DE102013218344A1

DE102013218344A1 - Lagerkomponente eines Wälz- oder Gleitlagers sowie Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102013218344A1
Application number: DE102013218344.5A
Authority: DE
Inventors: Manfred Papke
Original assignee: HSP SCHWAHLEN GmbH
Current assignee: HSP SCHWAHLEN GmbH
Priority date: 2013-09-12
Filing date: 2013-09-12
Publication date: 2015-03-12

Abstract

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

Die Erfindung betrifft 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 jeweiligen Grundkörper und die Lauffläche des Lagers, wobei beispielsweise der Grundkörper besonders leicht, weich oder kostengünstig, die Lauffläche dagegen besonders hart, abriebfest und hochwertig sein muss. Es ist möglich, einen Grundkörper geringer Festigkeit beziehungsweise geringer Härte mit einem harten und/oder abriebfesten Werkstoff zu beschichten. 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 kann sich das dauerhafte Aufbringen der Beschichtung auf den Grundkörper als schwierig erweisen. Dies gilt besonders für Hochpräzisionslager, wobei die Beschichtung nicht nur mit einer besonders geringen Toleranz (bspw. maximal 10 µm) auf den Grundkörper aufgebracht, sondern auch nach längeren Betriebszeiten erhalten bleiben muss, ohne dass es zu Ablöseeffekten, zu Eigenschaftsänderungen oder gar Materialversagen kommen darf. Den im Wege der Beschichtung von Lagerkomponenten erzielbaren Oberflächenhärten und Abriebfestigkeiten sind daher technologisch Grenzen gesetzt.
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.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung 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 diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Lagerkomponente mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. In Bezug auf das Verfahren zur Herstellung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 13 gelöst. Ein Erfindungsgemäßes Wälz- oder Gleitlager ist Gegenstand von Anspruch 14.
Eine erfindungsgemäße Lagerkomponente eines Wälz- oder Gleitlagers weist eine eine Lauffläche bildende Laufflächenschicht auf, 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 Titancarbide 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 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 üblicherweise 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 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 gegeben 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 µm, vorzugsweise zwischen 22 und 45 µm 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: • Kunststoffe, vorzugsweise thermoplastische Kunststoffe. • Metalle, vorzugsweise Aluminium, Titan, Bronze, Messing oder Stahl. • 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: • Kunststoffe, vorzugsweise thermoplastische Kunststoffe. • Metalle, vorzugsweise Titan, Kobalt, Nickel, Aluminium oder Stahl, bevorzugt zäh- harter Chrom und/oder Nickelstahl. • Legierungen, vorzugsweise mit Kobalt, Nickel, Aluminium als Basismetall, bevorzugt mit Titancarbid und/oder Vanadiumcarbid als Legierungsanteil. • Titancarbide. • Diamantwerkstoffe. • Verbundwerkstoffe, bevorzugt Aluminium- / Silizium Verbundwerkstoffe mit Carbiden.

Nach einer bevorzugten Ausführung 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 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 µm bis 2 mm, vorzugsweise von 100 µm 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 Bereich von 20 µm bis 2 mm, vorzugsweise im Bereich von 100 µm 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 µm, vorzugsweise von 40 bis 80 µm, bevorzugt im Bereich von 22 bis 45 µm liegen.
– Abkühlen des wenigstens einen Matrixwerkstoffs bis unterhalb der Schmelztemperatur.
– Mechanisches Bearbeiten der Laufflächenschicht vor und/oder nach dem Eindispergieren des wenigstens einen Dispersionswerkstoffs, vorzugsweise durch Drehen, Schleifen oder mit anderen spanabhebenden Verfahren.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Wälz- oder Gleitlager mit wenigstens einer Lagerkomponente nach wenigstens einer der vorangehenden Ausführungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 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.
2 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.
3 zeigt schematisch unterschiedliche Möglichkeiten der Randschichtbehandlung nebst zugehörigen Schnittbildern.
4 zeigt Schliffbilder einer erfindungsgemäßen Laufflächenschicht mit eindispergierten Hartstoffpartikeln aus Titancarbid.
5 zeigt eine grafische Analyse sowie ein weiter vergrößertes Schliffbild einer erfindungsgemäßen Laufflächenschicht mit eindispergierten Hartstoffpartikeln aus Titancarbid.
6 zeigt grafische Analysen sowie zugehörige Schliffbilder einer erfindungsgemäßen Laufflächenschicht mit unterschiedlichen Gehalten an eindispergierten Hartstoffpartikeln aus Titancarbid.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Die Erfindung befasst sich 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 µm bis 2 mm, vorzugsweise im Bereich von 100 µm 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 µm bis 2 mm, vorzugsweise von 100 µm 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 µm, vorzugsweise von 40 bis 80 µm, bevorzugt im Bereich von 22 bis 45 µm 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 werden nachstehend im Detail mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
Erstes Ausführungsbeispiel
Das erste in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel betrifft ein Wälzlager mit vier erfindungsgemäßen Lagerkomponenten, wobei die erste Lagerkomponente als Innenring 1 mit einer Laufflächenschicht 4 ausgebildet ist und die zweite Lagerkomponente als Außenring 2 mit einer Laufflächenschicht 5 ausgebildet ist. Die dritte Lagerkomponente wird durch eine Vielzahl von rollenden Wälzkörpern 3 mit einer Laufflächenschicht 6 gebildet, wobei die Wälzkörper 3, die zwischen dem Innenring 1 und dem Außenring 2 angeordnet sind, durch einen eine Laufflächenschicht aufweisenden Käfig 7 als vierte Lagerkomponente auf Abstand gehalten werden, um an den durch die Laufflächenschicht 4 des Innenrings 1 und durch die Laufflächenschicht 5 des Außenrings 2 gebildeten Laufflächen abzuwälzen. Es ist jedoch nicht erforderlich, dass sämtliche Grundkörper 1, 2, 3, 7 der Komponenten mit einer erfindungsgemäßen Laufflächenschicht 4, 5, 6 versehen sind. Insbesondere können einzelne der Grundkörper 1, 2, 3, 7 frei von einer Laufflächenschicht sein oder eine Beschichtung aufweisen. Beispielsweise kann der Grundkörper des Käfigs 7 frei von einer Laufflächenschicht und anstelle dessen mit einer geeigneten Beschichtung versehen sein.
Die Laufflächenschichten 4, 5, 6 können nach dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellt sein. Dabei können die Laufflächenschichten 4, 5, 6 Teil der jeweiligen Grundkörper 1, 2, 3, 7 sein, also unmittelbar an den Grundkörpern 1, 2, 3, 7 ausgebildet sind. Ebenso ist es möglich, dass die Laufflächenschichten 4, 5, 6 nachträglich auf die jeweiligen Grundkörpern 1, 2, 3, 7 aufgebracht werden und etwa thermisch und/oder mechanisch mit den Grundkörpern 1, 2, 3, 7 verbunden werden.
Die Grundkörper 1, 2, 3, 7 können aus identischen oder verschiedenen Ausgangswerkstoffen bestehen, wobei auch die Matrixwerkstoffe und/oder Dispersionswerkstoffe der Laufflächenschichten 4, 5, 6 identisch oder verschieden 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 Laufflächenschichten 4, 5, 6 aus denselben Matrix- beziehungsweise Dispersionswerkstoffen gefertigt sind.
Zweites Ausführungsbeispiel
Das zweite in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel betrifft ein lineares Gleitlager mit zwei erfindungsgemäßen Lagerkomponenten, wobei eine Lagerkomponente einen länglichen Grundkörper 8 aufweist, der oberseitig eine erfindungsgemäße Laufflächenschicht 9 aufweist, die eine Lauffläche bildet, entlang welcher eine zweite Lagerkomponente mit ebenfalls einem Grundkörper 10 und einer Laufflächenschicht 11 gleitend verschieblich gelagert ist.
Die Laufflächenschichten 9, 11 können nach dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellt sein. Dabei können die Laufflächenschichten 9, 11 Teil der jeweiligen Grundkörper 8, 10, also unmittelbar an den Grundkörpern 8, 10 ausgebildet sein. Ebenso ist es möglich, dass die Laufflächenschichten 9, 11 nachträglich auf die jeweiligen Grundkörper 8, 10 aufgebracht werden und etwa thermisch und/oder mechanisch mit den Grundkörpern 8, 10 verbunden werden.
Schliffbilder
In der Darstellungen in 3 sind schematisch unterschiedliche Möglichkeiten der Randschichtbehandlung von Werkstoffen nebst zugehörigen Schliffbildern gegenübergestellt. Die obere Darstellung unter a) zeigt eine legierte Randschicht 12, die an einen Ausgangswerkstoff eines Grundkörpers 14 angrenzt. Rechts daneben ist ein Schliffbild einer solchen legierten Randschicht abgebildet. Die mittlere Darstellung unter b) zeigt eine Beschichtung 16, die auf einen Ausgangswerkstoff eines Grundkörpers 18 mittels Auftragsschweißen aufgebracht wurde. In einer Zwischenschicht 20 ist es zu einer Durchmischung des Auftragswerkstoffs der Beschichtung 16 sowie des Ausgangswerkstoffs des Grundkörpers 20 gekommen. Rechts daneben ist ein Schliffbild einer derartigen Beschichtung abgebildet. Die untere Darstellung unter c) zeigt eine Laufflächenschicht 22, die an einem Grundkörper 24 aus einem Ausgangswerkstoff angeordnet ist. Rechts daneben ist ein Schliffbild einer derartigen Laufflächenschicht 22 abgebildet. Die Laufflächenschicht 22 besteht aus einem Matrixwerkstoff 26 sowie darin dispergierten Feststoffpartikeln 28 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 4 sowie in weiter vergrößerten Darstellung der 5 zu entnehmen. Der rechten Darstellung in 5 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 6 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 grafische Analyse einer Laufflächenschicht mit einem Volumenanteil von 26 % Titancarbid bei einer Laufflächenschichtstärke von 800 µm. 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 µm. 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 µm. 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

Lagerkomponente eines Wälz- oder Gleitlagers mit einer eine Lauffläche bildenden Laufflächenschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufflächenschicht aus wenigstens einem Matrixwerkstoff und wenigstens einem in den wenigstens einen Matrixwerkstoff zumindest teilweise dispergierten Dispersionswerkstoff besteht.
Lagerkomponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufflächenschicht an einem Grundkörper aus wenigstens einem Ausgangswerkstoff angeordnet ist.
Lagerkomponente nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufflächenschicht Teil des Grundkörpers ist.
Lagerkomponente nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufflächenschicht thermisch und/oder mechanisch mit dem Grundkörper verbunden ist.
Lagerkomponente nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufflächenschicht durch Aufschmelzen des Matrixwerkstoffs und Zuführen des Dispersionswerkstoffs in die Matrixwerkstoffschmelze gebildet ist.
Lagerkomponente nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Dispersionswerkstoff Partikelgrößen zwischen 10 und 60 µm, vorzugsweise zwischen 22 und 45 µm aufweist.
Lagerkomponente nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufflächenschicht eine Dicke von zumindest 0.5 mm, vorzugsweise 0.8 mm bis 1.2 mm, vorzugsweise 1 mm aufweist
Lagerkomponente nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 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.
Lagerkomponente nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 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 dass 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.
Lagerkomponente nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Matrixwerkstoff zumindest eine der folgenden Anforderungen erfüllt: a. Der wenigstens eine Matrixwerkstoff ist mit dem wenigstens einen Ausgangswerkstoff chemisch identisch. b. Der wenigstens eine Matrixwerkstoff ist von dem wenigstens einen Ausgangswerkstoff chemisch verschieden. c. Der wenigstens eine Matrixwerkstoff ist chemisch verschieden von dem wenigstens einen Dispersionswerkstoff, vorzugsweise chemisch verschieden von allen Dispersionswerkstoffen. d. Wenigstens ein Matrixwerkstoff wirkt gegenüber Strom isolierend. e. Wenigstens ein Matrixwerkstoff 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 Dispersionswerkstoff zumindest eine der folgenden Anforderungen erfüllt: a. Wenigstens ein Dispersionswerkstoff wirkt gegenüber Strom isolierend. b. Wenigstens ein Dispersionswerkstoff 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.
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.
Verfahren zur Herstellung der Lagerkomponente, vorzugsweise nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen der folgenden Schritte: a. 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 µm bis 2 mm, vorzugsweise von 100 µm bis 1,5 mm, bevorzugt im Bereich von 0,8 mm bis 1,2 mm liegt. b. 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. c. Partielles oder vollflächiges Aufschmelzen des wenigstens einen Matrixwerkstoffs, wobei der wenigstens eine Matrixwerkstoff besonders bevorzugt bis in eine Tiefe im Bereich von 20 µm bis 2 mm, vorzugsweise von 100 µm 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 in diskontinuierlicher und/oder in kontinuierlicher Form, vorzugsweise in Pulverform, wobei die Partikelgrößen eines in Pulverform aufgetragenen Dispersionswerkstoff im Bereich von 20 bis 100 µm, vorzugsweise von 40 bis 80 µm, bevorzugt im Bereich von 22 bis 45 µm liegen. e. Abkühlen des wenigstens einen Matrixwerkstoffs bis unterhalb der Schmelztemperatur. f. Mechanisches Bearbeiten der Laufflächenschicht vor und/oder nach dem Eindispergieren des wenigstens einen Dispersionswerkstoffs, vorzugsweise durch Drehen, Schleifen oder mit anderen spanabhebenden Verfahren.
Wälz- oder Gleitlager mit wenigstens einer Lagerkomponente nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche.