DE3938644A1 - Sinterkoerper auf der basis von siliciumnitrid zur verwendung in waelzlagern - Google Patents

Sinterkoerper auf der basis von siliciumnitrid zur verwendung in waelzlagern

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Description

Die Erfindung betrifft einen Sinterkörper auf der Basis von Siliciumnitrid zur Verwendung in einem Lager, der verbessert wurde, um insbesondere einem hohen Belastungsdruck effektiv zu widerstehen.
Bei der Herstellung von Kugellagern werden z.B. die Kugeln aus Stahl erzeugt, der ein hohes spezifisches Gewicht auf­ weist. Das Stahllager erzeugt keinen geringen Betrag von Wärme durch eine erhöhte Zentrifugalkraft. Bei seiner Ver­ wendung als Hochgeschwindigkeitslager wird dadurch infolge thermischer Ausdehnung oder plastischer Deformation die Be­ ständigkeit der Dimensionen verringert.
Außerdem ist ein Stahlkugellager anfällig für Korrosion in­ folge chemischer Agenzien, wie flüssige Säuren.
Zur Vermeidung der genannten Nachteile wurden in letzter Zeit die Kugeln der Lager aus Sinterkeramikkörpern auf der Basis von Siliciumnitrid hergestellt.
Keramische Kugeln haben jedoch im Vergleich mit Stahlkugeln eine geringere Festigkeit und Bruchbelastbarkeit. Zum Bei­ spiel haben Stahlkugeln von 9,525 mm Durchmesser eine maxi­ male Bruchbelastbarkeit (JIS B 1501) von 45,8 kN, die kera­ mische Kugel derselben Größe dagegen nur eine maximale Bruchbelastbarkeit im Bereich von 19,6 bis 24,5 kN. Zur Ver­ besserung dieser ungenügenden Bruchbelastbarkeit wird in den JP-OS-63-74 963 und 63-1 06 421 vorgeschlagen, die Menge der Poren in der Keramikkugel zu senken. Jedoch scheint es dabei schwierig zu sein, ein geeignetes Verhältnis zwischen der Menge der Poren und der Bruchbelastbarkeit zu erreichen. Da­ her bleibt das Problem, die Druckbelastbarkeit mittels Ver­ ringerung der Menge der Poren zu erhöhen, noch ungelöst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kugel für ein Kugellager, hergestellt aus einem Sinterkörper auf der Basis von Siliciumnitrid, zur Verfügung zu stellen, deren Bruchbe­ lastbarkeit größer 29,4 kN ist.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche ge­ löst.
Der Sinterkörper wird durch Sintern bei Normaldruck, Warm­ pressen, Gaspressen oder isostatisches Warmpressen herge­ stellt.
Die Methode des isostatischen Warmpressens wird bevorzugt verwendet, um Sinterkörper hoher Dichte mit einem wirkungs­ voll gesteuerten Kornwachstum herzustellen.
Sialon wird ein Äquivalent zu Siliciumnitrid, wenn Aluminium eingesetzt wird. Entsprechend kann anstelle von Silicium­ nitrid der Begriff Sialon verwendet werden. In der folgenden Beschreibung ersetzt Sialon Siliciumnitrid. Es steht jedoch außer Frage, daß Siliciumnitrid ein wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist, wenn Aluminiumoxid (Al2O3) nicht als Zu­ satzagens verwandt wird.
Wenn ein Zusatzagens auf der Basis von Y2O3-Al2O3 verwandt wird, so muß die Sintertemperatur unter 1700°C liegen, um das Kornwachstum einzuschränken. Wenn dagegen ein Zusatz­ agens auf der Basis von Y2O3-MgO eingesetzt wird, so muß die Temperatur unter 1550°C liegen, um das oben erwähnte Korn­ wachstum einzuschränken.
Das einzusetzende Siliciumnitridpulver ist vorzugsweise feinkörnig. Der Grund für den Anteil der Siliciumnitridkom­ ponente von mehr als 70% ist die Kompensation eines Mangels an mechanischer Festigkeit.
Der Sinterkörper enthält mehr als 90% langgestreckte Sili­ ciumnitridteilchen mit einem kleineren Durchmesser (Quer­ schnitt) von weniger als 1 Mikron und mehr als 90% langge­ streckte Siliciumnitridteilchen mit einem größeren Durchmes­ ser (Länge) von weniger als 5 Mikron. Dadurch ist es mög­ lich, einer Kugel von 9,525 mm Durchmesser mit einer Bruch­ belastbarkeit von mehr als 29,4 kN zu versehen. Wenn der Sinterkörper mehr als 10% langgestreckte Silicium­ nitridteilchen mit einem kleineren Durchmesser über 1 Mikron und mehr als 10% langgestreckte Siliciumnitridteilchen mit einem größeren Durchmesser über 5 Mikron enthält, reduziert sich die Bruchbelastbarkeit auf deutlich weniger als 29,400 kN, was im Vergleich zur Stahlkugel mit einer maximalen Bruchbelastbarkeit von 45,8 kN schlechter ist.
Der Grund dafür, warum die relative Dichte des Sinterkörpers auf mehr als 95% festgelegt wird, ist, daß eine Dichte des Sinterkörpers von weniger als 95% die Bruchbelastbarkeit unabhängig von der Mikrostruktur des Sinterkörpers bestimmt.
Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Tabelle nä­ her erläutert.
Anhand der Proben 1 bis 7 wird eine erste Ausführungsform der Erfindung dargestellt. 88 Gew.-% Siliciumnitridpulver (Si3N4) mit einem durchschnittlichen sphärischen Teilchen­ durchmeser von 0,6 Mikron wird über 24 Stunden mittels einer Kugelmühle mit den Additiven 6 Gew.-% Y2O3 und 6 Gew.-% Al2O3 gemischt. Das so gemischte Pulver wird mittels eines Sprühtrocknungsverfahrens unter Zusatz von 6 Gew.-% organi­ schem Bindemittel getrocknet und mittels eines Druckstempels in einen im wesentlichen kugelförmigen Preßling gepreßt.
In diesem Beispiel bildet das Siliciumnitrid eine feste Lö­ sung von Sialon, in der ein Teil des Siliciums (Si) des Si­ liciumnitrids (Si3N4) durch Aluminium (Al) ersetzt wird, während ein Teil des Stickstoffs (N) des Siliciumnitrids (Si3N4) durch Sauerstoff (O) ersetzt wird, wenn Aluminium­ oxid als Zusatzagens verwandt wird. Der Sinterkörper enthält mehr als 90% langgestreckte Sialonteilchen mit einer Quer­ schnittsausdehnung von weniger als 1 Mikron und mehr als 90% langgestreckter Sialonteilchen mit einer Länge von weniger als 5 Mikron. Der kugelförmige Preßling wird mit einem Druck von 2 × 103 bar isostatisch kaltgepreßt und in einen kugel­ förmigen Körper von ungefähr 12 mm Durchmesser überführt. Der kugelförmige Körper wird entfettet und bei einem Druck von 1 bar bei 1600°C während 2 Stunden unter Stickstoff­ gasatmosphäre vorgesintert, um so einen Vorsinterkörper mit einer relativen Dichte von 93% zu erhalten.
Der vorgesinterte Körper wird unter den Bedingungen, die in der Tabelle dargestellt werden, ein zweites Mal gesintert, um einen feinkörnigen Körper zu bilden. Der feinkörnige Kör­ per wird mit einer Schleifeinrichtung bearbeitet, um eine Kugellagerkugel mit einem Kugeldurchmeser von 9,525 mm und einer Oberflächenrauhigkeit von 0,01 µm in Richtung des Ra­ dius zu erzeugen. Die Kugel wird als Probe den folgenden Un­ tersuchungen ausgesetzt:
  • 1) Relative Dichte: Nach dem Archimedes-Prinzip.
  • 2) Analyse der Ausdehnung der Siliciumnitridteilchen (Si3N4): Die Ausdehnung und Menge der Teilchen wurden be­ rechnet anhand der Abbildung der Querschnittsstruktur mittels Rasterelektronenmikroskopie.
  • 3) Bruchbelastbarkeit: Bestimmung eines Durchschnittswertes mittels Berechnung von Zehnpunkt-Messungen (JIS B 1501).
Wie man durch Vergleichen der Proben 1 bis 7 mit den Proben 5 bis 7 der Tabelle erkennt, wird entsprechend der erfin­ dungsgemäßen Ausführungsform bei den Proben 1 bis 4 eine Bruchbelastbarkeit von mehr als 29,4 kN unabhängig von der Anzahl der Poren und der Kugeldichte erreicht.
Andererseits ist die Bruchbelastbarkeit der Vergleichsproben (Proben 5 bis 7) eindeutig geringer als 29,4 kN, welches im Vergleich zur Stahlkugel mit einer maximalen Druckbelastbar­ keit von 45,8 kN schlechter ist.
In einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform (Proben 8 bis 11) werden 88 Gew.-% Siliciumnitridpulver (Si3N4) mit einem durchschnittlichen sphärischen Durchmesser von 0,6 Mikron über 24 Stunden mittels einer Kugelmühle mit den Additiven 6 Gew.-% Y2O3 und 6 Gew.-% MgO gemischt. Das so gemischte Pulver wird durch ein Sprühtrocknungsverfahren unter Zusatz von 6 Gew.-% organischem Bindemittel getrocknet und in einen im wesentlichen kugeligen Preßling mittels eines Druckstempels gepreßt. Der kugelförmige Preßling wird mit einem Druck von 2 × 103 bar isostatisch kaltgepreßt und in einen kugelförmigen Körper von 12 mm Durchmesser über­ führt. Der kugelförmige Körper wird entfettet und bei einem Druck von 1 bar über 1500°C während 2 Stunden unter Stick­ stoffgasatmosphäre vorgesintert, um so einen Vorsinterkörper mit einer relativen Dichte von 92% zu erhalten.
Der vorgesinterte Körper wird zum zweiten Mal unter den Be­ dingungen, die in der Tabelle dargestellt werden, gesintert, um einen feinkörnigen Körper zu bilden. Die Kugel dient als Probe, um Untersuchungen in derselben Weise, wie oben an der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform dargestellt wurde, durchzuführen.
Gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform wurde gefunden, daß der Belastungsdruckwiderstand in einem solchen Maße ver­ bessert wurde, daß er sich im wesentlichen dem der Stahlku­ gel annähert, wie bei den Proben 8 und 9 zu sehen ist. Es wird bemerkt, daß die Proben 10 und 11 Vergleichsproben dar­ stellen.
Die Erfindung kann wirkungsvoll bei der inneren und äußeren Belegung eines Lagers angewandt werden. Anstelle eines Ku­ gellagers kann auch ein Rollenlager verwendet werden.
Tabelle

Claims (3)

1. Sinterkörper auf der Basis von Siliciumnitrid für Wälzla­ ger, enthaltend mehr als 70 Gew.-% Siliciumnitrid (Si3N4) und ein Zusatzagens von weniger als 30 Gew.-% mit einer relativen Dichte von mehr als 95% des Sinterkörpers, wo­ bei der Sinterkörper mehr als 90% langgestreckte Sili­ ciumnitridteilchen mit einer Nebenachse (Querschnitt) von weniger als 1 Mikron und mehr als 90% langgestreckte Si­ liciumnitridteilchen mit einer Hauptachse (Länge) von we­ niger als 5 Mikron enthält.
2. Sinterkörper nach Anspruch 1, wobei das Zusatzagens ge­ eignet kombinierte Komponenten, ausgewählt aus der Gruppe von Oxiden seltener Erden, wie Yttriumoxid (Y2O3), aus Metalloxiden, wie Aluminiumoxid (Al2O3), Magnesiumoxid (MgO) und Zirkonoxid (ZrO2), aufweist.
3. Sinterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Aluminiumoxid als Zusatzagens anstelle von Siliciumnitrid (Si3N4) eine feste Lösung von Sialon tritt, indem ein Teil des Siliciums (Si) des Silicium­ nitrids (Si3N4) durch Aluminium (Al) ersetzt wird, wäh­ rend ein Teil des Stickstoffs (N) des Siliciumnitrids (Si3N4) durch Sauerstoff (O) ersetzt wird.
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