DE102008047725A1 - Verfahren zur Herstellung eines Käfigs, derart hergestellter Käfig, sowie Wälzlager und Linearführung umfassend einen solchen Käfig - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Käfigs für Wälzlager und Linearführungen für die Aufnahme mehrerer Wälzkörper, dadurch gekennzeichnet, dass der Wälzlagerkäfig aus einem amorphen Metall in einem Gieß- oder Spritzgießverfahren hergestellt wird.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Käfigs für die Aufnahme mehrerer Wälzkörper.
• Hintergrund der Erfindung
• An Käfige für Wälzlager und für Linearführungen werden aufgrund der manigfaltigen Einsatzmöglichkeiten von Wälzlagern und von Linearführungen eine Vielzahl unterschiedlichster Anforderungen gestellt. Je nach Anwendung wird neben einer hohen Korrosionsbeständigkeit und Medienresistenz auch eine hohe Temperaturbeständigkeit, eine hohe Verschleißbeständigkeit, eine hohe Festigkeit, eine gute Trocken- und Notlaufeigenschaft sowie eine Eignung für hohe Drehzahlen gefordert. Weiterhin muss eine gute Reibpaarung des Käfigs mit den Wälzlagerringen bzw. mit den Führungslaufbahnen der Lineareinheiten sowie mit den Wälzkörpern gegeben sein. Bei geschmierten Lagern, die also einen zusätzlichen Schmierstoff enthalten, muss eine hohe Fettgebrauchsdauer in Wechselwirkung der Lagerkomponenten (Ringe, Käfig, Wälzkörper) mit dem Lagerschmierstoff gewährleistet sein. Schließlich muss der jeweilige Wälzlagerkäfig auch möglichst kostengünstig und in hoher Stückzahl herstellbar sein. Die Einsatzbereiche für Lager mit Wälzlagerkäfigen sind wie beschrieben vielfältigst. Die hier näher beschriebenen (erfindungsgemäßen) Käfige können Einsatz finden beispielsweise im Bereich der Energietechnik, der chemischen Verfahrenstechnik, der verarbeitenden Industrie, dem Maschinenbau bzw. Werkzeugmaschinenbau (z. B. schnelldrehende Spindellager), der Medizintechnik (z. B. schnellstdrehende, minimal, temporär oder nicht geschmierte Dentallager), der Lebensmittelindustrie oder der Luftfahrt, um nur einige zu nennen.
• Um die oben genannten Anforderungen zumindest teilweise oder in verschiedenen Anforderungsgruppen zu erfüllen, werden Käfige aus unterschiedlichen Materialien hergestellt. Üblicherweise werden als Käfigmaterialien Stahl, Stahlblech, Messing, Messingblech, Leichtmetall, Kunststoff (z. B. PA, glasfaserverstärktes PA, PEEK) oder Hartgewebe verwendet. Die Herstellung dieser konventionellen Käfige erfolgt je nach verwendetem Material durch Drehen oder Fräsen und entsprechende vorgelagerte Umformtechniken, durch Kunststoff-Spritzguss oder Laminiertechniken und entsprechende Nachbearbeitung wie Schleifen etc. bis zum Erreichen der Endkontur.
• Die einzelnen verwendbaren Materialien haben in bestimmten Bereichen ihre Vorzüge, jedoch auch gewisse Nachteile, so dass die oben genannten Anforderungen nicht gänzlich erfüllt werden können. So hat Stahl eine mäßige bis schlechte Korrosionsbeständigkeit. Um dem zu begegnen, sind speziell legierte Stähle zu verwenden. Die Reibpaarung Stahl – Wälzlagerstahl ist nicht optimal. In der Regel erfordern Stahlkäfige auch eine zusätzliche Wärmebehandlung, was ein Faktor für höhere Herstellkosten ist. Für höhere Herstellkosten ist ferner der Umstand verantwortlich, dass mitunter eine Spanlosfertigung wegen geringer Stückzahlen oder im Hinblick auf die herzustellende Käfigform (z. B. Hinterschneidungen etc.) nicht möglich ist und auf ein Drehen oder Fräsen aus dem Vollmaterial zurückgegriffen werden muss.
• Messingkäfige liegen, was die Materialfestigkeit angeht, zwischen Stahl- und Kunststoffkäfigen. Messing besitzt jedoch gegenüber Stahl und insbesondere gegenüber Kunststoff eine höhere Dichte, was bei hohen Käfigdrehzahlen zu hohen Fliehkräften und entsprechenden Belastungen führt. Auch verschleißt Messing im Reibkontakt mit Stahl relativ schnell.
• Kunststoffe hingegen besitzen eine eingeschränkte Temperaturbeständigkeit von in der Regel < 140°C. Höher temperaturfeste Kunststoffe wie z. B. PEEK (oder PAEK) sind relativ teuer und auch nur bis maximal 250° einsetzbar. Im Vergleich zu Metallen besitzen sie eine geringere Festigkeit.
• Aus oben genannten Umständen resultiert ein Bedarf nach einem Käfig, respektive einem Käfigmaterial, der bzw. das eine Vielzahl der eingangs genannten benötigten vorteilhaften Eigenschaften in sich vereint, beispielsweise eine sehr gute Temperaturbeständigkeit, eine möglichst geringe Dichte verbunden mit einer hohen Festigkeit, eine hohe Korrosionsbeständigkeit etc. Auch soll der Käfig respektive das Material in Großserien herstellbar respektive verarbeitbar sein, wie auch komplexe Wälzlagerkäfigformen herstellbar sein sollten.
• Zusammenfassung der Erfindung
• Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines eine Vielzahl der eingangs genannten Voraussetzungen erfüllenden Käfigs für Wälzlager und für Linearführungen unter Verwendung eines geeigneten Käfigmaterials anzugeben.
• Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Käfig aus einem amorphen Metall in einem Gieß- oder Spritzgießverfahren hergestellt wird.
• Amorphe Metalle, mitunter auch metallische Gläser genannt, sind Legierungen, die auf atomarer Ebene eine amorphe Struktur aufweisen, also keine kristalline Struktur, wie dies für Metalle gilt. Diese für Metalle sehr ungewöhnliche Atomanordnung führt zu besonderen physikalischen und mechanischen Eigenschaften. Derartige amorphe Metalle sind im Allgemeinen korrosionsbeständiger und fester als gewöhnliche Metalle. Im Rahmen der Herstellung respektive Verarbeitung des Ausgangsmaterials wird die natürliche Kristallisation durch sehr rasches Abkühlen der Schmelze verhindert, so dass den Atomen die Beweglichkeit genommen wird, bevor sie die Kristallanordnung bzw. Metallgitterstruktur einnehmen können. Dies setzt jedoch voraus, dass die Atomstruktur respektive die im Material vorhandenen Atome unterschiedlich groß sind, so dass es bei extrem schneller Abkühlung zu der „Bewegungsbehinderung” und keiner Kristallanordnung kommt, weshalb amorphe Strukturen nur bei speziellen Legierungen erreicht werden können. Üblicherweise bestehen sie aus mehreren verschiedenen Elementen, wobei meist wenigstens drei grundsätzlich verschiedene Atomgrößen vertreten sind.
• Nachdem die amorphe Form nur durch äußerst schnelle Abkühlung erreicht werden kann, werden die erfindungsgemäßen Wälzkörper in einem Gieß- oder Spritzgießverfahren hergestellt. Diese Herstelltechnologien lassen hinreichend hohe Abkühlgeschwindigkeiten zur Unterdrückung der Kristallisation zu. Das Gießen oder Spritzgießen des Ausgangsmaterials lässt mit besonderem Vorteil die Herstellung sehr komplexer und gleichzeitig sehr filigraner Strukturen zu, so dass bisher nicht oder nur mit hohem Aufwand herstellbare Käfigformen durch das erfindungsgemäße Verfahren einerseits hergestellt werden können, zum anderen aus einem Material, das gegenüber bisher verwendeten Materialien deutlich bessere Eigenschaften aufweist.
• Das zu verwendende amorphe Metall, das Ausgangsmaterial, ist durch geeignete Wahl der Legierungszusammensetzung („alloy design”) zu bestimmen, wobei als Auswahlparameter eine ausreichend hohe Duktilität und Schadenstoleranz (fracture toughness), die Realisierung einer ausreichend niedrigen Ver arbeitungstemperatur, die z. B. für das Spritzgießen geeignet ist, eine ausreichend geringe Kristallisationsneigung der Metallschmelze beim Abkühlen sowie kostengünstige und verfügbare Ausgangsmaterialien berücksichtigt werden sollten. Verwendbare Legierungen bestehen vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich, aus Legierungselementen wie Fe, Ni, Al, Si, Zr, Ti, Cu, Cr, Sn, Co, Nb, Ce, Ca, Mg, B, C oder N. Die Erfindung ist jedoch nicht auf obige Elemente, eine bestimmte Anzahl bzw. einen bestimmten atomaren Anteil an den jeweiligen Legierungselementen beschränkt, auch kann die Elementkombination beliebig sein, solange das daraus resultierende amorphe Metall die gewünschten Verarbeitungs- und Zieleigenschaften, die an das Metall respektive den herzustellenden Käfig gestellt werden, erfüllt.
• Wie bereits beschrieben, zeigen amorphe Metalle hervorragende mechanische, physikalische und chemische Eigenschaften. Sie sind im Allgemeinen deutlich härter als gewöhnliche Metalle, also härter als üblicher, für die Herstellung von Käfigen verwendeter Stahl. Sie sind demgegenüber auch deutlich korrosionsbeständiger und fester. Sie zeigen in einem weiten Bereich linearelastisches Verhalten, d. h., in der Wechselbelastung ein Einfedern bei minimaler Dämpfung und minimaler innerer Reibung. Dies ist insbesondere für die Wechselwirkung zwischen Käfig und Wälzkörper sowie zwischen Käfig und Lagerring eine wünschenswerte Eigenschaft. Selbstverständlich ist auch eine hinreichend hohe Temperaturbeständigkeit gegeben. Die hohe Festigkeit, verbunden mit einer erreichbaren relativ geringen Dichte je nach Legierungspartnern, lässt auch eine Eignung für sehr hohe Drehzahlen zu, wie auch hervorragende Reibpaarungen gefunden werden können.
• Wenngleich wie bereits beschrieben unterschiedlichste Legierungszusammensetzungen aus beispielsweise den oben genannten Legierungselementen gebildet werden können, die je nach Zusammensetzung die Einstellung unterschiedlichster mechanischer, chemischer und physikalischer Eigenschaften des erhaltbaren amorphen Metalls ermöglichen, seien nachfolgend einige Beispiele besonderer Legierungszusammensetzungen und deren Eigenschaften angegeben.
• Ein erstes Beispiel für ein amorphes Glas oder Metallglas für strukturelle Anwendungen ist Zr61,7Al8Ni13Cu17Sn0,3, wobei die Zahlen hinter dem jeweiligen Legierungselement seinen Anteil in Atom% innerhalb der Legierung angeben. Dieses amorphe Metall ist deutlich duktiler im Vergleich zu anderen amorphen Metallen. Es zeigt praktisch keine Anfälligkeit zum Bruchversagen, was für die erfindungsgemäße Anwendung als Käfigmaterial von zentraler Bedeutung ist.
• Ein zweites Beispiel eines besonders gut geeigneten amorphen Metalls ist Ni53Nb20Ti10Zr8Co6Cu3. Dieses amorphe Metall weist eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit auf, verbunden mit einer sehr hohen Festigkeit und im Vergleich zu Stahl einer deutlich höheren Beständigkeit im Hinblick auf Rollreibung.
• Amorphe Metalle der Zusammensetzung (Cu0,6Af0,25Ti0,15)90Nb10 zeigen in Salzsäure sowie in NaCl-Lösung eine gegenüber herkömmlicher Bronze deutlich höher Korrosionsbeständigkeit bei gleichzeitig hoher Druckfestigkeit (ca. 2600 MPa) sowie eine für amorphe Metalle sehr hohe plastische Dehnung von ca. 12%.
• Noch höhere Bruchfestigkeiten (ca. 4000 MPa) wurden an amorphen Metallen des Systems Fe-Co-Ni-B-Si-Nb ermittelt, bei einem für amorphe Metalle hohen E-Modul von ca. 190 GPa sowie einer Härte von ca. 1.200 HV.
• Die genannten Beispiele sind lediglich exemplarisch und sollen zeigen, dass unterschiedlichste Legierungszusammensetzungen gefunden werden können, die jeweils verschiedene Eigenschaftsschwerpunkte aufweisen. Je nach Einsatzgebiet des herzustellenden Käfigs respektive des daraus aufzubauenden Wälzlagers oder der Linearführung kann folglich ein amorphes Metall verwendet werden, das bezogen auf den angestrebten Einsatz optimale mechanische, chemische und physikalische Eigenschaften aufweist, wie sie bisher verwendete Materialien, die zur Bildung von Käfigen für diesen Verwendungszweck ver wendet wurden, nicht oder nicht in der erfindungsgemäß erreichbaren Form aufweisen.
• Wie bereits beschrieben, bieten sich aufgrund der sehr hohen benötigten Abkühlgeschwindigkeiten zur Unterdrückung des Kristallisation das Gießen oder Spritzgießen als grundlegende Herstellverfahren an.
• Für kleine Stückzahlen oder für Legierungszusammensetzungen mit hohen Schmelztemperaturen erfolgt erfindungsgemäß die Formgebung der amorph erstarrenden Legierung zweckmäßigerweise durch Metallguß. Dieses Gießverfahren kann als Vakuum-, Fein- oder Sand-, oder Metallformguß durchgeführt werden.
• Für große Stückzahlen und bei niedrigen bis mittleren Schmelztemperaturen wird auf ein modifiziertes Spritzgießverfahren zurückgegriffen, wie dies beispielsweise aus dem Bereich des Kunststoffspritzgußes bekannt ist. Hierbei wird zweckmäßigerweise ein Werkzeug aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Kupfer oder Siliziumcarbid (Sic), insbesondere Sigebundes oder Si-haltiges SiC (=SiSiC), verwendet, um durch rasche Wärmeabfuhr den weitestgehend nicht kristallinen, „unterkühlten” Glaszustand der Schmelze zu erreichen.
• Wenngleich grundsätzlich angestrebt wird, durch das Gießen oder Spritzgießen endkonturnah zu fertigen, so dass keine mechanische Nachbearbeitung erforderlich wird, ist es selbstverständlich je nach herzustellendem Käfig respektive Käfigform mitunter erforderlich, den gegossenen oder gespritzten Käfig mechanisch nachzuarbeiten, insbesondere durch Drehen, Fräsen, Schleifen oder Honen. Die erfindungsgemäße Herstellung der Käfige bietet jedoch einen großen Vorteil: die endkonturnahe Fertigung ist in hohem Maße realisierbar durch Ausnutzung zweier Effekte: a) die gegossene/gespritzte Metallglasoberfläche ist an sich schon sehr glatt und b) im Gegensatz zur kristallinen Erstarrung kommt es beim Metallglas nicht zum Volumenschwund während der Abkühlung bzw. der Erstarrung. Ebenfalls nicht erforderlich ist mit besonderem Vorteil, unabhängig von dem verwendeten Herstellungsverfahren, eine thermische Nachbehandlung (Wärmebehandlung), nachdem die amorphen Metalle mit Beendigung der raschen Abkühlung die geforderten mechanischen, chemischen oder physikalischen Eigenschaften ausbilden.
• Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines solchen Käfigs betrifft die Erfindung ferner einen Käfig, der nach diesem Verfahren hergestellt ist. Er besteht also aus einem in einem Gieß- oder Spritzgießverfahren verarbeiteten amorphen Metall, wobei hinsichtlich der verwendbaren Materialien und Eigenschaften etc. auf sämtliche obigen Ausführungen verwiesen wird, die zwangsläufig auch den erfindungsgemäßen Käfig näher beschreiben. Der erfindungsgemäße Käfig sollte eine Fertigkeit > 1000 MPa, eine Temperaturbeständigkeit > 150°C, einen E-Modul < 200 GPa, eine Bruchdehnung > 1% und vorzugsweise eine Härte > 350 HV aufweisen.
• Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Wälzlager, umfassend einen derartigen Wälzlagerkäfig, wobei je nach Wälzlagertyp selbstverständlich auch mehrere solcher Wälzlagerkäfige in einem Wälzlager bei mehrreihigen Lagertypen verbaut sein können, sowie eine entsprechende Linearführung mit mindestens einem solchen Käfig.
• Der erfindungsgemäß hergestellte Käfig kann wie beschrieben aufgrund der erfindungsgemäßen Verarbeitung durch Gießen oder Spritzgießen in einer Vielzahl unterschiedlichster Formen, also auch komplexen Formen und in sehr filigraner Ausführung, hergestellt werden. Er kann deshalb zur Aufnahme unterschiedlicher Wälzkörper konzipiert werden, seien es Kugellager, Nadellager, Rollenlager, Spindellager, Kegelrollenlager, Tonnenlager, Pendelrollenlager etc. Je nach beabsichtigtem Einsatz respektive Einsatzgebiet ist das zu verwendende amorphe Metall zu wählen. Anwendungsbeispiele sind beispielsweise der Einsatz in korrosionsbeanspruchter oder mediengeschmierter Umgebung wie beispielsweise der Fluidtechnik, der Offshoretechnik, im Schiffsbau, der chemischen Verfahrenstechnik, der Energietechnik, oder in Form von schnelldrehenden Kugel-, Spindel oder Zylinderrollenlagern, beispielsweise im Medizintechnikbereich, dort insbesondere im Dentalbereich. Jedoch ist die Erfindung auf die beschriebenen Anwendungsbeispiele keinesfalls begrenzt.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung eines Käfigs für Wälzlager oder Linearführungen zur Aufnahme mehrerer Wälzkörper, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig aus einem amorphen Metall in einem Gieß- oder Spritzgießverfahren hergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gießverfahren als Vakuum-, Fein- oder Sand-, Druckguss- oder Metallformguss durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Spritzgießverfahren ein Werkzeug komplett oder anteilig bestehend aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere Kupfer (Cu) und/oder Siliziumcarbid (SiC) und/oder siliziumhaltiges SiC (SiSiC), verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig, insbesondere ein komplex geformter Käfig mit filigranen Formelementen, endkonturnah gegossen oder gespritzt wird, so dass keine oder nur eine geringe mechanische Nachbearbeitung auf Endmaß erfolgen muss.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der gegossene oder gespritzte Käfig mechanisch nachbearbeitet wird, insbesondere durch Drehen, Bohren, Fräsen, Schleifen oder Honen.
6. Käfig für Wälzlager oder Linearführungen, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.
7. Käfig nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Festigkeit > 1000 MPa, eine Temperaturbeständigkeit > 150°C, einen E-Modul < 200 GPa, eine Bruchdehnung > 1% und vorzugsweise eine Härte > 350 HV aufweist.
8. Wälzlager, umfassend einen Käfig nach Anspruch 6 oder 7.
9. Linearführung, umfassend einen Käfig nach Anspruch 6 oder 7.