DE10032044B4

DE10032044B4 - Gleitlager mit Festschmierstoff

Info

Publication number: DE10032044B4
Application number: DE2000132044
Authority: DE
Inventors: Walter Spang; Kirit Dalal; Ekkehard Dr.-Ing. Köhler
Original assignee: Individual
Current assignee: SPANG, WALTER, 87477 SULZBERG, DE
Priority date: 2000-07-05
Filing date: 2000-07-05
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2020-07-06
Also published as: AU2001276377A1; WO2002002956A1; DE10032044A1

Abstract

Gleitlager mit eingelagertem Festschmierstoff, das aus einem keramischen Werkstoff mit einer Temperaturbeständigkeit von wenigstens 1000°C besteht, in den der Festschmierstoff in zur Funktionsfläche offenen Hohlräumen eingelagert ist, wobei der Festschmierstoff aus Graphit oder hexagonalem Bornitrid in Stiftform besteht, dadurch gekennzeichnet, daß Hohlräume eines vorgefertigten Formkörpers mit dem Festschmierstoff in Stiftform gefüllt wurden und der Festschmierstoff durch einen Sintervorgang in das Gleitlager eingeschrumpft ist und dadurch im Verbund gehalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleitlager mit eingelagertem Festschmierstoff, das aus einem keramischen Werkstoff mit einer Temperaturbeständigkeit von wenigstens 1000°C besteht, in dem der Festschmierstoff in zur Funktionsfläche offenen Hohlräumen eingelagert ist, wobei der Festschmierstoff aus Graphit oder hexagonalem Bornitrid in Stiftform besteht.
Gleitlager bestehen in der Regel aus zwei relativ zueinander bewegten Teilen. Im Fall drehender Anordnung ist zumeist die Welle bewegt, während die Lagerschale oder Lagerbuchse feststeht. Derartige Gleitlager finden sich auch in Anwendungen, die Korrosions- und Verschleißbeständigkeit erfordern. Auf besondere Anforderungen abgestimmte selbstschmierende und wartungsfreie Sinterlager aus Bronze wurden entwickelt. Eine besondere Anforderung an Lagerbronzen und Festschmierstoffe stellen beispielsweise erhöhte Betriebstemperaturen, Mangelschmierung oder der Betrieb im Vakuum dar.
Gleitlager bedürfen während des Betriebes der Schmierung. Soweit sie in Pumpen zum Einsatz kommen, kann vielfach das umgepumpte Fluid als Flüssigschmierstoff dienen. Problematisch ist in diesen Fällen allerdings die Anfahr- und Auslaufphase, in denen der Schmierstoffdruck an den Punkten des Schmierspaltes mit der geringsten Schmierspalthöhe nicht mehr ausreicht. In diesen Phasen kann es zum Heißlaufen des Lagers kommen, was zu erhöhtem Verschleiß und schließlich zur Zerstörung des Lagers führt. Thermische Deformation und Fehlausrichtung der Gleitpartner im Betrieb kann diesen Prozeß noch unterstützen.
Aus diesem Grunde wurden Lager mit Festschmierstoffen entwickelt, die insbesondere in der Anfahr-, Auslaufphase und bei diskontinuierlicher Flüssigkeitszufuhr für eine Mindestschmierung sorgen. Es handelt sich dabei beispielsweise um Radiallager, in deren Buchse in radialen Bohrungen Graphit angeordnet ist. Der Graphit selbst wirkt als Schmierstoff, insbesondere an den Stellen, wo es zu erhöhter Reibung zwischen Welle und Buchse kommt. Durch thermische und mechanische Einflüsse lösen sich Graphitpartikel, die die erforderliche Schmierwirkung bringen, bis die Schmierung durch das umgebende Medium greift.
Aufgrund der zumindest temporär nicht vorhandenen Kühlung der feststoff-geschmierten Lager durch ein flüssiges Schmiermittel sind diese Lager insbesondere bei hohen Lagerlasten und hohen Lagerverlustleistungen einer großen thermischen Belastung ausgesetzt. Die Verlustleistung kann oft nur über Wärmeleitung und Abstrahlung aus dem Lagerkörper abgeführt werden, weshalb sich während des Betriebes zumindest kurzzeitig hohe Lagertemperaturen ergeben.
Dadurch, daß der Festschmierstoffabtrag an den Gleitflächen zur Bildung konkaver Taschen führt, kann dort während des Betriebs später ein Flüssigkeitsreservoir gebildet werden, das im Fall der mangelhaften Schmierstoffzufuhr für eine gewisse Zeit flüssig, später dampfförmig eine zusätzliche Notschmierung übernimmt. Der Verdampfungsvorgang wirkt zudem temperaturerniedrigend, da er aus dem angrenzenden Bauteilen Wärme abführt.
Nachteilig bei diesen herkömmlichen, aus Lagermetallen gefertigten Gleitlagern ist ihre vergleichsweise schlechte Temperaturbeständigkeit sowie deren eingeschränkte chemische Beständigkeit. In der Regel sind zur Zeit Temperaturen jenseits von 500°C auch bei optimaler Feststoffschmierung nicht auf Dauer beherrschbar. Zwar können Temperaturspitzen kurzfristig aufgefangen werden, jedoch nimmt das Lagermetall bei Dauerbetrieb bei solchen erhöhten Temperaturen Schaden. Chemisch aggressive Medien beschädigen diese Gleitlager derart, daß sie entweder nur durch Korrosion oder parallel auftretendem Verschleiß und/oder mechanische Beanspruchung sehr schnell zerstört werden. Die gute elektrische Leitfähigkeit der Lagermetalle wirkt sich jedenfalls hinsichtlich der Möglichkeit von Elektrokorrosion negativ aus.
Nachteilig bei diesen graphitgeschmierten Radiallagern, bei denen sich der Graphit in radialen Bohrungen der Buchse befindet, ist die Tendenz des Graphits, sich in diesen Bohrungen von innen nach außen abzubauen und damit für den Schmierprozeß nicht mehr zur Verfügung zu stehen. Dieser Abbau wird durch die geringe Verschleißbeständigkeit des Graphits und seine thermische Unbeständigkeit gefördert. Graphit ist bei erhöhter Temperatur oxidationsempfindlich und kann daher in oxidierenden Medien und in Gegenwart von Luft bzw. Sauerstoff nur mit Nachteil eingesetzt werden, wenn hohe Temperaturen erreicht werden.
Zudem hat der in die Bohrungen eingebrachte Graphit die Tendenz, in den Bohrungen, die die Buchse nach außen durchsetzen, unter dem Betriebsdruck nach außen zu wandern. Diese Tendenz wird bei Gleitlagern mit rotierender Buchse außen durch die auftretenden Fliehkräfte und den Druck des umgebenden Mediums verstärkt.
Es wäre deshalb wünschenswert, hoch temperaturbeständige Gleitlager bereit zu stellen, in denen die bekannte Geometrie der Anordnung des Festschmierstoffs dahingehend geändert ist, daß eine optimale Benetzung der Funktionsfläche mit dem Festschmierstoff gewährleistet ist. Wünschenswert wäre ferner die schnelle Austauschbarkeit des Festschmierstoffs, ohne das Gleitlager ausbauen zu müssen und eine Festlegung des Festschmierstoffs im Gleitlager dergestalt, daß eine Abwanderung unter der Einwirkung von Druck oder Fliehkräften weitgehend unterbunden wird.
Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebenen Gleitlager so zu verbessern, daß sie Temperaturen bis 1000°C im Trockenlauf ohne Flüssigkeit oder im Vakuum Stand halten können. Weiterhin ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Lagerschmierung bei Flüssigkeitsmangel in sehr korrosiven, aggressiven, leichtentzündbaren oder auch schlechtschmierenden Flüssigkeiten, etwa Wasser und insbesondere Heißwasser mit Temperaturen von 100°C und mehr, zu erreichen.
Zweckmäßigerweise soll der Schmierstoff leicht austauschbar sein, zweckmäßigerweise ohne daß das Lager ausgebaut werden muß.
Aus der japanischen Druckschrift JP 61-124727 A (Abstract) ist bereits ein Gleitmaterial bekannt, bei dem es sich um einen gesinterten Körper aus Siliciumcarbid handelt, in den säulenförmige Graphitblöcke eingebettet sind. Der Siliciumcarbidkörper und die Graphitblöcke sind über ein Adhäsionsmittel. miteinander verbunden. Dies erfolgt durch eine Verkokung des Adhäsionsmittels, verbunden mit einer Weiterreaktion mit dem Silicium. Es werden somit zusätzliche Verfahrensschritte benötigt, um die Graphitblöcke im Siliciumcarbidkörper festzulegen. Darüber hinaus ist das Einbringen der Blöcke in das Basismaterial schwierig, da die Außendurchmesser der Blöcke und die Innendurchmesser der Ausnehmungen im Basismaterial praktisch exakt übereinstimmen müssen, so dass die Gefahr besteht, dass beim Eintreiben der Graphitblöcke diese brechen, was gerade bei Verwendung von Graphit als Festschmierstoff leicht passieren kann. Wird hingegen der Innendurchmesser der Ausnehmungen im Siliciumcarbidkörper im Verhältnis zu den Graphitblöcken vergrößert, ist dies mit der Gefahr verbunden, dass die Graphitblöcke nicht mehr fest im Siliciumcarbidkörper gehalten werden. Bei der Herstellung des Gleitmaterials muss daher, was das Verhältnis des Innendurchmessers der Ausnehmungen und des Außendurchmessers der Graphitblöcke angeht, stets ein Kompromiss eingegangen werden, um einerseits die Eintreibbarkeit der Graphitblöcke zu ermöglichen und andererseits eine sichere Fixierung zu gewährleisten.
Ausgehend vom beschriebenen Stand der Technik stellt sich daher die Aufgabe, ein Gleitlager aus keramischem Werkstoff mit eingelagertem Festschmierstoff zur Verfügung zu stellen, das wesentlich einfacher herstellbar ist und dennoch ein sicheres Festhalten des Festschmierstoffes im Gleitlager gewährleistet.
Diese Aufgabe wird mit einem Gleitlager gemäß Anspruch 1 gelöst.
Unter Hohlräumen werden erfindungsgemäß alle Formen von Hohlräumen verstanden, in die Festschmierstoff eingelagert werden kann, mit rundem, ovalem, polygonalem oder sonstigem Querschnitt. Insbesondere werden unter Hohlräumen Bohrungen verstanden, die von der Funktionsfläche des Lagers ausgehen oder zu dieser führen oder diese tangential berühren.
Bei den erfindungsgemäßen Gleitlagern, insbesondere Radiallagern aus Buchse und Welle, aber auch Gleitsteinen und dergleichen, handelt es sich um Lager, die den üblichen Geometrien entsprechen. Als keramische Werkstoffe dienen insbesondere reines Siliciumcarbid, das sogenannte "drucklos gesinterte Siliciumcarbid", in allen Modifikationen, insbesondere der Alfa- und Beta-Modifikation, sowie Silicium infiltriertes Siliciumcarbid. Beide Werkstoffgruppen können auch in ihren Varianten mit Graphitüberschuß im Gefüge sowie mit gleitflächenseitigen Graphit- oder graphitähnlichen Kohlenstoff-, diamantartigen und kohlenwasserstoffhaltigen Schichten verwendet werden, wie sie typischerweise über CVD-Verfahren erzielt werden. Ebenfalls eingeschlossen sind Varianten mit silicierten Kohlen. Weiterhin kommen für die erfindungsgemäßen Anwendungen Siliciumnitrid, Aluminiumoxid, Zirkondioxid, silicierte Kohle und sogenannter Metaphasengraphit in Frage. Die Lagergrundkörper liegen meist als gesinterte oder infiltrierte Formkörper vor. Es können jedoch auch heißgepreßte oder heißisostatisch verdichtete Formteile eingesetzt werden.
Die Techniken zur Herstellung von Formkörpern aus keramischen Werkstoffen sind bekannt und weit beschrieben.
Als Festschmierstoff für die erfindungsgemäßen Gleitlager wird Graphit oder hexagonales Bornitrid in Stiftform verwendet. Diese werden vor dem Sintern in den keramischen Formkörper eingebracht.
Insbesondere Formkörper aus drucklos gesintertem Siliciumcarbid neigen dazu, bei der Sinterung stark zu schrumpfen. Die Schrumpfung beträgt linear ca. 17%. Dieses Verhalten wird vorteilhaft dahingehend ausgenutzt werden, daß der auf übliche Weise vorgefertigte Formkörper bereits mit dem Festschmierstoff auf die gewünschte Weise versehen wird, nämlich in Form von eingelagerten Stiften, die beim Sintervorgang dann eingeschrumpft und im Verbund festgehalten werden.
Die Festschmierstoffstifte werden insbesondere in Bohrungen eingelagert, die grundsätzlich in jedem beliebigen Winkel zu der Funktionsfläche des Gleitlagers, im Fall sich drehender Lager allerdings vorzugsweise axial oder tangential, im Fall von Gleitsteinen vorzugsweise senkrecht, angeordnet sein können. Die tangentiale axiale und parallele Anordnung ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil diese es erlaubt, verbrauchten Festschmierstoff durch neuen zu ersetzen, ohne das Gleitlager auszubauen. Besonders vorteilhaft sind tangential axial und parallel zur Funktionsfläche geführte Schwalbenschwanzprofile, die mit entsprechend gestalteten Stiften des Festschmierstoffs versehen sind.
Bei den Bohrungen handelt es sich im Fall eines Radiallagers insbesondere um radiale Bohrungen, die das Lagerteil durchdringen oder von der Funktionsfläche aus in das Lagerteil ragen. Diese Bohrungen sind zweckmäßig regelmäßig über den Umfang des Lagerteils verteilt, so daß die ganze Lagerfläche von darin eingelagerten und abgeschilferten Festschmierstoffpartikelchen benetzt wird. Dabei können die Bohrungen sowohl in der Lagerbuchse als auch in der innenlaufenden Hülse oder Welle angeordnet sein.
Eine Anordnung des Festschmierstoffes in dem Wellenzapfen hat den Vorteil, daß bei der Rotation der Welle durch die auftretenden Fliehkräfte der Schmierstoff die Tendenz hat, sich in Richtung auf die Lagerfläche zu bewegen. Dies gilt insbesondere dann, wenn der in Stiftform vorliegende Festschmierstoff in seiner Länge unterteilt ist, so daß die beiden Hälften bei Rotation der Welle auseinander und in Richtung auf die Lagerfläche streben.
Besonders vorteilhaft ist es, die Lager aus keramischen Werkstoff geteilt auszulegen. Dies kann dadurch erfolgen, daß der Grünkörper mit Kerben für Sollbruchstellen versehen wird und nach dem Sintern an diesen Sollbruchstellen in zwei Teile zerlegt wird, die einander paßgenau entsprechen. In zusammengebautem Zustand ergibt sich ein einwandfrei funktionierendes Lager, das durch Auseinandernehmen der beiden Hälften leichter aus dem Maschinengehäuse entnommen und gewartet werden kann, insbesondere aber auch den Austausch erschöpfter Festschmierstoffevorräte erlaubt.
Die Erfindung wird durch die beiliegenden Abbildungen näher erläutert.
Von diesen zeigt:
1: Erfindungsgemäß mit Festschmierstoff "dotierte" Buchsen eines Radiallagers im Schnitt und in der Draufsicht,
2: eine entsprechend ausgestattete Welle und
3: ein geteiltes Lager mit Festschmierstoffeinlagerung;
4: eine Draufsicht auf eine Buchse eines Radiallagers mit Festschmierstoffstiften in Schwalbenschwanzkanälen;
5: ein Lager mit tangentialer Festschmierstoffeinlagerung.
Die Buchse 1 gemäß 1 besteht aus einem Zylinder aus drucklos gesintertem Siliciumcarbid mit zentraler Bohrung 2, das in seiner Wandung 3 Bohrungen 4 aufweist, die mit Bornitridstiften 5 ausgefüllt sind. Die Bohrungen 4 sind regelmäßig über den Umfang der Buchse verteilt, so daß bei Betrieb des Lagers die gesamte Lagerfläche 6 von den Festschmierstoffpartikeln erreicht wird.
Die Lagerwelle 7 gemäß 2 besteht aus drucklos gesintertem Siliciumcarbid, das, wie schon die Buchse 1, mit regelmäßigen Bohrungen 4 versehen ist, die mit Bornitridstiften 5 gefüllt sind.
Die in 1 und 2 gezeigten Lagerteile sind hervorragend für Hochtemperatureinsätze bis zu 1000°C im Trockenlauf oder im Vakuum geeignet.
3 zeigt eine Buchse 1 aus drucklos gesintertem Siliciumcarbid, der ausgehend von einer Kerbe 10 nach dem Sintern entlang der Bruchlinie 9 in zwei Teile geteilt wurde. In der Funktionsfläche 8 der Buchse 1 befinden sich radiale Bohrungen 4, die innerhalb des Keramikwerkstoffs enden und mit Graphitstiften 5 gefüllt sind. Die Bohrungen können in das Lagerteil nach dem Aufklappen problemlos eingebracht und gefüllt werden. Die Lagerbuchse ist für den Einsatz in korrosiven Medien besonders geeignet. Sie erlaubt den Ausbau aus dem Maschinengehäuse und den Austausch verbrauchten Festschmierstoffs.
4 zeigt die Buchse 1 eines Radiallagers aus drucklos gesintertem Siliciumcarbid mit zentraler Bohrung 2 in der Draufsicht von oben mit an der Funktionsfläche 13 angeordneten Schwalbenschwanzkanälen 11 mit Bornitridfüllung. Die Schwalbenschwanzkanäle sind zur Funktionsfläche hin offen, so daß der darin angeordnete Festschmierstoff zur Funktionsfläche hin austreten und seine Schmierfunktion erfüllen kann. Die axiale Anordnung parallel zur Funktionsfläche erlaubt es, bei Erschöpfung der Schmierkapazität die Bornitridstifte zu ersetzen.
5 zeigt die Buchse 1 eines Radiallagers aus drucklos gesintertem Siliciumcarbid mit tangential angeordnetem Festschmierstoff in Bohrungen 11, die die Buchse 1 von außen her durchstoßen und die Funktionsfläche 8 punktuell berühren.

Claims

Gleitlager mit eingelagertem Festschmierstoff, das aus einem keramischen Werkstoff mit einer Temperaturbeständigkeit von wenigstens 1000°C besteht, in den der Festschmierstoff in zur Funktionsfläche offenen Hohlräumen eingelagert ist, wobei der Festschmierstoff aus Graphit oder hexagonalem Bornitrid in Stiftform besteht, dadurch gekennzeichnet, daß Hohlräume eines vorgefertigten Formkörpers mit dem Festschmierstoff in Stiftform gefüllt wurden und der Festschmierstoff durch einen Sintervorgang in das Gleitlager eingeschrumpft ist und dadurch im Verbund gehalten wird.
Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Werkstoff SiC, ZrO₂, Al₂O₃ Si₃N₄, Metaphasengraphit oder silicierte Kohle ist.
Gleitlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Werkstoff aus drucklos gesintertem SiC oder Si infiltriertem SiC besteht.
Gleitlager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die offenen Hohlräume als Bohrungen mit rundem Querschnitt vorliegen.
Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die offenen Hohlräume als Schwalbenschwanzprofile ausgebildet sind, deren offene Längsseite an die Funktionsfläche des Lagers grenzt.
Gleitlager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es als Radiallager ausgebildet ist.
Gleitlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen tangential zur Funktionsfläche verlaufen.
Gleitlager nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß es als an einer Bruchstelle geteiltes Lager vorliegt.
Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es als axiales Gleitlager vorliegt.
Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um einen Gleitstein handelt.