DE3587758T2

DE3587758T2 - Lager für umlaufende Teile.

Info

Publication number: DE3587758T2
Application number: DE3587758T
Authority: DE
Inventors: Fujio Harumi; Koichi C O Patent Divisi Inoue; Kiyoshi C O Patent Di Nakamura; Hiroaki Takebayashi
Original assignee: Toshiba Corp; Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1984-03-30
Filing date: 1985-03-29
Publication date: 1994-07-07
Anticipated expiration: 2005-03-30
Also published as: EP0158901A1; US4634300A; DE3587758D1; EP0303758A2; EP0158901B1; KR890003817B1; KR850007107A; US4634300B1; JPS60208626A; EP0303758A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Drehelement-Lageranordnung und insbesondere eine Lageranordnung zum Lagern eines rotierenden Elements oder Drehelements, das in einer korrosiven Umgebung, z. B. einem Schmelzofen für Legierungsgießen, einem Metallschmelze- Metallisierbad oder einem Galvanisierbad, eingesetzt wird.
Ein herkömmlicher Schmelzofen für einen Gießvorgang für z. B. eine Legierung auf Aluminiumbasis o. dgl. findet sich auf Seite 11 der April 1980-Ausgabe von "Kinzoku" (japanisches Fachmagazin von Agune Co., Ltd.). Bei diesem Schmelzofen erstreckt sich eine feststehende Achse von der Außenseite des Ofens in eine im Ofen befindliche Legierungsschmelze, wobei ein rotierender Zylinder mit an seinem einen Ende vorgesehenen Schaufeln oder Flügeln mittels eines Lagers auf der festen Achse gelagert ist. Die Schaufeln oder Flügel dienen zum Rühren der Legierungsschmelze zu ihrer Homogenisierung.
Bei diesem Schmelzofen sind jedoch die umlaufenden Schaufeln oder Flügel in der Legierungsschmelze angeordnet, so daß sich das Lager in der Metallschmelze befindet, wenn es zwischen dem rotierenden Zylinder und der festen Achse angeordnet ist. Das Lager befindet sich mithin in einer korrodierenden bzw. korrosiven Umgebung, so daß es einer frühzeitigen Zersetzung ausgesetzt ist. Herkömmlicherweise erstreckt sich daher der andere Endabschnitt des rotierenden Zylinders aufwärts über den Oberflächenspiegel der Legierungsschmelze hinaus, und das Lager dient dabei zum Lagern des verlängerten Endabschnitts des rotierenden Zylinders auf der feststehenden Achse. Demzufolge ist der Abstand zwischen den dem Lager und den Schaufeln oder Flügeln entsprechenden Abschnitten des rotierenden Zylinders vergrößert, wobei letzterer als ein von Lager getragenes Kragstück geformt ist. Bei dieser Anordnung wirbeln oder schleudern die Schaufeln oder Flügel bei ihrer Umlaufbewegung, so daß der Rührwirkungsgrad für ein einfaches (sicheres) Homogenisieren zu niedrig ist.
Als Galvanisierbad ist allgemein ein Plattier- oder Galvanisierbad bekannt, wie es in "Comprehensive Bibliography of Iron-Making Machines & Equipment, 1977" (herausgegeben am 25.11.1976 von der Jukogyo Shibun Publishing Co.) beschrieben ist. Bei diesem Galvanisierbad wird eine Stahlplatte bzw. ein stahlband durch eine Leiterwalze und eine Niederhaltewalze außerhalb des Galvanisierbads und eine in einem Elektrolyten im Galvanisierbad angeordnete Senk- oder Tauchwalze geführt. Die Oberfläche des Stahlbands wird mithin galvanisiert, wenn es durch einen Strom aktiviert (energized) wird, der zwischen einem Anodenstab im Elektrolyten und der Leiterwalze als Kathode fließt. Die beiden Endabschnitte einer Tragwelle oder -achse der Tauchwalze sind in Bohrungen in einem Trag- oder Lagerelement am oberen Endabschnitt des Galvanisierbads eingesetzt. Da die Tauchwalze mit hoher Drehzahl rotiert, ist zwischen der Walzen-Tragachse und dem Lagerelement ein Lager angeordnet, um diese Teile vor Verschleiß zu schützen.
Bei diesem Galvanisierbad ist die Senk- oder Tauchwalze im Elektrolyten angeordnet, so daß sie und das Lager stets einer korrosiven Umgebung ausgesetzt sind. Herkömmlicherweise sind verschiedene Maßnahmen zur Unterbindung einer Korrosion an der Tauchwalze, einschließlich einer Verbesserung des Werkstoffs, getroffen worden. Dem Schutze des Lagers vor Korrosion ist jedoch keine besondere Aufmerksamkeit gewidmet worden. Das Lager kann daher bereits in einer frühen Betriebsphase möglicherweise durch Korrosion zum Ausfall gebracht werden. Wenn das Lager ausfällt, muß die Galvanisiervorrichtung für das Auswechseln des Lagers stillgesetzt werden, wodurch ihre Arbeitsleistung stark herabgesetzt wird.
Die US-A-3 969 125 offenbart ein wärmebeständiges und verstärktes Verbundmaterial als Ersatz für (sog.) Cermet für Maschinenteile, die gute Wärmebeständigkeit und mechanische Festigkeit bei hohen Temperaturen aufweisen müssen. Dieses Material soll wegen seiner ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit gegenüber Metallschmelzen auch für die Herstellung von Metallschmelzgefäßen benutzt werden. Die Herstellung dieses Materials erfolgt durch Sintern eines feinpulverisierten Gemisches aus Trisiliziumtetranitrid und einem Oxid von Yttriumelementen. Ein verbessertes, ähnliches Verbundmaterial einer ausgezeichneten Biegefestigkeit soll durch Sintern eines feinpulverisierten Gemisches aus Trisiliziumtetranitrid, Yttriumoxid und Aluminiumoxid herstellbar ein. Anstelle von Yttriumoxid können auch Cer-, Lanthan- oder Scandiumoxid verwendet werden.
Die EP-A-0 100 380 offenbart Werkzeuge für plastische Deformation oder Verformung zur Verwendung beim Rohrziehen, Drahtziehen, Stab (material)walzen, Blechwalzen, Extrudieren bzw. Strangpressen und Kokillen- oder Druckgießen von Metallen, wie Kupfer, Aluminium, Zink, Zinn, Nickel, Kobalt, Titan usw. sowie Legierungen davon. Das Material für solche Werkzeuge besteht aus einem Sinterpreßkörper, bestehend hauptsächlich aus Siliziumnitrid im Gemisch mit Oxid, Karbid, Nitrid, Borid oder Silizid von Yttrium und Aluminium, Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid.
Ferner ist in "MACHINE DESIGN", Vol. 51, Nr. 5, 8. März 1979, eine Drehelement-Lageranordnung entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben. Diese Veröffentlichung schlägt die Verwendung von Magnesiumoxid, Yttriumoxid, Aluminiumoxid, Ceroxid o. dgl. als Hilfsmittel für das Sintern von Keramikmaterialien vor. Das üblichste verwendete Hilfsmittel soll Magnesiumoxid sein. Versuche haben jedoch gezeigt, daß Wälzlager aus Siliziumnitrid, wobei Magnesiumoxid als Sinterhilfsmittel verwendet wird, nur eine mangelhafte Abwälzfähigkeit (rolling ability) aufweisen und für den praktischen Einsatz kaum geeignet sind. Obgleich auch Yttriumoxid erwähnt ist, ist hierdurch ferner lediglich die Möglichkeit der Verwendung von Yttriumoxid als Sinterhilfsmittel in Verbindung mit Aluminiumoxid angeregt. Es gibt keine Versuchsdaten über Keramiklager aus Siliziumnitrid, dem Yttriumoxid als Sinterhilfsmittel zugesetzt worden ist.
Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf diese Gegebenheiten entwickelt worden; sie bezweckt die Schaffung einer Drehelement-Lageranordnung, die gegenüber Wärme und Korrosion höchst beständig und für den Einsatz in einer korrosiven Umgebung geeignet ist.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einer Drehelement-Lageranordnung der im Anspruch 1 definierten Art.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Anordnung kennzeichnet sich dadurch, daß Innen- und Außenringe jeweils aus einem Metallring geformt sind, der auf der gesamten Oberfläche mit einem korrosionsbeständigen Film beschichtet ist. Der korrosionsfeste Film besteht vorzugsweise aus Vanadiumkarbid oder (einer) Chromverbindung.
Ein besseres Verständnis dieser Erfindung ergibt sich aus der folgenden genauen Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnung.
Die beigefügte Zeichnung zeigt eine Schnittansicht einer Lageranordnung gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung.
Eine Ausführungsform dieser Erfindung ist nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung näher beschrieben.
Eine in der Zeichnung dargestellte Lageranordnung weist eine drehbare Welle 10 als Innenelement auf, das in einer korrosiven Umgebung benutzt bzw. eingesetzt wird. Ein Endabschnitt der (drehbaren) Welle 10 ist in eine Bohrung 14 eingesetzt, die in einem Lagerelement 12 als Außenelement ausgebildet ist. Am Endabschnitt der Welle 10 ist ein dünnerer, abgestufter Abschnitt 16 angeformt, während an der Innenumfangsfläche der Bohrung 14, dem abgestuften Abschnitt 16 zugewandt, ein weiterer, abgestufter Abschnitt 18 geformt ist. Zwischen die Welle 10 und die Innenumfangsfläche der Bohrung 14 ist ein Wälz- oder Rollenlager 20 eingefügt, durch welches die Welle 10 drehbar gelagert ist.
Das Wälzlager 20 umfaßt einen Innenring 22 und einen Außenring 24, die sowohl wärme- als auch korrosionsbeständig sind. Der Innenring 22 ist auf die Außenumfangsfläche des dünneren, abgestuften Abschnitts 16 in Anlage gegen einen Schulterabschnitt 25 der Welle 10 aufgesetzt und wird durch einen Sprengring 30, der in die Welle 10 eingreift, an einem Herabrutschen von der (drehbaren) Welle 10 gehindert. Der Außenring 24 ist in den weiteren, abgestuften Abschnitt 18 der Bohrung 14 in Anlage gegen einen Schulterabschnitt 26 der Bohrung 14, dem Innenring 22 gegenüberstehend, eingepaßt. Ein Heraus rutschen des Außenrings 24 aus der Bohrung 14 wird durch eine in die Bohrung 14 eingesetzte oder eingepaßte Fixierhülse 32 verhindert. Der Innenring 22 ist mit einem ringförmigen Laufflächenabschnitt 22a sowie Stegabschnitten 22b und 22c geformt, die radial nach außen ragend an jedem Ende bzw. jeder Seite des Laufflächenabschnitts 22 materialeinheitlich angeformt sind. Der Außenring 24 besteht aus einem ringförmigen Laufflächenabschnitt 24a, einem getrennt geformten Stegabschnitt 24b am einen Ende des Laufflächenabschnitts 24a, d. h. an der Seite des Schulterabschnitts 26, radial nach innen ragend angeordnet, und einem am anderen Ende des Laufflächenabschnitts 24a angeformten, radial nach innen ragenden Stegabschnitt 24c.
In einem zwischen den jeweiligen Laufflächenabschnitten 22a und 24a von Innen- und Außenring 22 bzw. 24 festgelegten Ringraum sind mehrere zylindrische Rollen 28 aus einem wärme- und korrosionsbeständigen Keramikmaterial angeordnet. Die zylindrischen Rollen 28 vermögen auf der Außenumfangsfläche des Laufflächenabschnitts 22a sowie der Innenumfangsfläche des Laufflächenabschnitts 24a abzurollen. Beim Abrollen werden die zylindrischen Rollen 28 durch die jeweiligen Innenflächen der Stegabschnitte 22b und 22c des Innenrings 24 sowie der Stegabschnitte 24b und 24c des Außenrings 24 geführt. Durch die Laufflächenabschnitte 22a und 24a sowie die Stegabschnitte 22b, 22c, 24b und 24c gebildete Eckabschnitte oder -bereiche sind im Gegensatz zu herkömmlichen Lagern nicht mit eingeschliffenen Hinterschnitten versehen, sondern besitzen einen Krümmungsradius, der praktisch gleich groß oder geringfügig kleiner ist als derjenige der Rollenabschrägungen an den Endkanten der zylindrischen Rollen 28. Die zylindrischen Rollen 28 können durch einen (nicht dargestellten) Käfig längs der Umfangsrichtung des Innenrings 22 im regelmäßigen Abständen gehalten sein. In diesem Fall besteht der Käfig selbstverständlich aus einem wärme- und korrosionsfesten Werkstoff, wie nichtrostendem Stahl.
Im Hinblick auf die Betriebslebensdauer des Wälzlagers sollte das Keramikmaterial für die zylindrischen Rollen 28 Siliziumnitrid sein, das nach einem Drucksinterverfahren, z. B. einem Heißpreßverfahren, einem isostatischen Heißpreßverfahren oder einem Umgebungsdruck-Sinterverfahren, geformt wird. Der Sinterpreßkörper aus Siliziumnitrid ist mit Oxiden von Elementen Seltener Erden als Sinterhilfsmittel, nämlich Yttriumoxid, sowie Aluminiumoxid, vermischt, vorzugsweise in einer Zuschlagmenge von 10% für jedes Element. Der Sintergrad kann ferner dadurch effektiv verbessert werden, daß vorzugsweise 10% oder weniger an Aluminiumnitrid oder eine zweckmäßige Menge von vorzugsweise 5% oder weniger Titanoxid zugesetzt wird.
Wenn die Lageranordnung gemäß dieser Ausführungsform in einer korrosiven Umgebung bei vergleichsweise niedriger Temperatur verwendet wird, z. B. in einem Schmelzofen oder einem Galvanisierbad für Legierung auf Blei- oder Zinkbasis, brauchen nur die zylindrischen Rollen 28 allein aus dem Keramikmaterial geformt zu sein. Mit anderen Worten: Innen- und Außenring 22 bzw. 24 können aus nichtrostendem Stahl oder einem anderen korrosionsfesten Metall geformt sein, weil die Umgebung nicht sehr korrosiv ist.
Wenn die Lageranordnung, unabhängig von der Temperatur, in einer stark korrosiven Umgebung eingesetzt wird, z. B. in einem Schmelzofen oder Galvanisierbad für Legierung auf Aluminiumbasis, sollten jedoch Innen- und Außenring 22 bzw. 24 sowie die zylindrischen Rollen 28 vorzugsweise aus dem Keramikmaterial geformt sein. Wenn die Lageranordnung in einem Schmelzofen z. B. für eine Legierung auf Zinkbasis verwendet wird, sollten Innen- und Außenring 22 bzw. 24 aus herkömmlichem Lagerstahl geformt sein, der mit einem korrosionsfesten Film, etwa einem Karbid von Vanadium oder einer Chromverbindung, z. B. Cr&sub2;O&sub3;, beschichtet ist.
Das für Innen- und Außenring 22 bzw. 24 benutzte Keramikmaterial ist das gleiche wie für die zylindrischen Rollen 28. Bei Verwendung von Innen- und Außenringen aus Keramik wird der Innenring 22 mit einem zweckmäßigen Bewegungssitz auf die drehbare Welle 10 aufgesetzt, während der Außenring 24 mit einem Haftsitz in die Bohrung 14 im Lagerelement 12 eingesetzt oder eingepaßt wird. Dies geschieht aus dem Grund, weil Keramikmaterialien einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Metalle besitzen und gegenüber einer Druckkraft beständiger, für Zugkraft dagegen weniger beständig sind. Wenn der Innenring 22 mit festem Sitz (enger Passung) auf die drehbare Welle 10 aufgesetzt werden würde, könnte er möglicherweise durch eine radiale Zugkraft beschädigt werden, die infolge der Wärmeausdehnung der Welle 10 im Betrieb auftritt. Aus diesem Grund wird bevorzugt, Innenring 22 und drehbare Welle 10 mit einem Bewegungssitz miteinander zu verbinden. Wenn dagegen der Außenring 24 mit einem festeren Sitz in die Bohrung 14 des Lagerelements 12 eingesetzt wird, bleibt dieser Sitz nach Wärmeausdehnung des Lagerelements 12 in Betrieb vergleichsweise zufriedenstellender erhalten. In der Praxis kann jedoch der aus zerbrechlichem Keramikmaterial bestehende Außenring 24 beim Einpressen in die Bohrung 14 möglicherweise brechen. Demzufolge wird der Außenring 24 bevorzugt mit einem Haftsitz eingesetzt, der eine Minimierung der Einflüsse der Einsetz- bzw. Passungskraft und der Wärmeausdehnung des Lagerelements 12 zuläßt.
Wenn nur die zylindrischen Rollen 28 aus Keramikmaterial geformt sind, können die Einflüsse der Wärmeausdehnung der drehbaren Welle 10 und des Lagerelements 12 vermieden werden.
Bei der beschriebenen Ausführungsform dienen das innere Element als rotierendes Element (drehbare Welle) 10 und das Außenelement als Lagerelement 12 zum Lagern des rotierenden Elements 10. Wahlweise können inneres und äußeres Element als eine tragende bzw. lagernde Welle bzw. ein durch diese gelagertes rotierendes Element ausgelegt sein. Mit anderen Worten: es ist nur nötig, daß die inneren und äußeren Elemente 10 bzw. 12 so für Relativdrehung miteinander verbunden sind, daß das eine Element als rotierendes Element und das andere als nichtrotierendes Element zum Lagern des rotierenden Elements dient. Hierbei ist darauf hinzuweisen, daß die Anordnungsart des Wälzlagers gemäß der beschriebenen Ausführungsform auch auf den Fall anwendbar ist, in welchem inneres und äußeres Element die lagernde Welle oder Achse bzw. das rotierende Element bilden.
Bei der auf diese Weise ausgebildeten Drehelement-Lageranordnung bestehen zumindest die Wälzelemente des Wälzlagers aus Keramikmaterial, während Innen- und Außenring aus einem wärme- und korrosionsbeständigen Werkstoff geformt sind, z. B. einem Metall, das mit einem korrosionsbeständigen Film, z. B. aus einem Vanadiumkarbid oder einer Chromverbindung oder aber einem Keramikmaterial, wie erforderlich, beschichtet ist. Die Lageranordnung gemäß der Erfindung besitzt somit höhere Wärme- und Korrosionsbeständigkeit als ihr Gegenstück nach dem Stand der Technik, wobei eine Beschädigung des Lagers durch Korrosion auch bei Einsatz in einer korrosiven Umgebung bei hoher oder niedriger Temperatur vermieden werden kann und damit die Betriebslebensdauer des Lagers verlängert sein kann.
Wenn die beschriebene Lageranordnung z. B. in einem Schmelzofen eingesetzt wird, dient das innere Element 10 als feststehende Welle bzw. Achse, während das äußere Element 12 einen auf der feststehenden Achse drehbar gelagerten rotierenden Zylinder bildet. Das äußere Element 12 ist dabei mit Schaufeln oder Flügeln zum Umwälzen der Metallschmelze versehen. Da die Lageranordnung höchst korrosionsbeständig ist, braucht der rotierende Zylinder nicht über den Oberflächenspiegel der Metallschmelze hinaus verlängert zu sein; der rotierende Zylinder und die Schaufeln oder Flügel können dabei durch das Lager auf praktisch dem gleichen Niveau gelagert sein. Die Schaufeln oder Flügel können somit mit einer geringeren Wirbel- oder Schleuderwirkung umlaufen, wobei die Rührwirkung unter Verbesserung der Homogenisierung der Metallschmelze verbessert ist.
Wenn die Lageranordnung in einem Galvanisierbad eingesetzt wird, bilden inneres und äußeres Element 10 bzw. 12 eine rotierende Rolle bzw. ein Lagerelement für die Lagerung der Rolle. In diesem Fall sind das äußere Element 12 und das Lager 20 an jedem Ende der rotierenden Rolle vorgesehen.
Bei Verwendung der Lageranordnung für das Galvanisierbad kann die Betriebslebensdauer des Lagers verlängert sein, so daß ein weniger häufiges Auswechseln des Lagers möglich ist. Der mit dem Auswechseln des Lagers verbundene Zeitverlust kann somit erheblich verringert sein, so daß ein verbesserter Arbeitswirkungsgrad der Galvanisiervorrichtung realisiert wird.

Claims

1. Drehelement-Lageranordnung, umfassend:

ein Außenelement (12) mit einer darin vorgesehenen Bohrung (14), ein in die Bohrung eingesetztes, relativ zum Außenelement drehbares Innenelement (10),

wobei eines der Außen- und Innenelemente ein rotierendes -Element und das andere Element ein Lagerelement zum Lagern des rotierenden Elements bildet, und ein zwischen Außen- und Innenelement eingesetztes, zur drehbaren Lagerung des rotierenden Elements dienendes Wälzlager (20) mit einem auf die Außenumfangsfläche des Innenelements aufgesetzten Innenring (22), einem in die Innenbohrung, dem Innenring gegenüberstehend, eingesetzten Außenring (24), wobei Innen- und Außenringe (22, 24) wärme- und korrosionsbeständig sind, sowie einer Anzahl von abrollbar bzw. abwälzbar zwischen der Außenumfangsfläche des Innenrings und der Innenumfangsfläche des Außenrings angeordneten Wälzelementen (28), wobei die Wälzelemente (28) aus einem durch Heißpressen gesinterten Preßkörper, der hauptsächlich aus Siliziumnitrid besteht, geformt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Heißpreß-Sinterpreßkörper mit Yttriumoxid und Aluminiumoxid sowie

- Aluminiumnitrid oder

- Titanoxid vermischt ist,

2. Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Innen- und Außenringe (10, 12) jeweils aus einem Metallring geformt sind, der auf der gesamten Oberfläche mit einem korrosionsbeständigen Film beschichtet ist.

3. Lageranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der korrosionsbeständige Film aus Vanadiumkarbid oder (einer) Chromlegierung geformt ist.