DE68908078T2 - Keramische Lagerteile und Methode zu deren Herstellung. - Google Patents
Keramische Lagerteile und Methode zu deren Herstellung.Info
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf keramische Bauelemente und auf Verfahren für die Herstellung derselben und bezieht sich insbesondere auf keramische Lagerbausteine, welche verschleißfest sind und z.B. eine Gleit- und/oder Wälzfunktion oder eine andere Lagerwirkung haben, wie beispielsweise Gleit- oder Kugellager, Nocken für z.B. Motoren-Nockenwellen.
- In den jüngsten Jahren sind wegen der ausgezeichneten Eigenschaften keramischer Werkstoffe, wie beispielsweise Verschleißfestigkeit, Wärmebeständigkeit und Säurebeständigkeit, Versuche unternommen worden, um sie als Gleitelemente verschiedener Typen anzuwenden. Beispielsweise hofft man, Kugellager, die aus keramischem Material hergestellt sind, bei verschiedenen Typen von Maschinenanlagen zu verwenden. Im Vergleich zu Kugellagern, die aus Metall hergestellt sind, tritt bei keramischen Lagern selbst dann kein Fressen auf, wenn während des Betriebes Schmieröl verlorengeht, und keramische Lager haben eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber Verschleiß. Bisher wurden keramische Werkstoffe, die solche Gleitelemente bildeten, hauptsächlich aus Siliziumnitrid-, Siliziumkarbid-, Tonerde- oder Titannitrid-Keramikwerkstoffen wegen der ausgezeichneten mechanischen Festigkeit derselben hergestellt. Desgleichen sind verschiedene Verfahren der Hestellung von Lagerbausteinen unter Verwendung dieser keramischen Materialien in die Praxis überführt worden. Beispielsweise wurden zuallererst Kugellager dadurch gebildet, daß man das vorgeschriebene keramische Rohmaterialpulver mit einem Bindemittel mischte und die Mischung durch vorgegebene Mittel formte. Dieses Produkt wurde dann gesintert, und dann wurde eine notwendige anschließende Verarbeitung ausgeführt.
- Bei Lagerbausteinen, wie beispielsweise Kugellagern, die man mittels dieses konventionellen Verfahrens erhält, hat sich nach einer kurzen Nutzungsperiode herausgestellt, daß oft ein Absplittern von Material an der Oberfläche des Kugellagers auftritt. Ein solches Absplittern ist für ein keramisches Gleitelement fatal, verursacht Probleme bei der Stabilität von Qualität und Zuverlässigkeit des Bauelements.
- EP-A-0 231 130 beschreibt ein keramisches Siliziumnitrit-Bauelement, bei welchem die Menge an metallischem Bestandteile der aus Eisen, Aluminium, Kalzium und Magnesium besteht, 500 ppm oder geringer ist.
- Diese Erfindung wurde nach Erwägung der vorstehenden Probleme des bisherigen Standes der Technik gemacht. Ihr Gegenstand ist, für ein keramisches Lagerelement, ein Herstellungsverfahren dafür und eine Vorrichtung, die ein Lagerbauelement und eine Lagerbaueinheit umfaßt, zu sorgen, wobei das Bauelement eine stabile Qualität hat, um mögliche Mängel, wie beispielsweise ein Absplittern, auf ein Mindestmaß herabzusetzen.
- Ein keramisches Bauelement entsprechend dieser Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß es ein Wälzlager ist und daß der metallische Bestandteil mehr als eines der folgenden Elemente umfaßt: Fe, Ni, Cr und W.
- Weiterhin kann das Herstellungsverfahren eines keramischen Gleitelements entsprechend dieser Erfindung die Umwandlung eines keramischen Rohmaterialpulver; in eine Schlämpe, das Granulieren der Schlämpe, das Formen der Schlämpe in die vorgeschriebene Gestalt und dann das Sintern des geformten Produkts umfassen. Als Teil des Verfahrens werden metallische Bestandteile bei mindestens einem dieser Schritte im wesentlichen entfernt.
- Damit die Erfindung veranschaulicht und leicht in die Praxis umgesetzt werden kann, werden jetzt bevorzugte Ausführungsformen derselben nur in Form eines Beispiels unter Verweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, bei welchen:
- Fig. 1 eine Schnittansicht einer Prüfmaschine für die Durchführung einer Wälz-Lebensdauermessung ist.
- Es wurden Untersuchungen ausgeführt, bei welchen die Oberfläche von Gleitelementen, bei denen ein Absplittern während des Betriebs aufgetreten war, unter Verwendung eines Röntgenstrahlen- Mikroanalysators analysiert wurde. Das Ergebnis war, daß eine geringe Menge Eisen (Fe) in den Bereichen des Absplitterns festgestellt wurde. Unter Beachtung dieser Tatsache zeigten weitere Untersuchungen, daß das unvermeidliche Vorhandensein von Eisen in dem keramischen Rohmaterial eine Art Aggregationserscheinung, bei der diese Eisenkörner kernbildend wirkten, beim Sintern verursachte. Dies führte zur Bildung von Agglomeraten von ungefähr 30 bis 100 µm in der Oberflächenschicht. Diese seigerten an der Oberfläche des Bauelements. Diese Agglomerate hatten eine nennenswerte Tendenz zu einem Abspalten und Abtrennen als Sinter unter mechanischer Beanspruchung, was die Qualität des Lagerelements herabsetzte.
- Diese Erfindung basiert auf der vorstehenden Feststellung. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß positive Schritte unternommen werden, um einen wesentlichen Teil und möglicherweise den Hauptteil metallischer Bestandteile zu entfernen, die unvermeidlich in dem keramischen Material vorhanden sind, was ein Absplittern wie vorstehend beschrieben, verursacht. Es sollte vermerkt werden, daß das vorstehend beschriebene Absplittern bei der Oberflächenschicht des Bauelements nicht nur mit Eisen auftritt, sondern auch mit anderen metallischen Bestandteilen, wie beispielsweise Cr, Ni und W und auch bei Vorhandensein von Metallverbindungen, wie beispielsweise WC, auftreten kann. Solche Metallverbindungen sind folglich als "metallische Bestandteile" innerhalb des Geltungsbereichs der Erfindung eingeschlossen.
- Konventionelle keramische Materialien können als keramisches Material für keramische Lagerbausteine dieser Erfindung verwendet werden. Speziell können je nach Anwendung Siliziumnitrit, Siliziumkarbid, Tonerde oder keramische Titannitritmaterialien oder Mischungen derselben verwendet werden.
- Wenn das keramische Lagerelement dieser Erfindung hergestellt wird, dann wird gewöhnlich ein Verfahren angenommen, bei welchem man den keramischen Lagerbaustein durch Umwandlung des keramischen Rohmaterialpulvers in Schlämpenform, ein Granulieren desselben, ein Formen zu der vorgeschriebenen Gestalt und dann ein Sintern erhält. Ein Entfernen des metallischen Bestandteile auf den spezifizierten Restwert kann bei mindestens einem dieser Schritte durchgeführt werden
- Ein positives Entfernen des metallischen Bestandteils kann beispielsweise nach dem Umwandeln des keramischen Pulver-Rohmaterials in Schlämpenform, durch ein Filtern dieser Schlämpe unter Verwendung eines eingebauten Siebfilters d.h. eines, das mit einem Magneten verbunden ist, durchgeführt werden.
- Desgleichen können entsprechend der Erfindung metallische Bestandteile im Rohmaterialstadium vor der Umwandlung des keramischen Rohmaterialpulvers in Schlämpenform dadurch entfernt werden, daß man das keramische Rohmaterialpulver mit einen Magneten in Kontakt bringt.
- Mindestens eines der vorstehend beschriebenen Verfahren wird vorzugsweise bei diesem Verfahren durchgeführt, oder es können zwei oder mehr solcher Verfahren kombiniert werden. Bei dieser Erfindung werden metallische Bestandteile in dem keramischen Material unter Verwendung dem vorstehend erwähnten Verfahren im wesentlichen "beseitigt". Um das im Vorstehenden beschriebene Abspalten im wesentlichen zu unterdrücken, wird bevorzugt, daß der Gehalt an metallischen Bestandteilen, die in dem Material nach dem Entfernen verbleiben, auf einen Wert von weniger als 3500 ppm und noch stärker vorzugsweise auf weniger als 300 ppm beschränkt wird.
- Insbesondere wird bevorzugt, daß der Gehalt an Eisen auf einen Wert von weniger als 2000 ppm und noch stärker vorzugsweise auf weniger als 200 ppm beschränkt wird.
- Die Erfindung wird nachstehend unter Verweis auf tatsächliche Herstellungsbeispiele beschrieben.
- Ein keramisches Rohmaterialpulver wurde in folgenden Gewichtsverhältnissen hergestellt: Si&sub3;N&sub4;: 100 Teile, Y&sub2;O&sub3;: 5 Teile, Al&sub2;O&sub3;: 4 Teile, AlN: 3 Teile und TiO: 1,5 Teile. Die Rohmaterialschlämpe wurde dann durch Mischer mit einer Flüssigkeit und einem Bindemittel und Rühren hergestellt.
- Dann wurde die Schlämpe unten Verwendung eines Siebs mit einem an dessen Umfang montierten Magneten gefiltert. Danach wurde dieses Filtrat mit Hilfe des Sprühtrocknungsverfahrens granuliert, und die erhaltenen Granulate wurden unter Druck geformt. Danach wurde das Bindemittel, das zugesetzt worden war, durch Erhitzen in einem Elektroofen zersetzt und sublimiert, und dann wurde ein Sintern durchgeführt. Ein Lagerbaustein (Kugellager), bei welchem der Eisengehalt unter 2000 ppm herabgesetzt worden war, wurde erhalten, indem man das gesinterte Produkt irgendeiner schleifenden maschinellen Bearbeitung in Übereinstimmung mit den Erfordernissen unterzog.
- Die Wälz-Lebensdauer der Kugellager der Erfindung, die man auf diese Weise erhielt und konventioneller Kugellager wurde gemessen (wie aus Fig. 1 zu ersehen). Die Lebensdauer der konventionellen Kugellager betrug im Durchschnitt 400 Stunden bei einem Minimum von 50 Stunden. Jedoch betrug im Fall der Kugellager dieser Erfindung der Durchschnitt 450 Stunden bei einem Minimum von 300 Stunden. Messungen wurden unter folgenden Bedingungen durchgeführt: Belastung 400 kg, Drehzahl 1200 min&supmin;¹, Kugeldurchmesser 10 mm, wobei die Kugellager (3) auf einer Scheibe 2 aus SUJ-2*, die oben auf der Achse 1 befestigt war und einer Scheibe 5 aus SUJ-2* befestigt war und in dem Halteteil 4 rollten. Wie man aus den Ergebnissen der vorstehend beschriebenen Wälz-Lebensdauermessung ersehen kann, zeigt das keramische Gleitelement dieser Erfindung eine nennenswerte Verminderung bei der Änderung der Wälz-Lebensdauer, was eine drastische Verbesserung bei der Qualität bedeutet.
- Es wurden drei Arten Kugellager unter Verwendung desselben Materials und unter Anwendung desselben Verfahrens wie bei Ausführungsform 1 (Fig. 1) hergestellt. Wie in Tabelle 1 gezeigt, können die Mengen der metallischen Bestandteile und des Eisenbestandteils derselben erhalten werden. Die Wälz-Lebensdauer von Kugellagern der Erfindung wurde gemessen. Die Messung wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt: Belastung 400 kg, Drehzahl 1200 min&supmin;¹, Kugeldurchmesser 10 mm, wobei die Kugellager (3) auf einer Scheibe 2 auf SUJ-2, die oben auf der Achse 1 befestigt war und einer Scheibe 5 aus SUJ-2 und in der Halterung 4 rollten. Tabelle 1 Menge metall. Best. Menge Fe-Best. Wälz-Lebensdauer maximal minimal Mittel Anzahl Versuche (Vergleich)
- Wie man aus den in Tabelle 1 beschriebenen Ergebnissen der Wälz- Lebensdauermessungen ersehen kann, kann in wirksamer Weise verhütet werden, daß bei keramischen Lagerbausteinen ein Abspalten auf der Oberfläche des gleitenden Elements auftritt, wodurch man eine in unerwarteter Weise verbesserte Stabilität der Erzeugnisqualität erhält.
- * SUJ-2 ist ein hochlegierter Kohlenstoff-Chrom-Lagerstahl, der im japanischen Industriestandard J1S G 4805 beschrieben ist.
Claims (14)
1. Lagerbaustein, der aus keramischem Material gebildet wird,
das einen Gehalt an metallischen Bestandteilen in einer
Menge von 3500 ppm oder weniger hat, dadurch gekennzeichnet,
daß es sich um ein Wälzlager handelt und daß der Gehalt an
metallischen Bestandteilen mehr als eines der folgenden
Elemente umfaßt: Fe, Ni, Ci und W.
2. Lagerbaustein nach Anspruch 1, bei welchem die metallischen
Bestandteile beinhalten: Fe, Ni, Cr und W.
3. Lager nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Menge des
Gehalts an metallischen Bestandteilen 300 ppm oder geringer
ist.
4. Lager nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, bei
welchem der Gehalt an metallischen Bestandteilen Eisen
einschließt, das in Mengen von weniger als oder gleich 2000 ppm
vorhanden ist.
5. Lager nach Anspruch 4, bei welchem das Eisen in einer Menge
von weniger als oder gleich 200 ppm vorhanden ist.
6. Lager nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüchet, bei
welchem das keramische Material Siliziumnitrit umfaßt.
7. Lager nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, in der
Form eines Kugellagers.
8. Vorrichtung, die einen Lagerbaustein umfaßt, wobei
mindestens ein Lager darin Lager umfaßt, wie es in
irgendeinem der vorstehenden Ansprüche beansprucht wird oder die
eine Lagerbaueinheit umfaßt, wie sie in Anspruch 14
beansprucht wird.
9. Verfahren für die Herstellung eines keramischen
Wälzlagerbausteins, welches umfaßt:
das Umwandeln von keramischem Rohmaterialpulver in eine
Schlämpenform, das Granulieren der Schlämpe, ein Formen der
Schlämpe zu einer gewünschten Gestalt und ein Sintern, um
den Wälzlagerbaustein zu erhalten, wobei das Verfahren einen
Entfernungsschritt einschließt, durch welchen metallische
Bestandteile, die mindestens eines der Elemente Fe, Ni, Cr
und W umfassen, auf einen Restwert von 3500 ppm oder weniger
in dem Lagerbaustein entfernt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem nach Umwandlung des
keramischen Rohmaterialpulvers in eine Schlämpe diese
Schlämpe mit Hilfe eines Siebs gefiltert wird, das mit einem
Magneten verbunden ist, wodurch der metallische Bestandteil
in der Schlämpe entfernt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei welchem vor dem
Umwandlung des keramischen Rohmaterialpulvers in eine Schlämpe
das keramische Rohmaterialpulver mit einem Magneten in
Kontakt gebracht wird, so daß der metallische Bestandteil in
dem keramischen Rohmaterialpulver dadurch selektiv entfernt
wird.
12. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 11, bei
welchem nach dem Granulieren der Schlämpe das Granulat mit
einem Magneten in Kontakt gebracht und dadurch der
metallische Bestandteil aus dem Granulat entfernt wird.
13. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 12,
angewendet auf die Herstellung eines Lagerbausteins, wie er in
irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7 beansprucht wird.
14. Lagerbaueinheit, die eine Vielzahl zusammengebauter
Lagerbausteine umfaßt, wie sie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis
7 beansprucht werden.
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1989
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