DE102011007506A1

DE102011007506A1 - Wälzlager

Info

Publication number: DE102011007506A1
Application number: DE201110007506
Authority: DE
Inventors: Jörg Loos
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2011-04-15
Publication date: 2014-02-06

Abstract

Wälzlager umfassend mehrere Wälzkörper sowie zwei Lagerbauteile mit jeweils einer Laufbahn, auf denen die Wälzkörper abwälzen, wobei mindestens ein Wälzkörper (7), jedoch nicht alle Wälzkörper mit einer in einem Gasphasenabscheideverfahren aufgebrachten Metallkarbid-Kohlenstoff-Beschichtung (8) versehen sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager, umfassend mehrere Wälzkörper sowie zwei Lagerbauteile mit jeweils einer Laufbahn, auf denen die Wälzkörper abwälzen.
Hintergrund der Erfindung
Wälzlager kommen in unterschiedlichsten Bereichen der Technik zum Einsatz und dienen der Lagerung drehbarer Bauteile wie Wellen, Achsen und Ähnlichem. Bekannt sind Radiallager und Axiallager. Ihnen gemein ist, dass sie jeweils zwei Lagerbauteile mit jeweils einer Laufbahn aufweisen, wobei gegebenenfalls ein Lagerbauteil auch integral mit einem drehzulagernden Bauteil selbst ausgeführt sein kann. Auf den Laufbahnen laufen mehrere Wälzkörper, beispielsweise in Form von Zylinderrollen, Nadeln, Kegelrollen, Tonnenrollen oder Kugeln. Infolge des Wälzkontaktes erreichen Wälzlager ihre berechnete Ermüdungslebensdauer nur, wenn sie ausreichend vor Verschleiß und Oberflächenschäden geschützt werden. Werden Wälzlager in Anwendungen eingesetzt, wo nicht jederzeit ein tragender Schmierfilm, beispielsweise über ein Öl oder Fett, gewährleistet werden kann, kann es zum frühzeitigen Ausfall kommen. Ein Beispiel hierfür sind zum Beispiel Windkraftgetriebe, in denen häufig hoher Schlupf infolge instationärem Betrieb gegeben ist. Die Folge dieser mangelhaften Schmierung sind Lagerausfälle infolge Anschmierung, Verschleiß, lokaler Überhitzung oder tribologisch initiierte Ermüdungsschäden wie WEC-Schaden (White Etching Crack), auch brittle flaking genannt, oder Graufleckigkeit.
Um die Verschleißfestigkeit zu erhöhen ist es bekannt, alle Wälzkörper mit einer Beschichtung zu versehen. Häufig kommen Brünierschichten zum Einsatz, also Schichten, die in einem Brünierverfahren auf der Wälzkörperoberfläche ausgebildet werden. Diese Schichten sind jedoch nicht langzeitstabil, das heißt, sie wälzen sich relativ schnell ab, bieten also keinen Langzeitschutz. Gerade dies wird hier jedoch angestrebt.
Aus DE 197 02 852 A1 ist es bekannt, als Verschleißschutz auf die Laufbahnen der Lagerbauteile eine Schicht aus einem Metallnitrid, einem metallischen Carbonitrid oder einer Mischung hieraus in einem Gasphasenabscheidungsverfahren aufzubringen. Diese Hartstoffschicht bietet zwar einen guten Verschleißschutz, ist aber im Bereich der mangelhaften Schmierung nur bedingt tauglich.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein demgegenüber verbessertes und insbesondere in Einsatzfällen mit mangelhafter Schmierung verwendbares Wälzlager anzugeben.
Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mindestens ein Wälzkörper, jedoch nicht alle Wälzkörper, mit einer in einem Gasphasenabscheideverfahren aufgebrachten Metallkarbid-Kohlenstoff-Beschichtung versehen ist.
Das erfindungsgemäße Wälzlager zeichnet sich dadurch aus, dass nur ein Teil der Wälzkörper mit einer Metallkarbid-Kohlenstoff-Beschichtung versehen ist. Diese Beschichtung, die beispielsweise in einem PVD- oder einem PACVD-Verfahren aufgebracht wird, zeichnet sich durch eine sehr gute Haftung aus, jedoch auch durch eine gewisse Weichheit. Sie bestehen aus einer Metallkarbid-Matrix, in der partikulärer Kohlenstoff eingelagert ist. Untersuchungen an erfindungsgemäß hergestellten Wälzlagern haben gezeigt, dass es mit solchen Schichten möglich ist, in der Mischreibung zwischen dem Wälzkörper und der Laufbahn neben einem Kohlenstoffübertrag auch dünne Eisen/Metalloxidschichten auf dem Gegenkörper, hier also der Laufbahn des Lagerbauteils, zu erzeugen. Es kommt also quasi zu einem Materialübertrag respektive der reibungsbedingten Erzeugung entsprechender Passivierungsschichten auf der Laufbahn, so dass diese quasi im Wälzbetrieb automatisch passiviert und verschleißgefestigt werden. Das heißt, dass die Verschleißneigung auch der originär unbehandelten Laufbahnen herabgesetzt wird. Es wird über den einen oder die wenigen erfindungsgemäß beschichteten Wälzkörper auf der Gegenlaufbahn folglich eine Grenzschicht ausgebildet, die der Verschleißneigungsreduzierung dient.
Es hat sich nun herausgestellt, dass nur wenige Wälzkörper, mindestens einer, jedoch nicht alle, erfindungsgemäß beschichtet sein müssen, um die Grenzschichtausbildung aus der Laufbahn im Laufe des Lagerbetriebs so erwirken. Dies führt dazu, dass das erfindungsgemäße Wälzlager nur einen oder wenige erfindungsgemäß beschichtete Wälzkörper aufweist, während die anderen verbleibenden Wälzkörper unbeschichtet sind. Die Ausbildung der Grenzfläche infolge des Kohlenstoffübertrags respektive der Ausbildung der Eisen- und Metalloxidschichten auf der Laufbahnoberfläche allein durch den oder die wenigen beschichteten Wälzkörper ist ausreichend, die Laufbahn geeignet zu passivieren und ihre Verschleißneigung gegenüber den unbeschichteten Wälzkörperoberflächen herabzusetzen. Damit können folglich die Herstellkosten des erfindungsgemäßen Wälzlagers deutlich reduziert werden, da neben den teuren, beschichteten Wälzkörpern eben auch eine beachtliche Vielzahl an einfachen, unbeschichteten Wälzkörpern verwendet werden können. Der Schutz der unbeschichteten Wälzkörper gegenüber der mit der schützenden Grenzschicht versehenen Gegenlaufbahn ist für viele Anwendungen ausreichend, so dass nur eine geringe Anzahl beschichteter Wälzkörper erforderlich ist.
Um den Materialübertrag respektive die Grenzschichterzeugung in ausreichendem Maß zu ermöglichen, wird die Abriebfestigkeit und Inertheit der über das Gasphasenabscheideverfahren erzeugte Metallkarbid-Kohlenstoff-Beschichtung entsprechend eingestellt und, verglichen mit anderen im Gasphasenabscheideverfahren aufgebrachten Verschleißschutzbeschichtungen, reduziert. Werden bisher derartige gasphasenabgeschiedene Verschleißschutzschichten dahingehend ausgelegt, dass die Schicht sehr inert und ermüdungs- und abriebfest ist, so wird beim erfindungsgemäßen Verfahren die Abscheidung bevorzugt derart vorgenommen, dass die Abriebfestigkeit und Inertheit dem gegenüber reduziert respektive optimiert ist.
Die erfindungsgemäße Kombination beschichteter und unbeschichteter Wälzkörper lässt darüber hinaus neben der quasi im Betrieb erfolgenden Passivierung und Verschleißschutzbeschichtung der Gegenlaufbahnen auch die Möglichkeit zu, die Wälzlager in Anbetracht des beabsichtigten Einsatzzweckes optimal zu konfigurieren. Denn je nach Betriebs- respektive Einsatzsituation kann die entsprechende Anzahl an beschichteten und unbeschichteten Wälzkörpern quasi nach Art eines Baukastensystems gewählt werden. In Bereichen mit extremer mangelhaften Schmierung wird man zweckmäßigerweise mehr beschichtete Wälzkörper verbauen, als in Bereichen mit einer besseren Schmierung.
Als Metallkarbid zur Bildung des Metallkarbid-Kohlenstoff-Komposits kann Wolframkarbid oder Zirkonkarbid verwendet werden. Denkbar sind aber auch andere aus der Gasphase abscheidbare Karbide wie z. B. NbC, SbC, TaC oder BiC.
Die Abscheidung erfolgt bevorzugt in einem PVD- oder in einem PACVD-Verfahren. Diese Verfahren ermöglichen ohne weiteres auch die Einstellung der entsprechenden Schichtparameter im Hinblick auf die Abriebfestigkeit und Inertheit der abgeschiedenen Schicht, so dass die Kompositschicht erfindungsgemäß entsprechend „weich” eingestellt werden kann.
Die Beschichtung selbst sollte eine Dicke von 500–5000 nm, insbesondere von 1000–4000 nm aufweisen.
Wenngleich grundsätzlich die Möglichkeit besteht, neben den mit dem Metallkarbid-Kohlenstoff-Komposit beschichteten Wälzkörpern auch unbeschichtete Wälzkörper zu verwenden, so sieht eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung vor, anstelle der unbeschichteten Wälzkörper solche mit einer Brünierschicht zu verwenden. Das heißt, dass zumindest ein Teil der zu verbleibenden Wälzkörper mit einer Brünierschicht versehen ist Eine solche Brünierschicht kann sehr einfach und kostengünstig auf der Wälzkörperoberfläche erzeugt werden, beispielsweise in einem Zweibad-Brünierverfahren, wobei als Brüniersalz beispielsweise eine Mischung aus 10–30% NaOH und 70–90% NaNO₂ verwendet wird. Die Bäder weisen üblicherweise eine Temperatur von 135–145°C auf, auf der Wälzkörperoberfläche bildet sich eine Konversionsschicht, üblicherweise eine Mischschicht aus FeO und Fe₂O₃. Diese Brünierschicht ist bekanntlich nicht allzu hart respektive haftet nicht allzu fest, wälzt sich also relativ schnell auf der Gegenfläche ab. Dieser Umstand kann jedoch vorteilhaft genutzt werden, vor allem beim Anlaufen des Wälzlagers, da aufgrund des schnellen Abriebs eine entsprechend schnelle abriebbedingte Grenzflächenerzeugung auf den jeweiligen Laufbahnen erfolgt. Das heißt, dass die Brünierschicht quasi eine schnelle Grenzflächenerzeugung ermöglicht, während die Metallkarbid-Kohlenstoff-Schicht eine dem gegenüber langfristige Grenzflächenerzeugung ermöglicht.
Die Brünierschicht kann beispielsweise eine Dicke zwischen 800–1800 nm. Dies ist dahingehend zweckmäßig, als wie beschrieben die Brünierschicht der schnellen Passivierung respektive Grenzschichterzeugung auf den Laufbahnen dient.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Wälzlagers einer ersten Ausführungsform, in einer Teilansicht, und
2 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Wälzlagers einer zweiten Ausführungsform, in einer Teilansicht.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Wälzlager 1 in einer Teilansicht im Schnitt in einer stark vergrößerten Darstellung. Das Wälzlager umfasst ein erstes Lagerbauteil 2, hier in Form eines Innenrings mit einer Laufbahn 3, sowie ein zweites Lagerbauteil 4 in Form eines Außenrings mit einer Laufbahn 5. Es handelt sich also um ein Radiallager. Zwischen den beiden Ringen 2, 4 und auf den Laufbahnen 3, 5 wälzen Wälzkörper 6, 7, im gezeigten Beispiel Zylinderrollen. Die Wälzkörper 6, 7 sind beispielsweise aus demselben Material und weisen, was den Wälzkörpergrundkörper angeht, denselben Durchmesser auf. Jedoch sind die Wälzkörper 6 oberflächlich unbeschichtet, während die Wälzkörper 7 eine dünne Metallkarbid-Kohlenstoff-Beschichtung 8 aufweisen, bevorzugt eine WC/C-Beschichtung, also ein Wolframkarbid-Kohlenstoff-Komposit. Diese Beschichtung zeichnet sich durch eine Metallkarbidmatrix, hier eine Wolframkarbidmatrix, aus, in der partikulärer Kohlenstoff eingelagert ist. Die Beschichtung weist bevorzugt eine Dicke von ca. 1000–4000 nm auf.
Ersichtlich sind nur wenige Wälzkörper 7, verglichen mit den Wälzkörpern 6, vorgesehen, im gezeigten Beispiel nur jeder dritte Wälzkörper. Dies ist ausreichend, um bei dem erfindungsgemäßen Wälzlager auf den jeweiligen Laufbahnen 3, 5 eine Grenzflächenschicht 9, 10 zu erzeugen, die der Passivierung beziehungsweise dem Verschleißschutz der Laufbahnen 3, 5 dient. Diese Schicht wird durch einen Übertrag des partikulär in der Kompositschicht 8 enthaltenen Kohlenstoffs sowie durch Erzeugung einer Eisen/Wolframoxidsschicht auf den Laufbahnen 3, 5 erzeugt, wenn die Wälzkörper 7 mit ihrer Beschichtung 8 auf den Laufbahnen 3, 5 abwälzen. Infolge der im Rahmen des Erzeugungsverfahrens der Schicht 8 eingestellten Schichteigenschaften, insbesondere ihrer „Weichheit”, also reduzierten Abriebfestigkeit respektive Inertheit, was beispielsweise in einem PVD- oder PACVD-Verfahren durch entsprechende Einstellung der Abschalteparameter möglich ist, kann ein im Laufe der Zeit erfolgender Material- oder Werkstoffübertrag respektive die Grenzschichtausbildung erfolgen.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Wälzlager 1, wobei für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Das Wälzlager 2 umfasst ein erstes Lagerbauteil 2, auch hier in Form eines Innenrings, mit einer Laufbahn 3, sowie ein zweites Lagerbauteil 4, hier in Form eines Außenrings, mit einer Laufbahn 5. Vorgesehen sind ferner wiederum Wälzkörper 6, 7, wobei hier sowohl die Wälzkörper 6 als auch die Wälzkörper 7 beschichtet sind. Während die Wälzkörper 7, wie gemäß 1, mit einer Beschichtung 8 aus einem Metallkarbid-Kohlenstoff-Komposit, bevorzugt einem Wolframkarbid-Kohlenstoff-Komposit, beschichtet sind, sind die Wälzkörper 6 mit einer Brünierschicht 11 beschichtet. Diese Brünierschicht 11 ist deutlich weniger abriebfest als die Kompositschicht 8, das heißt, dass sie deutlich schneller verschleißt als die Schicht 8. Dieser Umstand kann zur Erzeugung der jeweiligen Grenzschichten 9, 10 auf den Laufbahnen 3, 4 genutzt werden, da sich die Grenzschichten 9, 10 zu unterschiedlichen Zeiten ausbilden. Infolge der deutlich geringeren Abrieb- und damit Verschleißfestigkeit der Brünierschichten 11 kommt es folglich wesentlich früher, letztlich bereits zu Beginn des Einlaufens des Wälzlagers zu einem Abrieb der Brünierschichten 11 und damit einer Belegung der Laufflächen 3, 5 mit den Grenzschichten 9, 10 respektive zur Ausbildung derselben, während die Schichten 8 noch keinen oder nur einen vernachlässigbaren Abrieb zeigen. Die Schichten 11 werden im fortgesetzten Lagerbetrieb relativ schnell abgerieben, so dass ab einem bestimmten Zeitpunkt keine Brünierschichten 11 mehr vorhanden sind. Demgegenüber sind jedoch die Wälzkörper 7 nach wie vor mit einer mehr oder weniger intakten Kompositbeschichtung 8 versehen, die ihrerseits nun im fortgesetzten Lagerbetrieb abgerieben wird und folglich die Grenzschichten 9, 10 bildet respektive aufrechterhält. Das heißt, dass folglich die Brünierschichten 11 dem Kurzzeitschutz und die Kompositschichten 8 dem Langzeitschutz dienen.
Auch hier kommen beispielsweise deutlich weniger Wälzkörper 7 als Wälzkörper 6 zum Einsatz. Die konkrete jeweilige Wälzkörperanzahl hängt zum einen natürlich von der Lagergröße, zum anderen vom Einsatzzweck ab. Grundsätzlich ist es bereits ausreichend (dies gilt für die Ausführungsbeispiele sowohl nach 1 und 2), wenn nur ein einziger Wälzkörper mit der Metallkarbid-Kohlenstoff-Schicht 8 versehen ist, während die anderen Wälzkörper entweder unbeschichtet sind oder mit der Brünierschicht 11 versehen sind. Dies führt zu sehr geringen Gestehungskosten des jeweiligen Wälzlagers. Auch bietet die Möglichkeit der „Mischung” unterschiedlicher Wälzkörper, also entweder mit der Schicht 8 beschichteter Wälzkörper oder unbeschichteter Wälzkörper oder mit der Schicht 8 beschichteter Wälzkörper und mit der Brünierschicht 11 beschichteter Wälzkörper, die Möglichkeit, das Wälzlager quasi beliebig zu konfigurieren, mithin also auch eine entsprechende Anpassung an den Einsatz- oder Verwendungszweck vorzunehmen.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlager
2: Lagerbauteil
3: Laufbahn
4: Lagerbauteil
5: Laufbahn
6: Wälzkörper
7: Wälzkörper
8: Metallkarbid-Kohlenstoff-Beschichtung
9: Grenzflächenschicht
10: Grenzflächenschicht
11: Brünierschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19702852 A1 [0004]

Claims

Wälzlager umfassend mehrere Wälzkörper sowie zwei Lagerbauteile mit jeweils einer Laufbahn, auf denen die Wälzkörper abwälzen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wälzkörper (7), jedoch nicht alle Wälzkörper mit einer in einem Gasphasenabscheideverfahren aufgebrachten Metallkarbid-Kohlenstoff-Beschichtung (8) versehen sind.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallkarbid Wolframkarbid oder Zirkonkarbid ist.
Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (8) eine PVD- oder eine PACVD-Schicht ist.
Wälzlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (8) eine Dicke von 500–5000 nm, insbesondere von 1000–4000 nm aufweist.
Wälzlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der verbleibenden Wälzkörper (6) mit einer Brünierschicht (11) versehen ist.
Wälzlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Brünierschicht (11) 800–1800 nm, insbesondere 1000–1500 nm beträgt.