 50 %, vorzugsweise 44 bis 48 %, bevorzugt 46 % Matrixwerkstoff aufweist. Zudem können durch die bevorzugten Volumenanteile des Dispersionswerkstoffs und/oder des Matrixwerkstoffs die Gefahr der Ausbildung von Defekten in der Laufflächenschicht verringert werden.
Weiterhin kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn der Querschnitt der Laufflächenschicht zu einem Flächenanteil von 20 bis 60 %, vorzugsweise, 30 bis 60 %, vorzugsweise 40 bis 60 %, vorzugsweise 50 bis 60 %, vorzugsweise 52 bis 56 %, bevorzugt 54 % durch den Dispersionswerkstoff gebildet ist und/oder wenn der Querschnitt der Laufflächenschicht zu einem Flächenanteil von 40 bis 80 %, vorzugsweise, 40 bis 70 %, vorzugsweise 40 bis 60 %, vorzugsweise 40 bis 50 %, vorzugsweise 44 bis 48 %, bevorzugt 46 % durch den Matrixwerkstoff gebildet ist. Der Einfluss der Heterogenität der Lauffläche auf dessen mechanische Eigenschaften kann hierdurch auf ein geringes Maß reduziert werden.
Es kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn der wenigstens eine Matrixwerkstoff zumindest eine der folgenden Anforderungen erfüllt:
Der wenigstens eine Matrixwerkstoff ist mit dem wenigstens einen Ausgangswerkstoff chemisch identisch.
Der wenigstens eine Matrixwerkstoff ist von dem wenigstens einen Ausgangswerkstoff chemisch verschieden.
Der wenigstens eine Matrixwerkstoff ist chemisch verschieden von dem wenigstens einen Dispersionswerkstoff, vorzugsweise chemisch verschieden von allen Dispersionswerkstoffen.
Wenigstens ein Matrixwerkstoff wirkt gegenüber Strom isolierend.
Wenigstens ein Matrixwerkstoff ist aus einer der folgenden Werkstoffgruppen ausgewählt: o Kunststoffe, vorzugsweise thermoplastische Kunststoffe. o Metalle, vorzugsweise Aluminium, Titan, Bronze, Messing oder Stahl. o Legierungen mit Aluminium, Titan, Bronze, Messing oder Stahl als Basismetall.
Mit Aluminiumlegierungen oder Titanlegierungen lassen sich geringe Bauteilgewichte realisieren, wobei die Titanlegierungen zusätzlich verschleißfest sowie hitze- und korrosionsbeständig sind. Bronzelegierungen bieten andere Vorteile wie beispielsweise eine hohe Zähigkeit und Notlaufeigenschaften.
Es kann aber auch von Vorteil sein, wenn der wenigstens eine Dispersionswerkstoff zumindest eine der folgenden Anforderungen erfüllt:
Wenigstens ein Dispersionswerkstoff wirkt gegenüber Strom isolierend.
Wenigstens ein Dispersionswerkstoff ist aus einer der folgenden Werkstoffgruppen ausgewählt: o Kunststoffe, vorzugsweise thermoplastische Kunststoffe. o Metalle, vorzugsweise Titan, Kobalt, Nickel, Aluminium oder Stahl, bevorzugt zäh- harter Chrom und/oder Nickelstahl. o Legierungen, vorzugsweise mit Kobalt, Nickel, Aluminium als Basismetall, bevorzugt mit Titancarbid und/oder Vanadiumcarbid als Legierungsanteil. o Titancarbide. o Diamantwerkstoffe. o Verbundwerkstoffe, bevorzugt Aluminium- / Silizium Verbundwerkstoffe mit Car- biden.
Nach einer bevorzugten Ausführung gemäß der zweiten Lehre der Erfindung ist die Lagerkomponente als Innenring, Außenring, Käfig oder Wälzkörper eines Wälzlagers ausgebildet, wobei der Wälzkörper vorzugsweise kugelförmig, konisch oder zylindrisch ist.
Die Aufgabe der Erfindung gemäß dieser zweiten Lehre wird ebenso gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung der Lagerkomponente vorzugsweise nach wenigstens einer der vorangehenden Ausführungen, umfassend wenigstens einen der folgenden Schritte:
Beaufschlagung des wenigstens einen Matrixwerkstoffs mit Energie, vorzugsweise mit Licht, bevorzugt mit Laserlicht, wobei die Intensität der Energie bevorzugt in Abhängigkeit von dem Matrixwerkstoff im Bereich von 1 bis 500 kW/cm2, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 100 kW/cm2, bevorzugt im Bereich on 20 bis 50 kW /cm2 gewählt wird, so dass die Eindringtiefe eines Energiestrahls in den wenigstens einen Matrixwerkstoff im Bereich von 20 μηη bis 2 mm, vorzugsweise von 100 μηη bis 1 ,5 mm, bevorzugt im Bereich von 0,8 mm bis 1 ,2 mm liegt.
Erhitzen des wenigstens einen Matrixwerkstoffs auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur, wobei vorzugsweise im Falle verschiedener Matrixwerkstoffe mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen die höchste Schmelztemperatur maßgeblich ist.
Partielles oder vollflächiges Aufschmelzen des wenigstens einen Matrixwerkstoffs, wobei der wenigstens eine Matrixwerkstoff besonders bevorzugt bis in eine Tiefe im Be- reich von 20 μηι bis 2 mm, vorzugsweise im Bereich von 100 μηη bis 1 ,5 mm, bevorzugt im Bereich von 0,8 mm bis 1 ,2 mm von der Lauffläche aufgeschmolzen wird.
Zuführen des wenigstens einen Dispersionswerkstoffs in diskontinuierlicher und/oder in kontinuierlicher Form, vorzugsweise in Pulverform, wobei die Parikelgrößen eines in Pulverform aufgetragenen Dispersionswerkstoffs im Bereich von 20 bis 100 μηη, vorzugsweise von 40 bis 80 μηη, bevorzugt im Bereich von 22 bis 45 μηη liegen.
Abkühlen des wenigstens einen Matrixwerkstoffs bis unterhalb der Schmelztemperatur.
Mechanisches Bearbeiten der Laufflächenschicht vor und/oder nach dem Ein- dispergieren des wenigstens einen Dispersionswerkstoffs, vorzugsweise durch Drehen, Schleifen oder mit anderen spanabhebenden Verfahren.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung gemäß der zweiten Lehre betrifft ein Wälz- oder Gleitlager mit wenigstens einer Lagerkomponente nach wenigstens einer der vorangehenden Ausführungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Wälzlagers mit einem beschichteten Innenring, einem beschichteten Außenring, einem beschichteten Käfig und mehreren beschichteten Wälzkörpern als erfindungsgemäße Lagerkomponenten.
Fig. 2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Gleitlagers mit einem beschichteten
Grundkörper, der sich entlang einer geraden Linie erstreckt, als erste Lagerkomponente und einer entlang der Lauffläche der ersten Lagerkomponente verschieblichen zweiten Lagerkomponente, die ebenfalls einen beschichteten Grundkörper aufweist.
Fig. 3 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Wälzlagers mit einem eine erfindungsgemäße Laufflächenschicht aufweisenden Innenring, einem eine erfindungsgemäße Laufflächenschicht aufweisenden Außenring, einem eine erfindungsgemäße Laufflächenschicht aufweisenden Käfig und mehreren eine erfindungsgemäße Laufflächenschicht aufweisenden Wälzkörpern als erfindungsgemäße Lagerkomponenten.
Fig. 4 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Gleitlagers mit einem eine erfindungsgemäße Laufflächenschicht aufweisenden Grundkörper, der sich entlang einer geraden Linie erstreckt, als erste Lagerkomponente und einer entlang der Lauffläche der ersten Lagerkomponente verschieblichen zweiten Lagerkomponente, die ebenfalls eine erfindungsgemäße Laufflächenschicht aufweist.
Fig. 5 zeigt schematisch unterschiedliche Möglichkeiten der Randschichtbehandlung nebst zugehörigen Schnittbildern.
Fig. 6 zeigt Schliffbilder einer erfindungsgemäßen Laufflächenschicht mit eindispergierten
Hartstoffpartikeln aus Titancarbid.
Fig. 7 zeigt eine grafische Analyse sowie ein weiter vergrößertes Schliffbild einer erfindungsgemäßen Laufflächenschicht mit eindispergierten Hartstoffpartikeln aus Titancarbid.
Fig. 8 zeigt grafische Analysen sowie zugehörige Schliffbilder einer erfindungsgemäßen Laufflächenschicht mit unterschiedlichen Gehalten an eindispergierten Hartstoffpartikeln aus Titancarbid.
Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Die Erfindung befasst sich gemäß einer ersten Lehre insbesondere mit der Auftragung und Verbindung einer harten, verschleißfesten, korrosionsbeständigen, nicht versprödenden und als Lagerlaufbahn geeigneten Schicht mit einem Grundkörper zur Anwendung in Wälz- und Gleitlagern. Die Ausführung des Grundkörpers ist möglich als Lagerring, als Käfig, als Wälzkörper oder als Linearsystem. Die Lagerlaufbahn oder -fläche kann für Wälzkörper oder als Gleitlager ausgeführt werden.
Werkstoffe
Vorteilhafte Ausgangswerkstoffe für den Grundkörper der Lagerkomponente sind insbesondere Legierungen auf Basis von Aluminium, Titan oder Bronze, sowie Messing oder Stähle.
Vorteilhafte Auftragswerkstoffe für die Beschichtung der Lagerkomponente sind insbesondere Legierungen auf Basis von Aluminium, Kobalt oder Nickel, insbesondere Legierungen auf Aluminiumbasis mit Titan- und Vanadiumcarbid, zäh- harte Chrom Nickelstähle oder Aluminium- / Silizium Verbundwerkstoffe mit Carbiden.
Verfahren
Der Auftragswerkstoff wird durch thermische Verfahren - bspw. Laserauftragsschweißen - ein- oder mehrlagig und unlösbar mit dem Grundwerkstoff verbunden. Die zu verbindenden Werk- Stoffe werden bis zu deren Verflüssigung erhitzt. Nach dem Erstarren sind diese dann fest miteinander verbunden.
Der Auftragswerkstoff wird dabei bspw. in Strangform, in Ringform oder in Pulverform an die zu beschichtende Oberfläche des Grundkörpers gefördert und durch Beaufschlagung mit Energie auf über dessen Schmelztemperatur erhitzt. Ein pulverförmiger Auftragswerkstoff wird vorzugsweise mit Korngrößen im Bereich von 30 bis 90 μηη aufgetragen und bei der Förderung an die zu beschichtende Oberfläche des Grundkörpers mit einem reaktionsträgen Schutzgas versetzt. Die thermische Energie wird bspw. mit einem Energiestrahl, insbesondere einem Laserstrahl auf die zu beschichtende Oberfläche des Grundkörpers geführt, um den zugeführten Auftragswerkstoff und gleichzeitig den Ausgangswerkstoff bis in eine geringe Tiefe des Ausgangswerkstoffs von 50 bis 300 μηη zu verflüssigen und um diese Werkstoffe schmelzmetallurgisch miteinander zu verbinden. Im flüssigen Zustand werden die Werkstoffe vorzugsweise geringfügig durchmischt.
Vorzugsweise wird bei dem beschriebenen Laserauftragsschweißverfahren das Prinzip des Wärmeleitungsschweißens angewandt, wobei Strahlintensitäten bis 100 kW/cm2 verwendet werden. Die Wellenlänge und/oder Strahlintensität des Laserlichts kann in Abhängigkeit von dem Ausgangswerkstoff und/oder dem Auftragswerkstoff eingestellt werden, so dass die tatsächlich vom Werkstoff absorbierte Energie bestimmte Grenzen nicht übersteigt und die erwünschte Eindringtiefe in den Ausgangswerkstoff nicht überschritten wird. Dadurch können auch geringe Materialdicken besonders materialschonend geschweißt werden.
Mechanische Bearbeitung
Abhängig vom gewählten Auftragswerkstoff werden die Bauteile anschließend durch Drehen, Schleifen oder mit anderen spanabhebenden Verfahren bearbeitet.
Nutzen / Vorteile
Anwendungen erfordern zum Beispiel ein geringes Bauteilgewicht bei hohen Anforderungen an die Eigenschaften der Laufbahnen. Die Nachteile des Grundwerkstoffes - bspw. eine zu geringe Härte - werden so durch die Auftragswerkstoffe kompensiert.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend im Detail mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
Erstes Ausführungsbeispiel Das erste Ausführungsbeispiel gemäß der ersten Lehre der Erfindung betrifft ein Wälzlager mit vier erfindungsgemäßen Lagerkomponenten, wobei die erste Lagerkomponente als Innenring 1 mit Beschichtung 4 ausgebildet ist und die zweite Lagerkomponente als Außenring 2 mit Be- schichtung 5 ausgebildet ist. Die dritte Lagerkomponente wird durch eine Vielzahl von rollenden Wälzkörpern 3 mit Beschichtung 6 gebildet, wobei die Wälzkörper 3, die zwischen dem Innenring 1 und dem Außenring 2 angeordnet sind, durch einen beschichteten Käfig 7 als vierte Lagerkomponente auf Abstand gehalten werden, um an den durch die Beschichtung 4 des Innenrings 1 und durch die Beschichtung 5 des Außenrings 2 gebildeten Laufflächen abzuwälzen. Die Beschichtungen 4, 5, 6 sind nach dem zuvor beschriebenen Laserauftragsschweißverfahren auf den jeweiligen Grundkörper 1 , 2, 3, 7 aufgebracht und vollflächig sowie stoffschlüssig mit dem jeweiligen Grundkörper 1 , 2, 3, 7 verbunden. Die Grundkörper 1 , 2, 3, 7 können aus identischen oder verschiedenen Ausgangswerkstoffen bestehen, wobei auch die Beschichtungen 4, 5, 6 aus identischen oder verschiedenen Auftragswerkstoffen gefertigt sein können. Um möglichst geringe Materialspannungen bei Temperaturschwankungen zuzulassen, kann es sinnvoll sein, wenn wenigstens zwei oder vorzugsweise alle Grundkörper 1 , 2, 3, 7 denselben Ausgangswerkstoff aufweisen und/oder wenigstens zwei oder vorzugsweise alle Beschichtungen 4, 5, 6 aus demselben Auftragswerkstoff gefertigt sind.
Zweites Ausführunqsbeispiel
Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß einer ersten Lehre der Erfindung betrifft ein lineares Gleitlager mit zwei erfindungsgemäßen Lagerkomponenten, wobei eine Lagerkomponente einen länglichen Grundkörper 8 aufweist, der oberseitig eine Beschichtung 9 aufweist, die eine Lauffläche bildet, entlang welcher eine zweite Lagerkomponente mit ebenfalls einem Grundkörper 10 und einer Beschichtung 1 1 gleitend verschieblich gelagert ist. Die Beschichtungen 9, 1 1 sind nach dem zuvor beschriebenen Laserauftragsschweißverfahren auf dem jeweiligen Grundkörper 8, 10 aufgebracht und vollflächig sowie stoffschlüssig mit dem jeweiligen Grundkörper 8, 10 verbunden.
Die Erfindung befasst sich gemäß einer zweiten Lehre insbesondere mit der Bereitstellung einer harten, verschleißfesten, korrosionsbeständigen, nicht versprödenden und als Lagerlaufbahn geeigneten Laufflächenschicht zur Anwendung in Wälz- und Gleitlagern. Die Laufflächenschicht kann an einem Grundkörper angeordnet beziehungsweise Teil eines Grundkörpers sein. Die Ausführung des jeweiligen Grundkörpers ist möglich als Lagerring, als Käfig, als Wälzkörper oder als Linearsystem. Die Lagerlaufbahn oder -fläche kann für Wälzkörper oder als Gleitlager ausgeführt werden. Werkstoffe
Vorteilhafte Ausgangswerkstoffe für einen Grundkörper der jeweiligen Lagerkomponente sind insbesondere Legierungen auf Basis von Aluminium, Titan oder Bronze, sowie Messing oder Stähle.
Vorteilhafte Matrixwerkstoffe für eine erfindungsgemäße Laufflächenschicht der jeweiligen Lagerkomponente sind insbesondere Aluminium, Legierungen auf Basis von Aluminium, Titan oder Bronze, sowie Messing oder Stähle. In weiter vorteilhafter Weise ist der Matrixwerkstoff mit dem Ausgangswerkstoff identisch. Vorzugsweise ist der Matrixwerkstoff mit dem Ausgangswerkstoff einstückig ausgebildet oder stoffschlüssig verbunden.
Vorteilhafte Dispersionswerkstoffe für eine erfindungsgemäße Laufflächenschicht der jeweiligen Lagerkomponente sind insbesondere Titancarbide, Diamantwerkstoffe, Legierungen auf Basis von Aluminium, Kobalt oder Nickel, insbesondere Legierungen auf Aluminiumbasis mit Titan- und Vanadiumcarbid, zäh-harte Chrom Nickelstähle oder Aluminium-/Silizium- Verbundwerkstoffe mit Carbiden.
Verfahren
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Laufflächenschicht kann der Matrixwerkstoff in eine Schmelze überführt werden, in welche dann der Dispersionswerkstoff zugeführt wird. Nach Erstarren der Schmelze sind die Partikel des Dispersionswerkstoffs fest innerhalb des Matrixwerkstoffs gehalten. Das Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Laufflächenschicht kann die folgenden Schritte umfassen:
Zunächst kann der Matrixwerkstoff mit Energie beaufschlagt werden, vorzugsweise mit Licht, bevorzugt mit Laserlicht, wobei die Intensität der Energie bevorzugt in Abhängigkeit von dem Matrixwerkstoff im Bereich von 1 bis 500 kW/cm2, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 100 kW/cm2, bevorzugt im Bereich on 20 bis 50 kW /cm2 gewählt werden kann, so dass die Eindringtiefe eines Energiestrahls in den wenigstens einen Matrixwerkstoff im Bereich von 20 μηη bis 2 mm, vorzugsweise im Bereich von 100 μηη bis 1 ,5 mm, bevorzugt im Bereich von 0,8 mm bis 1 ,2 mm liegt.
Durch Energiebeaufschlagung des Matrixwerkstoffs kann dieser solange erhitzt werden, bis sich in dem Matrixwerkstoff eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur einstellt, wobei vorzugsweise im Falle verschiedener Matrixwerkstoffe mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen die höchste Schmelztemperatur maßgeblich ist. Der wenigstens eine Matrixwerkstoff kann hierdurch partiell oder vollflächig aufgeschmolzen werden, wobei der wenigstens eine Matrixwerkstoff bevorzugt bis in eine Tiefe im Bereich von 20 μηη bis 2 mm, vorzugsweise von 100 μηη bis 1 ,5 mm, bevorzugt im Bereich von 0,8 mm bis 1 ,2 mm von der Lauffläche aufgeschmolzen werden kann.
Nach partiellem oder vollflächigem Aufschmelzen des Matrixwerkstoffs kann der wenigstens eine Dispersionswerkstoff in diskontinuierlicher und/oder in kontinuierlicher Form in die Matrixwerkstoffschmelze zugeführt werden. Vorzugsweise kann der Dispersionswerkstoff in Pulverform zugeführt werden, wobei die Partikelgrößen eines in Pulverform zugeführten Dispersionswerkstoffs im Bereich von 20 bis 100 μηη, vorzugsweise von 40 bis 80 μηη, bevorzugt im Bereich von 22 bis 45 μηη liegen können.
Anschließend kann der wenigstens eine Matrixwerkstoff bis unterhalb der Schmelztemperatur abgekühlt werden. Die zugeführten Partikel des Dispersionswerkstoffs sind damit in dem erstarrten Matrixwerkstoff sicher gehalten.
Mechanische Bearbeitung
Abhängig vom gewählten Matrixwerkstoff und dem gewählten Dispersionswerkstoff kann die jeweilige Laufflächenschicht anschließend durch Drehen, Schleifen oder mit anderen spanabhebenden Verfahren bearbeitet werden.
Nutzen / Vorteile
Im Bereich der Wälz- oder Gleitlager gibt es Anwendungen, die zum Beispiel ein geringes Bauteilgewicht bei hohen Anforderungen an die Eigenschaften der Laufbahnen erfordern. Die Nachteile des Ausgangswerkstoffs eines Grundkörpers - beispielsweise eine zu geringe Härte - werden so durch die erfindungsgemäße Laufflächenschicht effektiv kompensiert.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung gemäß dieser zweiten Lehre werden nachstehend im Detail mit Bezug auf die Figuren 3 bis 8 beschrieben.
Drittes Ausführungsbeispiel
Das erste in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel gemäß der zweiten Lehre der Erfindung betrifft ein Wälzlager mit vier erfindungsgemäßen Lagerkomponenten, wobei die erste Lagerkomponente als Innenring 101 mit einer Laufflächenschicht 104 ausgebildet ist und die zweite Lagerkomponente als Außenring 102 mit einer Laufflächenschicht 105 ausgebildet ist. Die dritte Lagerkomponente wird durch eine Vielzahl von rollenden Wälzkörpern 103 mit einer Laufflächen- Schicht 106 gebildet, wobei die Wälzkörper 103, die zwischen dem Innenring 101 und dem Außenring 102 angeordnet sind, durch einen eine Laufflächenschicht aufweisenden Käfig 107 als vierte Lagerkomponente auf Abstand gehalten werden, um an den durch die Laufflächenschicht 104 des Innenrings 101 und durch die Laufflächenschicht 105 des Außenrings 102 gebildeten Laufflächen abzuwälzen. Es ist jedoch nicht erforderlich, dass sämtliche Grundkörper 101 , 102, 103, 107 der Komponenten mit einer erfindungsgemäßen Laufflächenschicht 104, 105, 106 versehen sind. Insbesondere können einzelne der Grundkörper 101 , 102, 103, 107 frei von einer Laufflächenschicht sein oder eine Beschichtung aufweisen. Beispielsweise kann der Grundkörper des Käfigs 107 frei von einer Laufflächenschicht und anstelle dessen mit einer geeigneten Beschichtung versehen sein.
Die Laufflächenschichten 104, 105, 106 können nach dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellt sein. Dabei können die Laufflächenschichten 104, 105, 106 Teil der jeweiligen Grundkörper 101 , 102, 103, 107 sein, also unmittelbar an den Grundkörpern 101 , 102, 103, 107 ausgebildet sein. Ebenso ist es möglich, dass die Laufflächenschichten 104, 105, 106 nachträglich auf die jeweiligen Grundkörpern 101 , 102, 103, 107 aufgebracht werden und etwa thermisch und/oder mechanisch mit den Grundkörpern 101 , 102, 103, 107 verbunden werden.
Die Grundkörper 101 , 102, 103, 107 können aus identischen oder verschiedenen Ausgangswerkstoffen bestehen, wobei auch die Matrixwerkstoffe und/oder Dispersionswerkstoffe der Laufflächenschichten 104, 105, 106 identisch oder verschieden sein können. Um möglichst geringe Materialspannungen bei Temperaturschwankungen zuzulassen, kann es sinnvoll sein, wenn wenigstens zwei oder vorzugsweise alle Grundkörper 101 , 102, 103, 107 denselben Ausgangswerkstoff aufweisen und/oder wenigstens zwei oder vorzugsweise alle Laufflächenschichten 104, 105, 106 aus denselben Matrix- beziehungsweise Dispersionswerkstoffen gefertigt sind.
Viertes Ausführungsbeispiel
Das in Fig. 4 gezeigte vierte Ausführungsbeispiel gemäß einer zweiten Lehre der Erfindung betrifft ein lineares Gleitlager mit zwei erfindungsgemäßen Lagerkomponenten, wobei eine Lagerkomponente einen länglichen Grundkörper 108 aufweist, der oberseitig eine erfindungsgemäße Laufflächenschicht 109 aufweist, die eine Lauffläche bildet, entlang welcher eine zweite Lagerkomponente mit ebenfalls einem Grundkörper 1 10 und einer Laufflächenschicht 1 1 1 gleitend verschieblich gelagert ist.
Die Laufflächenschichten 109, 1 1 1 können nach dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellt sein. Dabei können die Laufflächenschichten 109, 1 1 1 Teil der jeweiligen Grundkörper 108, 1 10, also unmittelbar an den Grundkörpern 108, 1 10 ausgebildet sein. Ebenso ist es möglich, dass die Laufflächenschichten 109, 1 1 1 nachträglich auf die jeweiligen Grundkörper 108, 1 10 aufgebracht werden und etwa thermisch und/oder mechanisch mit den Grundkörpern 108, 1 10 verbunden werden.
Schliffbilder
In der Darstellungen in Fig. 5 sind schematisch unterschiedliche Möglichkeiten der Randschichtbehandlung von Werkstoffen nebst zugehörigen Schliffbildern gegenübergestellt. Die obere Darstellung unter a) zeigt eine legierte Randschicht 1 12, die an einen Ausgangswerkstoff eines Grundkörpers 1 14 angrenzt. Rechts daneben ist ein Schliffbild einer solchen legierten Randschicht abgebildet. Die mittlere Darstellung unter b) zeigt eine Beschichtung 1 16, die auf einen Ausgangswerkstoff eines Grundkörpers 1 18 mittels Auftragsschweißen aufgebracht wurde. In einer Zwischenschicht 120 ist es zu einer Durchmischung des Auftragswerkstoffs der Beschichtung 1 16 sowie des Ausgangswerkstoffs des Grundkörpers 120 gekommen. Rechts daneben ist ein Schliffbild einer derartigen Beschichtung abgebildet. Die untere Darstellung unter c) zeigt eine Laufflächenschicht 122, die an einem Grundkörper 124 aus einem Ausgangswerkstoff angeordnet ist. Rechts daneben ist ein Schliffbild einer derartigen Laufflächenschicht 122 abgebildet. Die Laufflächenschicht 122 besteht aus einem Matrixwerkstoff 126 sowie darin dispergierten Feststoffpartikeln 128 aus einem Dispersionswerkstoff. Der Matrixwerkstoff besteht vorzugsweise aus Aluminium, bevorzugt aus einer Aluminiumlegierung, insbesondere aus dem Aluminiumwerkstoff der Bezeichnung 3.4345. Die Feststoffpartikel des Dispersionswerkstoffs bestehen bevorzugt aus Titancarbid. Aber auch andere hochharte Werkstoffe, wie beispielsweise Diamant, können als Dispersionswerkstoff eingesetzt werden.
Weitere Schliffbilder einer erfindungsgemäßen Laufflächenschicht mit eindispergierten Hartstoffpartikeln aus Titancarbid sind den Darstellungen in Fig. 6 sowie in weiter vergrößerten Darstellung der Fig. 7 zu entnehmen. Der rechten Darstellung in Fig. 7 kann entnommen werden, dass kleinere Partikel des Dispersionswerkstoffs aus Titancarbid Ausscheidungen in der Matrixwerkstoffschmelze aus der Aluminiumlegierung bilden können. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft das Spektrum der Partikelgrößen des Dispersionswerkstoffs einzugrenzen, insbesondere Kleinstpartikel vor dem Eindispergieren des Dispersionswerkstoffs auszusieben. Hierdurch können Ausscheidungen auf ein geringes Maß reduziert werden.
Der Fig. 8 können unterschiedliche grafische Analysen sowie zugehörige Schliffbilder einer erfindungsgemäßen Laufflächenschicht mit unterschiedlichen Gehalten an eindispergierten Hartstoffpartikeln aus Titancarbid entnommen werden. Die linke Darstellung unter d) zeigt die grafi- sehe Analyse einer Laufflächenschicht mit einem Volumenanteil von 26 % Titancarbid bei einer Laufflächenschichtstärke von 800 μηη. Unter der grafischen Analyse ist ein zugehöriges Schliffbild dargestellt. Die mittlere Darstellung unter e) zeigt die grafische Analyse einer Laufflächenschicht mit einem Volumenanteil von 38 % Titancarbid bei einer Laufflächenschichtstärke von 620 μηη. Unter der grafischen Analyse ist ein zugehöriges Schliffbild dargestellt. Die rechte Darstellung unter f) zeigt die grafische Analyse einer Laufflächenschicht mit einem Volumenanteil von 54 % Titancarbid bei einer Laufflächenschichtstärke von 840 μηη. Unter der grafischen Analyse ist ein zugehöriges Schliffbild dargestellt. Die besten Ergebnisse hinsichtlich Härte- und Verschleißeigenschaften sind bei einem Karbidgehalt von 54 vol.-% erzielt worden, wobei ein noch höherer Gehalt an Titankarbid zu Schwierigkeiten beim Eindispergieren in den Matrixwerkstoff führen kann.

Claims

Patentansprüche
Lagerkomponente eines Wälz- oder Gleitlagers mit einem Grundkörper (1 , 2, 3, 7) aus wenigstens einem Ausgangswerkstoff und einer eine Lauffläche bildenden Beschichtung (4, 5, 6) aus wenigstens einem Auftragswerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Ausgangswerkstoff und der wenigstens eine Auftragswerkstoff durch ein thermisches Verfahren verbunden sind.
Lagerkomponente nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Ausgangswerkstoff und der wenigstens eine Auftragswerkstoff verschweißt sind.
Lagerkomponente nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Ausgangswerkstoff zumindest eine der folgenden Anforderungen erfüllt: a. Der wenigstens eine Ausgangswerkstoff ist chemisch verschieden von dem wenigstens einen Auftragswerkstoff, vorzugsweise chemisch verschieden von allen Auftragswerkstoffen . b. Wenigstens ein Ausgangswerkstoff wirkt gegenüber Strom isolierend. c. Wenigstens ein Ausgangswerkstoff ist aus einer der folgenden Werkstoffgruppen ausgewählt: i. Kunststoffe, vorzugsweise thermoplastische Kunststoffe. ii. Metalle, vorzugsweise Aluminium, Titan, Bronze Messing oder Stahl. iii. Legierungen mit Aluminium, Titan, Bronze Messing oder Stahl als Basismetall.
Lagerkomponente nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Auftragswerkstoff zumindest eine der folgenden Anforderungen erfüllt: a. Wenigstens ein Auftragswerkstoff wirkt gegenüber Strom isolierend. b. Wenigstens ein Auftragswerkstoff ist aus einer der folgenden Werkstoffgruppen ausgewählt: i. Kunststoffe, vorzugsweise thermoplastische Kunststoffe. ii. Metalle, vorzugsweise Kobalt, Nickel, Aluminium oder Stahl, bevorzugt zäh- harter Chrom und/oder Nickelstahl. iii. Legierungen, vorzugsweise mit Kobalt, Nickel, Aluminium als Basismetall, bevorzugt mit Titancarbid und/oder Vanadiumcarbid als Legierungsanteil. iv. Verbundwerkstoffe, bevorzugt Aluminium- / Silizium Verbundwerkstoffe mit Carbiden.
5. Lagerkomponente nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerkomponente als Innenring, Außenring, Käfig oder Wälzkörper eines Wälzlagers ausgebildet ist, wobei der Wälzkörper vorzugsweise kugelförmig, konisch oder zylindrisch ist.
6. Lagerkomponente nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (4, 5, 6) eine Härte im Bereich von 20 bis 70 HRC, vorzugsweise im Bereich von 30 bis 65 HRC, bevorzugt im Bereich von 40 bis 62 HRC aufweist.
7. Verfahren zur Herstellung der Lagerkomponente nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen der folgenden Schritte: a. Auftragen des wenigstens einen Auftragswerkstoffs in diskontinuierlicher und/oder in kontinuierlicher Form, vorzugsweise in Pulverform, in Strangform oder in Ringform, bevorzugt in einer oder in mehreren Lagen auf den Grundkörper (1 , 2, 3, 7), wobei die Korngrößen eines in Pulverform aufgetragenen Auftragswerkstoffs im Bereich von 20 bis 100 μηη, vorzugsweise von 40 bis 80 μηη, bevorzugt im Bereich von 50 bis 70 μηη liegen. b. Verbinden des wenigstens einen Ausgangswerkstoffs und des wenigstens einen Auftragswerkstoffs im festen oder flüssigen Zustand des wenigstens einen Ausgangswerkstoffs und/oder des wenigstens einen Auftragswerkstoffs, vorzugsweise unter der Einwirkung von Kraft. c. Vermischen des wenigstens einen Ausgangswerkstoffs und/oder des wenigstens einen Auftragswerkstoffs im festen oder flüssigen Zustand des wenigstens einen Ausgangswerkstoffs und/oder des wenigstens einen Auftragswerkstoffs. d. Beaufschlagung des wenigstens einen Ausgangswerkstoffs und/oder des wenigstens einen Auftragswerkstoffs mit Energie, vorzugsweise mit Licht, bevorzugt mit Laserlicht, wobei die Intensität der Energie bevorzugt in Abhängigkeit von dem Ausgangswerkstoff und/oder dem Auftragswerkstoff im Bereich von 1 bis 500 kW/cm2, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 100 kW/cm2, bevorzugt im Bereich on 20 bis 50 kW /cm2 gewählt wird, so dass die Eindringtiefe eines Energiestrahls in den wenigstens einen Ausgangswerkstoff und/oder in den wenigstens einen Auftragswerkstoff im Bereich von 20 bis 400 μηη, vorzugsweise von 50 bis 200 μηη, bevorzugt im Bereich von 100 bis 200 μηη liegt. e. Erhitzen des wenigstens einen Ausgangswerkstoffs und/oder des wenigstens einen Auftragswerkstoffs auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur, wobei vorzugsweise im Falle verschiedener Ausgangswerkstoffe und/oder Auftragswerkstoffe mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen die höchste Schmelztemperatur maßgeblich ist. f. Partielles oder vollflächiges Aufschmelzen des wenigstens einen Ausgangswerkstoffs und/oder des wenigstens einen Auftragswerkstoffs an einer Kontaktfläche zu einem Ausgangswerkstoff und/oder zu einem Auftragswerkstoff, wobei der wenigstens eine Ausgangswerkstoff und/oder der wenigstens eine Auftragswerkstoff besonders bevorzugt bis in eine Tiefe im Bereich von 20 bis 400 μηη, vorzugsweise von 50 bis 200 μηη, bevorzugt im Bereich von 100 bis 200 μηη von der Kontaktfläche aufgeschmolzen wird. g. Mechanisches Bearbeiten des Grundkörpers (1 , 2, 3, 7) vor und/oder nach dem Verbinden des wenigstens einen Ausgangswerkstoffs mit dem wenigstens einen Auftragswerkstoff, vorzugsweise durch Drehen, Schleifen oder mit anderen spanabhebenden Verfahren.
Wälz- oder Gleitlager mit wenigstens einer Lagerkomponente nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche.
Lagerkomponente eines Wälz- oder Gleitlagers mit einer eine Lauffläche bildenden Laufflächenschicht (104, 105, 106, 109, 1 1 1 , 122), dadurch gekennzeichnet, dass die Laufflächenschicht (104, 105, 106, 109, 1 1 1 , 122) aus wenigstens einem Matrixwerkstoff und wenigstens einem in den wenigstens einen Matrixwerkstoff zumindest teilweise dispergier- ten Dispersionswerkstoff besteht.
10. Lagerkomponente nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufflächenschicht (104, 105, 106, 109, 1 1 1 , 122) an einem Grundkörper (101 , 102, 103, 107, 108, 1 10, 124) aus wenigstens einem Ausgangswerkstoff angeordnet ist.
1 1. Lagerkomponente nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufflächenschicht (104, 105, 106, 109, 1 1 1 , 122) Teil des Grundkörpers (101 , 102, 103, 107, 108,
1 10, 124) ist.
12. Lagerkomponente nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufflächenschicht (104, 105, 106, 109, 1 1 1 , 122) thermisch und/oder mechanisch mit dem Grundkörper (101 , 102, 103, 107, 108, 1 10, 124) verbunden ist.
13. Lagerkomponente nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufflächenschicht (104, 105, 106, 109, 1 1 1 , 122) durch Aufschmelzen des Matrixwerkstoffs (126) und Zuführen des Dispersionswerkstoffs (128) in die Matrixwerkstoffschmelze gebildet ist.
14. Lagerkomponente nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Dispersionswerkstoff (128) Partikelgrößen zwischen 10 und 60 μηη, vorzugsweise zwischen 22 und 45 μηη aufweist.
15. Lagerkomponente nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufflächenschicht (104, 105, 106, 109, 1 1 1 , 122) eine Dicke von zumindest 0.5 mm, vorzugsweise 0.8 mm bis 1.2 mm, vorzugsweise 1 mm aufweist
16. Lagerkomponente nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufflächenschicht (104, 105, 106, 109, 1 1 1 , 122) einen Volumenanteil von 20 bis 60 %, vorzugsweise, 30 bis 60 %, vorzugsweise 40 bis 60 %, vorzugsweise 50 bis 60 %, vorzugsweise 52 bis 56 %, bevorzugt 54 % Dispersionswerkstoff (128) aufweist und/oder dass die Laufflächenschicht (104, 105, 106, 109, 1 1 1 , 122) einen Volumenanteil von 40 bis 80 %, vorzugsweise, 40 bis 70 %, vorzugsweise 40 bis 60 %, vorzugsweise 40 bis 50 %, vorzugsweise 44 bis 48 %, bevorzugt 46 % Matrixwerkstoff (126) aufweist.
17. Lagerkomponente nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Laufflächenschicht (104, 105, 106, 109,
1 1 1 , 122) zu einem Flächenanteil von 20 bis 60 %, vorzugsweise, 30 bis 60 %, Vorzugs- weise 40 bis 60 %, vorzugsweise 50 bis 60 %, vorzugsweise 52 bis 56 %, bevorzugt 54 % durch den Dispersionswerkstoff (128) gebildet ist und/oder dass der Querschnitt der Laufflächenschicht (104, 105, 106, 109, 1 1 1 , 122) zu einem Flächenanteil von 40 bis 80 %, vorzugsweise, 40 bis 70 %, vorzugsweise 40 bis 60 %, vorzugsweise 40 bis 50 %, vorzugsweise 44 bis 48 %, bevorzugt 46 % durch den Matrixwerkstoff (126) gebildet ist.
18. Lagerkomponente nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Matrixwerkstoff (126) zumindest eine der folgenden Anforderungen erfüllt: a. Der wenigstens eine Matrixwerkstoff (126) ist mit dem wenigstens einen Ausgangswerkstoff chemisch identisch. b. Der wenigstens eine Matrixwerkstoff (126) ist von dem wenigstens einen Ausgangswerkstoff chemisch verschieden. c. Der wenigstens eine Matrixwerkstoff (126) ist chemisch verschieden von dem wenigstens einen Dispersionswerkstoff (128), vorzugsweise chemisch verschieden von allen Dispersionswerkstoffen (128). d. Wenigstens ein Matrixwerkstoff (126) wirkt gegenüber Strom isolierend. e. Wenigstens ein Matrixwerkstoff (126) ist aus einer der folgenden Werkstoffgruppen ausgewählt: i. Kunststoffe, vorzugsweise thermoplastische Kunststoffe. ii. Metalle, vorzugsweise Aluminium, Titan, Bronze Messing oder Stahl. iii. Legierungen mit Aluminium, Titan, Bronze Messing oder Stahl als Basismetall.
19. Lagerkomponente nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Dispersionswerkstoff (128) zumindest eine der folgenden Anforderungen erfüllt: a. Wenigstens ein Dispersionswerkstoff (128) wirkt gegenüber Strom isolierend. b. Wenigstens ein Dispersionswerkstoff (128) ist aus einer der folgenden Werkstoffgruppen ausgewählt: i. Kunststoffe, vorzugsweise thermoplastische Kunststoffe. ii. Metalle, vorzugsweise Titan, Kobalt, Nickel, Aluminium oder Stahl, bevorzugt zäh- harter Chrom und/oder Nickelstahl. iii. Legierungen, vorzugsweise mit Kobalt, Nickel, Aluminium als Basismetall, bevorzugt mit Titancarbid und/oder Vanadiumcarbid als Legierungsanteil. iv. Titancarbide. v. Diamantwerkstoffe. vi. Verbundwerkstoffe, bevorzugt Aluminium- / Silizium Verbundwerkstoffe mit Carbiden.
20. Lagerkomponente nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerkomponente als Innenring, Außenring, Käfig oder Wälzkörper eines Wälzlagers ausgebildet ist, wobei der Wälzkörper vorzugsweise kugelförmig, konisch oder zylindrisch ist.
21. Verfahren zur Herstellung der Lagerkomponente, vorzugsweise nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 20, gekennzeichnet durch wenigstens einen der folgenden Schritte: a. Beaufschlagung des wenigstens einen Matrixwerkstoffs (126) mit Energie, vorzugsweise mit Licht, bevorzugt mit Laserlicht, wobei die Intensität der Energie bevorzugt in Abhängigkeit von dem Matrixwerkstoff (126) im Bereich von 1 bis 500 kW/cm2, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 100 kW/cm2, bevorzugt im Bereich on 20 bis 50 kW /cm2 gewählt wird, so dass die Eindringtiefe eines Energiestrahls in den wenigstens einen Matrixwerkstoff (126) im Bereich von 20 μηη bis 2 mm, vorzugsweise von 100 μηη bis 1 ,5 mm, bevorzugt im Bereich von 0,8 mm bis 1 ,2 mm liegt. b. Erhitzen des wenigstens einen Matrixwerkstoffs (126) auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur, wobei vorzugsweise im Falle verschiedener Matrixwerkstoffe (126) mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen die höchste Schmelztemperatur maßgeblich ist. c. Partielles oder vollflächiges Aufschmelzen des wenigstens einen Matrixwerkstoffs (126), wobei der wenigstens eine Matrixwerkstoff (126) besonders bevorzugt bis in eine Tiefe im Bereich von 20 μηη bis 2 mm, vorzugsweise von 100 μηη bis 1 ,5 mm, bevorzugt im Bereich von 0,8 mm bis 1 ,2 mm von der Lauffläche aufgeschmolzen wird. d. Zuführen des wenigstens einen Dispersionswerkstoffs (128) in diskontinuierlicher und/oder in kontinuierlicher Form, vorzugsweise in Pulverform, wobei die Partikelgrößen eines in Pulverform aufgetragenen Dispersionswerkstoff (128) im Bereich von 20 bis 100 μηη, vorzugsweise von 40 bis 80 μηη, bevorzugt im Bereich von 22 bis 45 μηη liegen. e. Abkühlen des wenigstens einen Matrixwerkstoffs (126) bis unterhalb der Schmelztemperatur. f. Mechanisches Bearbeiten der Laufflächenschicht (104, 105, 106, 109, 1 1 1 , 122) vor und/oder nach dem Eindispergieren des wenigstens einen Dispersionswerkstoffs (128), vorzugsweise durch Drehen, Schleifen oder mit anderen spanabhebenden Verfahren.
Wälz- oder Gleitlager mit wenigstens einer Lagerkomponente nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 9 bis 20.
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