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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wälzlager mit einer
keramischen Beschichtung und insbesondere auf ein Wälzlager,
das hinsichtlich der Isolierungsleistung und einem Widerstand gegenüber
Korrosion und Chemikalien, wie Säuren Alkalis bzw. Laugen,
herausragt, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung desselben.
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Hintergrund
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Bei
einem Wälzlager, das bei einem Hauptmotor eines Schienenfahrzeugs
eingesetzt wird, kann, wenn ein Stromkollektor zum Erden eines elektrischen
Stroms des Hauptmotors von den Rädern auf eine Schiene
unterbrochen ist, der elektrische Strom des Hauptmotors zwischen
den Rädern und der Schiene durch Innen- und Außenringe
des Wälzlager sowie Wälzkörper desselben
fließen. Dabei tritt eine Entladung zwischen den Wälzkörpern
des Wälzlagers und einer Außenring-Wälzfläche
oder einer Innenring-Wälzfläche auf, was zu einer
galvanischen Korrosion an einem Entladungsabschnitt führen kann.
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Als
ein Mittel zum wirksamen Verhindern einer solchen galvanischen Korrosion
ist es bekannt, eine thermische Sprühablagerung eines Isolators, beispielsweise
eines Keramikmaterials, auf einer Außenfläche
eines Wälzlagers auszubilden.
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Ausrüstungen
einer chemischen Anlage, beispielsweise einer Anlage zur Herstellung
von makromolekularen Materialien, eine Vorrichtung zum Herstellen
von Flüssigkristallbeschichtungen und dgl. besitzen unterschiedliche
Behandlungsvorrichtungen, die unterschiedliche Arten von Säuren,
Alkalis bzw. Laugen und dgl. verwenden. Für Rühr-
und Transportzwecke eingesetzte Wälzlager besitzen das
Problem, dass sie eine relativ kurze Lebensdauer haben, weil die
Lager bildenden Materialien einem Kontakt mit verschiedenen Arten
von Chemikalien, wie Säuren, Alkalis bzw. Laugen und dgl.
Ausgesetzt sind und durch Korrosion, Aufquellen, Auflösung, Zersetzung
und ähnliche Vorgänge beeinträchtigt werden.
Korrosionsbeständiger und chemikalienresistenter Edelstahl,
Keramikstoffe, Harze und dgl. werden bei einem Innenring, bei einem
Außenring, bei Wälzkörpern und bei einem
Käfig verwendet. Der Edelstahl ist jedoch nicht universal
einsetzbar und die Art der Chemikalien, wie Säuren, Alkalis
bzw. Laugen und dgl., bei denen der Edelstahl eingesetzt werden kann,
ist begrenzt. Keramikstoffe haben einen hohen Widerstand gegenüber
Korrosion und Chemikalien, sind aber teuer.
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Harze
werden in den letzten Jahren im Bereich korrosiver Umgebungen und
solcher Umgebungen, in denen unterschiedliche Chemikalien eingesetzt
werden, weitverbreitet eingesetzt, indem solche Arten von Harzen
ausgewählt werden, die eine mechanische Festigkeit und
Gleiteigenschaft besitzen und gegenüber Korrosion und Chemikalien,
wie Säuren, Alkalis bzw. Laugen und dgl. resistent sind.
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Im
Stand der Technik sind Wälzlager aus Kunstharz bekannt,
z. B. ein Wälzlager (siehe Patentdokument 1), bei dem zumindest
ein Außenring aus Polyimid hergestellt ist, ein Wälzlager
(siehe Patendokument 2), dessen Lagerring aus Polyarylensulfidharz
wie Polyphenylensulfid (im folgenden als PPS bezeichnet) mit einem
elastischen Biegemodul von 2000 bis 6000 MPa hergestellt ist, ein
Wälzlager (siehe Patentdokument 3), bei dem ein(e) Schmierfilm bzw.
-schicht, bestehend aus Polytetrafluorethylen (im folgenden als
PTFE bezeichnet) auf der Oberfläche eines Innenrings und
auf dem Außenring ausgebildet ist, wo Wälzreibung
oder Gleitreibung erzeugt wird.
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Ferner
ist ein weiteres Wälzlager (siehe Patentdokument 4) bekannt,
bei dem ein schichtbildendes Element, das kristallines PTFE-Harz
mit hohem Molekulargewicht enthält, gegen die Oberflächen
der Komponenten gedrückt wird, die das Wälzlager
bilden und auf denen Wälzreibung oder Gleitreibung erzeugt
wird, so dass beide Komponenten aufeinander gleiten und eine(n)
feste(n) Schmierfilm bzw. -schicht aus dem PTFE-Harz auf den Oberflächen
der Komponenten bilden.
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Das
Wälzlager, bei dem die Wälzfläche des Innenrings
oder die des Außenrings aus Harz hergestellt ist, ist bezüglich
der Tragfähigkeit dem Wälzlager unterlegen, bei
dem die Wälzfläche des Innenrings oder die des
Außenrings aus Stahl hergestellt ist. Durch das Abwälzen
von Wälzkörpern, die härter sind als
das die Wälzfläche bildende Harz, wird die Wälzfläche
besonders verschlissen und die Haltbarkeit des Wälzlagers
ist unzureichend. Daher ist der Einsatz dieses Wälzlagers
aus Harz begrenzt.
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Als
ein Verfahren, mit dem dem Innenring und dem Außenring
aus Stahl Korrosionsbeständigkeit und chemische Beständigkeit
verliehen werden kann, ist ein Verfahren des Ausbildens einer thermischen
Spritz- bzw. Sprühablagerung, bestehend aus Keramikmaterialien
oder dgl. mit korrosionsbeständigen und chemikalienbeständigen
Eigenschaften auf der Außenfläche des Lagerrings
bekannt.
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Bei
dem Verfahren des Ausbildens der Keramikschicht auf der Außenfläche
des Lagers und auf der Endplatte desselben durch Verwendung einer thermischen
Sprühtechnik ist es jedoch erforderlich, die Keramikschicht
auszubilden, während ein Werkstück gekühlt
wird, um zu verhindern, dass wärmeverursachtes Tempern
des Lagerstahls und ein Härten durch die Wärmebehandlung
bei der thermischen Sprühbehandlung auftritt. Außerdem
ist es notwendig, um die Keramikschicht an der Außenfläche
des Lagers und der Endplatte desselben unter Verwendung des thermischen
Sprühverfahrens auszubilden, eine Nickel-Aluminium-Schicht
und dgl. als Vorbehandlung thermisch aufzusprühen, was
die Produktivität verringert.
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Andererseits
tritt Wasser in die Keramikschicht aufgrund von Tau oder dergleichen
ein, weil die durch das thermische Sprühverfahren erhaltene Keramikschicht
porös ist. Infolgedessen wird die Isolierungsfestigkeit
und die Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion
und Chemikalien verringert. Daher ist es notwendig, das Eindringen
von Wasser durch Versiegeln der Poren im Inneren der Keramikschicht
zu verhindern. Als das Verfahren zum Versiegeln der Poren ist ein
Verfahren (siehe Patentdokument 5) bekannt, bei dem ein porenversiegelndes Mittel
verwendet wird, das mindestens eine Art einer Substanz aufweist,
die aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: synthetisches
Harz, polymerisierbares organisches Lösungsmittel, fluorin-basiertes oberflächenaktives
Mittel und organischer Siliziumverbund enthaltend eine Perfluoro-Gruppe.
Bei einem anderen bekannten Verfahren (siehe Patentdokument 6) werden
die Poren durch Ausbilden einer oberen und einer unteren Schicht
in Kombination versiegelt. Die Poren der unteren Schicht werden
mit einem Isolierharz mit einer bevorzugten Permeabilität versiegelt,
während Poren der oberen Schicht mit einem Isolierharz
mit einer unvollständigen Permeabilität versiegelt
werden. Bei der Verwendung dieser Porenversiegelungsbehandlungen
sind die Herstellungskosten jedoch sehr hoch.
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In
der durch das thermische Sprühverfahren erhaltenen Keramikschicht
wird jedoch, obwohl α-Aluminiumoxid als das Materialpulver
zum Erhalten der Isolationswirkung gewählt wird, dieses
in γ-Aluminiumoxid transformiert, das eine geringere Isolationswirkung
besitzt, weil der Schritt des thermischen Sprühens bei
einer hohen Temperatur durchgeführt wird. Daher ist es
erforderlich, um die Isolationswirkung zu gewährleisten,
die Schichtdicke groß auszubilden, was wiederum die Herstellungskosten
erhöht.
- Patentdokument 1: offengelegte japanische Patentanmeldung, Nr.
7-279973
- Patentdokument 2: offengelegte
japanische Patentanmeldung, Nr. 10-47355
- Patentdokument 3: offengelegte
japanische Patentanmeldung, Nr. 8-93774
- Patentdokument 4: offengelegte
japanische Patentanmeldung, Nr. 5-106638
- Patentdokument 5: offengelegte
japanische Patentanmeldung, Nr. 2003-183806
- Patentdokument 6: Patent Nr. 3009516
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der Erfindung zu lösende
Probleme
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Die
vorliegende Erfindung wurde getätigt, um das oben beschriebene
Problem zu lösen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine dichte Keramikschicht auszubilden, indem ein anderes
Verfahren als ein thermisches Sprühverfahren verwendet
wird, um ein Wälzlager mit einer hervorragenden Isolierungseigenschaft
und Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion und
Chemikalien, wie Säuren, Alkalis bzw. Laugen und dgl. herzustellen.
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Mittel zur Lösung der Probleme
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Ein
Wälzlager gemäß der Erfindung umfasst einen
Innenring, einen Außenring und mehrere Wälzkörper,
die zwischen einer Lauffläche des Innenrings und der des
Außenrings angeordnet sind und es besitzt eine Keramikschicht,
die auf einer Innenumfangsfläche des Innenrings und/oder
einer Umfangsfläche des Außenrings ausgebildet
ist, wobei die Keramikschicht unter Verwendung eines Aerosol-Abscheidungsverfahrens
(„aerosol deposition") ausgebildet ist (das im folgenden
als AD-Verfahren bezeichnet wird).
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Bei
dem Wälzlager gemäß der vorliegenden Erfindung
ist die Keramikschicht auf solchen Abschnitten einer Oberfläche
des Innenrings einschließlich der Innenumfangsfläche
und einer Oberfläche des Außenrings einschließlich
der Umfangsfläche ausgebildet, die in Kontakt mit zumindest
einer korrosiven Substanz kommen können. Ein Dichtungselement
ist an Öffnungen vorgesehen, die an beiden Enden des Innenrings
und des Außenrings in einer Axialrichtung gelegen sind.
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Die
Keramikschicht wird an einem Abschnitt ausgebildet, an dem das Dichtelement
den Innenring und den Außenring berührt.
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Bei
der vorliegenden Erfindung wird unter Widerstand gegenüber
Korrosion und Chemikalien eine Eigenschaft verstanden, bei der ein
Material keine Verschlechterung, wie Korrosion, Aufquellen, Auflösung,
Zersetzung und dergleichen aufweist, wenn das Material in Kontakt
mit Chemikalien (korrosiven Substanzen), wie Säuren, Alkalis
bzw. Laugen und dgl., kommt.
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Die
Keramikschicht wird unter Verwendung von feinen Aluminiumoxid- bzw.
Tonerde als Aerosolmaterial ausgebildet.
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Ein
durchschnittlicher Durchmesser der feinen Aluminiumoxidteilchen
beträgt 0,01 μm bis 2 μm. Bei der vorliegenden
Erfindung wurde der durchschnittliche Durchmesser durch ein Laser-Teilchengrößen-Bestimmungsvorrichtung
"Microtrack MT3000", hergestellt von Nikkiso Co., Ltd. gemessen.
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Die
Dicke der Keramikschicht beträgt 4 μm bis 200 μm.
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Das
Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zum
Herstellen eines Wälzlagers ist ein Verfahren zum Herstellen
eines Wälzlagers mit einem Innenring, einem Außenring
und mehreren Wälzkörpern, die zwischen einer Laufbahnfläche
des Innenrings und der des Außenrings angeordnet sind.
Das Verfahren umfasst einen Schritt des Ausbildens einer Keramikschicht
auf mindestens einer Oberfläche einer Innenumfangsfläche
des Innenrings und/oder einer Umfangsfläche des Außenrings
unter Verwendung eines AD-Verfahrens.
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Die
Keramikschicht wird durch Verwendung des Aerosol-Abscheidungsverfahrens
ausgebildet, wobei eine Aerosol-Einspritzdüse stationär
gehalten wird und der Innenring oder der Außenring unter
Verwendung eines Motors zum Drehen eines Objekts rotiert wird, wobei
der Innenring oder der Außenring axial unter Verwendung
eines XY-Positionsierungstisches axial bewegt wird. Wenn die Länge
der Düsenöffnung nicht geringer ist als die Lagerbreite
des Außenrings, ist es möglich, die Schicht ohne
Verwendung des XY-Tisches auszubilden.
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Wirkungen der Erfindung
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Aufgrund
der auf der Innenumfangsfläche des Innenrings und/oder
der Umfangsfläche des Außenrings unter Verwendung
des AD-Verfahrens ausgebildeten Keramikschicht ist es bei dem Wälzlager der
vorliegenden Erfindung möglich, eine dichte Keramikschicht
zu erzielen, bei der die Oberfläche der Schicht und die
Basis des Lagerrings bei Zimmertemperatur nicht miteinander verbunden
sind und eine hohe Isolationswirkung behalten.
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Da
bei dem AD-Verfahren das als Schicht auszubildende α-Aluminiumoxid
keiner hohen Temperatur ausgesetzt ist, ist es mit dem AD-Verfahren möglich,
die Schicht aus dem α-Aluminiumoxid mit hoher Isolierwirkung
auszubilden, ohne α-Aluminiumoxid in γ-Aluminiumoxid
umzuwandeln.
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Bei
dem Wälzlager gemäß der vorliegenden Erfindung
ist die Keramikschicht durch das AD-Verfahren auf solche Abschnitten
der Oberfläche des Innenrings einschließlich der
Innenumfangsfläche sowie auf einer Oberfläche
des Außenrings einschließlich der Umfangsfläche
ausgebildet, die in Kontakt mit mindestens einer korrosiven Substanz
gelangen können. Damit kann das Wälzlager mit
der dichten Keramikschicht versehen werden, deren Oberfläche bei
Raumtemperatur nicht mit der Basis des Lagerrings verbunden ist,
und die einen hohen bleibenden Widerstand gegenüber Korrosion
und Chemikalien aufweist.
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Innerhalb
einer Vakuumkammer oder dergleichen ist der Motor zum Drehen der
Welle auf dem XY-Positionierungstisch montiert, die Aerosol-Einspritzdüse
ist ebenfalls befestigt und der Außenring des Lagers oder
der Innenring desselben wird axial bewegt, während er gedreht
wird. Damit kann die Keramikschicht gleichförmig auf der
vorbestimmten gekrümmten Oberfläche des Innenrings
des Wälzlagers und/oder des Außenrings ausgebildet
werden. Wenn die Länge der Düsenöffnung
nicht geringer ist als die Lagerbreite des Außenrings,
ist es möglich, eine Schicht ohne Verwendung des XY-Tisches
auszubilden. Durch Abscheiden von Schichten auf der vorbestimmten
Oberfläche des Innenrings des Wälzlagers oder
der des Außenrings desselben übereinander, während
der Innenring oder der Außenring gedreht werden, ist es
möglich, die Keramikschicht dicht und so dünn
wie einige Mikrometer bis einige zehn Mikrometer mit einer günstigen
Anhaftung an der vorbestimmten Oberfläche des Innenrings
oder der des Außenrings auszubilden. Ferner ist es nicht
nötig, ein Werkstück zu kühlen, eine
Vorbehandlung bzw. Basisbehandlung mit Nickel, Aluminium oder dergleichen
durchzuführen und die Poren zu verschließen. Damit
sind die Herstellungskosten sehr gering.
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Die
Oberfläche des Innenrings und die des Außenrings
werden mit der dünnen Keramikschicht beschichtet, die Keramikschicht
besitzt eine größere Härte als die Schicht
aus PTFE-Harz oder dergleichen. Somit besitzt die Keramikschicht
eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Belastungen
und Verschleiß. Außerdem besitzt die Keramikschicht
einen höheren Elastizitätsmodul als die Schicht
aus PPS. Daher ist die Keramikschicht der Schicht aus PPS bezüglich
der Tragfähigkeit überlegen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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1 ist
eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines Wälzlagers
gemäß der Erfindung,
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2 ist
eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform eines
Wälzlagers gemäß der Erfindung,
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3 ist
eine Schnittansicht einer noch weiteren Ausführungsform
eines Wälzlagers gemäß der Erfindung,
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4 ist
eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines
Wälzlagers gemäß der Erfindung, und
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5 zeigt
eine Vorrichtung zum Ausbilden einer keramischen Schicht unter Anwendung
eines AD-Verfahrens.
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Bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung
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Eine
Ausführungsform des Wälzlagers der vorliegenden
Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
Die 1 ist eine Schnittdarstellung des Wälzlagers,
bei dem eine Keramikschicht auf einer Umfangsfläche eines
Außenrings mittels dem AD-Verfahren ausgebildet ist. Obwohl
die Dicke der keramischen Schicht nur einige Mikrometer bis einige
zehn Mikrometer beträgt ist die Keramikschicht in den 1 bis 4,
die später noch beschrieben werden, dicker dargestellt
wie in der Realität, um dieses Merkmal besser zu veranschaulichen.
Wälzlager gemäß den 1, 2 und 3 sind
Beispiele eines isolierten Wälzlagers mit Isolationswirkung.
Ein Wälzlager gemäß 4 ist
ein Beispiel eines korrosionsbeständigen und gegenüber Chemikalien
beständigen Wälzlagers, das insbesondere gegenüber
Korrosion und Chemikalien, wie Säuren und Alkalis bzw.
Laugen, beständig ist.
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In
dem in 1 gezeigten Wälzlager sind mehrere Wälzkörper 4 durch
einen Halter bzw. Käfig 3 gehalten und zwischen
einem Innenring 1 und einem Außenring 2 angeordnet,
wobei der Außenring 2 (im Einbauzustand) in einem
Gehäuse 5 oder dgl. anzuordnen ist während
eine Welle 6 an einem Innendurchmesser des Innenrings 1 zu
befestigen ist. Eine Keramikschicht 7 ist auf einer Umfangsfläche 2a des Außenrings 2 mittels
dem AD-Verfahren ausgebildet. Der Innenring 1, der Außenring 2 und
die Wälzkörper 5 sind aus einem Metallmaterial,
wie Lagerstahl, hergestellt.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung umfasst die Umfangsfläche 2a des
Außenrings 2, auf der die Keramikschicht 7 ausgebildet
ist, nicht nur eine Außenfläche a des Außenrings 2,
sondern auch eine gesamte Oberfläche, die einen Bereich
bedeckt, in dem das Gehäuse 5 oder dergleichen,
welches den Außenring hält, in Kontakt mit dem
Außenring 2 steht. In dem in 1 gezeigten
Beispiel umfaßt die Umfangsfläche 2a des
Außenrings 2 den Bereich von der Außenfläche
a des Außenrings 2 zu einer Endfläche
b desselben und umfasst damit auch einen abgerundeten bzw. abgefasten
Abschnitt c.
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Die
Keramikschicht 7 kann auf einer Innenumfangsfläche 1a des
Innenrings 1 zusätzlich zu der Umfangsfläche 2a des
Außenrings 2 ausgebildet sein. Weitere Ausführungsformen
des Wälzlagers gemäß der vorliegenden
Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben.
In dem in 2 gezeigten Beispiel ist die Keramikschicht 7 auf
der Innenumfangsfläche 1a des Innenrings 1 ausgebildet.
In dem in 3 gezeigten Beispiel ist die
Keramikschicht 7 auf der Umfangsfläche 2a des
Außenrings 2 und der Innenumfangsfläche 1a des
Innenrings 1 ausgebildet. Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst die Innenumfangsfläche 1a des
Innenrings 1 die gesamte Oberfläche, die einen
Bereich umfaßt, in dem der Innenring 1 und die Welle 6 (im
eingebauten Zustand) einander berühren. In den in den 2 und 3 gezeigten
Beispielen ist die Innenumfangsfläche 1a des Innenrings 1 die
Innenfläche des Innenrings 1.
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Gemäß der
obigen Beschreibung wird die Isolierungswirkung durch Ausbilden
der Keramikschicht auf der gesamten Oberfläche, die einen
Bereich umfaßt, in dem der Außenring und das Gehäuse
oder dergleichen einander berühren, und/oder der gesamten
Oberfläche, die einen Bereich umfaßt, in dem der
Innenring und die Welle oder dergleichen einander berühren,
erreicht.
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In
dem in 4 gezeigten Wälzlager sind mehrere Wälzkörper 4 durch
einen Halter bzw. Käfig 3 gehalten und zwischen
einem Innenring 1 und einem Außenring 2 angeordnet.
Ein Dichtelement 8 zum Abdichten gegenüber Schmiermittel,
das am Umfang der Wälzkörper 4 enthalten
ist, ist an an beiden Enden des Innenrings 1 und des Außenrings 2 in der
Axialrichtung liegenden Öffnungen vorgesehen. Der Außenring 2 ist
an dem Gehäuse 5 befestigt und die Welle 6 ist
an dem Innendurchmesser des Innenrings 1 befestigt. Die
Keramikschicht 7 ist durch das AD-Verfahren auf eine Kontaktfläche 1a des
Innenrings 1 und auf der Kontaktfläche 2a des
Außenrings 2 ausgebildet. Ein Raum, der in Kontakt
mit unterschiedlichen korrosiven Substanzen kommen kann, ist durch
die Kontaktfläche 1a, die Kontaktfläche 2a, die
Welle 6, das Dichtelement 8 und das Gehäuse 5 definiert.
Der Innenring 1 und der Außenring 2 sind aus
Metallmaterial, wie Lagerstahl, gefertigt.
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Die
Oberflächen des Innenrings 1 und des Außenrings 2,
auf denen die Keramikschicht 7 ausgebildet ist, sind diejenigen
Abschnitte der Oberfläche des Innenrings einschließlich
der Innenumfangsfläche und der Oberfläche des
Außenrings einschließlich der Umfangsfläche,
die in Kontakt mit mindestens einer korrosiven Substanz kommen können.
Diese in Kontakt mit einer korrosiven Substanz kommenden Abschnitte
umfassen einen Abschnitt, der eine korrosive Substanz unmittelbar
berühren oder in Kontakt damit gelangen kann.
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Bei
der vorliegenden Erfindung ist das AD-Verfahren ein Verfahren mit
den Schritten Verteilen bzw. Zerstäuben eines Aerosols,
das aus feinen Keramikteilchen besteht, welche als Material in einem
Gas dienen, Aufspritzen des Aerosols auf ein Basismaterial wie einen
Innenring, einen Außenring oder dergleichen von einer Aerosol-Einspritzdüse, und
Auftreffenlassen des Aerosols auf die Oberfläche des Basismaterials
mit hoher Geschwindigkeit, um eine Schicht bestehend aus den feinen
Teilchen auf dem Basismaterial auszubilden. Da die feinen Keramikteilchen
durch die Kollision pulverisiert werden, wird eine neue reine Oberfläche
gebildet, in der die feinen Teilchen miteinander bei Zimmertemperatur verbunden
werden.
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In
dem Aerosol behalten die feinen Keramikteilchen einen verteilten
Zustand während die durch das Verfahren des thermischen
Spritzens erhaltene Schicht porös ist, bildet die durch
das AD-Verfahren erhaltene Schicht eine sehr dichte keramische Lage, weil,
wie oben beschrieben, die durch das AD-Verfahren erhaltene Schicht
aus den als Aerosol verteilten feinen Teilchen gebildet wird.
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Daher
sind bei einem isolierten Wälzlager, bei dem eine keramische
Schicht durch das AD-Verfahren auf der Innenumfangsfläche
des Innenrings und der Umfangsfläche des Außenrings
ausgebildet ist, selbst dann, wenn die Oberflächen Regen
oder niedergeschlagenem Tau ausgesetzt sind, die Oberflächen
durch die keramische Schicht, welche keine wasserdurchlässigen
Poren besitzt, geschützt. Dadurch bleibt der Isolationswiderstand
beständig erhalten. Bei einem korrosionsbeständigen
und chemikalienbeständigen Wälzlager, bei dem
die Schicht auf der Kontaktoberfläche des Innenrings und
der Kontaktoberfläche des Außenrings ausgebildet
ist, die korrosive Substanzen kontaktieren können, ist auch
dann, wenn das korrosionsbeständige und chemikalienbeständige
Wälzlager den korrosiven Substanzen, wie Säuren
und Alkalis bzw. Laugen oder dergleichen ausgesetzt ist, das Wälzlager
durch die keramische Schicht ohne Poren, in die die korrosiven Substanzen
eindringen könnten, geschützt. Daher können
die korrosiven Substanzen nicht in den Unterbau des Basismaterial
eindringen, so dass die Eigenschaften der Korrosionsbeständigkeit
und der Chemikalienbeständigkeit nicht beeinträchtigt
werden.
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Da
die durch die Anwendung des AD-Verfahrens erhaltene keramische Schicht
dicht ist und eine hervorragende Isolierung bietet sowie korrosionsbeständig
und chemikalienbeständig ist, kann die Schichtdicke, welche
zur Sicherstellung der erforderlichen Isolierungswirkung und der
Korrosionsbeständigkeit sowie der Chemikalienbeständigkeit
notwendig ist, geringer sein als die Dicke einer durch das thermische
Spritzverfahren erhaltenen Schicht.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung können als die feinen Keramikteilchen,
die als das Material für das Aerosol zum Ausbilden der
Keramikschicht unter Anwendung des AD-Verfahrens dienen, feine Keramikteilchen
von Oxiden, wie Aluminiumoxid, Zirkondioxid, Titandioxid und dgl.,
welche vorteilhafte Isolierungseigenschaften sowie Korrosionsbeständigkeit
und Chemikalienbeständigkeit aufweisen, verwendet werden.
Je niedriger das spezifische Gewicht des Keramikmaterials bei hoher
Reinheit ist, desto einfacher kann das Keramikmaterial zu dem Aerosol
umgewandelt werden. Vor diesem Hintergrund sind feine Aluminiumoxidteilchen
bevorzugt.
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Der
durchschnittliche Teilchendurchmesser der feinen Aluminiumoxidteilchen,
die in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden
können, beträgt 0,01 μm bis 2 μm.
Falls der durchschnittliche Teilchendurchmesser kleiner ist als 0,01 μm,
neigen die feinen Aluminiumoxidteilchen zum Aggregieren und es ist
schwierig, sie in das Aerosol umzuwandeln. Falls der durchschnittliche
Teilchendurchmesser größer ist als 2 μm,
kann mit dem AD-Verfahren keine Schicht ausgebildet werden (Schichtwachstum
tritt nicht auf).
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Um
den Durchmesser der feinen Aluminiumoxidteilchen einzustellen ist
es möglich, beispielsweise ein Verfahren zum Ausbilden
von feinen Teilchen mit einem Durchmesser, der nicht größer
ist als einige zehn Nanometer, anzuwenden, indem chemische Verfahren,
wie ein Alkoxid-Verfahren, ein Kolloid-Verfahren, ein pyrolytisches
Verfahren mit Ammoniumalaun, ein pyrolytisches Verfahren mit Ammoniumaluminiumcarbonat,
ein verbessertes Bayer-Verfahren, ein Ethylen-Chlorhydrin-Verfahren
sowie physikalische Verfahren wie ein Verfahren des Verdampfens
der feinen Aluminiumoxidteilchen in einem Gas, ein Zerstäubungsverfahren
(Gasphasenoxidation), ein Aluminium-Funkenentladungsverfahren in
Wasser und dergleichen sowie das Erwärmen der erhaltenen
feinen Teilchen, um sie zu Sekundärteilchen mit einem Durchmesser
von etwa einigen hunderten Nanometern zu vereinigen. Zum Ausbilden
der Schicht ist es bevorzugt, vorab Risse unter Anwendung einer
Kugelmühle, einer Strahlmühle oder dergleichen
auszubilden, so dass, wenn die feinen Aluminiumoxidteilchen mit
dem Basismaterial kollidieren, sie einfacher pulverisiert werden
können.
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Da
bei dem AD-Verfahren eine Hochtemperaturbehandlung unnötig
ist, wird, anders wie bei den thermischen Spritzverfahren, die Isolierungseigenschaft
nicht beeinträchtigt, weil das als das Material des Aerosols
dienende Keramikmaterial keinen hohen Temperaturen ausgesetzt wird
und daher nicht transformiert wird. Bei dem thermischen Spritzverfahren
wird beispielsweise das α-Aluminiumoxid, welches ausgezeichnete
Isolierungseigenschaften aufweist, in γ-Muminiumoxid mit
niedrigen Isolierungseigenschaften transformiert. Daher ist es notwendig,
die Schichtdicken zu vergrößern. Andererseits
kann bei der Erfindung, selbst wenn das α-Aluminiumoxid
mit dem AD-Verfahren eingesetzt wird, eine Schicht aus dem α-Aluminiumoxid
mit guter Isolierungsleistung erzeugt werden, ohne die Gefahr der Transformation
in γ-Aluminiumoxid. Dadurch wird die keramische Schicht
mit einer hohen Isolierungsleistung erhalten.
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Bei
dem Lager, bei dem die Oberflächen des Innenrings und die
des Außenrings mit der keramischen Schicht unter Anwendung
des AD-Verfahrens beschichtet sind, besitzt die keramische Schicht
eine größere Härte als die Schicht aus
PTFE-Harz. Damit besitzt die keramische Schicht eine hohen Widerstand
gegenüber Belastungen und Verschleiß. Zusätzlich
besitzt die keramische Schicht einen höheren Elastizitätsmodul
als die Schicht aus PPS. Daher ist die keramische Schicht der Schicht
aus PPS hinsichtlich der Beständigkeit gegenüber
Belastungen überlegen.
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Das
Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zum
Herstellen des Wälzlagers umfasst den Schritt des Ausbildens
der keramischen Schicht auf vorbestimmten Oberflächen der
Innen- und Außenringe des Wälzlagers unter Anwendung
des AD-Verfahrens.
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Als
ein Verfahren zur Ausbildung der keramischen Schicht unter Anwendung
des AD-Verfahrens ist es möglich, sowohl ein Verfahren
des Ausbildens der Schicht durch Bewegen einer Aerosol-Einspritzdüse
bei stationär gehaltenem Wälzlager oder ein Verfahren
des Ausbildens der Schicht durch Bewegen des Wälzlagers
bei stationär gehaltener Aerosol-Einspritzdüse
anzuwenden.
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Bei
diesen Verfahren ist es bevorzugt, das letztgenannte Verfahren zu
verwenden, weil hierbei das Aerosol in einem stabilen Zustand versprüht
werden kann und die keramischen Schichten einfach auf einer vorbestimmten
Oberfläche des Innenrings des Wälzlagers oder
des Außenrings desselben übereinander. aufgebracht
werden können, durch Anwendung eines XY-Positioniertisches
und eines Motors zum Drehen eines Objekts in Verbindung mit der
axialen Bewegung, während der Innenring des Wälzlagers
und der Außenring desselben gedreht werden.
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Das
AD-Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
wird im folgenden unter Bezugnahme auf 5 beschrieben. 5 zeigt
eine Vorrichtung zum Ausbilden einer keramischen Schicht unter Anwendung
des AD-Verfahrens. Wie in 5 gezeigt
ist, umfasst die Vorrichtung 9 zum Ausbilden einer keramischen
Schicht unter Anwendung des AD-Verfahrens eine Vakuumkammer 10.
Innerhalb der Vakuumkammer 10 ist ein Außenring
eines Wälzlagers oder ein Innenring 12 desselben,
auf denen eine keramische Schicht auszubilden ist, sowie eine Aerosol-Einspritzdüse 17 angeordnet.
Aerosol wird über eine Aerosol-Erzeugungseinrichtung 16 der
Aerosol-Einspritzdüse 17 zugeführt. Das
Innere der Vakuumkammer 10 ist durch eine Vakuumpumpe 11 evakuiert bzw.
druckgemindert. Um ein Eindringen der feinen Keramikteilchen in
die Vakuumkammer 10 zu verhindern, ist ein Filter 18 für
feine Teilchen unmittelbar vor der Vakuumpumpe 11 vorgesehen.
Innerhalb der Vakuumkammer 10 wird der Außenring
oder der Innenring 12 durch einen Motor 14 zum
Drehen eines Objekts gedreht (A in 5) und er
wird axial durch einen XY-Positionierungstisch 3 bewegt
(B in 5).
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Die
Aerosol-Einspritzdüse 17 spritzt feine Keramikteilchen
von einem Ende derselben, das eine rechteckige Öffnung
oder eine Öffnung mit anderer Konfiguration aufweist, auf
mindestens eine Oberfläche, die ausgewählt ist
aus der Innenumfangsfläche des Innenrings und der Umfangsfläche
des Außenrings. Die Anzahl der Aerosol-Einspritzdüsen 17 kann
eine oder mehrere betragen. Die Aerosol-Einspritzdüse 17 kann
so aufgebaut sein, dass sie innerhalb der Vakuumkammer 10 beweglich
ist.
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Als
Trägergas für das Aerosol wird ein inaktives Gas
verwendet und von einer Gas-Zufuhranlage 15 der Aerosol-Erzeugungseinrichtung 16 zugeführt. Als
inaktives Gas kann Argon, Stickstoff, Helium und dergleichen verwendet
werden.
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Das
Aerosol der feinen Keramikteilchen wird von der stationären
Aerosol-Einspritzdüse 17 auf den Außenring
oder den Innenring 12 gesprüht, während dieser
mit einer vorbestimmten Anzahl von Umdrehungen durch den Motor 14 zum
Drehen eines Objekts rotiert wird. Infolgedessen werden die keramische
Schichten übereinander auf der Umfangsfläche des
Außenrings oder des Innenrings abgeschieden. Gleichzeitig
wird der Außenring oder der Innenring 12 durch
den XY-Positionierungstisch 13 axial bewegt. Dadurch wird
die Schicht gleichmäßig auf allen Umfangsflächen
in einer Axialrichtung ausgebildet.
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Es
ist bevorzugt, die Ausbildung der Schicht fortzusetzen, bis deren
Dicke bzw. Stärke etwa 4 μm beträgt.
Obwohl die Stärke des Films von der geplanten Anwendung
des Lagers abhängt, beträgt die Stärke
vorzugsweise 4 μm bis 200 μm. Falls die Stärke
geringer ist als 4 μm, kann kein ausreichender Isolierungswiderstand
erreicht werden. Falls die Dicke größer ist als
200 μm, werden die Herstellungskosten hoch.
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Beispiele
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Beispiel 1
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Das
isolierte Wälzlager gemäß 1 wurde als
Probelager hergestellt (NU214, Außendurchmesser des Außenrings:
125 mm, Breite des Außenrings: 24mm). Eine Schicht 7 bestehend
aus feinen Aluminiumoxidteilchen wurde auf einer Umfangsfläche 2a eines
Außenrings 2 unter Anwendung des AD-Verfahrens
ausgebildet. Bei dem AD-Verfahren wurde ein aus den feinen Aluminiumoxidteilchen
bestehendes Aerosol unter einem verringerten Druck von nicht mehr
als 100 Pa aus einer Düse mit einer Öffnungsgröße
von 5 mm × 0,3 mm auf die Umfangsfläche des Außenrings
gesprüht, welcher unter Verwendung einer Lager-Bewegungsvorrichtung,
bei der ein XY-Positionierungstisch und ein Motor zum Drehen eines Objektes
in Kombination eingesetzt wurden, axial bewegt wurde, während
er mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 6 mm/min gedreht wurde,
um die Schicht darauf auszubilden. Der Schichtbildungsvorgang wurde
fortgesetzt, bis die Stärke der Schicht 4 μm erreichte.
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Als
feine Aluminiumoxidteilchen wurde Taimicron TM-DAR, hergestellt
von Taimei Chemicals Co., Ltd. verwendet. Der durchschnittliche
Teilchendurchmesser betrug 0,16 μm. Die feinen Aluminiumoxidteilchen
wurden verwendet, indem sie unter einem verringertem Druck von nicht
mehr als 10 Pa erhitzt wurden, bis sie trocken waren. Als Trägergas wurde
Helium verwendet. Die Teilchengeschwindigkeit wurde durch die Menge
des Trägergases gesteuert.
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Es
konnte bestätigt werden, dass das erhaltene Probelager
einen vorbestimmten Isolierungswiderstand (wenn nicht weniger als
10 MΩ/500 V angelegt wurden) zwischen der Innenumfangsfläche
des Außenrings und der Umfangsfläche des Außenrings aufwies.
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Beispiel 2
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Das
isolierte Wälzlager gemäß 2 wurde zur
Verwendung als Probelager hergestellt. Die aus feinen Aluminiumoxidteilchen
bestehende Schicht 7 wurde auf einer Innenumfangsfläche 1a eines
Innenrings 1 unter Verwendung des AD-Verfahrens ausgebildet.
Bei dem AD-Verfahren wurde ein aus den feinen Aluminiumoxidteilchen
bestehendes Aerosol unter einem verringerten Druck von nicht mehr
als 100 Pa aus einer Düse mit einer Öffnungsgröße
von 5 mm × 0,3 mm auf die innere Umfangsfläche
des Innenrings gesprüht, welcher unter Verwendung einer Lager-Bewegungsvorrichtung,
bei der ein XY-Positionierungstisch und ein Motor zum Drehen eines
Objektes in Kombination eingesetzt wurden, axial bewegt wurde, während
er mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 6 mm/min gedreht wurde,
um die Schicht darauf auszubilden. Der Schichtbildungsvorgang wurde
fortgesetzt, bis die Stärke der Schicht 4 μm erreichte.
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Die
selben feinen Aluminiumoxidteilchen wie in Beispiel 1 wurden verwendet.
Es konnte bestätigt werden, dass das erhaltene Probelager
einen vorbestimmten Isolationswiderstand (wenn nicht weniger als
10 MΩ/500 V angelegt wurden) zwischen der Innenumfangsfläche
des Außenrings und der Umfangsfläche des Außenrings
aufwies.
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Beispiel 3
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Das
isolierte Wälzlager gemäß 3 wurde zur
Verwendung als Probelager hergestellt. Eine aus feinen Aluminiumoxidteilchen
bestehende Schicht 7 wurde auf der Umfangsfläche 2a eines
Außenrings 2 und der Innenumfangsfläche 1a des
Innenrings 1 unter Verwendung des AD-Verfahrens ausgebildet.
Bei dem AD-Verfahren wurde ein aus den feinen Aluminiumoxidteilchen
bestehendes Aerosol unter einem verringerten Druck von nicht mehr
als 100 Pa aus einer Düse mit einer Öffnungsgröße
von 5 mm × 0,3 mm auf die Umfangsfläche des Außenrings
gesprüht, welcher unter Verwendung einer Lager-Bewegungsvorrichtung,
bei der ein XY-Positionierungstisch und ein Motor zum Drehen eines
Objektes in Kombination eingesetzt wurden, axial bewegt wurde, während
er mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 6 mm/min gedreht wurde,
um die Schicht darauf auszubilden. Der Schichtbildungsvorgang wurde
fortgesetzt, bis die Stärke der Schicht 4 μm erreichte.
In ähnlicher Weise wurde eine Schicht auch auf der Innenumfangsfläche des
Innenrings ausgebildet.
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Die
selben feinen Aluminiumoxidteilchen wie in Beispiel 1 wurden verwendet.
Es konnte bestätigt werden, dass das erhaltene Probelager
einen vorbestimmten Isolationswiderstand (wenn nicht weniger als
10 MΩ/500 V angelegt wurden) zwischen der Innenumfangsfläche
des Außenrings und der Umfangsfläche des Außenrings
aufwies.
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Beispiel 4
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Das
isolierte Wälzlager gemäß 4 wurde zur
Verwendung als Probelager hergestellt. Eine aus feinen Aluminiumoxidteilchen
bestehende Schicht 7 wurde auf der Kontaktfläche 1a des
Innenrings 1 und der Kontaktfläche 2a des
Außenrings 2 unter Anwendung des AD-Verfahrens
ausgebildet. Bei dem AD-Verfahren wurde ein aus den feinen Aluminiumoxidteilchen
bestehendes Aerosol unter einem verringerten Druck von nicht mehr
als 100 Pa aus einer Düse mit einer Öffnungsgröße
von 5 mm × 0,3 mm auf die Kontaktfläche 1a des
Innenrings 1 und der Kontaktfläche 2a des
Außenrings 2 gesprüht, welche beide unter
Verwendung einer Lager-Bewegungsvorrichtung, bei der ein XY-Positionierungstisch
und ein Motor zum Drehen eines Objektes in Kombination eingesetzt
wurden, axial bewegt wurden, während sie mit einer Umfangsgeschwindigkeit
von 6 mm/min gedreht wurden, um die Schicht darauf auszubilden. Der
Schichtbildungsvorgang wurde fortgesetzt, bis die Stärke
der Schicht 4 μm erreichte.
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Als
feine Aluminiumoxidteilchen wurde Taimicron TM-DAR, hergestellt
von Taimei Chemicals Co., Ltd. verwendet. Der durchschnittliche
Teilchendurchmesser betrug 0,16 μm. Die feinen Aluminiumoxidteilchen
wurden verwendet, indem sie unter einem verringertem Druck von nicht
mehr als 10 Pa erhitzt wurden, bis sie trocken waren. Als Trägergas wurde
Helium verwendet. Die Teilchengeschwindigkeit wurde durch die Menge
des Trägergases gesteuert.
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Die
erhaltenen Probelager wurden in Chemikalien eingetaucht und bei
2000 Umdrehungen pro Minute für 20 Stunden gedreht. Zwei
Arten von Chemikalien wurden in dem Test verwendet. Eine der zwei
Chemikalien war 20 gewichtsprozentige Wasserlösung aus
Natriumhydroxid und die andere war 20 gewichtsprozentige Wasserlösung
aus Schwefelsäure. Nach Beendigung des Tests wurden die
Oberflächen der Lager visuell geprüft. Im Ergebnis
konnte bei beiden Chemikalien keine Korrosion oder Beschädigung
festgestellt werden. Obwohl die Schichten nur 4 μm dünn
waren, zeigten die Lager hervorragende Beständigkeit gegenüber
Korrosion und Chemikalien.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Bei
dem Wälzlager gemäß der vorliegenden Erfindung
wird die keramische Schicht auf der Innenumfangsfläche
des Innenrings und/oder der Umfangsfläche des Außenrings
unter Anwendung des AD-Verfahrens ausgebildet. Bei der so erhaltenen dichten
Schicht sind die Oberfläche der Schicht und die Basis des
Lagerrings nicht miteinander verbunden.
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Daher
behält das Wälzlager eine hohe Isolierungswirkung
und das Wälzlager gemäß der vorliegenden
Erfindung kann vorzugsweise als Wälzlager eingesetzt werden,
bei dem es gewünscht ist, das Auftreten einer galvanischen
Korrosion zu verhindern, sowie als isoliertes Wälzlager
zur Verwendung bei unterschiedlichen industriellen Maschinen, wie
einem Vielzweckmotor, einem elektrischen Generator, einem elektrischen
Hauptantrieb eines Schienenfahrzeugs und dergleichen, die alle so
aufgebaut sind, dass ein elektrischer Strom durch das Innere des
Lagers fließt. Die keramische Schicht wird auf der Oberfläche
des Innenrings und des Außenrings ausgebildet, welche zumindest
mit der korrosiven Substanz in Kontakt gelangen kann. Somit kann
das Wälzlager eine hohe Beständigkeit gegenüber
Korrosion und Chemikalien bieten. Daher kann das Wälzlager
vorzugsweise als korrosionsbeständiges und chemikalienbeständiges
Lager in Umgebungen wie einer chemischen Anlage und dergleichen
verwendet werden, wo Metall aufgrund des Kontakts zwischen Metall und
Chemikalien, wie Säure, Alkalis bzw. Laugen und dergleichen
leicht korrodieren kann.
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Zusammenfassung
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WÄLZLAGER UND VERFAHREN
ZUR HERSTELLUNG DESSELBEN
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Wälzlager mit hervorragenden
Isolierungseigenschaften und Korrosionsbeständigkeit sowie
Chemikalienbeständigkeit gegenüber Chemikalien
wie Säuren, Alkalis bzw. Laugen und dergleichen bereit,
indem eine dichte keramische Schicht unter Anwendung eines anderen
Verfahrens wie eines thermischen Spritzverfahren ausgebildet wird.
Das Wälzlager umfasst einen Innenring (1), einen
Außenring (2) sowie mehrere Wälzkörper
(4), die zwischen einer Laufbahnfläche des Innenrings
(1) und des Außenrings (2) angeordnet
sind. Das Wälzlager besitzt eine keramische Schicht (7),
die auf einer Innenumfangsfläche des Innenrings (1)
und/oder einer Umfangsfläche des Außenrings (2)
ausgebildet ist. Die keramische Schicht (7) ist durch Anwendung
eines Aerosol-Abscheidungsverfahrens ausgebildet, bei dem feine
Aluminiumoxidteilchen oder dergleichen als Material des Aerosols
verwendet werden. Die keramische Schicht (7) wird mit einer
Aerosol-Einspritzdüse gebildet, welche stationär
gehalten wird, während der Innenring und/oder der Außenring
gedreht und axial bewegt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 7-279973 [0012]
- - JP 10-47355 [0012]
- - JP 8-93774 [0012]
- - JP 5-106638 [0012]
- - JP 2003-183806 [0012]