DE69812389T2

DE69812389T2 - Beschichtetes wälzlager

Info

Publication number: DE69812389T2
Application number: DE69812389T
Authority: DE
Inventors: Thomas Cundill; Alexander Horton; Hans Sjoestroem; Olga Vijgen
Original assignee: SKF Engineering and Research Centre BV
Current assignee: SKF Engineering and Research Centre BV
Priority date: 1997-09-16
Filing date: 1998-09-16
Publication date: 2003-08-21
Anticipated expiration: 2018-09-17
Also published as: CN1269875A; US6340245B1; CN1103878C; JP2001516857A; WO1999014512A1; KR20010023895A; DE69812389D1; JP4244106B2; RU2231695C2; KR100580267B1; NL1007046C2; EP1015780B1; EP1015780A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Wälzelementlagerungen. Wälzelementlagerungen werden in den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten eingesetzt. Sofern deren Schmierung sichergestellt ist, kann ihre normale Auslegungslebensdauer im allgemeinen ohne Probleme erreicht werden.
Unter schlechten bzw. im Grenzbereich befindlichen Schmierungsbedingungen ist das Verhalten von Wälzelementlagerungen allerdings weniger günstig. In solchen Fällen kann es sich als unmöglich herausstellen, einen Schmierfilm zu bilden, was zu einem unmittelbaren Kontakt, Metall auf Metall, der Wälzelemente und der Ringe führt und auf diese Weise einen Kontaktverschleiß zur Folge hat, wie bspw. Reibverschleiß bzw. Reibkorrosion (fretting), und vorzeitiges Versagen.
Außerdem zeigen Wälzelementlagerungen, die zeitweise Vibrations- oder Schwingungsbewegungen ausgesetzt sind, während sie sich unter einer statischen Last ohne Drehung des Lagers befinden, häufig eine Erscheinung, die unter der Bezeichnung "False-Brinelling" bekannt ist, und die ebenso die Lebensdauer des Lagers begrenzt.
Als Folge der vorgenannten Erscheinungen ist die Betriebslebensdauer unter schlechten Schmierungsverhältnissen erheblich reduziert. Es sind bereits Versuche unternommen worden, dieses Problem dadurch zu lösen, daß harte Beschichtungen auf den Lagerkomponenten aufgebracht wurden, bspw. bestehend aus Karbid- und Nitridbeschichtungen (bspw. TiN, TiC, CrN), und auch feste Schmierstoffe wie bspw. Molybdändisulfid.
Keiner dieser Versuche hat allerdings eine wesentliche Verbesserung mit sich gebracht. Obwohl Nitrid- und Karbidbeschichtungen hohe Härtegrade aufweisen und ein gutes Widerstandsvermögen gegenüber abrasivem Verschleiß und eine große Härte bieten, sind ihre Reibungskoeffizienten hoch. Diese hohen Reibungskoeffizienten in Kombination mit großer Härte führen zu einem abrasivem Verschleiß der Gegenfläche, d. h. eines Rings oder Wälzelements.
Weiterhin kann die starke Anhaftung von TiC-, TiN, und CrN-Beschichtungen nur bei relativ hohen Beschichtungstemperaturen in der Größenordnung von 400ºC erreicht werden. Derartige Beschichtungen werden in weitem Umfang für Schneidwerkzeuge genutzt, bei denen das Substratmaterial aus hochlegiertem Hochgeschwindigkeitsstahl besteht, der seine Härte bei Temperaturen von 500 bis 540ºC behält, aufgrund des Phänomens der sekundären Härtung. Die genannten Beschichtungstemperaturen würden bei niedriger legierten Stählen, die üblicherweise bei Wälzelementlagerungen eingesetzt werden, zu übermäßigem Härteverlust und Maßveränderungen rühren.
Gemäß der US-A-5108813 können normale diamantartige Kohlenstoffbeschichtungen, d. h. 1 Beschichtungen mit diamantartigem Kohlenstoff, bei Gleitlagerungen eingesetzt werden. Eine Beschichtung mit diamantartigem Kohlenstoff ist definiert als eine Schicht aus amorphem hydrogeniertem Kohlenstoff, bestehend aus sp3 und sp2 hybridisierten Kohlenstoffbindungen. Während in Gleitlagerungen die Haftung einer Beschichtung mit diamantartigem Kohlenstoff an dem Substrat ausreicht, blättern bzw. platzen bei Wälzelementlagerungen derartige Beschichtungen ab, was ein Ergebnis der wesentlich größeren Kontaktbeanspruchungen in einem Wälzelementlager ist.
Gemäß der JP 06 341 445 A, in der ein Wälzelementlager gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2 beschrieben ist, sind die Wälzelemente aus Siliziumnitrid und sind mit einer diamantartigen Beschichtung beschichtet, die 5 bis 25% Silizium enthält.
Weiterhin ist es aus der US 5 593 234 A bekannt, eine Lageroberfläche mit einer Beschichtung aus einer wiederholten Reihe aus zwei abwechselnden Schichten auszubilden. Allerdings besteht jede Schicht lediglich aus einem Material.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Wälzelementlager bereitzustellen, welches eine vergrößerte Betriebslebensdauer unter solchen Bedingungen aufweist, bei denen die Schmierung schlecht ist oder fehlt. Diese Aufgabe wird durch ein Wälzelementlager gemäß Anspruch 1 oder 2 gelöst.
Der mit Metall gemischte diamantartige Kohlenstoffanteil der Beschichtung kann aus abwechselnden parallelen Schichten aus vorwiegend diamantartigem Kohlenstoff, aber enthal tend etwas Metallkarbid, und vorwiegend Metallkarbid, aber enthaltend etwas diamantartigen Kohlenstoff, zusammengesetzt sein, jeweils in der Größenordnung von 1 bis 50 nm Dicke.
Alternativ kann das Metallkarbid in Form von Clustern vorliegen, die innerhalb einer Schicht aus diamantartigem Kohlenstoff verteilt sind. Derartige Schichten bestehen aus einer Matrix aus vorwiegend diamantartigem Kohlenstoff mit einer Dispersion von Partikeln aus Metallkarbid. Die genannten Partikel können eine clusterartige Morphologie aufweisen, wobei Bereiche bzw. Cluster aus Metallkarbid mit einer Ausdehnung von bis zu 100 nm vorhanden sind. Die Cluster können aus Karbiden von einem oder mehreren Metallen bestehen.
Die mit Metall gemischte Beschichtung mit diamantartigem Kohlenstoff nach der vorliegenden Erfindung bietet sowohl niedrige Reibung als auch hohen Verschleißwiderstand, auch bei Kontaktbeanspruchungen von derart hohen Niveaus, wie sie bei Wälzelementlagerungen angetroffen werden, wobei die Beanspruchungen bis zu 3 oder 4 GPa betragen können. Die Beschichtung mit diamantartigem Kohlenstoff nach der vorliegenden Erfindung, gemischt mit karbidbildenden Metallatomen, ist in der Lage, diese Kontaktbeanspruchungen derart hoher Niveaus zu ertragen, ohne daß sie in sich selbst oder von dem Substrat abplatzen bzw. abblättern, wenn die Beschichtungsstruktur dahingehend optimiert ist, daß eine starke Anhaftung erreicht wird.
Daher eignet sich die in Rede stehende Beschichtung zur Anwendung bei Wälzelementlagern, die unter trockenen Bedingungen arbeiten oder dann, wenn die Schmierung schlecht ist oder sogar fehlt.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist die mit Metall gemischte Beschichtung mit diamantartigem Kohlenstoff auf einer metallischen Zwischenschicht aus Cr, W, Mo oder Al ausgebildet, die auf der Substratoberfläche vorab abgelagert wird. Es sollte ein allmählicher Übergang von der metallischen Zwischenschicht in die mit Metall gemischte Beschichtung vorhanden sein. Die Beschichtung mit diamantartigem Kohlenstoff, die auf die metallische Zwischenschicht aufgebracht wird, enthält auch eines oder mehrere Metallkarbid bildende Elemente, die bspw. W, Mo oder Ti.
Die Dicke der mit Metall gemischten Beschichtung mit diamantartigem Kohlenstoff kann bis zu 10 um betragen. Die Mehrfachschichtstruktur der Beschichtung hat reduzierte Restspan nungen in der Beschichtung zu Folge und somit eine verbesserte Anhaftung im Vergleich mit herkömmlichen, aus einer einzelnen Schicht bestehenden Beschichtungen mit diamantartigem Kohlenstoff mit oder ohne eine metallische Zwischenschicht.
Ein weiteres wesentliches Merkmal der Beschichtung liegt in der Möglichkeit, den Gehalt an Metallkarbid bildenden Elementen in Richtung auf die Oberfläche während des Beschichtungsvorgangs zu verringern, wodurch der diamantartige Charakter der äußeren Schichten der Beschichtung steigt. Dies führt immer noch zu einer starken Anhaftung an dem Substrat, ermöglicht aber gleichzeitig einen erheblichen Anstieg in der Oberflächenhärte, da die äußere' Lage der Beschichtung nunmehr näher an reinem diamantartigem Kohlenstoff liegt. In diesem Fall ergeben die niedrige Reibung und die vergrößerte Härte Vorteile in Form eines vergrößerten Widerstandsvermögens gegenüber Verschleiß, während die starke Anhaftung, die für Anwendungen bei Wälzlagern erforderlich ist, beibehalten wird.
Außerdem kann ein allmählicher Anstieg des Graphitgehalts in Richtung auf die Beschichtungsoberfläche vorhanden sein. Dies hat den Vorteil, daß der Reibungskoeffizient weiter verringert wird. Selbstverständlich können sowohl eine Reduktion des Gehalts an Metallkarbid bildenden Elementen als auch ein Anstieg des Kohlenstoffgehalts in Richtung auf die Oberfläche der Beschichtung erzielt werden.
Die mit Metall gemischte Beschichtung mit diamantartigem Kohlenstoff kann femer metallisches Ni oder möglicherweise Fe als ein Mittel zur Verringerung der Kosten des Ausgangsmaterials für das Karbid bildende Element enthalten.
Außerdem kann die mit Metall gemischte Beschichtung mit diamantartigem Kohlenstoff bei einer Beschichtungstemperatur von weniger als 240ºC aufgebracht werden, bei den hohen Anhaftungsgraden, die für Wälzelementlagerungen erforderlich sind. In diese Hinsicht können temperaturempfindliche niedriglegierte Lagerungsstähle im gehärteten und getemperten Zustand auf eine solche Weise beschichtet werden, daß mikrostrukturelle oder Phasenveränderungen des Substratmaterials nicht auftreten, mit dem Ergebnis, daß keine permanenten irreversiblen Maßveränderungen der beschichteten Lagerkomponenten auftreten. Dies ermöglicht den Zusammenbau von Ringen und/oder Wälzelementen mit Standardkomponenten und vermeidet die Notwendigkeit einer Anpassung, um die gewünschte Lagerpräzision und inneren Spielmaße zu erhalten.
Zusätzlich stellt die niedrige Beschichtungstemperatur sicher, daß die Substrathärte und Ermüdungseigenschaften von temperaturempfindlichen niedriglegierten Lagerungsstählen nicht beeinträchtigt werden und daß die standardmäßigen statischen und dynamischen Traglasteinstufungen für das Lager weiterhin anwendbar sind. Dennoch kann die Beschichtung auch bei hochlegierten Stählen wie bspw. martensitischen rostfreien Stählen und Hochgeschwindigkeitsstählen (HSS bzw. Hochleistungs-Schnellstählen) angewendet werden.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Beispiele, die in der Zeichnung dargestellt sind, weiter erläutert.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht der äußeren Lagen bzw. Schichten des Wälzelements oder der Laufbahn eines Rings eines Wälzelementlagers. Der vollständige äußere Teil ist insgesamt mit Bezugszeichen 1 bezeichnet und ist auf ein Substrat 2 aufgebracht worden, bspw. einen Lagerstahl.
Der genannte vollständige äußere Teil 1 umfaßt eine zwischenliegende metallische Zwischenschicht 3, die unmittelbar auf das Substrat 2 aufgebracht ist, eine Übergangszone 4, die auf die zwischenliegende metallische Zwischenschicht 3 folgt, und eine mit Metall gemischte Beschichtung mit diamantartigem Kohlenstoff 8. Die Übergangszone 4 umfaßt einen Bereich, in dem ein mehrschichtiger Übergang mit abwechselnd angeordneten Metallkarbidschichten 5 und metallischen Schichten 6 erzielt wird. Daran anschließend wird ein gleichmäßiger Übergangsbereich 7 zum Übergang in die mehrschichtige Struktur 8 erzielt. Der Übergangsbereich 7 sorgt für einen gleichmäßigen Übergang von Metallkarbid zu einer Mischung aus Metallkarbid und diamantartigem Kohlenstoff. Die mehrschichtige Struktur 8 weist abwechselnd angeordnete Metallkarbidschichten 9 und Schichten mit diamantartigem Kohlenstoff 10 auf.
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform, ebenfalls von den äußeren Schichten eines Wälzelements wie bspw. der Laufbahn eines Rings eines Wälzelementlagers.
Die vollständige Beschichtung 11 weist eine Matrix 12 aus vorwiegend diamantartigem Kohlenstoff auf, mit einer Dispersion von Metallkarbidpartikeln 13 in Form von Clustern. Derartige Cluster 13 aus Metallkarbid können eine maximale Abmessung von 100 nm haben.
Das Substrat 2, die Zwischenschicht 3 und die Übergangszone 4 sind ähnlich wie die entsprechenden Bereiche in der Ausführungsform nach Fig. 1.

Claims

1. Wälzelementlager, mit einem inneren Ring, einem äußeren Ring und Wälzelementen, die in Wälzkontakt mit den Laufbahnen des inneren Rings und des äußeren Rings stehen, wobei die Wälzelemente und/oder die Laufbahn zumindest eines der Ringe mit einer mit Metall gemischten Beschichtung mit diamantartigem Kohlenstoff (8 bis 10) beschichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung abwechselnde Schichten (10) aus vorwiegend diamantartigem Kohlenstoff, aber enthaltend etwas Metallkarbid, und Schichten (9) aus vorwiegend Metallkarbid, aber enthaltend etwas diamantartigen Kohlenstoff, aufweist.

2. Wälzelementlager, mit einem inneren Ring, einem äußeren Ring und Wälzelementen, die in Wälzkontakt mit den Laufbahnen des inneren Rings und des äußeren Rings stehen, wobei die Wälzelemente und/oder die Laufbahn zumindest eines der Ringe mit einer mit Metall gemischten Beschichtung mit diamantartigem Kohlenstoff (11 bis 13) beschichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall karbidbildend ist und das Metallkarbid in Form von Clustern (13) vorliegt, die innerhalb einer Matrix (12) aus diamantartigem Kohlenstoff dispergiert sind.

3. Wälzelementlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzliche Komponenten wie einen Käfig, Dichtungen, Deckscheiben und/oder einen Führungsring aufweist, die in Kontakt mit den Ringen, Wälzelementen und/oder einer anderen der genannten Komponenten sind, wobei zumindest eine der genannten zusätzlichen Komponenten mit einer mit Metall gemischten Beschichtung mit diamantartigem Kohlenstoff (8 bis 10,10 bis 13) beschichtet ist.

4. Wälzelementlager nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der mit Metall gemischten Beschichtung mit diamantartigem Kohlenstoff (8 bis 10, 11 bis 13) bis zu 10 um beträgt.

5. Wälzelementlager nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Metall gemischte Beschichtung mit diamantartigem Kohlenstoff (8 bis 10, 11 bis 13) auf eine metallische Zwischenschicht (3) beschichtet ist.

6. Wälzelementlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Metall gemischte Beschichtung mit diamantartigem Kohlenstoff (8 bis 10, 11 bis 13) auf eine metallische Zwischenschicht (3) aus Cr, W, Mo oder Al beschichtet ist.

7. Wälzelementlager nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der mit Metall gemischten Beschichtung mit diamantartigem Kohlenstoff (8 bis 10, 11 bis 13) und der zwischenliegenden metallischen Schicht (3) eine Übergangszone (4) angeordnet ist.

8. Wälzelementlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall enthaltende Beschichtung mit diamantartigem Kohlenstoff (8 bis 10, 11 bis 13) durch Beschichten bei einer Temperatur von weniger als 240ºC aufgebracht ist.

9. Wälzelementlager nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine allmähliche Abnahme des Gehalts an dem Metallkarbid bildenden Element (vorzugsweise W, Mo oder Ti) in Richtung auf die Beschichtungsoberfläche vorliegt, so daß die äußeren Bereiche der Beschichtung von ihrer Art her eher wie diamantartiger Kohlenstoff werden.

10. Wälzelementlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein allmählicher Anstieg des Graphitgehalts in Richtung auf die Beschichtungsoberfläche vorliegt.

11. Wälzelementlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Metall gemischte Beschichtung mit diamantartigem Kohlenstoff (8 bis 10, 11 bis 13) Ni enthält.

12. Wälzelementlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Erstreckung der Cluster 100 nm beträgt.