-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Kugeln für Kugellager des Typs, die
zum Beispiel in Computer-Festplattenlaufwerken,
Halbleiterscheiben-Übertragungsvorrichtungen
und anderen Vorrichtungen verwendet werden, die einen schwach vibrierenden
Betrieb benötigen.
-
Lagervorrichtungen,
die Kugeln oder Rollen verwenden, die zwischen äußeren und inneren Laufrollen angeordnet
sind, finden eine verbreitete Verwendung für den gleichmäßigen Lauf
von drehbaren Komponenten in der Ausrüstung der verschiedenartigsten
Größen von
der Schwerindustrieausrüstung
bis zu elektronischen Vorrichtungen. Traditionell wurden derartige
Kugeln für
Kugellager und Rollen aus Stahl hergestellt, doch in den letzten
Jahren wurden ebenfalls keramische Werkstoffe, wie zum Beispiel
Siliziumnitrid verwendet. Die US-Patentschrift Nr. 5,642,947 beschreibt
ein Verfahren, um das Leben eines Stahl-Kugellagers zu verlängern, indem
seine Fähigkeit, Ölfilme zu
bilden, verbessert wird.
-
Zuvor
waren Stahl und Super-Stahl der beste Werkstoff für Kugeln
für Kugellager,
zum Beispiel in Festplattenlaufwerken für Computer. Mit den Verbesserungen
in der Computerleistung wurden jedoch höhere Umdrehungsfrequenzen gefordert
und dementsprechend wurde es notwendig, keramische Werkstoffe (Kugel-Herstellungs-Werkstoff) für die Herstellung
der Kugeln für
Kugellager zu verwenden. Die US-Patentschrift Nr. 5,485,331, Dunfield
et al., herausgegeben am 16. Januar 1996, beschreibt und veranschaulicht
einen Festplattenlaufwerktyp, der Keramikkugeln für Kugellager
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 aufnimmt. Diese Patentschrift weist jedoch keine
Offenbarung von Keramikkugeln mit allen Merkmalen von Anspruch 1
weiter unten.
-
Da
die Dichte von keramischen Werkstoffen generell niedriger als die
von Stahl ist, ist das Gewicht und folglich der Reibungswiderstand
von Keramikkugeln für
Kugellager entsprechend niedriger. Und da der Wärmeausdehnungskoeffizient keramischer
Werkstoffe niedriger als der von Stahl ist, kann die dimensionale Genauigkeit
verbessert werden. Ein keramischer Werkstoff weist ebenfalls den
Vorteil auf, weniger Schmiermittel zu benötigen.
-
Die
alleinige Auswahl eines keramischen Werkstoffes für eine Kugel
für Kugellager
reicht jedoch nicht unbedingt von sich aus. In einem Computer-Festplattenlaufwerk
stellen unregelmäßige Lagervibrationen
beim Speichern (Schreiben) und Lesen von Daten zum Beispiel einen
potentiell fatalen Leistungsnachteil dar. Kugeln für ein derartiges
Lager erfordern demgemäß eine größere Leistungsgenauigkeit
als die der Kugeln für Kugellager,
die zum Beispiel in einer Werkzeugmaschine verwendet werden.
-
Die
vorliegende Erfindung hat das Ziel, eine Keramikkugel für Kugellager
bereit zu stellen, die fähig ist,
dem unregelmäßigen Vibrieren
zum Beispiel eines Festplattenlaufwerkes, das sie aufnimmt, vorzubeugen.
-
Erfindungsgemäß wird eine
Keramikkugel für
Kugellager bereit gestellt, die eine Sphärizität von weniger als 0,08 μm, eine Oberflächenrauheit
von weniger als 0,012 μm
und eine maximale Oberflächenporengröße von 5 μm umfasst.
-
Eine
erfindungsgemäße Keramikkugel
für Kugellager
mit den vorgenannten Merkmalen weist eine hervorragende Oberflächebedingung
und hohe dimensionale Genauigkeit auf. Wenn eine derartige Keramikkugel
für Kugellager
zum Beispiel in einem Lager in einem Computer-Festplattenlaufwerk verwendet wird,
tritt demgemäß selten unregelmäßiges Lagervibrieren
auf, so dass das Schreiben und Lesen von Daten genau und sicher
erreicht werden kann. Die Erfindung wird im Folgenden nur als Beispiel
und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschreiben.
Es zeigen:
-
1 eine
erläuternde
Sicht, die die maximalen Porengrößen zeigt;
und
-
2 eine
erläuternde
Sicht, die die Laborausrüstung
zum Bestimmen der Vibrationsniveaus zeigt.
-
Die
Sphärizität, Oberflächenrauheit
und maximale Porengröße können wie
folgt gekennzeichnet sein.
-
1. Sphärizität:
-
Die
Spezifikationen über
Stahlkugeln für
Kugellager gemäß JIS B1501
werden für
die erfindungsgemäßen Keramikkugeln
für Kugellager
verwendet. Sphärizität wird demgemäß durch
das Messen von zwei oder drei äquatorialen
Dimensionen an gegenseitigen rechten Winkeln bestimmt, und dies
unter Verwendung eines Instruments, das maximale Radialabstände zwischen
den jeweiligen umschriebenen Kreisen und der Kugeloberfläche misst.
-
2. Oberflächenrauheit:
-
Die
Spezifikationen über
Stahlkugeln für
Kugellager gemäß JIS B1501
werden ebenfalls für
die erfindungsgemäßen Keramikkugeln
für Kugellager
verwendet. Oberflächenrauheit
wird demgemäß als der
arithmetische Mittelrauhwert bestimmt, und dies durch das Messen
einer äquatorialen
Oberfläche
einer Keramikkugel für
Kugellager mit einem Messinstrument, das dem Typ entspricht, das
in JIS B 0651 vorgesehen ist (Tracer Typ Oberflächenrauheits-Messinstrument).
-
3. Maximale Porengröße:
-
Die
maximale Porengröße ist der
größte Porendurchmesser,
wie er in 1 der Zeichnungen gezeigt wird,
von Poren, die an der Oberfläche
der Keramikkugel für
Kugellager ausgesetzt sind, und der größte Durchmesser der größten Pore,
wenn mehrere derartige Poren bestehen. Die Messung der maximalen
Porengröße kann
zum Beispiel durch das Verwenden des Bildes von der Oberfläche der
Keramikkugel für
Kugellager ausgeführt
werden, das zum Beispiel von einem metallurgischen Mikroskop oder
einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen wird.
-
Die
erfindungsgemäße Keramikkugel
für Kugellager
verfügt
vorzugsweise über
eine maximale innere Porengröße von weniger
als 5 μm.
-
Es
gilt, dass, wenn eine Keramikkugel für Kugellager Poren aufweist,
diese Poren nicht nur an der Oberfläche davon, sondern auch in
einem inneren Abschnitt davon bestehen. Wenn die Form und Größe der Keramikkugel
für Kugellager
durch das Polieren der Kugel justiert oder geregelt werden, sind
demgemäß die Poren
im inneren Abschnitt davon zwangsläufig der Oberfläche ausgesetzt.
-
Vorzugsweise
ist Siliziumnitrid als Hauptbestandteil der Keramikkugel für Kugellager
verwendet, wodurch sie der Kugel vorteilhafte Eigenschaften wie
Härte,
Gewicht und Reibungsverlust verleiht. Es können ebenfalls andere keramische
Werkstoffe verwendet werden, zum Beispiel Aluminiumoxid, SiC, Zirconiumdioxid,
Verbundwerkstoffe aus Aluminiumoxid Zirconiumdioxid und Kerametall.
-
Im
Folgenden wird ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Keramikkugel für Kugellager
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
-
Die
Keramikkugel für
Kugellager in dieser Ausführungsform
weist als ihr Hauptbestandteil Siliziumnitrid auf, und die Keramikkugel
umfasst zum Beispiel 94 Gew.% Siliziumnitrid, 3 Gew.% Aluminiumoxid
und 3 Gew.% Yttriumoxid. Diese Keramikkugel für Kugellager ist ein gleichmäßige Kugel
mit einem Durchmesser von zum Beispiel 2 mm, die eine Sphärizität von weniger
als 0,08 μm,
zum Beispiel 0,02 μm,
eine Oberflächenrauheit
von weniger als 0,012 μm,
zum Beispiel 0,001 μm,
und eine maximale Oberflächenporengröße von weniger
als 5 μm,
zum Beispiel 2 μm
umfasst.
-
Der
Rohstoff für
die Keramikkugel für
Kugellager ist als ein Schlamm zubereitet, der durch das Mischen
von 1–10
Gewichtsteilen Sinterhilfspuder (zum Beispiel eine Mischung aus
Aluminiumoxid und Yttriumoxid) mit 100 Gewichtsteilen Siliziumnitridpuder
erhalten wird, und dadurch, dass die daraus entstehende Mischung
einer Nassmischung (oder Nassmischungs-Feinmahlung) in einer Kugelmühle oder
einem Attritor unterzogen wird, wobei zum Beispiel Reinwasser als
ein Solvens verwendet wird.
-
Dieser
Schlamm wird daraufhin in eine Rohpuderzubereitungsvorrichtung gegeben,
die zum Beispiel dem Typ entspricht, der in der japanischen Patentschrift
Nr. 290798/1998 gezeigt wird, um Rohpuder zuzubereiten. Der somit
zubereitete Rohpuder wird mit einer bekannten Walz/Granulationsvorrichtung
in eine kugelförmige
Form geformt (granuliert). Die kugelförmig geformten Körper, die
durch den Granulationsprozess erhalten werden, werden durch regelmäßiges Gasdrucksintern
oder Heißflüssigkeitssintern
gesintert, um kugelförmig
gesinterte Körper
aus Siliziumnitrid zu erhalten.
-
In
einem alternativen Verfahren wird der weiter oben beschriebene Schlamm
durch Sprühtrocknung
in Rohpuder gebildet, und der Rohpuder wird in kugelförmige Körper durch
Verwenden einer bekannten Metallpresse geformt. Die kugelförmig geformten
Körper
werden regelmäßigem Gasdrucksintern
oder Heißflüssigkeitssintern
unterzogen, um kugelförmig
gesinterte Körper
aus Siliziumnitrid zu bilden.
-
Die
Größe der Poren
in den gesinterten Körpern
wird durch das Kontrollieren des Typs und der Menge der Sinterhilfe,
von Sintertemperatur und -druck, und der durchschnittlichen Partikelgröße des Rohstoffs
geregelt. Wenn zum Beispiel die Menge der Sinterhilfe und Sintertemperatur
und -druck mit klein gehaltener durchschnittlicher Partikelgröße des Rohstoffs
erhöht
werden, wird die Verdichtung des Rohstoffs beim Sintern erheblich
gefördert,
so dass die Poren im Allgemeinen klein sind.
-
Demgemäß sind die
Sinterhilfe und die Sinterbedingungen derart geregelt, dass eine
maximale Porengröße der inneren
Abschnitte (die nach der Vollendung des Polierens in Oberflächenporen
wechseln) der gesinterten Körper
nicht mehr als 5 μm
umfasst.
-
Die
somit erhaltenen Durchmesser, Sphärizität und Oberflächenrauheit
der gesinterten Körper
sind geregelt, in dem die gesinterten Körper derart dem Polieren unterzogen
werden, dass Keramikkugeln für
Kugellager aus Siliziumnitrid mit einem Durchmesser von weniger
als 4 mm gebildet sind.
-
Die
somit hergestellten Keramikkugeln für Kugellager umfassen eine
Sphärizität von weniger
als 0,08 μm,
eine Oberflächenrauheit
von weniger als 0,012 μm
und eine maximale Oberflächenporengröße von weniger
als 5 μm.
-
Wenn
diese Keramikkugeln für
Kugellager in einem Lager zum Beispiel in einem Festplattenlaufwerk von
einem Computer verwendet sind, treten unregelmäßige Vibrationen selten auf,
so dass das Schreiben und Lesen von Daten genau und sicher ausgeführt werden
kann.
-
Beispiele
-
Im
Folgenden werden Details von Experimenten beschrieben, die ausgeführt wurden,
um die Vorteile der vorliegenden Erfindung zu ermitteln.
-
Mittels
hydrostatischem Heißpressen
wurden Kugeln aus gesinterten Körpern
mit Siliziumnitrid als ein Hauptbestandteil hergestellt. Die Sinterhilfe(n)
und Kalzinierungsbedingungen wurden derart variiert, dass die Größen der
inneren Poren der Kugeln im Bereich der Erfindung variierten. Diese
gesinterten Kugeln wurden daraufhin derart poliert, dass sie die
Sphärizität und Oberflächenrauheit
aufwiesen, die in der Tabelle 1 weiter unten angegeben sind, um
die Keramikkugeln für
Kugellager der Proben Nr. 1–10
zu erhalten, die in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen.
-
Auf
dieselbe Weise wurden gesinterte Kugeln als Vergleichsbeispiele
hergestellt, wobei die Sinterhilfe(en) und Kalzinierungsbedingungen
derart variiert wurden, dass sie verschiedene Porendurchmesser aufwiesen.
Diese Kugeln wurden daraufhin derart poliert, dass sie die Sphärizität und Oberflächenrauheit
aufwiesen, die in der Tabelle 1 weiter unten angegeben sind, um
Keramikkugeln für
Kugellager der Proben Nr. 11–16 zu
bilden, die nicht in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen.
-
Die
Keramikkugeln für
Kugellager wurden geschnitten und maximale Porengrößen in den
davon geschnittenen Oberflächen
wurden gemessen. Die Ergebnisse sind ebenfalls in der Tabelle 1
angegeben. Wenn die Oberflächen
der Kugeln poliert sind, sind die Poren in den inneren Abschnitten
davon nach Außen
ausgesetzt und die maximalen Größen der
inneren Poren und diejenigen der Oberflächenporen wurden als gleich angesehen.
-
Diese
Keramikkugeln für
Kugellager 1 wurden zwischen äußeren und innern Laufrollen 2, 3,
wie in 2 gezeigt wird, angeordnet, um Kugellager zu bilden,
und die innere Laufrolle 3 von jedem Lager wurde gedreht,
wobei die äußere Laufrolle 2 fest
war, um akustische (Vibrations-)Tests auszuführen. Die Intensität des Geräusches,
das auftrat, wenn die innere Laufrolle um 5000–10000 U/Min. gedreht wurde,
wurde an der äußeren Laufrolle 2 durch
einen Sensor (Mikrofon) 4 aufgenommen, um zu untersuchen,
ob der Ausgangspegel einen vorbestimmten zulässigen Bereich (d.h. 30 dB) überstieg,
wodurch bestimmt wurde, ob jede Keramikkugel für Kugellager 1 angemessene
Oberflächenmerkmale
und -genauigkeit aufwies. Die Ergebnisse werden ebenfalls in der
Tabelle 1 angegeben. In der Tabelle 1 sind die Proben, deren Geräuschintensität nicht
größer als
30 dB ist, mit 0 (zufrieden stellend) markiert, und die Proben,
deren Geräuschintensität größer als
30 dB ist, mit X (fehlerhaft).
-
-
Die
Tabelle 1 zeigt deutlich, dass ermittelt wurde, dass Kugellager,
die die Keramikkugeln für
Kugellager (Proben Nr. 1–10)
im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwenden, wenig Vibration
hervorrufen und geeignet sind, um zum Beispiel in einem Festplattenlaufwerk
von einem Computer verwendet zu werden. Sie können beispielsweise auch in
einem Festplattenlaufwerk-Tragarm verwendet werden. Andererseits
erfüllen die
Kugellager, die Kugeln von Vergleichsbeispielen (Proben Nr. 11–16) verwenden,
nicht die Bedingungen der vorliegenden Erfindung, so dass sie viel
Vibration hervorrufen und nicht geeignet sind.
