DE102015225439A1

DE102015225439A1 - Wälzlager

Info

Publication number: DE102015225439A1
Application number: DE102015225439.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Pausch; Franziska Braun; Kirsten Wunder; Gabriele Laugisch; Branimir Karic
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2017-06-22
Also published as: WO2017101923A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager umfassend einen metallenen Innenring (2), einen metallenen Außenring (3) und zwischen diesen aufgenommene, auf ringseitigen Laufbahnen wälzende Wälzkörper (6, 6a, 6b, 6c), die aus einem keramischen Werkstoff bestehen. Erfindungsgemäß beträgt die Wärmeleitfähigkeit des keramischen Werkstoffs > 30 W/mK und < 70 W/mK.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager umfassend einen metallenen Innenring, einen metallenen Außenring und zwischen diesen aufgenommene, auf ringseitigen Laufbahnen wälzende Wälzkörper, die aus einem keramischen Werkstoff bestehen.
Hintergrund der Erfindung
Wälzlager der eingangs genannten Art, also Radiallager, kommen in unterschiedlichsten Anwendungsfällen zum Einsatz. Üblicherweise liegt, geometrisch bedingt, die höchste Kontaktbelastung in solchen Wälzlagern zwischen dem Innenring und den Wälzkörpern. Vor allem bei sehr schnell drehenden Lagern, beispielsweise Spindellagern, ergibt sich häufig das Problem der sogenannten Außenringführung. Dies bedeutet, dass die Wälzkörper relativ zum Außenring sauber abrollen, jedoch relativ zum Innenring eine Schlupfbewegung, sogenannter Bohrschlupf, einsetzt. Die hohe Kontaktbelastung sowie dieser Schlupf führen zu einer erhöhten Wärmeerzeugung im Bereich der Innenringkontakte des Wälzlagers. Da die Wälzkörper aus dem keramischen Werkstoff relativ schlechte Wärmeleiter sind, verglichen mit üblichen Wälzkörpern aus Stahl, ist die Ableitung der innenringseitig entstehenden Wärme über die Wälzkörper zum Außenring hin gedrosselt, wodurch sich deutlich höhere Innenringtemperaturen, verglichen mit den Außenringtemperaturen, einstellen. Die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Ringen beeinflusst die vorhandene Radialluft des Lagers. Je höher die Temperaturdifferenz ist, umso geringer ist die verbleibende Radialluft und damit die Reserve gegen eine Verspannung im Wälzlager selbst. Die Radialluft wird im Übrigen bei schnelllaufenden Lagern auch zusätzlich dadurch reduziert, dass es zu einer fliehkraftbedingten sowie einer passungsbedingten Aufweitung des Innenrings sowie einer fliehkraftbedingten Verlagerung der Wälzkörper im Betrieb kommt.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Wälzlager anzugeben.
Beschreibung der Erfindung
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Wälzlager der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Wärmeleitfähigkeit des keramischen Werkstoffs > 30 W/mK und < 70 W/mK beträgt.
Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, den Wärmeübergang zwischen Innenring und Außenring dadurch zu verbessern, dass gezielt die Wärmeleitfähigkeit des keramischen Werkstoffs, also der Wälzkörper, verbessert wird. Zu diesem Zweck ist vorgesehen, dass die Wälzkörper eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 30 W/mK aufweisen. Die Wärmeleitfähigkeit sollte 70 W/mK nicht übersteigen. Mit der erfindungsgemäß erhöhten Wärmeleitfähigkeit verglichen mit der Wärmeleitfähigkeit, die bisher verwendete Keramikwälzkörper aufweisen (diese liegt bei ca. 25 W/mK) lässt sich ein deutlich verbesserter Wärmeübergang erreichen, so dass sich die Temperaturdifferenz zwischen Innenring und Außenring deutlich reduzieren lässt.
Bevorzugt sollte die Wärmeleitfähigkeit wenigstens 35 W/mK und maximal 60 W/mK betragen. In weiterer Präzisierung sollte die Wärmeleitfähigkeit zwischen 40 W/mK und 55 W/mK liegen. Idealerweise liegt die Wärmeleitfähigkeit zwischen 40–55 W/mK und damit näherungsweise in einem Bereich herkömmlichen Wälzlagerstahls, aus dem der Innenring und der Außenring gefertigt sind, so dass sich über das Wälzlager näherungsweise vergleichbare Wärmeleitfähigkeiten der unterschiedlichen verwendeten Materialien ergeben.
Als keramischer Werkstoff wird bevorzugt Silliziumnitrid verwendet, das zur Erhöhung seiner Wärmeleitfähigkeit wenigstens einen Zuschlagstoff enthält. Durch die Zugabe des Zuschlagstoffs ist es möglich, den Glasphasengehalt zu reduzieren respektive die Glasphasenzusammensetzung so zu modifizieren, dass eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit erreicht wird.
Als Zuschlagsstoff wird bevorzugt Titannitrid (TiN) zugegeben. Titannitrid wird dabei bevorzugt mit einem Gehalt zwischen 10–60 Gewprozent zugegeben, vorzugsweise mit einem Gehalt zwischen 30–50 Gewprozent. Das heißt, dass der TiN-Gehalt deutlich über den üblichen Gehalt von höchstenfalls 5 %, den Si₃N₄-Wälzkörper standardmäßig enthalten, hinaus erhöht wird. Der Zuschlagstoff wird mit dem angegebenen Mengenanteil der keramischen Masse zugegeben, wonach die Wälzkörper gepresst und gesintert, üblicherweise gasdruckgesintert, werden. Durch die erhöhte Zugabe des TiN wird der Glasphasenanteil reduziert, was eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit mit sich bringt.
Alternativ oder zusätzlich können als Zuschlagstoff auch ein oder mehrere Sinteradditive wie MgO und/oder Yb₂O₃ zugegeben werden. Deren Gehalt sollte zwischen 1–12 Masseprozent liegen. Auch über die Sinteradditive ist es möglich, den Glasphasenanteil zu reduzieren respektive die Glasphasenzusammensetzung entsprechend zu variieren, um eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit zu generieren.
Neben dem Wälzlager selbst betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzkörpers aus einem keramischen Werkstoff, insbesondere für ein Wälzlager der beschriebenen Art. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein in einem Formgebungsprozess hergestellter Grünling aus Siliziumnitrid, der frei von Zuschlagstoffen ist oder der einen oder mehrere Zuschlagstoffe wie TiN, MgO, Yb₂O₃ oder Al₂O₃ aufweist, in einem Sinterprozess bei einer Sintertemperatur von 1830–1950° C für wenigstens 7 h gesintert wird, oder dass ein bereits gesinterter Wälzkörper aus Siliziumnitrid, der frei von Zuschlagstoffen ist oder der einen oder mehrere Zuschlagstoffe wie TiN, MgO, Yb₂O₃ oder Al₂O₃ aufweist, in einem zweiten Sinterprozess bei einer Sintertemperatur von 1830–1950° C für wenigstens 8 h erneut gesintert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert. Die einzige Zeichnung ist eine schematische Darstellung und zeigt eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Wälzlagers 1 im Schnitt.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Das abgebildete Wälzlager 1 umfasst einen metallenen Innenring 2, einen metallenen Außenring 3 sowie auf den entsprechenden ringseitigen Laufbahnen 4, 5 wälzende Wälzkörper 6, die aus einem keramischen Werkstoff bestehen. Die Wälzkörper 6, z. B. Kugeln oder Rollen, sind im gezeigten Beispiel in einem Kä7 geführt.
Die Wälzkörper 6 bestehen wie beschrieben aus einem keramischen Werkstoff. Erfindungsgemäß wird bevorzugt ein Siliziumnitrid als keramischer Grundwerkstoff verwendet. Durch Zugabe eines oder mehrerer Zuschlagstoffe wurde gezielt die Wärmeleitfähigkeit des keramischen Materials erhöht. Die Zugabe der Zuschlagstoffe führt dazu, dass der Anteil der Glasphase im keramischen Material, also der Anteils an SiO₂, reduziert wird. Zu diesem Glasanteil kommt es, da zum Sintern der Wälzkörper 6 ein Sinteradditiv üblicherweise in Form Al₂O₃ zugegeben wird.
Um die verbesserte Wärmeleitfähigkeit zu erreichen und damit für einen verbesserten Wärmeübergang der primär im Kontakt zwischen dem Innenring 2 und den Wälzkörpern 6 entstehenden Wärme vom Innenring 2 zum Außenring 3 zu sorgen, sind im gezeigten Ausführungsbeispiel unterschiedliche Möglichkeiten gezeigt.
Bei dem ersten Wälzkörper 6a wurde zur Verringerung des Glasphasenanteils als Zuschlagstoff Titannitrid (TiN) zugegeben. Der Gehalt von TiN sollte zwischen 10–60 Gewichtsprozent betragen, bevorzugt zwischen 30–50 Gewichtsprozent, insbesondere zwischen 40–50 Gewichtsprozent. Das heißt, dass der Anteil an TiN in der keramischen Masse, der üblicherweise maximal 5 Gewichtsprozent beträgt, drastisch erhöht wird. Hieraus resultiert eine Reduzierung des Glasphasenanteils, so dass die Wärmeleitfähigkeit deutlich verbessert werden kann. Der Zuschlagstoff 8 in Form des TiN ist bei dem Wälzkörper 6a angedeutet.
Eine zweite Möglichkeit der Wärmeleitfähigkeitserhöhung ist bei dem zweiten Wälzkörper 6b dargestellt. Hier sind zwei verschiedene Zuschlagstoffe 9, 10 zugegeben. Bei dem Zuschlagstoff 9 handelt es sich beispielsweise um MgO, während es sich bei dem Zuschlagstoff 10 um Yb₂O₃ handelt. Das MgO ersetzt zu einem gewissen Anteil das als Sinterwerkstoff sonst gebräuchliche Al₂O₃. Während üblicherweise Al₂O₃ zu 3–4 Masseprozent zugegeben wird, wird beim erfindungsgemäßen Wälzkörper 6b das Al₂O₃ zu 0–2 Masseprozent zugegeben. Das MgO wird zu wenigstens 1 Masseprozent, bevorzugt zu wenigstens 3 Masseprozent zugegeben.
Auch das Yb₂O₃ wird als Ersatz für das Al₂O₃ zugegeben. Es wird ebenfalls zu wenigstens 1 Masseprozent zugegeben, gegebenenfalls auch etwas mehr. Bevorzugt wird die Zugabe so gewählt, dass sich am fertigen Wälzkörper 6b eine Zusammensetzung SiO₂/MgO/Yb₂O₃ von 3 Masseprozent zu 3 Masseprozent zu 1 Masseprozent ergibt. Werden MgO und Yb₂O₃ zusammen zugegeben, so sollte der Gesamtmenge 12 Masseprozent nicht übersteigen.
Am Wälzkörper 6c ist schließlich eine dritte Möglichkeit angedeutet, wie die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumnitrid erhöht werden kann. Hier ist als Zuschlagstoff lediglich das Yb₂O₃ 10 zugegeben. Wird nur dieser eine Zuschlagstoff zugegeben, so liegt er in einem höheren Anteil vor als zuvor beschrieben. Bevorzugt werden wenigstens 3, insbesondere wenigstens 5 Masseprozent zugegeben. Bevorzugt sollte ein SiO₂/Yb₂O₃-Verhältnis von 3 Masseprozent zu 5 Masseprozent am fertigen keramischen Wälzkörper gegeben sein.
Zusätzlich oder alternativ zur Zugabe der Zuschlagstoffe ist es auch denkbar, den Glasphasenanteil allein durch Variation der Sinterung vorzunehmen. So ist es denkbar, einen Grünling aus Si₃N₄, der entweder frei von Zuschlagstoffen ist oder einen oder mehrere Zuschlagstoffe wie TiN, MgO, Yb₂O₃ oder Al₂O₃ aufweist, bei einer erhöhten Sintertemperatur und einer erhöhten Sinterdauer zu sintern. Die Sintertemperatur sollte im Bereich zwischen 1830–1950° C liegen, die Sintertemperatur sollte wenigstens 7 h betragen, kann aber auch länger sein.
Alternativ zur Verlängerung der Sinterzeit und der Erhöhung der Sintertemperatur des einen Sinterprozesses ist es auch denkbar, die Sinterung wie üblich vorzunehmen, nämlich bei einer Temperatur von 1750–1850° C und einer Sinterdauer von 5–7 h und die abgekühlten Wälzkörper einer Nachsinterung zu unterziehen. In diesem Fall sollte im zweiten Sinterprozess die Sintertemperatur ebenfalls zwischen 1830–1950° C liegen, während die Sinterdauer wenigstens 8 h beträgt. Die jeweilige Sinterung erfolgt bevorzugt unter Stickstoffatmosphäre.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlager
2: Innenring
3: Außenring
4: Laufbahn
5: Laufbahn
6: Wälzkörper
6a–6c: Wälzkörper
7: Käfig
8: Zuschlagstoff
9: Zuschlagstoff
10: Zuschlagstoff

Claims

Wälzlager umfassend einen metallenen Innenring (2), einen metallenen Außenring (3) und zwischen diesen aufgenommene, auf ringseitigen Laufbahnen wälzende Wälzkörper (6, 6a, 6b, 6c), die aus einem keramischen Werkstoff bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit des keramischen Werkstoffs > 30 W/mK und < 70 W/mK beträgt.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit zwischen 35 W/mK und 60 W/mK beträgt.
Wälzlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit zwischen 40 W/mK und 55 W/mK beträgt.
Wälzlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff Siliziumnitrid ist, das zur Erhöhung seiner Wärmeleitfähigkeit wenigstens einen Zuschlagstoff (8, 9, 10) enthält.
Wälzlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Zuschlagstoff (8) Titannitrid enthalten ist.
Wälzlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Titannitrid zwischen 10–60 Gewichtsprozent beträgt.
Wälzlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Titannitrid zwischen 30–50 Gewichtsprozent beträgt.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Zuschlagstoff (9, 10) ein Sinteradditiv wie MgO oder Yb₂O₃ enthalten ist.
Wälzlager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an MgO und/oder Yb₂O₃ zwischen 1 Masseprozent bis 12 Masseprozent beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines Wälzkörpers aus einem keramischen Werkstoff, insbesondere für ein Wälzlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein in einem Formgebungsprozess hergestellter Grünling aus Siliziumnitrid, der frei von Zuschlagstoffen ist oder der einen oder mehrere Zuschlagstoffe wie TiN, MgO, Yb₂O₃ oder Al₂O₃ aufweist, in einem Sinterprozess bei einer Sintertemperatur von 1830–1950° C für wenigstens 7 h gesintert wird, oder dass ein bereits gesinterter Wälzkörper aus Siliziumnitrid, der frei von Zuschlagstoffen ist oder der einen oder mehrere Zuschlagstoffe wie TiN, MgO, Yb₂O₃ oder Al₂O₃ aufweist, in einem zweiten Sinterprozess bei einer Sintertemperatur von 1830–1950° C für wenigstens 8h erneut gesintert wird.