DE1421830B - Schmiermittel fur Lager - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von Bleioxid als Schmiermittel für Lager.

Bleioxid weist bei erhöhten Temperaturen einen solchen Reibungskoeffizienten auf, daß es als Schmiermittel oder Gleitmittel für Lager geeignet ist. Hierzu werden feste Filmüberzüge aus Bleioxid auf besonderen Materialien, beispielsweise auch auf Stahl aufgebracht. Ein derart aufgebautes Lager ist jedoch nur brauchbar, solange der dünne Bleioxidfilm auf den stählernen Laufflächen des Lagers vorhanden ist. Da der überzug ganz dünn sein muß, reibt er sich während einer ziemlich kurzen Zeit ab, so daß die Lebensdauer eines solchen Lagers kurz ist. Für viele Anwendungszwecke ist das nachteilig.

An Schmiermittel und Gleitmittel für Lager müssen je nach dem Verwendungszweck und nach den Umgebungsbedingungen verschiedenartige Anforderungen gestellt werden. So soll beispielsweise die Gleitfläche eines Lagers außer einem möglichst geringen Reibungskoeffizienten in vielen Fällen ein gewisses Einbettungsvermögen für Schmutz aufweisen. Unabhängig davon, ob äußerlich zugeführte Schmiermittel in dem Lager verwendet werden oder nicht, darf keine Korrosion und Oxydation auftreten. Der Verschleiß oder der Abrieb soll gering sein, im besonderen wenn das Lager während einer längeren Zeit betrieben werden soll. Falls das Lager nur einmal kurzzeitig verwendet wird, beispielsweise in einer Rakete, dann ist die Abriebgeschwindigkeit von untergeordneter Bedeutung. Auch die Umgebungstemperatur und die Betriebsweise des Lagers, beispielsweise Dauerbetrieb oder Kurzbetrieb, haben auf die an ein Lagerschmiermittel gestellten Anforderungen Einfluß. Ferner verlangt man, daß ein Lager unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen ist, eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist und daß die thermische Ausdehnung seiner Lauffläche derjenigen der benachbarten Teile angepaßt ist. Weitere allgemeine Gesichtspunkte sind ein geringes Lagergewicht und -volumen sowie eine leichte Bearbeitbarkeit der Lagerflächen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein Schmiermittel zu schaffen, das eine lange Lebensdauer des Lagers garantiert und hinsichtlich seiner Schmier- (\ fähigkeit den verschiedensten Anforderungen genügt. ^<;

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch die Verwendung eines Materials, bestehend aus Bleioxid als Hauptbestandteil und aus mindestens einem anderen Oxid, mit welchem eine auf der Oberfläche eines Lagers ausgebildete poröse Trägerschicht imprägniert wird, deren freie Oxidbildungsenergie positiver als die von Bleioxid ist, als Schmiermittel für Lager.

Dabei ist dem Bleioxid zur Bildung des als Schmiermittel dierienden Materials eines oder mehrere Oxide der Elemente Silicium, Aluminium, Wismut, Vanadium, Arsen, Molybdän, Wolfram, Antimon, Titan, Zinn, Kupfer, Bor, Eisen und Chrom beigemengt. Auf diese Weise ergibt sich eine große Gruppe von Lagerschmiermitteln, die die verschiedensten Anforderungen erfüllen. Durch die Wahl und Menge des dem Bleioxid beigemengten Oxids bzw. der beigemengten Oxide kann man entsprechend den gestellten Forderungen einige Schmiermitteleigenschaften herausarbeiten und andere unterdrücken.

Die poröse, von dem Oxidgemisch getränkte Trägerschicht besteht vorzugsweise aus Kupfer oder Silber. % Um eine lange Lebensdauer des Lagers zu gewährleisten, wird eine verhältnismäßig große Menge des Oxidgemischs in die Trägerschicht eingebracht, so daß an den Laufflächen des Lagers stets eine ziemlich große Schmiermittelmenge vorhanden ist.

Eine Schwierigkeit beim Einbringen des als Hauptbestandteil Bleioxid enthaltenden Oxidgemischs in die sehr kleinen Poren der Trägerschicht besteht darin, daß dabei das Bleioxid zu Blei reduziert werden kann. Um die Trägerschicht mit dem Oxidgemisch zu tränken, muß das Tränkmittel in einem gewissen Maß das Material der Trägerschicht benetzen. Wenn die Trägerschicht aus Kupfer besteht, muß das Oxidgemisch derart zusammengesetzt sein, daß es bei den Tränktemperaturen die Oberfläche des Kupfers benetzt und in die kleinen Poren und Zwischenräume der Trägerschicht hineinfließt. Die Imprägniertemperatur und die anderen Bedingungen sind derart zu wählen, daß das Bleioxid nicht in beträchtlichem Maße zu Blei reduziert wird. Hierzu muß das Oxidgemisch eine gewisse flüssige Löslichkeit im Kupfer aufweisen. Geschmolzenes Bleioxid benetzt bei oder oberhalb einer Temperatur von 888⁰C Kupfer sehr gut und

dringt daher bei dieser Temperatur leicht in eine poröse Kupfermasse ein. Bleioxid hat jedoch einen ziemlich hohen Reibungskoeffizienten, so daß es im Vergleich zu anderen Stoffen als Schmiermittel für Lager nur begrenzte Verwendung findet. Um den Reibungskoeffizienten herabzusetzen und in zahlreichen Fällen die Viskosität bei höheren Temperaturen zu verringern, werden die anderen genannten Oxide dem Bleioxid zugesetzt. Um die Schmiermitteleigenschaft beträchtlich zu verbessern, müssen in allen Fällen die anderen Oxide in einer solchen Menge dem Bleioxid beigemengt werden, daß die Mischung eine niedrigere Schmelztemperatur als Bleioxid aufweist. ' · ·

Oft hat das dem Bleioxid zugesetzte Oxidmaterial eine höhere Schmelztemperatur als Bleioxid. Die Mischungen, die als Schmier- oder Gleitmittel verwendbar sind, haben jedoch stets eine niedrigere Schmelztemperatur als die einzelnen Oxide. Fast alle dem Bleioxid beigemengten Oxide bilden mit ihm ein oder mehrere Eutektika. Die verwendeten Anteile sind jedoch nicht auf die zur Bildung eines Eutektikums notwendige Menge beschränkt. Viele Mischungen können als Keramiken bezeichnet werden. Andere bilden Gläser, von denen einige eine feinverteilte, glasige Phase und andere eine entglaste Phase aufweisen können.

Für das Schmiermittel nach der Erfindung braucht man keinen Stützkörper, beispielsweise Stahl, Aluminium, Kunststoff od. dgl. Falls jedoch ein solcher verwendet wird, ist auf dem Stützkörper eine Trägerschicht aus Kupfer oder Silber aufgelegt. Zur Bildung einer Trägerschicht mit oder ohne Stützkörper stehen an sich bekannte Verfahren zur Verfügung. In der USA.-Patentschrift 2 902 748 ist ein Beispiel für ein Verfahren zum Aufbringen einer Trägerschicht aus gesintertem Kupfer auf einem streifenförmigen Material, beispielsweise aus Stahl, beschrieben. Eine wesentliche Eigenschaft der Trägerschicht besteht darin, daß sein Oberflächenmaterial eine freie Oxidbildungsenergie aufweisen muß, die positiver als die des Bleioxids ist, so daß die Trägerschicht das Bleioxid nicht reduziert, wenn es in Form des Oxidgemisches in die Trägerschicht eingebracht wird. Kupfer und Silber erfüllen dieses Erfordernis. Es können aber auch andere Stoffe als Trägerschicht verwendet werden, wenn gewisse Vorsichtsmaßregeln befolgt werden. So können beispielsweise gesinterte Eisen- oder Aluminiumteilchen die Trägerschicht bilden, wenn die pulverförmigen Eisen- oder Aluminiumteilchen mit einem Material, z. B. Kupfer oder Silber überzogen werden, so daß die mit dem Tränkmittel in Berührung stehende Trägerschicht eine freie Oxidbildungsenergie aufweist, die positiver als die des Bleioxids ist.

Nachdem die Trägerschicht in an sich bekannter Weise ausgebildet ist, wird das Oxidgemisch in die Zwischenräume und Poren eingebracht. Das dem Bleioxid beigemischte Oxid ist stets derart zu wählen, daß die Mischung einen niedrigeren Schmelzpunkt als Bleioxid aufweist, selbst wenn der Schmelzpunkt des zusätzlichen Oxids oberhalb des Bleioxidschmelzpunktes liegt.

Das Oxidgemisch kann in die Trägerschicht durch ein Warmgußverfahren eingebracht werden oder in Pulverform aufgebracht und anschließend erwärmt werden, bis es schmilzt und in die Poren der Trägerschicht hineinfließt.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf

die Figur hingewiesen, die die Beziehung zwischen der Prüfdauer und der Lagertemperatur eines Kupfer-Blei-Lagers und eines Lagers zeigt, in dem das Schmiermittel der Erfindung benutzt wird.

Die Taballe I enthält außerdem die Daten einer größeren Anzahl von Mischungen gemäß der Erfindung. Am Kopf der Tabelle I stehen Bezugsdaten für Bleioxid zu Vergleichszwecken.

Für alle oxidischen Additive sind die dem Bleioxid hinzugefügte Menge, die eutektischen Punkte, die Schmelztemperatur der Mischung bei den eutektischen Punkten, die Schmelzbedingungen und der Reibungskoeffizient der verschiedenen Mischungen angegeben. '

Tabelle I Pb O-Grundmischungen

Additiv	Bereich 0/	Eutektikum 0/	Schmelz temperatur	Geschmolzener Zustand	Reibungskoeffizient	(niedrigster)
	/0	/0	°C		(mittlerer)
PbO			888	zähflüssig	0,60
SiO2	1 bis 28	8	733	flüssig	0,27	0,23
		15	733	zähflüssig	0,27
		28	733	sehr zähflüssig	—	0,45
Al2O3	1 bis 4	4	865	sehr zähflüssig	0,68	—
Bi2O3	1 bis 49	28	580	flüssig	0,38	0,22
PbO — CrO3	1 bis 25	8	785	zähflüssig	0,31	0,28
V2O5	1 bis 49	13	759	flüssig	0,38	—
		45	482	zähflüssig	0,93	—
As2O5	1 bis 49	5	804	flüssig	0,96	—
		17	815	flüssig	—	0,14
		33	787	flüssig	0,24	0,45
PbO-MoO3	1 bis 33	18	787	flüssig	0,73	0,16
PbO — WO3	1 bis 45	29	725	flüssig	0,22

Fortsetzung

Additiv	Bereich O/	Eutektikum o/	Schmelz temperatur	496	Geschmolzener Zustand	Reibungskoeffizient	(niedrigster)
	/O	Yo	■-C	815		(mittlerer)	0,17
Sb2O3	1 bis 49	(unvolls	ändiges	855	flüssig	0,23
		Phasendiagramm)	815			0,31
B2O3	1 bis 49	12	844	flüssig	0,44	—
TiO2	1 bis 3	3	815	flüssig	0,70	•—
SnO2	1 bis 2	1,5	682	sehr zähflüssig	—	—
P2O5	1 bis 7.5	5	flüssig	0,39	—
		9	—	—	—
	25 bis 49	25	flüssig	0,50	0,18
Cu2O	1 bis 30	18	sehr zähflüssig	0,31

Tabelle I (Fortsetzung) Pb O-Grundmischungen

	Zusammensetzung	SiO2	Schmelz	Geschmolzener	Reibungskoeffizient	(niedrigster)
PbO	AI2O3	%	temperatur 0C	Zustand		0,22
%	%	28			(mittlerer)
71	1	16	721	flüssig	0,33
83	1	13 .	705	flüssig
85	2	9	705	flüssig
40	1	4	692	flüssig
91	5	6	771	flüssig
93	1	692	/flüssig

PbO	B2O3	SiO2	482 532	flüssig flüssig	0,30 0,33	0,19
85 93	11 5	4 2

PbO	V2O5	TiO2	872	flüssig	0,32	0,17
—1 89,5	—10 7,3	1—5 3,2 (kein Eutektikum)

PbO	SiO2	P2O5	755	zähflüssig	0,38	0,36
ι 85	—30 12,5	1—30 2,5 (kein Eutektikum)

PbO	SiO2	Fe3O4	dünnflüssig	0,34	0,27
85	10	5 (kein Phasen diagramm verfügbar)

Um reproduzierbare Prüfresultate zu erhalten, sind die Proben, die die Angaben nach Tabelle I liefern, aus gesintertem Kupfer hergestellt, ohne daß ein

Trägerelement aus Stahl od. dgl. verwendet wird. Das Kupferpulver, aus dem die Form hergestellt wird, ist eine homogene Mischung mit einem weiten

Bereich der Partikelgröße, die bei einem Druck von 840 kg/cm² kalt verfestigt und in Wasserstoff bei einer Temperatur von 1000⁰C gesintert wird. Die sich ergebende Form weist etwa 30% Hohlräume je Raumeinheit auf.

ι Das Tränkmittel wird in den gewünschten Anteilen

gemischt und auf seine Schmelztemperatur erwärmt, worauf die poröse Kupferform in die geschmolzene Oxidmischung so lange eingetaucht wird, bis die Poren der Form gefüllt sind. Alle Proben werden unmittelbar nach Verlassen des Schmelzbades mit Wasser abgeschreckt.

Die Reibungsprüfungen werden bei Raumtemperatur und bei einer auf 40% aufrechtzuerhaltenden Luftfeuchtigkeit ohne Schmiermittel ausgeführt, wenn man von dem Schmiermittel absieht, das von dem Gleitflächenmaterial selbst zugeführt wird. Ein Prüfgerät gemäß Falex wird mit einem Prüfdorn aus Stahl mit einem geringen Kohlenstoffgehalt verwendet, der mit 192 Umdrehungen/Min, umläuft und mit Gewichten zwischen 31,5 und 256 kg belastet wird. Beim , · Prüfvorgang wird das Gewicht 5 Minuten lang auf FY einer vorgegebenen Höhe gehalten und dann vergrößert.

Wenn auch einige Mischungen auf der Basis von Bleioxid (PbO) einen Reibungskoeffizienten besitzen, der wahrscheinlich zu hoch ist, als daß sie gewöhnlich für die Gleifläche eines Lagers verwendet werden können, besitzen sie doch kompensierende Eigenschaften und können ebenfalls als Reibungsmaterialien in Kupplungsplatten u. dgl. verwendet werden. Alle Materialien weisen den Vorteil auf, der aus der Kurve der Figur zu ersehen ist.

Wenn die Temperatur eines typischen Kupfer-Blei-Lagers über einen kritischen Punkt hinaus anwächst, versagt das Lager (ausgezogene Linie). Ein Lager mit ^; einer Trägerschicht gemäß der Erfindung kann zu Anfang eine auf die Reibung zurückzuführende höhere Temperatur als das Kupfer-Blei-Lager zeigen; kurz nachdem seine Temperatur einen vorgegebenen Punkt erreicht, fällt sie ab und wird etwa konstant mit der Zeit beibehalten. Hier zeigt sich eine sehr wichtige Eigenschaft der Gruppe von Lagermaterialien gemäß ,, tY der Erfindung.

Wegen dieser Eigenschaft kann das Material unter gewissen Bedingungen infolge der Bildung einer Glasur oder eines oxidischen Oberflächenüberzuges auf der angreifenden rotierenden Welle ungeschmiert laufen. Solange dieser Oberflächenfilm unversehrt bleibt und nicht durch Pressen usw. zerstört wird, ist der Reibungskoeffizient niedriger, als wenn die Welle an einer nicht glasierten Oberfläche laufen würde. Daher kann man erwarten, daß das aufeinander arbeitende Material keine große Wirkung auf die Reibung mit diesem Lagermaterial ausübt. Tatsächlich haben einige Testversuche gezeigt, daß diese glasurbildende Eigenschaft des mit Oxiden durchdrungenen Kupfers sogar ein einwandfreies Reiben an einem umlaufenden Körper aus rostfreiem Stahl zuläßt. In diesem Fall ist der Reibungskoeffizient so niedrig wie der, der an einer Stahlwelle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt beobachtet wird. Diese Beobachtung ist äußerst bedeutsam im Hinblick darauf, daß die meisten Metalle nicht brauchbar sind, wenn sie ungeschmiert an rostfreiem Stahl gleiten sollen; gewöhnlich fressen oder schweißen sich die Bestandteile beträchtlich aneinander fest.

Wie man erkennen kann, besitzt die Gruppe der Mischungen auf der Basis von Bleioxid eine höhere Temperaturstabilität als Kupfer-Blei-Materialien.

Ein weiterer Vorteil, der sich durch Prüfungen an einer Kupferform ergibt, in die eine Mischung auf der Basis von Bleioxid und anderen Oxiden eingedrungen ist, liegt darin, daß das Gleitflächenmaterial in einer reaktionsunfähigen Atmosphäre und in Luft ungeschmiert laufen kann. Beim Laufen in Argon zeigt sich ein niedrigerer Reibungskoeffizient als beim Laufen in Luft. Viele Stoffe scheinen besser in Luft als in einer reaktionsunfähigen Atmosphäre zu laufen, was vielleicht auf die Bildung eines Oxidfilms während des Betriebs zurückzuführen ist. Eine Oxydation des Kupfers scheint jedoch seinen Reibungskoeffizienten zu vergrößern.

Wenn auch der Reibungskoeffizient ein bedeutsamer Faktor ist, wählt man für einen vorgegebenen Zweck mitunter ein Material mit einem höheren Reibungskoeffizienten, wenn dieses andere wünschenswerte Eigenschaften aufweist. In vielen Fällen soll das Gleitflächenmaterial der Korrosion widerstehen. Wenn auch nur eine begrenzte Anzahl von Versuchen in einem normierten Bad zur Auswertung der Korrosion aus Xylol, Laurinsäure und Nitrobenzol durchgeführt worden sind, zeigt sich doch, daß die geprüften Oxidmischungen im Vergleich zum Bezugsmaterial aus Kupfer und Blei hervorstechen.

Tabelle II

Ergebnisse der Korrosionsauswertung

Material	Gewichts änderung g/h [Quadratzoll]
40 Cu-Pb	-0,120 -0,005 -0,005
Cu — (PbO — 10% SiO2 — 5%A12O3) Cu — (PbO — 12% B2O3)

Mechanisch scheinen die Materialien auf der Basis von Bleioxid einen Vorteil gegenüber einer Kupferform zu haben, die mit Blei getränkt ist. Zum Beispiel ' weist mit 30% bleigetränktem, gesintertem Kupfer eine Zugfestigkeit von 910 kg/cm² und eine Druckfestigkeit von 2870 kg/cm² auf. Dieselbe gesinterte Kupferform, in die ein Gemisch aus 85% PbO, 10% SiO₂ und 5% Al₂O₃ eingedrungen ist, weist eine Zugfestigkeit von 1190 kg/cm² und eine Druckfestigkeit von 6020 kg/cm² auf. Die stark vergrößerte Druckfestigkeit ist ein großer Vorteil bei Lagern, die bei starken Belastungen schnell laufen sollen. Ein Tränkmittel aus 85% PbO, 10% SiO₂ und 5% Al₂O₃ in einer ungesinterten Kupferform bringt dieselbe Zugfestigkeit und eine etwas vergrößerte Druckfestigkeit im Vergleich zum gesinterten Kupfer mit sich, in das Blei eingedrungen ist; es zeigt sich also, daß es nicht von Bedeutung ist, eine gesinterte Form zu verwenden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

109 584/365

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verwendung eines Materials, mit welchem eine auf der Oberfläche eines Lagers ausgebildete poröse Trägerschicht aus Kupfer oder Silber oder aus einem anderen mit Kupfer oder Silber überzogenen Stoff imprägniert wird, bestehend aus

1. Bleioxid als Hauptbestandteil und

2. einem oder mehreren Oxiden der Elemente Silicium, Phosphor, Aluminium, Wismut, Vanadium, Arsen, Molybdän, Wolfram, Antimon, Titan, Zinn, Kupfer, Bor, Eisen und Chrom

als Schmiermittel für Lager.

2. Verwendung eines Materials nach Anspruch 1, bestehend aus

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1. Bleioxid als Hauptbestandteil und

2. a) I bis 28% SiO₂

oder

b) 1 bis 49% Bi₂O₃, V₂O₅, As₂O₅, Sb₂O₃ oder B₂O₃

oder

c) 1 bis 4% Al₂O₃
oder

d) 1 bis 25% CrO₃ oder

e) 1 bis 33% MoO₃
oder

f) 1 bis 45% WO₃

oder

g) 1 bis 3% TiO₂
oder

h) 1 bis 2% SnO₂

oder
i) 1 bis 30% Cu₂O

oder
k) 1 bis 7,5 oder 25 bis 49% P₂O₅

als Schmiermittel für Lager.