NL1003136C2 - Wentellager met een zirconiummateriaal. - Google Patents

Description

Wentellager met een zirconium materiaal

De uitvinding betreft een wentellager omvattende een buitenring 5 en een binnenring die een lagerruimte insluiten welke wentelelementen bevat die in rollend contact zijn met de loopbanen van beide ringen.

Dergelijke wentellagers zijn algemeen bekend, en kunnen zijn uitgevoerd als bijvoorbeeld groefkogellagers, tonlagers of kegellagers, naaldlagers en dergelijke. Over het algemeen gedragen 10 deze soorten lagers zich naar behoren. Onder veeleisender toestanden, zoals in het geval van marginale smering, extreme temperaturen en trillingen, zijn verdere verbeteringen noodzakelijk.

In dit verband is voorgesteld om keramische materialen toe te passen voor de ringen en/of wentelelementen, zoals siliciumnitride, 15 siliciumcarbide, aluminiumoxyde of cermets. Gewoonlijk worden die materialen toegepast in combinatie met de normale staaldelen.

In bepaalde zeer specifieke toepassingen, in het bijzonder siliciumnitride kogels voor precisielagers (draaibanken) voor hoge snelheden zijn hybride lagers (keramische kogels en stalen ringen) met 20 succes toegepast. De lage dichtheid en de hoge rigiditeit of stijfheid van het siliciumnitride speelt een zeer belangrijke rol in het reduceren van de op de kogels werkende centrifugale kracht en de wrijving in de contacten, waardoor een uitstekende prestatie wordt verkregen, in het bijzonder onder marginale smeringstoestanden.

25 Het nadeel van lagers met ringen of wentelelementen die zijn vervaardigd uit een combinatie van materialen, dat wil zeggen hybride lagers, is dat de verschillende daarin toegepaste materialen zich op verschillende manieren gedragen onder belasting en temperatuur. Allereerst verschillen de soortelijke gewichten daarvan aanzienlijk, 30 waardoor dynamische onbalans en niet-uniforme belasting van de wentelelementen optreden. Ten gevolge van de verschillende warmteuitzettingscoëfficiënten, kan verder de inwendige lagerspeling niet binnen de vereiste grenzen worden gehouden. Als gevolg daarvan wordt de levensduur van de betreffende lagers nadelig beïnvloed.

35 Het doel van de uitvinding is een lager te verschaffen met een beter gedrag onder veeleisende toestanden, zoals hierboven genoemd, en met een aanvaardbare levensduur. Dit doel wordt bereikt doordat tenminste de contactoppervlaktelaag van één van de ringen en/of 1003136 2 wentelelementen uit een zirconium materiaal bestaat. Aangezien het soortelijk gewicht van zirconium overeenkomt met het soortelijk gewicht van staal, zal geen onbalans optreden, zelfs in het geval van concentriciteitsfouten in een samengesteld deel. Verder zijn de 5 warmteuitzettingscoëfficiënt en de elasticiteitsmodulus van deze materialen praktisch gelijk, hetgeen betekent dat onder variërende temperatuuromstandigheden geen scheuren zullen optreden.

Volgens de uitvinding bezit tenminste één van de ringen een samengestelde gelaagde structuur met een buitenlaag van staal die is 10 afgekeerd van de lagerruimte, en een binnenlaag van zirconium materiaal. Volgens een voorkeursuitvoering is het zirconium materiaal een partieel gestabiliseerde zirconiumoxyde keramiek met 95# Zr02, 5# Y203 en 0,01# A1203. Een dergelijke zirconiumoxyde keramiek bezit een hogere breuktaaiheid en buigsterkte dan het gebruikelijke 15 siliciumnitride, hetgeen leidt tot een hogere vermoeiingsweerstand bij rollend contact (ook het geval van glijdend contact).

De aanvullende voordelen van deze oplossing betreffende de lage kostprijs van de uitgangsmaterialen voor het vervaardigen van zirconiumoxyde keramiek, en het gemak waarmee zirconiumoxyde kan 20 worden verwerkt en bewerkt. Zo kan bijvoorbeeld als een mogelijk afwerkproces slijpen worden toegepast met een toevoersnelheid van 200-1200 pm/min. (voorstaal bedraagt de gebruikelijke toevoersnelheid bij fijnslijpen ongeveer 1500 pm/min). De kostenbesparing met betrekking tot een overeenkomstig deel van siliciumnitride wordt op een factor 5 25 geschat.

Volgens een tweede uitvoering van deze uitvinding wordt zirconiumoxyde gebruikt in het vervaardigen van hybride lagerdelen, ringen of wentelelementen die vervaardigd worden door direct sinteren of pers-passen van zirconiumoxyde keramiek op staal. Deze technologie 30 is mogelijk gemaakt door de grote overeenkomst in de elastische constanten van zirconiumoxyde keramiek en staal, terwijl de warmteuitzetting en elasticiteitsmodulus praktisch gelijk zijn aan die van staal. Verder wordt ook het risico van massa onbalans vermeden, in het geval van concentriciteitsfouten van de uit twee materialen 35 bestaande delen, gezien de overeenkomstige dichtheid tussen staal en zirconiumoxyde materialen.

Samengevat worden de volgende voordelen mogelijk gemaakt door de uitvinding.

1003136 3 • Lager met hybride wentelelementen met een verbeterde weerstand tegen slijtage en vuil.

* Lager voor omstandigheden met problematische smeringsomstandigheden, thermische omstandigheden en 5 omgevingsomstandigheden (vetsmering bij hoge snelheden, hoge temperatuur, corrosieve omgeving, zuurs tof corrosie, vacuüm en dergelijke).

Lager met een superieure levensduur voor normale bedrijfsomstandigheden (betere weerstand tegen 10 oppervlaktevermoeiing).

Tevens worden de volgende problemen opgelost:

Massa-onbalans in hybride wentellagers.

* Ongelijkmatige inwendige lagerspeling ten gevolge van temperatuurveranderingen in hybride wentellagers.

15 Toepassing van gecombineerde hybride sintertechnologie (staal met keramiek) in lagercomponenten.

• Toepassing van pers-passen of chemische of mechanische hechttechnologie (tussen keramiek en staal) voor het vervaardigen van lagerdelen.

20 De uitvinding zal verder onder verwijzing naar een in de figuren weergegeven uitvoering worden toegelicht.

Figuur 1 toont een groefkogellager volgens de uitvinding, in zijaanzicht en gedeeltelijk in langsdoorsnede.

Figuur 2 toont een kogel, gedeeltelijk in dwarsdoorsnede.

25 Figuur 3 toont een deel van de binnenring van het lager volgens figuur 1, gedeeltelijk in perspectief en in dwarsdoorsnede.

Het in figuur 1 getoonde lager omvat een buitenring 1, een binnenring 2 en kogels 3· Zoals weergegeven in figuur 3. omvat de binnenring een binnenste staallaag en een buitenlaag 5 van 30 zirconiumoxyde keramiek materiaal. Op analoge wijze omvat de buitenring een buitenlaag van staal 6, alsmede een binnenlaag uit zirconiumoxyde materiaal 7-

Zoals weergegeven in figuur 3 bestaan de kogels uit een staalkern 8, omgeven door een schaal 9 van zirconiumoxyde materiaal.

35 In het lager volgens de figuren, bestaan alle contactoppervlakken van de ringen 1, 2 en de kogels 3 uit een zirconiumoxyde keramiek materiaal, hetgeen een verbeterde levensduur en betere slijtagekenmerken oplevert. Aan de andere kant zijn de mechanische 1003136 4 eigenschappen van de zirconiumoxyde keramiek materiaallagen en van staal, afgezien van hun hardheid, ongeveer dezelfde, hetgeen betekent dat de ringen en kogels zich als een eenheid gedragen. Bovendien zullen geen scheuren zich ontwikkelen tussen de lagen van deze 5 samengestelde componenten, hetgeen in het bijzonder te danken is aan het feit dat de warmteuitzettingscoëfficiënt van de materialen ongeveer gelijk is.

1003136

Claims (4)

1. Wentellager, omvattende een buitenring (1) en een binnenring 5 (2) die een lagerruimte insluiten welke wentelelementen (3) bevat die in rollend contact zijn met de loopbanen van beide ringen, met het kenmerk dat tenminste de contactoppervlaktelaag (5, 7, 9) van één der ringen (1, 2) en/of wentelelementen (kogels of rollen) (3) uit een zirconium materiaal bestaat. 10

2. Lager volgens conclusie 1, waarbij tenminste één van de ringen (1, 2) een samengestelde gelaagde structuur heeft, omvattende een buitenlaag (4, 7) van staal, die is afgekeerd van de lagerruimte, en een binnenlaag (5. 6) van een zirconium materiaal. 15

3. Lager volgens conclusie 1 of 2 waarbij tenminste één van de wentelelementen (3) een buitenschaal (9) van een zirconium materiaal heeft die een staalkern (8) insluit. 1 1003136

4. Lager volgens één van de voorgaande conclusies, waarbij het zirconium materiaal een partieel gestabiliseerd zirconiumoxyde keramiek is met 95¾ Zr02, 5XY203 en 0,01¾ A1203.