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DE2800854A1 - Praezisions-waelzlager fuer extreme bedingungen - Google Patents

Praezisions-waelzlager fuer extreme bedingungen

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DE2800854A1
DE2800854A1 DE19782800854 DE2800854A DE2800854A1 DE 2800854 A1 DE2800854 A1 DE 2800854A1 DE 19782800854 DE19782800854 DE 19782800854 DE 2800854 A DE2800854 A DE 2800854A DE 2800854 A1 DE2800854 A1 DE 2800854A1
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Hans Rudolf Kocher
Johann Dr Lammer
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Laboratoire Suisse de Recherches Horlogeres
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Description

Präzisions-Wälzlager für extreme Bedingungen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Präzisions-Wälzlager nach AFBMA Normen ABEG 0-9 für Anwendungen bis zu extremsten Umweltsbedingungen, insbesondere im Weltraum, im Hochtemperaturreaktorbau und zur Lagerung von Röntgendrehanoden bzw· Antikathoden für kontinuierlichen und intermittierenden Betrieb bis zu höchsten Drehzahlen im Ultrahochvakuum oder in Inertatmosphäre bis zu und über Temperaturen von 453° K·
Wälzlager, die für Weltraumanwendungen vorgesehen sind, sowie Wälzlager für Anwendungen im Hochtemperatur-Kernreaktorbau, die unter Inertgasatmosphäre laufen sollen, können nicht auf herkömmliche Weise geschmiert werden, da die beständigsten Flüssigsohmiermittel bei Temperaturen über ^53° K und/oder wegen des Vakuums verdampfen. Die Reibungskoeffizienten Stahl-Stahl ohne Schmiermittel sind sehr hoch und betragen bis zum 20-fachen bei Betrieb im Hoohvakuum (1O*~ mbar) oder Helium einer Temperatur von 593° K,
Die Verschweißneigung zwischen dem Ringmaterial und den Kugeln bzw. Rollen des Lagers führt zu übermäßigem Verschleiß der Rollreibepartner, so daß die Lager eine stark begrenzte Lebenszeit aufweisen· Infolge des Verschleißes findet eine ständige Änderung der Lagercharakteristika statt« Für den Temperaturbereich bis 723 K und im Hochvakuum wurden Kugellager, deren Laufbahn mit Titankarbid beschichtet wurde (Schweizer Archiv für angewandte Wissenschaft und Technik, Heft 6, 33· Jahrgang 1967 und Heft 6, 36. Jahrgang 1970 und proceedings of the first european space tribology symposium, Frascati, ESA SP XXI. Italy, 9.-11. April 1975, page 281-291),erfolgreich eingesetzt. Das Titankarbid hat gegen Stahl einen sehr geringen Reibungewiderstand und dient bei diesen Anwendungen gleichzeitig als Diffusionsbarriere gegenüber den Stahlkugeln·
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Der Nachteil dieser Schutz-Beschichtung, die mittels Abscheidung aus der Gasphase erfolgt, ist die hohe Abscheidungstemperatur (1073-1^73° K).
Wälzlagerstähle, wie z.B. die Stähle 100 Cr 6 oder kkO G, zeigen bei diesen Beschichtungstemperaturen so starken Verzug, so daß Lager der Güteklasse ABEC 0-9 nach APBMA nicht hergestellt werden können. Lager der Güte ABEC 0-9 sind die Voraussetzung für schnelldrehende Lager.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen und Präzisionswälzlager anzugeben, die für Anwendungen in extremen Umweltsbedingungen geeignet sind.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche·
Die erfindungsgemäßen Wälzlager verwenden ebenfalls die guten Reibungseigenschaften des Titankarbides oder anderer geeigneter Hartstoffe gegen Stahl und deren geringe gegenseitige Löslichkeit, um die gewünschten physico-chemischen Eigenschaften der Oberfläche der Reibungspartner zu erzeugen· Bs werden zu diesem Zwecke die Stahlkugeln normaler Präzisions-Wälzlager durch Hartmetallkugeln, die mit einer Diffusions- barriere aus verschleißfestem Hartstoff von niedrigem Reibungskoeffizient beschichtet sind, ersetzt* Als ^artstoffe können harte und verschleißfeste Materialien alt niedrigem Reibungs koeffizienten gegenüber dem Ringmaterial, bestehend aus Karbiden und/oder Nitriden und/oder Karbonitriden und/oder Boriden und/oder Suiziden und/oder Oxiden der Gruppe XXI bis VX des periodischen Systems,eingesetzt werden· Die Hartmetallkugeln können ohne Schaden und Verzug bei hohen Temperaturen be-
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schichtet werden· Präzisionskugel-Hersteller können diese beschichteten Kugeln ohne Problem auf das Endmaß der gewünschten Güteklasse nach AFBMA-Normen fertigbearbeiten.
Durch diese Fertigungsmethode wird es nun möglich, auch Präzisionslagern den gewünschten Schutz für Anwendungen unter extremen Bedingungen zu geben. Zudem geben die Hartmetallkugeln den Lagern eine um 10 bis 20 °ji erhöhte Steifigkeit.
Die Ringe können aus Stahl, hochwarmfesten und/oder korrosionsbeständigen Legierungen bestehen. Als Käfig kann entweder ein herkömmlicher Stahlkäfig, der mit einer Trockenschmierschicht versehen ist, oder ein Kunststoffkäfig mit oder ohne selbstschmierende Füllstoffe oder BeSchichtungen verwendet werden.
Nach Festlegung der Lagerguteklasse werden Hartmetallkugeln unter Berücksichtigung einer Bearbeitungszugabe auf die geforderte Genauigkeit und Toleranz geschliffen. Sodann werden sie durch Abscheidung aus der Gasphase oder einem anderen geeigneten Verfahren mit Hartstoff beschichtet. Dies kann nach dem für Präzisionsteile aus der CH-PS k55 856 bekannten Verfahren geschehen.
Danach folgt die Fertigbearbeitung der Kugel auf die gewünschte Genauigkeit und der Zusammenbau des Lagers mit den vorgesehenen Käfigen und Laufringen.
Als Laufringe können serienmäßige, demontierbare Ringe der gewünschten Güteklasse verwendet werden.
Die Erfindung sei an einigen Anwendungsbeispielen erläutert»
1. In heliumgekühlten Kernreaktoren soll die Standzeit der Lager erhöht werden, um den Wartungszyklus zu verlängern0
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Kugellager nach, der Erfindung mit Hartmetallkugeln mit einer nach dem Verfahren der chemischen Abscheidung in der Gasphase nach der CH-PS 455 856 aufgebrachten Diffusionsbarriere aus Titankarbid von 6 /um Schichtdicke, Laufringen aus Wälζlagerstahl 100 Cr 6 und molybdändisulfid-beschichteten Stahlkäfigen wurden in Reinsthelium bei 593° K mit 100 Umdrehungen/min geprüft und eine 25-mal längere Standzeit als mit herkömmlichen, mit Stahlkugeln ausgerüsteten Lagern erzielt,
2, Schnelldrehende Röntgendrehanoden - (antikathoden)-lager haben während ihres Betriebes eine sehr hohe thermische Strahlungsbelastung zu ertragen. Die Ausstattung mit herkömmlichen Lagern erfordert nicht nur einen sehr intensiven ¥artungsbetrieb, sondern beinhaltet die Gefahr des Versagens der Röntgenanlage in kritischen Momenten.
Zur Verbesserung der Standzeit von schnelldrehenden Röntgendrehanoden bzw, Antikathoden können Kugellager gemäß der Erfindung mit Hartmetallkugeln mit einer nach einem geeigneten Verfahren, z.B. nach der CH-PS 455 856, aufgebrachten Diffusionsbarriere aus Titankarbid von 6/um Schichtdicke, Laufringen aus Wälzlagerstahl 100 Cr 6 und molybdändisulfid-beschichteten Bronzekäfigen eingesetzt werden. Falls das System mit klassischen Schmierstoffen, Ölen oder Fetten geschmiert wird, haben die erfindungsgemäßen Lager aufgrund des geringen Reibungskoeffizienten Titankarbid gegen Stahl den Vorteil ausgezeichneter Notlaufeigenschaften,
3· Lagerelemente für ¥eltraumanwendungen müssen gegen Verschweißen geschützt werden. Dazu sollen sie aufgrund der geringen zur Verfügung stehenden Energien ein sehr kleines Anlaufmoment haben.
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Kugellager gemäß der Erfindung mit titankarbid-beschichteten Hartmetallkugeln, Stahlringen aus rostfreiem Stahl kkO C und Bronze-Käfigen weisen die für Weltraumanwendungen notwendigen physico-chemischen Eigenschaften, wie niedriger Reibungskoeffizient (achtmal kleiner als derjenige von Stahl gegen Stahl) auf und die geringe Löslichkeit von Stahl gegen Titankarbid verhindert die Kaltverschweißung der Rollreibepartner.
In den Zeichnungen sind einige Ausführungsformen erfindungsgemäßer Präzisions-Wälzlager dargestellt. In ihnen zeigt Fig. 1 Wälzlager ohne Käfig und Pig. 2 ein Kugellager mit Käfig.
Fig. 1A zeigten einen Ausschnitt aus einem Lager ohne Käfig im Schnitt, bestehend aus einem äußeren Laufring 1, einem inneren Laufring 2 und dazwischen angeordneten Kugeln 3 als Wälzkörper, von denen eine erkennbar ist. Die Kugel 3 ist mit einer Hartstoffbeschichtung 7 versehen«
Beim Beispiel nach Fig. 1B sind die Wälzkörper hartstoffbeschichtete zylindrische Rollen 4, beim Beispiel nach Fig. 1C hartstoffbeschichtete konische Rollen 5 und beim Beispiel nach Fig. 1D hartstoffbeschichtete Nadeln 6,
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Käfigkugellager im Schnitt, bestehend aus einem äußeren Laufring 8, einem inneren Laufring 9» Hartmetallkugeln Ik als Wälzkörper und einem Käfig 10. Die Hartmetallkugeln Ik sind mit einer Hartstoffbeschiohtung 15 versehen. Der Käfig kann aus Stahl mit Trockenschmierschicht bestehen,oder auch aus Kunststoff mit oder ohne Füllstoff und gegebenenfalls ebenfalls mit einer selbstschmierenden Beschichtung versehen sein.
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Je nach Anwendungsgebiet lassen sich für das dargestellte Käfigkugellager folgende Materialangaben für die Hartstoffbeschichtung 15 der Kugeln 14, die Laufringe 8, 9 und den Käfig 12 machen:
Präzisionskugellager für heliumgekühlte Anwendungsfälle, z.B. Kernreaktoren:
Laufringe 8, 9 : Wälzlagerstahl 100 Cr
Hartstoffbeschichtung 15: TiC
Käfig 12: Molybdändisulfid-beschichteter
Stahl.
Präzisionskugellager für schnelldrehende Röntgenanoden:
Laufringe 8, 9 : ¥älzlagerstahl 100 Cr
Hartstoffbesohichtung 15: TiC
Käfig 12: Molybdän-beschichtete Bronze
Präzisionskugellager für Weltraumanwendungen:
Laufringe 8, 9 : rostfreier Stahl kkO G
Hartstoffbeschichtung 15: TiC Käfig 12: Bronze ,
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Claims (6)

  1. Ansprüche
    .yPräzisions-Wälzlager nach APBMA Normen ABEC 0-9 für Anwendungen bis zu extremsten Umweltbedingungen, insbesondere im Weltraum, im Hochtemperaturreaktorbau und zur Lagerung von Röntgendrehanoden bzw. Antikathoden für kontinuierlichen und intermittierenden Betrieb bis zu höchsten Drehzahlen im Ultrahochvakuum oder in Inertatmosphäre bis zu und über Temperaturen von ^53° K, gekennzeichnet dadurch, daß die Kugeln, Rollen, Kegelrollen oder Nadeln des Wälzlagers aus Hartmetall bestehen, die mit einer Diffusionsbarriere aus einem verschleißfesten Hartstoff mit niedrigem Reibungskoeffizienten gegenüber dem Ringmaterial beschichtet sind, insbesondere mit Materialien bestehend aus Karbiden und/oder Nitriden und/oder Karbonitriden und/oder Boriden und/oder Suiziden und/oder Oxiden der Gruppe III bis VI des periodischen Systems der Elemente in der Form einer Mischung oder eines Mischkristalles, die nach bekannten Methoden, insbesondere der chemischen Abscheidung aus der Gasphase, aufgebracht und auf die gewünschte Güte- und Genauigkeitsklasse nach AFBMA Norm endbearbeitet worden sind·
    1PiGIMAL INSPECTED
    809830/0681
    MÜNCHEN: TELEFON (089) 22 55 85 KABEL: PROPINDUS · TELEX 0534944
    BERLIN: TELEFON (030) 8 31 2O88 KABEL: PROPINDUS · TELEX O1 84O57
  2. 2. Präzisions-Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufringe aus Stahl bestehen.
  3. 3. Präzisions-Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufringe aus hochvarmfesten Legierungen, insbesondere Hartmetallen bestehen.
  4. 4. Präzisions-Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufringe aus korrosionsfesten
    Legierungen bestehen.
  5. 5· Präzisions-Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Laufringe aus keramischen oder keramischmetallischen Materialien bestehen.
  6. 6. Präzisions-Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit Käfig, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig aus
    metallischen oder nichtmetallischen Materialien mit oder ohne selbstschmierenden Füllstoffen, Beilegierungen oder Beschichtungen besteht.
    7· Präzisions-Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit Käfig, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig aus
    Kunststoffen mit oder ohne selbstschmierenden Füllstoffen oder Beschichtungen besteht.
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