DE2942265C2 - Reibungsarmes Wälzlager - Google Patents
Reibungsarmes WälzlagerInfo
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Description
eine durch Ionenplattiening aufgebrachte
Nickel-Zwischenschicht (21), eine auf die Nickel-Zwischenschicht (21) durch
Ionenplattlerung aufgebrachte Kupfer-Zwischenschicht (22) sowie
eine auf die Kupfer-Zwischenschicht (22, 21) durch tonenplattierung aufgetragene schmierwirksame
Äußenschichl (23) aus Gold oder m
Silber aufweist.
Die Erfindung betrifft ein reibungsarmes Walzlager mit Wälzkörpern und diese führenden Lagertellen aus
einer Eisenlegierung, wobei minaeslcns einige Walzkörper
und gegebenenfalls auch andere lagerteile mn einer Beschichtung m!.' einer auf eine metallische /.wischen- m
schicht aufgebrachten AuUcnschlchl aus schmlerwlrksamcm
Metall versehen sind.
Das aus der GB-PS 7Ί7Ο8Ι bekannte Wälzlager
dieser Art weist eine Silbcr-ZwlsCncnschichi und eine
lndium-Außenschlcht auf, die jeweils elektrolytisch aufgebracht sind. Bei solchen elektrolytisch plattierten
Lagertellen kommt es im Betrieb zu Ablösungen der Zwischen- bzw. Äußenschichl, da diese nicht die nötige
Haftfestigkeit am Untergrund erreichen; das führt zu Betriebsstörungen und erhöhtem Aufwand. 4»
Bei der In der DE-OS 17 75 017 beschriebenen ahnlichen
Gleitreibpaarung sind auf einen Grundmclallkörper aus Stahl ein Zwischenschicht aus Nickel und eine
Außenschicht aus Gold aufgebracht. Es können auch mehrere Metall-Zwischenschichten vorgesehen werden,
wobei jedes dieser Metalle gleichzeitig in dem Ihm vorhergehenden und dem nachfolgenden Mciall löslich
und das mit dem Grundmclall direkt In Berührung stehende Metall in diesem löslich sein soll. Diese
Beschichtungen werden mechanisch oder ebenfalls elck- si)
trolytlsch aufgebracht und unterliegen ;aich den bereits
genannten AbiftsungsheschiUllgungen.
Aus dem Aufsatz von D.M. Mntiox, »l'llm Deposition
Using Accelerated Ions«, Office of Technical Services, Dept. of Commerce, Washington, USA, von 1963
ist es bereits bekannt, metallische Körper In einer inerten
Gasatmosphiire durch Ionenplattlerung mit metallischen
Oberflächenfllmcn zu versehen.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein rcibungsarmcs
Wälzlager der eingangs genannten Art mit verlängerter mi Lebensdauer zu schallen.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist das Will/lager der
eingangs genannten Art crllndungsgcniiUJ die im kennzeichnenden
IcIl des Patentanspruchs definierten Merkmale
auf. i.s
Die Verwendung des loncnplatllcrungsvcriahrens Tür
Wälzlager wird als solche Im Rahmen dieser Erfindung
nicht beansprucht.
Das erfindungsgemäße Wälzlager weist durch die Ionenplattierung fest mit dem jeweiligen Untergrund
verbundene Zwischen- bzw. Außenschichten auf, die auch nach längerer Betriebsdauer frei von Ablösungsbeschädigungen
sind. Die Materialwahl In den verschiedenen Schichten führt dazu, daß die Festzustandslöslichkeit
des Metalls der Zwischenschicht in jedem angrenzenden Metall höher ist als die Festzustandslösl'chkelt
das Metalls der Außcnschichl Im Metall des Wälzkörpers.
Dabei wird eine Schlchlzcrslörung durch Fortdiffusion
des schmierenden AuUcnschichlmelalls verhindert.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen tf?s erfindungsgemäßen Wälzlagers an Hand der beigefügten
Zeichnungen weiter erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 einen Vertikalschnitt eines Wälzlagers,
Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht eines Wälzkörpers
nach FI g. 1 und
Flg. 3 und 4 teilweise gebrochene Vorderansichten abgewandelter Wälzlager.
Fig. 1 zeigt eine Kugel 1 als Wälzkörper mit einer
Beschichtung 2. Ein Innenring 3 und ein Außenring 4 bilden Laufringe, ein Käfig 5 dient zur Führung der
Kugel 1.
Wie Fig. 2 schenvAlsch zeigt, umfaßt die Beschichtung
2 auf die Oberfläche der Kugel 1 durch lonenplatlicrung
aufgebrachte Zwischenschichten 21 und 22 sowie eine Gold- oder Silber-Außenschicht 23 mit
Schniicrclgcnschaflcn, also mit niedrigem Reibungskoeffizienten,
die auf die äußerste Zwischenschicht Z2 durch lonenplulllerung aufgebracht ist. Zur Aufbringung
der AuUcnschichl 23 aus Gold oder Silber wird die Kugel 1 gesäubert und dann zur Bildung der
Zwischenschichten 21 und 22 mit Nickel und nachfolgend mit Kupfer lonenplattiert. Die Kupfer-Zwischenschicht
22 wird daraufhin mit Gold oder Silber lonenplatiicrt.
Die FcstzusiandslöslichkeH des Nickels bzw. Kupfers der jeweiligen Zwischenschicht 21, 22 in den
jeweils benachbarten Metallen ist höher als die Festzustandslöslichkcit
von Gold oder Silber in dem Metall der Kugel I.
Gold, Silber oder ähnliche weiche Metalle mit Schmicrcigcnschaflen bzw. niedrigen Reibungskoeffizienten
weisen eine geringe Festzustandslöslichkeit In Eisenlegierungen auf, die für Lagerteile wie Wälzelemcntc.
Ringe und Käfige verwendet werden, wie Tabelle I zeigt. Wenn derartige Eisenlegierungen direkt
mit dem welchen Metall ionenplattiert werden, weist die dadurch erhaltene Außenschicht eine geringe Haftfestigkeit
auf und löst sich deshalb Innerhalb kurzer /eil vom Lagerteil ab.
Die l:csl/.usland.slosllchkcllcn (solid soulblllty) von
Metallen in anderen Metallen in Tabelle 1 sind dem Buch »Constitution of Binary Alloys« (1958) von
Dr. Max Hansen entnommen und In Atomprozenten (at.-'ΊΟ ausgedrückt.
Metall kombinationen
Löslichkeit (al.%)
Silber in Kiscn
Silber in Kupfer
Kupfer in Nickel
Nickel in Eisen
Ciokl in Kiscn
Silber in Kupfer
Kupfer in Nickel
Nickel in Eisen
Ciokl in Kiscn
0 -0,52
0,06-4,9
100
0,06-4,9
100
7 -9
1.3 -1,5
1.3 -1,5
Tabelle λ
Gold in Kupfer
Silber in Nickel
Gold in Nickel
Silber in Nickel
Gold in Nickel
20
I
2
Bei der lonenplattierung unterliegen das Metall, auf
das plattiert werden soll, sowie das Plalticrmaierial direkter atomarer Reaktion in einer inerten Gasalmosphäre,
so daß die Haftstärke der Piatlierungsschichi stärker von der FestzuMandslöslichkeil des einen
Metalls in dem anderen Metall abhängt, als das bei anderen Plattierungsverfahren der Fall ist. Andererseits is
zeigen Gold oder Silber eine niedrige Festzuslandslös-Ilchkeit
In Eisenlegierungen, als als Materialien für Lagerteile weithin verwendet werden. Daher ist zumindest
eine Zwischenschicht aus Nickel zwischen dem Lagerte!! und der Äußenschicht aus Gold oder SÜber 2«
vorgesehen. Das Nickel der Zwischenschicht hai cmc höhere Festzuslandslöslichkclt in jedem benachbarten
Material im Vergleich mit der Fcstzuslandslöslichkcil
des Goldes oder Silbers in dem Metall des Lagcrtcils, wodurch das Außenschichtmetall mit dem Lagerteil mit
erhöhter Festigkeit verbunden wird. Dieses Wälzlager kann vorteilhaft für beispielsweise Vakuum, Tiefst- und
Hochtemperaturen angewandt werden.
Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse eines Versuchs mit einem erfindungsgemäßen Wälzlager, einem nur mit M)
Gold durch lonenplattierung beschichteten Lager und einem Lager ohne Piattierung.
Tabelle 2
Versuchsgegenstand
relative
Lebensdauer
erfindungsgemäßes reibungsarmes 700
Wälzlager, bei dem die Wälzkörper mil
Nickel, dann mit Kupfer und d;:n:ich mil
Gold ioncnplatticrl wurden
Nickel, dann mit Kupfer und d;:n:ich mil
Gold ioncnplatticrl wurden
reibungsarr-ies Wälzlager, bei dem liic 9
Wälzkörper nur direkt mit Gold ionenplattiert wurden
übliches unplatlierles reibungsarmes i
Wälzlager
Die Versuchs-Wälzlagertypen und die Versuchsbedingungen waren folgende:
Wälzlagertyp:
Testbedingungen:
Testbedingungen:
Temperatur:
Umgebungsdruck:
Umgebungsdruck:
Umdrehungsgeschwindig
keit:
Lager-Druckhelastung:
Kugellager Nr. 6000 Zimmertemperatur < 10-5 Torr
200 Upm
48 kp
55
Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse eines weiteren Ver-
<a suehs, der mit dem crlLtJungsgcmüLicn Wälzlager mit
einem Käfig (Fig. I) bzw. ohne Käfig (Fig. 3) durchgeführt wurde.
60
crfindungsgemäßes Wälzlager mit Wälzkörpern,
die mit Nickel, dann mit Kupfer, danach mil Gold plattiert wurden, ohne
Käfig
dto. mit Käfig 120
crfindungsgemäßes Wälzlager mit Wälz- 200 körpern, die mit Nickel, dann mit Kupfer
und danach mit Silber ionenplattiert wurden, ohne Käfig
dto. mit Käfig
250
Der dabei verwendete. Wälzlagertyp und die Verbedingungcn waren folgende:
Nr. 62o
Zimmertemperatur < 10 ' Torr
Uigerlyp:
Teslbedingungen: Temperatur:
Umgebungsdruck:
Umgebungsdruck:
Umdrchungs- 200 Upm geschwindigkeit:
Lager-Druck- 15 Lp belastung:
Die Vcrsuchsergebnisse zeigen, daß die erfindungsgemäßen
Wälzlager eine bedeutend längere Lebensdauer als solche aufweisen, deren Wälzkörper nur durch
loncnplalticrung direkt mit Gold oder Silber beschichtet wurden. Bei solchen Wälzlagern ohne Zwischenschicht
tragt der Käfig dazu bei, daß sich die Beschichtung während des Lagerlaufens abnutzt und ablöst. Daher
zeigen diese rclbungsarmen Wälzlager ohne Käfig eine längere Lebensdauer als mit Käfig. Wie andererseits das
In Tjbcllc 3 enthaltene Versuchscrgebnls zeigt, weisen
(Jlc crflndungsgemalicn relbungsarmcn Wälzlager mit
KiIfIg überraschenderweise ein verhältnismäßig längere
Lebensdauer ah die ohne Käfig auf. Der Grund dafür dürfte darin /u suchen sein, daß die Auilcnschichl mil
dem schmlerfählgcn welchen Metall, also Gold oder
Silber, mit hoher Festigkell an die Zwischenschicht 21
oder 22 aus Nickel oder Kupfer gebunden ist.
Wie bereits beschrieben, sind zumindest die Wälzkörper
mil der erflndungsgomäßen Beschichtung 2 versehen,
da die effektive Berührungsfläche mit niedrigem Reibungskoeffizienten dadurch viel größer Ist, als wenn
die Beschichtung 2 auf dem Laufring oder am Käfig ausgebildet würde. So wird eine stark verbesserte
Schmierung erreich!; außerdem ist die Ecschichtung leichter auszubilden. Insbesondere, wenn die Wälzkörper
wie beschrieben Kugeln sind, wechselt der in Berührung mit den Laufringen stehende Teil der Kugel
während des Laufs des Wälzlagers aufgrund der Spinbewegung dcf Kugeln. So dient die gesamte Fläche der
Kugel als effektive Koniaktfläche, was zu sehr geringen Reibungskoeffizienten beiträgt.
Jedoch lsi die Beschichtung 2 nicht auf die Wälzkörper
I beschrankt, vielmehr können solche Bcschlchtunyen gleichermaßen auf ilen Inneren und/oder äußeren
I.aulrlngen 3 und 4 vorgesehen werden. Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse eines weiteren Versuchs, bei dem ein
derart beschichtetes Wälzlager im Vergleich mit anderen Lagern stand.
Vcrsuchsgcgcnstand
relative l.chcnsilauer
relative Lebensdauer
erfindungsgemiiUes reibungsarmes I1)
Wälzlager, bei dem die Wälzkörper mil Nickel, dann mil Kupfer und danach mil
Sifter beschichtet wurden
erfindungsgemiilles reibungsarmes Wiilz- IK
lager, hei dem die Wälzkörper sowie die
Innen- unil Außenringe mit Nickel, dann
mit Kupier, danach mil Silber beschichtet wurden
nichtplattiertes herkömmliches Wälzlager I
Wälzlagerlypcn und Versuchsbedingungen waren folgende:
Kugellager Nr. 727 alle Kugeln ionenplallicrl mil Nickel,
dann mit Kupfer, danach mil Silber (Kugellager Nr. 626)
nur jede /weile Kugel ionenplallicrt mit Nickel, dann mit Kupfer, danach mit
Silber (Kugellager Nr. (>2(i)
12
Versiiclishcdingungcn:
Wälzlagertyp:
Versuchsbedingungen: Temperatur:
Umgebungsdruck:
Versuchsbedingungen: Temperatur:
Umgebungsdruck:
Umdrehungs- 100 llpm geschwindigkeit:
Lager-Druckbelastung:
K.i(li:il hcl.isl im)'
K.i(li:il hcl.isl im)'
Zimmertemperatur *= 10 * Torr
6 kp
L>ie Vcrsuchsergebnisse in Tabelle 4 A-iu.en, daß das
Wälzlager, bei dem der innere und der Süßere Laufring
ebenso wie die Kugeln erfindungsgemüß beschichtet
sind, in etwa die gleiche Lebensdauer wie ein Wälzlager aufweist, bei dem nur die Wälzkörper derart beschichtet
sind.
Obwohl alle Wälzkörper 1 der gesamten Ausl'ührungsformen
zur Aufnahme der I.agcr-Druckbclasiung
mit Zwischenschichten 21 und 22 aus Nickel und Kupfer und einer äußeren Gold- oder Silberschicht 23
ausgebildet sind, kann statt dessen bei Lagern ohne Käfig, beispielsweise Kugellagern, jede zweite Kugel I
mit der Beschichtung 2 versehen werden, wie Fig. 4 zeigt. Die Tabelle 5 zeigt, daß so beschichtete Wälzlager
eine längere Lebensdauer als Wälzlager haben, bei denen alle Kugeln I die Beschichtung 2 aufweisen.
In diesem Falle sind die Kugeln 1 mit der Beschichtung
2 durchmessermäßig größer als die unhexchichlelcn Kugeln 1, und /war um den Beirat, der der Starke
der Beschichtung 2 einspricht. Die beschichteten Kugeln 1 tragen die Lagerbelaslung. wahrend die unbeschichteten
Kugeln als Abstandshalter dienen. Temperatur:
Umgebungsdruck:
Umgebungsdruck:
Umdrehungsgeschwindig
keit:
keit:
Lager-Druekbclastung:
Zimmertemperatur «= IO 5 Torr
3,200 Upm
15 kp
Obwohl die oben beschriebenen Ausführungsformen Kugellager sind. Ist die Erfindung auch vorteilhaft
anzuwenden für andere Wälzlager niedriger Reibung, wie Kugeliger und sphärische Lager.
Bislang war man der Meinung, daß der Käfig dazu
führt, die Ablösung einer Beschichtung vom Wälzkörper
zu beschleunigen, jedoch zeigt der Käfig bei erfindungsgcmaßcn Wälzlagern keine nachteiligen Einflüsse
auf die (Ji)UI- oder Silberschicht 23. Fr kann vielmehr
seine Funktion voll erfüllen, so dall es nlchl notwendig
Ist, eine Kille für die Kugeln aus/uhllden. Dadurch wird
die Anzahl von Arheitsschrllten bei der Fertigung
vorteilhaft verringert.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Reibungsannes Wälzlager mit Wälzkörpern und diese führenden Lagertellen aus einer Eisenlegierung, wobei mindestens einige Wälzkörper und gegebenenfalls auch andere Lagerteile mit einer Beschichtung mit einer auf eine metallische Zwischenschicht aufgebrachten AuUenschlchl aus schmierwirksamem Metall versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung jeweilsKl
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