DE2942265A1 - Lager mit niedriger reibung - Google Patents
Lager mit niedriger reibungInfo
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Description
-3-
Aktenzeichen; Neuanmeldung
Anmelderin; Koyo Seiko Company Limited, Osaka / Japan
Lager mit niedriger Reibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Lager mit niedriger
Reibung, mit Metallteilen, die einer Roll- oder Gleitreibung unterworfen sind. Solche Lager sind beispielsweise dazu ausgelegt,
bei Unterdruck oder im Vakuum verwendet zu werden, beispielsweise in einer Röntgenröhre mit rotierender Anode, in Vakuumverdampfervorrichtungen
oder ähnlichen Vakuumapparaten oder in Vorrichtungen, die für die Raumfahrt bestimmt sind.
Lager, die in einem Vakuum verwendet werden, bringen Schwierigkeiten
bezüglich der Schmierung mit Öl oder Fett mit sich, so
daß bisherige Lagerkoraponenten, beispielsweise Roll- oder WaIzelemente,
mit einer festen Schicht aus einem Metall mit Schmiereigenschaften
beschichtet sind, oder mit Molybdändisulfid oder einem ähnlichen Schmiermittel, um die Oberfläche, die der Rollreibung
oder der Gleitreibung unterworfen ist, zu schmieren. Üblicherweise werden solche Metallbeschichtungen durch herkömmliche
Ionenplattierungsverfahren gebildet, wie sie beispielsweise
in der veröffentlichten und ungeprüften japanischen Patentanmeldung
Nr. I98U0/I977 offenbart sind.
Jedoch haben die Überzüge, die durch die herkömmlichen Ionenplattierungsverfahren
gebildet werden, den Nachteil, daß sie eine sehr geringe Haftfestigkeit besitzen und deshalb innerhalb
kürzester Zeit während des Betriebs des Lagers sich abtrennen, so daß das Lager nur eine kurze Lebensdauer besitzt.
Im Hinblick auf diese Nachteile des Standes der Technik ist Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, ein Lager mit niedriger Reibung
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-k-
zu schaffen, das für einen längeren Zeitraum betrieben werden kann. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zumindest 69er
Hollreibung unterworfene Rollelemente mit wenigstens einer Metallzwischenschicht durch Ionenplattierung beschichtet sind,
wobei die Metallzwischenschicht durch Ionenplattierung mit einer Außenschicht aus weichem Metall mit Schmiereigenschaften
beschichtet ist, und die Festzustandslöslichkeit des Metalls in der Zwischenschicht in jedem ihm benachbarten Metall höher ist
als die Festzustandslöslichkeit des weichen Metalls in dem Metall des rollenden Teiles.
Von den Metallteilen, die einer Rollreibung oder einer Gleitreibung
unterworfen sind, sind zweckmäßig mindestens die Rollelemente jeweils mit einer Schicht aus weichem Material
beschichtet, das schmierende Eigenschaften hat. Die weiche
Metallschicht wird durch ein neuartiges Ionenplattierungsverfahren
ausgebildet und besitzt eine hohe Haftstärke.
Jedes der Kollelemente ist zumindest mit einer Zwischenmetallschicht
durch Ionenplattierung beschichtet, wobei diese Zwischenmetall
schicht wiederum durch Ionenplattierung einen Überzug aus weichem Metall mit Schmiereigenschaften erhält. Die Festzustandslöslichkeit
(solid solubility) des Metalls der Zwischenschicht in jedem dazu benachbarten Metall ist höher als es die Festzustandslöslichkeit
des weichen Metalls in dem Grundmaterial des Rollelementes ist.
Bevorzugte Ausfuhrungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren im Detail erklärt.
Fig. 1 ist ein Vertikalschnitt, der eine Ausführungsform der Erfindung
zeigt}
Fig. 2 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die ein Rollelement
nach Fig. 1 zeigt; und
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-5-
Fig. 3 und k sind teilweise gebrochene Vorderansichten und zeigen
weitere Ausführungsformen der Erfindung.
In den Fig. 1 bis k sind die bevorzugten Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Kugel 1, die als Rollelement dient, wobei eine
zusammengesetzte Beschichtung 2 die Oberfläche der Kugel 1 bedeckt,
Ein innerer Ring 3 liefert einen Laufring, ein äußerer Ring k bildet
einen weiteren Laufring sowie einen Käfig 5 zur Festlegung der Kugel 1.
Wie schematisch in Fig. 2 dargestellt, umfaßt die zusammengesetzte
Beschichtung 2 Metallschichten 21 und 22, die als mittlere Schichten über die Oberfläche der Kugel 1 durch Ionenplattierung aufgebracht
sind, sowie eine oberste oder äußerste Schicht 23, die aus einem weichen Metall mit Schmiereigenschaften, also geringem
Reibungskoeffizient hergestellt ist und über die Schicht 22 durch Ionenplattierung gelegt ist. Die Löslichkeit im festen Zustand
des Metalls jeder mittleren Schicht in dem jeweils benachbarten Material ist höher als die Löslichkeit des welchen Materials in
dem Metall der Kugel 1.
Wenn die oberste Schicht 23 beispielsweise aus Gold oder Silber
hergestellt wird, die als weiche Metalle mit Schmiereigenschaften bekannt sind, wird die Kugel 1 gesäubert und dann mit Nikkei
ionenplattiert, anschließend mit Kupfer, um die Zwischenschichten 21 und 22 zu bilden und die Kupferschicht 22 wird daraufhin
mit Gold oder Silber ionenplattiert, um die oberste Schicht zu bilden. Die Festzustandslöslichkeit von Nickel oder
Kupfer der jeweiligen Zwischenschicht in den jeweils benachbarten Materialien ist höher als die Festzustandslöslichkeit von
Gold oder Silber in dem Metallmaterial der Kugel 1.
Gold, Silber oder ähnliche weiche Metalle, die, wie allgemein bekannt Schmiereigenschaften bzw. geringe Reibungskoeffizienten
haben, besitzen eine geringe Festzustandslöslichkeit in Eisenlegierungen, die für Lagerteile wie Roll- oder Wäzlelumente,
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Ringe und Käfige verwendet werden, wie es in Tabelle 1 aufgelistet
ist, so daß selbst dann, wenn derartige Eisenlegierungsmaterialien
direkt mit dem weichen Metall ionenplattiert werden, die dadurch erhaltene Schicht eine geringe Haftfestigkeit besitzt
und deshalb innerhalb kürzester Zeit während des betriebsmäßigen Laufens des Lagers sich ablöst.
Die Festzustandslöslichkeit (solid solubility) von Metallen in anderen Metallen, wie in Tabelle 1 aufgelistet,ist entnommen,
aus "Constitution of Binary Alloys" (1958) von Dr. phil. Max
Hansen und ist in atomaren Prozenten (at.%) ausgedrückt.
Tabelle 1 | Löslichkeit (at.^) | 1 | 7 | - | ο, | 52 |
O | 1,3 | - | k, | 9 | ||
0,06 | 00 | |||||
- | 9 | |||||
- | 1, | 5 | ||||
20 | ||||||
1 | ||||||
2 |
Metal 1kombinationen
Silber in Eisen
Silber in Kupfer
Kupfer in Nickel
Nickel in Eisen
Gold in Eisen
Gold in Kupfer
Silber in Nickel
Gold in Nickel
Silber in Eisen
Silber in Kupfer
Kupfer in Nickel
Nickel in Eisen
Gold in Eisen
Gold in Kupfer
Silber in Nickel
Gold in Nickel
Bei der Ionenplattierung unterliegen das Metallmaterial, das plattiert werden soll, sowie das Plattiermaterial direkter
lieaktion zwischen den Atomen in einer inerten Gasatmosphäre, so daß die Haftstärke der Plattierungsschicht stärker von der Festzustandslöslichkeit
des einen Metalls in dem anderen Metall abhängt, als das bei anderen Plattierungsverfahren der Fall ist.
Weiterhin ist festzuhalten, daß Gold oder Silber, weiche Metalle
mit Schmiereigenschaften, eine niedrige Festzustandslöslichkeit in Eisenlegierungen haben, die weithin verwendet werden als Materialien
für Lagerteile. Im Hinblick auf diese Eigenschaften sieht die vorliegende Erfindung zumindest eine Zwischenmetallschicht
zwischen den zu plattierenden Materialien vor, nämlich
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zwischen dem Lagerteil und der obersten Plattierungsschicht aus
einem Metall mit guten Schmiereigenschaften, das jedoch eine niedrigere Festzustandslöslichkeit in dem zu plattierenden Metall
besitzt. Das Metall der Zwischenshicht hat eine Festzustandslöslichkeit
in jedem benachbarten Material, die höher als die Festzustandslöslichkeit des plattierenden Materials in dem
Grundmaterial ist, wodurch das Plattiermaterial mit dem Lagerteil mit verbesserter Festigkeit verbunden werden kann. Somit
wird durch die vorliegende Erfindung zuverlässig und erfolgreich ein Lager mit niedriger Reibung und langer Lebensdauer
geschaffen, das besonders vorteilhaft in speziellen Umgebungen wie beispielsweise Vakuum, Tiefsttemperaturen und Hochtemperaturen
angewandt werden kann.
Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse eines Experimentes, die unter Verwendung
eines Lagers entsprechend der vorliegenden Erfindung, eines Lagers, das durch herkömmliche Ionenplattierungsverfahren
beschichtet wurde und eines Lagers ohne Plattierungen ermittelt wurden, um die Lebensdauer der Lager zu testen.
relative Test gegenstand Lebensdauer
erfindungsgemäßes Lager mit niedriger Reibung,
bei dem die Rollelemente alleine mit Nickel, dann mit Kupfer und danach mit Gold ionenplattiert
wurden 700
Lager mit niedriger Reibung, bei dem die Rollelemente alleine direkt mit Gold durch herkömmliches
Verfahren ionenplattiert wurden 9
übliches unplattiertes Lager mit niedriger Reibung 1
Die Lagertypen, die für das Experiment verwendet wurden und die Testbedingungen waren folgende:
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Lagertyp: Kugellager Nr. 6000
Testbedingungen: Temperatur Zimmertemperatur
Druck 4 10~* Torr
Umdrehungsgeschwindigkeit 200 Upm
Druckbelastung 48 kp
Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse eines weiteren Experimentes, das
unter der Verwendung des erfindungsgemäßen Lagers mit eine«
Käfig nach Fig. 1 und unter Verwendung des erfindungsgemäßen Lagers ohne Käfig nach Fig. 3 durchgeführt wurde, um die Lager
auf ihre Lebensdauer zu testen.
Tabelle 3 Typ des Lagers nach der Erfindung
Mit Rollelementen, die nur mit Nickel, dann mit Kupfer, danach mit Gold plattiert wurden
mit Rollelementen, die nur mit Nickel, dann mit Kupfer und danach mit Silber ionenplattiert
wurden
Der in dem Experiment verwendete Lagertyp und die Testbedingungen waren wie folgt:
Lagertyp: Nr. 626 Testbxlingungen: Temperatur Zimmertemperatur
Druck < 10~^ Torr
Umdrehungsgeschwindigkeit 200 Upm
Belastung 15 kp
keiner | 60 |
mit Käfig | 120 |
keiner | 200 |
mit Käfig | 250 |
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Die oben aufgegebenen Ergebnisse zeigen, daß die erfindungsgemäßen
Lager mit niedriger Reibung eine bedeutend längere Lebensdauer als die Lager mit Rollelementen haben, die mit Gold oder Silber
durch herkömmliche Ionenplattierungsverfahren beschichtet sind.
Bei Lagern, die mit herkömmlichen Ionenplattierungsverfahren beschichtet
sind, ist es bekannt, daß der Käfig zur Festlegung der Rollelemente dazu beiträgt, daß die Beschichtung während
des Lagerlaufs sich abnutzt und abtrennt, was als Ergebnis hat, daß Lager mit niedriger Reibung, die keinen Käfig aufweisen,
eine längere Lebensdauer als die Lager mit Käfig besitzen, wohingegen das in Tabelle 3 angegebene Testergebnis zeigt, daß
die erfindungsgemäßen Lager mit niedriger Reibung mit Käfig eine
verhältnismäßig längere Lebensdauer als die ohne Käfig besitzen,
was im Hinblick auf die bisherige gegenteilige Auffassung der Fachwelt überraschend ist. Der Grund dafür dürfte in dem Hauptmerkmal
der Erfindung zu suchen sein, daß die Schicht mit dem schmierenden weichen Material, d.h. Gold oder Silber, mit hoher
Festigkeit an die doppelte Zwischenschicht 21 oder 22 aus Nickel oder Kupfer gebunden ist, die in der Oberfläche des Rollelementes
ausgebildet ist, so daß das Metall der Zwischenschicht eine hohe Festzustandslöslichkeit in dem Metall jeder benachbarten Schicht
b e s i1z t.
Wie bereits beschrieben, ist es ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Lagers mit niedriger Reibung, daß zumindest
die Rollelemente mit einer zusammengesetzten Beschichtung 2 auf ihrer Oberfläche versehen sind, da die effektive Berührungsfläche
mit den niedrigen Reibungskoeffizienten dadurch viel größer ist, als wenn die zusammengesetzte Beschichtung 2 auf
dem Laufring oder in dem Käfig ausgebildet würde, und es wird ein stark verbesserter Schmierwirkungsgrad erreicht. Außerdem
ist die Beschichtung leichter auszubilden. Insbesondere, wenn die Rollelemente, wie oben beschrieben, Kugeln sind, ändert
sich der Teil der Kugel, der in Berührung mit den Laufringen steht, während des Laufs des Lagers aufgrund der Spin^bewegung
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der Kugeln. Dies ermöglicht es, daß die gesamte Fläche der als effektive Kontaktfläche dient, was zu sehr geringen Reibungskoeffizienten
beiträgt.
Jedoch ist der Teil, der mit der zusammengesetzten Beschichtung
2 ausgebildet wird, nicht auf die Rollenelemente 1 begrenzt, vielmehr können solche zusammengesetzten Beschichtungen gleichermaßen
auf den inneren und äußeren Laufringen 3 und k vorgesehen werden. Tabelle 4 ziegt die Ergebnisse eines weiteren Experiments,
bei dem ein derart beschichtetes Lager auf seine Verwendbarkeit im Vergleich mit anderen Lagern getestet wurde.
erfindungsgemäßes Lager mit niedriger Reibung, bei dem die Rollelemente mit
Nickel, dann mit Kupfer, danach mit Silber beschichtet wurden
relative Lebensdauer
erfindungsgemäßes Lager mit niedriger
Reibung, wobei die Rollelemente und
Innen- und Außenringe mit Nickel, dann
mit Kupfer, danach mit Silber beschichtet wurden 18
Reibung, wobei die Rollelemente und
Innen- und Außenringe mit Nickel, dann
mit Kupfer, danach mit Silber beschichtet wurden 18
nichtplattiertes herkömmliches Lager mit
niedriger Reibung 1
Lagertypen und Testbedingungen waren folgende:
Lagertyp:
Testbedingungen: Temperatur
Kugellager Nr. 727 Zimmertemperatur
Druck | 1 | '. 10~5 Torr |
Umdrehungsge- schwindigkext |
6 | OO Upm |
Druckbelastung | k | kp |
Radialbelastung | , 6 kp | |
Die Testergebnisse, die in Tabelle k aufgeführt sind, zeigen an,
daß das Kugellager, in dem der innere und der äußere Laufring
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ebenso vie die Kugeln mit einer Silberschicht beschichtet sind,
in etva die gleiche lange Lebensdauer wie ein Lager besitzt, bei dem nur die Rollelemente alleine beschichtet sind.
Obwohl die Rollelemente 1 jeder oben beschriebenen Ausführungsform zum Aufnehmen der Lagerbelastung mit Zwischenschichten 21
und 22 aus Nickel und Kupfer und einer oberen Gold oder Silberschicht '23, die die Schicht 22 bedeckt, ausgebildet sind, kann
jede zweite Kugel 1 bei Lagern ohne Käfig, beispielsweise Kugellagern, mit der Beschichtung 2 versehen werden, wie es aus Fig.
k zu entnehmen ist. Tabelle 5 zeigt, daß Lager, die so beschichtet
sind, eine längere Lebensdauer als diejenigen haben, bei der alle Kugeln 1 die Beschichtung 2 aufweisen.
In diesem Falle sind die Kugeln 1, die die Beschichtung 2 haben,
durchmessermäßig größer als die unbeschichteten Kugeln 1, und zwar um den Betrag, der der Stärke der Beschichtung 2 entspricht.
Die beschichteten Kugeln 1 tragen die Lagerbelastung, während die unbeschichteten Kugeln als Abstandshalter dienen.
alle Kugeln ionenplattiert mit Nikkei, dann mit Kupfer, danach mit Silber (Kugellager Nr. 626) 5
jede zweite Kugel ionenplattiert mit
Nickel, dann mit Kupfer, danach mit
Silber (Kugellager Nr. 626) 12
Umdrehungsgeschwindigkeit 3,200 Upm
Obwohl die oben beschriebenen AusfUhrungsformen Kugellager sind,
ist die Erfindung auch sinnvoll anzuwenden bei anderen Lagern
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niedriger Reibung, beispielsweise Walzenlagern, Kugellagern und sphärischen Lagern.
Entsprechend der oben beschriebenen Erfindung ist somit ein Kugellager mit niedriger Reibung geschaffen, bei dem von dan
Metallkomponenten, die der Rollreibung oder der Gleitreibung unterworfen sind, zumindest jedes zweite Rollelement 1 mit
Nickel und dann mit Kupfer ionenplattiert ist, um eine Nickel- und Kupfer-Zwischenschicht 21 und 22 zu bilden, und weiterhin
ionenbeschichtet ist mit Gold oder Silber, um eine obere Schicht 23 über der Kupferschicht 22 zu bilden. Die Festzustandslöslichkeit des Metalls jeder Zwischen-schicht in dem
jeweils benachbarten Metall ist höher als die Festzustandslöslichkeit von Gold oder Silber in dem Metallmaterial des
Rollelementes 1. Als Ergebnis ist die Gold- oder Silberschicht 23 auf das Rollelement 1 mit einer hohen Haftfestigkeit aufgezogen. Die Nickel- und die Kupferschichten 21 und 22 liegen
dazwischen, so daß die Gold- oder Silberschicht 23 an dem
Rollelement 1 über einen längeren Zeitraum trotz der Rotation des Lagers gehalten wird. Dies führt zu einer erheblich verlängerten Lebensdauer des Lagers.
Bislang war man der Meinung, daß der Käfig dazu führt, die Trennung der Beschichtung von dem Rollelement zu unterstützen, jedoch
zeigt der Käfig, wenn er mit dem erfindungsgemäßen Lager mit niedriger Reibung verwendet wird, keine nachteiligen Einflüsse
auf die Gold-oder Silberschicht 23. Er kann vielmehr seine ihm
zugedachte Punktion voll erfüllen, wodurch es nicht notwendig ist, eine Rille für die Kugeln auszubilden, wodurch die Anzahl
von Zusemmenbauschritten bei der Herstellung verringert wird.
Obwohl Nickel und Kupfer für die ZwischensdiLditen 21 und 22 verwendet werden, um die Rollelemente 1 unter Verwendung von Gold
und Silber als Schmierweichmetalle für die oberste Schicht entsprechend den vorangegangenen Ausführungsformen zu verwenden,
sind die Metalle für die Zwischenschicht und das Leitmetall nicht auf diese Beispiele beschränkt. In der obengenannten und
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beschriebenen Erfindung wurden Zwischenschichten aus Nickel und
aus Kupfer beschrieben. Das Rollelement 1 kann jedoch mit einer einzigen Zwischenschicht ionenplattiert werden, beispielsweise
mit Nickel und daraufhin dann mit Gold oder Silber. Die Goldoder Silberschicht kann mit einer höheren Haftfestigkeit als
bislang angebracht werden.
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Leerseite
Claims (7)
- DiPL.-c mfm. D^. HARALD STACHPATENTANWALTADENAUERALLEE 30 · 30OO HAMBURG 1 · TELEFON (04O) 344323Aktenzeichen; NeuanmeldungAnmelderin; Koyo Seiko Company LimitedPATENTANSPRÜCHEf1))Reibungsarme Lager mit Rollelementen und einer Roll- oder Gleitreibung unterworfenen Metallteilen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige Rollenelemente mit wenigstens einer durch Ionenplattierung aufgebrachten Metallzwischenschicht und einer auf diese durch Ionenplattierung aufgebrachten Außenschicht aus weichem Metall mit Schmiereigenschaften beschichtet sind, wobei die Festzustandslöslichkeit des Metalls der Zwischenschicht in jedem benachbarten Metall höher ist als die Festzustandslöslichkeit des weichen Metalls im Metall des Rollelements.
- 2) Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Metallteilen ein Käfig, ein innerer und ein äußerer Laufring sowie rollende Elemente gehören.
- 3) Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteile einen inneren und einen äußeren Ring sowie rollende Elemente umfassen.
- h) Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteile aus einer Eisenlegierung, die Zwischenschicht aus Nickel und die oberste Schicht aus Gold und/oder Silber best ehen.
- 5) La^er nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteile aus einer Eisenlegierung hergestellt sind und die Rollelemente mit einer unteren Zwischenschicht aus Nickel und einer oberen Zwischenschicht aus Kupfer versehen sind, und als oberste Schicht Gold und/ oder Silber vorgesehen ist.030029/0521ORlGlNAL INSPECTED.a·
- 6) Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hollelemente Kugeln oder Rollen sind.
- 7) Lager nach einem der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd mit den beschichteten Rollelementen unbeschichtete Rollelemente angeordnet sind.030029/05 2 1
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