Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Wälzlager mit einem inneren und einem äußeren
Laufring, die jeweils eine Laufbahn aufweisen, die gegenüberliegend angeordnet
sind und zwischen denen Wälzkörper derart eingebracht sind, dass die Wälzkörper in
Kontakt mit den Laufbahnen stehen, so dass der innere gegen den äußeren Laufring
in Umfangsrichtung bewegbar ist.
Stand der Technik
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Beim Wälzlager erfolgt die Kraftübertragung vom Wellenzapfen auf das
Lagergehäuse über Wälzkörper, die zwischen den beiden Laufringen abrollen. Als Wälzkörper
werden Kugeln, Zylinderrollen, Kegelrollen, Tonnenrollen und Nadelrollen verwendet.
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Die Wälzkörper können ein- oder zweireihig angeordnet sein und werden von einem
sogenannten Käfig in einem gleichmäßigen Abstand voneinander gehalten.
Gleichzeitig verhindert dieser Käfig, vor allem bei zerlegbaren Lagern, das Herausfallen der
Wälzkörper.
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Die Lebensdauer von Wälzlagern, die den tribologischen Systemen (Tribologie =
Wissenschaft und Technik von aufeinander einwirkenden Oberflächen in
Relativbewegung) zugeordnet werden können, wird durch Reibung und Verschleiss begrenzt.
Daher werden für die Herstellung von Wälzlagern teilweise hochlegierte Stähle sowie
Materialien, die sich durch gute Reib- und Verschleisseigenschaften auszeichnen,
verwendet. Trotzdem ist unter heutigen Gesichtspunkten die Schmierung von
konventionellen Wälzlagern noch unverzichtbar, denn selbst Keramikwälzlager mit sehr
guter Verschleiss- und Korrosionsbeständigkeit sind bisher nur ansatzweise
trockenlauffähig. Dies begründet auch den Drang, neue Lösungen zu suchen, um
Schmierstoffe zu ersetzen oder wenigstens ihre Einsatzmengen deutlich zu
reduzieren. Außerdem gibt es besondere Einsatzgebiete, wie z. B. die Lebensmittelindustrie
oder den Einsatz von hochtourigen Turbomolekularpumpen, in denen die
Verwendung von Schmierstoffen unerwünscht ist und gegenwärtig Magnetlagerungen oder
sehr aufwendige Abdichtungen eingesetzt werden.
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Besonders für industrielle Anwendungen werden daher die Oberflächen,
insbesondere der Laufflächen sowie der Kugeln vergütet oder mit speziellen
Oberflächenschichten beschichtet. Vielfach werden für die Oberflächenschichten Metallcarbide
und Metallnitride eingesetzt, deren Eigenschaften hinreichend bekannt sind. Neben
diesen Materialien wird den auf Kohlenstoff basierenden Schichtsystemen, wie etwa
polykristallinem Diamant, tetragonalem amorphen Kohlenstoff (ta-C) oder amorphen
Kohlenwasserstoffschichten (a-C : H) ein großes Anwendungspotenzial vorhergesagt.
Amorphe, diamantähnliche Kohlenstoffschichten eignen sich wegen ihrer
Eigenschaftskombination aus hoher Härte und Verschleissfestigkeit und niedrigen
Reibwerten gegenüber einer Vielzahl von Materialien besonders für tribologische
Anwendungen.
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Amorphe Kohlenwasserstoff-Schichten, auch als a-C : H-Schichten abgekürzt,
enthalten neben Kohlenstoff noch 10 bis 30% Wasserstoff. Dieser stammt aus den zur
Herstellung eingesetzten Kohlenwasserstoffgasen, wie z. B. Acetylen. Werden
während der Schichtabscheidung zusätzlich Metalle eingelagert, so erhält man
metallhaltige Me-C : H-Schichten, die im Gegensatz zu den a-C : H-Schichten elektrisch leitfähig
sind. Eine weitere Möglichkeit zur Optimierung bestimmter Schichteigenschaften
stellt die Anlagerung verschiedener Nichtmetalle in einer a-C : H-Schicht dar. So lässt
sich etwa durch die Anlagerung von Silizium die Temperaturbeständigkeit der
Oberflächenschichten erhöhen. Außerdem können auch verschiedene Elemente
gleichzeitig in die a-C : H-Matrix eingebaut werden, wodurch sich z. B. die Benetzbarkeit, das
Klebverhalten, die Transparenz und die UV-Resistenz beeinflussen lassen. Wird statt
Kohlenwasserstoffen reiner Kohlenstoff als Materialquelle verwendet, so erhält man
wasserstofffreie a-C- oder i-C-Schichten mit hohem sp3-Bindungsanteil in der
amorphen Kohlenstoffmatrix. Aufgrund dieser Bindungen besitzen diese Schichten eine
sehr hohe Verschleissbeständigkeit. Die i-C-Schichten bestehen daher wie Diamant
nahezu vollständig aus sp3-gebundenem Kohlenstoff, der allerdings im Falle von
i-C-Material ein amorphes Kohlenstoffnetzwerk bildet, während Diamant die typische
Diamantkristallstruktur aufweist.
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Die Materialeigenschaften von DLC zeichnen sich dadurch aus, dass sie die
positiven Eigenschaften der kohlenstoffbasierten Schichtsysteme, mit Graphit, Polymeren
bzw. Diamant, in sich vereinen. Je nach Herstellungsverfahren, Abscheideparameter
und Zusammensetzung lassen sich die Materialeigenschaften der DLC-Schicht
denen eines der obengenannten drei Arten von Schichtsystemen annähern.
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Die DE 199 22 665 beschreibt einen dreidimensionalen Grundkörper, der mit einer
glatten feinkristallinen Diamantschicht beschichtet ist sowie ein Verfahren zur
Herstellung dieser Beschichtung. Bei dem Grundkörper kann es sich um ein Wälzlager,
ein Gleitlager, eine Gleitringdichtung oder ein Ventil handeln, bei denen mindestens
eine Komponente mit der feinkristallinen Diamantschicht versehen ist. Diese
feinkristalline Diamantschicht, die auf die Laufflächen von Gleit- oder Wälzlagern
aufgebracht werden kann, zeichnet sich gegenüber herkömmlichen polykristallinen
Diamantbeschichtungen durch eine höhere Phasenreinheit und eine verbesserte
chemische Stabilität aus.
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Die Grundprobleme, die bei der Verwendung polykristalliner Diamantschichten als
Beschichtung der Laufflächen bei Wälzlagern auftreten, werden allerdings auch
durch die Lehre der DE 199 22 665 nicht gelöst. So weist eine polykristalline
Diamantschicht, trotz der in der DE 199 22 665 beschriebenen glatten Oberfläche eine
Dimantkristallstruktur auf. Somit verfügt eine derartige Oberflächenschicht über eine
Oberflächenrauhigkeit mit einem Reibwiderstand, der für stark tribologisch
beanspruchte Systeme bei weitem nicht befriedigend ist. Außerdem kommt es auch in
diesem Fall an den Korngrenzen der Diamantkristallite zu einer Aufkonzentration von
Kohlenstoff, der nicht in der Diamantmodifikation vorliegt. Das Vorhandensein dieser
Schwachstellen der Oberfläche hat einen erheblichen, negativen Einfluss auf die
Langzeitbeständigkeit der polykristallinen Diamantschichten und damit auch der
Lager.
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Bei Anwendungen, die starken tribologischen Beanspruchungen unterliegen,
kommen daher immer noch schmiermittelbeaufschlagte Wälzlager zum Einsatz.
Darstellung der Erfindung
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Es gilt die Aufgabe zu lösen, ein Wälzlager derart auszugestalten, dass es neben
einer guten Verschleissbeständigkeit und Härte eine geringe Rauhigkeit und damit
einen extrem niedrigen Reibungswiderstand aufweist, so dass das Wälzlager ohne
Schmiermittel betrieben werden kann. Zusätzlich sollen auch
temperaturempfindliche, d. h. Materialien mit geringem Schmelzpunkt, als Grundwerkstoffe eingesetzt
werden können.
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Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1
angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der
Unteransprüche sowie aus dem nachfolgenden Beschreibungstext zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist ein Wälzlager mit einem inneren und einem äußeren Laufring,
die jeweils eine Laufbahn aufweisen, die gegenüberliegend angeordnet sind und
zwischen denen Wälzkörper derart eingebracht sind, dass die Wälzkörper in Kontakt
mit den Laufbahnen stehen, so dass der innere gegen den äußeren Laufring in
Umfangsrichtung bewegbar ist, derart ausgebildet ist, dass die Laufbahnen des inneren
und äußeren Laufrings sowie die Wälzkörper in Oberflächenbereichen, in denen die
Laufbahnen mit den Wälzkörpern in Kontakt bringbar sind, aus a-C : H-Material
(amorpher Kohlenwasserstoff), sogenanntem DLC (Diamond Like Carbon),
bestehen.
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Das Wälzlager, das als Kugel-, Zylinderrollen-, Kegelrollen-, Tonnenrollen- oder
Nadelrollenlager ausgebildet ist, zeichnet sich dadurch aus, dass es aufgrund der
Beschichtung mit diamantähnlichen Kohlenstoffschichten oder amorphen
Kohlenwasserstoffschichten (DLC-Material) vollkommen Schmiermittel-frei betreibbar ist.
Durch die auf die verschiedenen Komponenten des Lagers aufgebrachten
diamantähnlichen Schichten ist gewährleistet, dass es zu keinem Zeitpunkt zu einem
Kontakt zwischen den Grundwerkstoffen kommt. Dies wird dadurch sichergestellt, dass
entweder die Wälzkörper und die Laufringe vollständig aus a-C : H-Material bestehen,
oder die Wälzkörper und die Laufringe jeweils eine aus a-C : H-Material bestehende
Oberfläche aufweisen, oder aber die Wälzkörper oder die Laufringe eine aus a-C : H-
Material bestehende Oberflächenschicht aufweisen, während die mit dieser
Oberflächenschicht in Berührung stehenden Wälzkörper bzw. Laufringe vollständig aus a-
C : H-Material bestehen.
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Bei der erfindungsgemäßen Gestaltung eines Wälzlagers kommt es zur Reibung
zwischen zwei Körpern, die wenigstens teilweise aus DLC-Material bestehen. Hierbei
kommt es in gewissem Umfang zu einer Schichtübertragung, so dass sich eine
aktive Zwischenschicht, die als Passivierungsschicht dient, zwischen den gegeneinander
abwälzenden Körpern bildet. Damit ist der Einsatz eines zusätzlichen Schmiermittels
nicht notwendig und auch häufige Wechsel der Lager bzw. ein relativ hoher Aufwand
bei der Wartung verbunden mit entsprechenden Betriebskosten ist bei einem
erfindungsgemäß ausgeführten Lager nicht erforderlich.
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Verglichen mit den in der Einleitung beschriebenen polykristallinen Diamantschichten
werden die amorphen Kohlenstoff-Schichten bei niedrigen
Beschichtungstemperaturen hergestellt. Während die bisher bekannten harten Beschichtungsstoffe
typischerweise bei Temperaturen um 400°C hergestellt werden, erfolgt die
Beschichtung mit DLC-Schichten bei Temperaturen unter 200°C, so dass auch
temperaturempfindliche Materialien als Grundwerkstoff eingesetzt werden können. Die
Temperaturfestigkeit der DLC-Schichten selber liegt bei etwa 400°C, bei bestimmten
Modifikationen auch darüber.
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Ein weiterer Vorzug der DLC-Beschichtungen ist, dass diese vorzugsweise
unmittelbar auf das Grundmaterial aufgebrachten Oberflächenschichten aus a-C : H-Material
besonders hart und trotzdem elastisch sind und sich gleichzeitig durch eine
besonders gute chemische Stabilität und Korrosionsbeständigkeit auszeichnen.
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Außerdem werden durch die geringe Adhäsionsneigung der DLC-Schichten,
Kaltverschweißungen und Verklebungen, wie sie bei anderen Wälzlagern auftreten können,
vermieden.
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Im Weiteren werden die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Wälzlagers im
einzelnen beschrieben.
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Vorteilhaft gegenüber den im Stand der Technik genannten polykristallinen
Diamantschichten ist bei DLC-Schichten die wesentlich geringere Oberflächenrauhigkeit und
bessere Haftung. Die geringen Rauhigkeitswerte werden insbesondere dadurch
erreicht, dass sich im Gegensatz zu den polykristallinen Diamantschichten, die eine
typische Diamantkristallstruktur aufweisen, bei der Verwendung von DLC-Material
ein amorphes Kohlenstoffnetzwerk auf der Oberfläche bildet. Dieses amorphe
Kohlenstoffnetzwerk zeichnet sich durch eine sehr homogene Struktur aus.
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Aufgrund der sehr guten Phasenreinheit besitzen die Oberflächen aus DLC-Material
eine besondere chemische Stabilität und eignen sich in besonderem Maße für den
Einsatz in tribologisch bzw. tribo-chemisch stark beanspruchten Komponenten.
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Durch die erfindungsgemäße Verwendung von DLC-Material sowohl für die
Laufflächen der Laufringe als auch für die Wälzkörper wird ein wesentlich besseres
tribologisches Verhalten der Wälz- und Gleitkontakte erreicht. Ein Teil der jeweiligen DLC-
Schicht löst sich oberflächlich ab, so dass es in der Zwischenzone zwischen den
Reibpartnern zur Bildung einer aktiven Zwischenschicht kommt. Aufgrund dieser
aktiven Zwischenschicht, die eine konventionelle Schmiermittelschicht ersetzt, zeichnet
sich ein Wälzlager, bei dem sowohl die Wälzkörper als auch die Laufflächen der
Laufringe wenigstens zu einem Teil aus DLC-Material bestehen, durch
hervorragende Trockenlaufeigenschaften aus. Die Wälzkörper und/oder die Laufringe bestehen
aus legiertem Stahl oder Keramik und sind erfindungsgemäß entweder mit einer
Oberflächenschicht aus DLC versehen oder bestehen vollständig aus amorphem
Kohlenwasserstoff sind.
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Probleme bezüglich der Haft- und Bruchfestigkeit können sich jedoch in jenen Fällen
ergeben, in denen Substratmaterial beschichtet wird, das deutlich weicher als das
Schichtmaterial ist. Aufgrund des sogenannten Eierschalen-Effektes kann es bei
dieser Beschichtungskonstellation bei hohen Flächenpressungen zu Schichtbrüchen
kommen. Diese Schichtbrüche sind darauf zurückzuführen, dass die harte
Oberfläche nicht zäh genug ist, um den Verformungen des Substratmaterials folgen zu
können. Die Risse bilden sich vorzugsweise an Schwachstellen in der
Oberflächenbeschichtung aus. Derartige Stellen sind insbesonders Bereiche mit ungleichmäßigen
Schichtdicken, Einschlüssen von Fremdmaterialien oder Schwachstellen aufgrund
einer bestimmten Oberflächenstruktur.
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In besonderem Maße stellen auch Korngrenzen der Diamantkristallite polykristalliner
Diamantschichten derartige Schwachstellen dar.
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Werden sowohl die Laufflächen als auch die Wälzkörper eines Wälzlagers mit DLC-
Material beschichtet, wie es der erfindungsgemäße Gedanke vorsieht, kann es
jedoch nicht zu den oben beschriebenen Schichtabplatzungen kommen, da sich diese
DLC-Schichten durch eine sehr homogene, netzwerkartige Oberfläche auszeichnen.
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Damit sind erfindungsgemäß ausgeführte Wälzlager auch im
Hochgeschwindigkeitsbereich und auch hier vorzugsweise ohne zusätzliches Schmiermittel einzusetzen.
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Weiterhin sind die erfindungsgemäßen Beschichtungen, sowohl der Laufflächen als
auch der Wälzkörper mit DLC-Material, neben ihrer Härte und Elastizität mit einer
hervorragenden Korrosionsbeständigkeit und einer geringen Adhäsionsneigung
gepaart. Aufgrund der sehr guten Trockenlaufeigenschaften kann das
erfindungsgemäße Wälzlager daher für alle herkömmlichen Anwendungen eingesetzt und darüber
hinaus auch in Anlagen, in denen chemische Prozesse mit aggressiven Medien (z. B.
Halogene und Halogenwasserstoffe) ablaufen, verwendet werden.