SE514372C2 - Smord rullningskontaktanordning, sätt och komposition för smörjning av en rullningskontaktanordning samt en keramisk rullkropp - Google Patents

Description

25 30 35 _hybridkeramrullningslager ti» n .aw 72 i? f: i 2 material. De smorda rullningskontaktanordningar som omfattas av föreliggande uppfinning är rullningslager och rull-lyftare ("cam roller followers").

Den följande beskrivningen inriktas primärt på rullnings- lager men samma principer och förfaranden är tillämpliga på rull-lyftare, vilka innefattar en keramisk rullningskropp och en kamaxel av stål. Metalloxiderna som användes enligt upp- finningen har visat sig vara tillfredsställande smörjmedel för de keramiska kontaktytorna vad gäller nötning, bland annat tack vare den relativt höga hårdhetsskillnaden mellan en film bildad av oxiderna och substratytan och tack vare den utmärkta adhesionen mellan oxiderna och substratet. De är även fördelaktiga ur miljösynpunkt och de har hög kemisk sta- bilitet.

Föreliggande uppfinning hänför sig till smorda anordning- ar såsom definierade ovan och speciellt till helkeram- eller innefattande keramiska rullnings- kroppar och ringar av keram respektive stål, där kontaktytor- na i keramdelen eller keramdelarna av anordningarna belagts med en tunn film bildad från vissa metalloxider såsom defi- nierat i de efterföljande kraven, till ett sätt för smörjning av sådana anordningar och till en komposition lämplig för smörjning av sådana lager, såsom även definierat i de efter- följande kraven.

De faktiska lagren som omfattas av föreliggande upp- finning är antingen helkeram- eller hybridkeramrullnings- lager, dvs kullager eller rullager, vari antingen både rull- kropparna och de inre och yttre ringarna är av kerammaterial eller så är endast rullkropparna av kerammaterial under det att ringarna är av stål. Kerammaterialet i rullningslagren, och i rullelementet i en rullyftare är oftast kiselnitrid, då denna keram är överlägsen med hänsyn till kombinationen av olika önskade egenskaper, men andra tekniska keramer kan gi- vetvis även användas, t ex kiselkarbid, Kiselnitriden i lagerdelarna kan som konven- zirkoniumoxid och aluminiumoxid. tionellt innehålla tillsatsmedel, såsom till exempel alumi- niumoxid och/eller yttriumoxid för att förbättra sintring.

Sådana tillsatsmedel användes vanligen i mängder av upp till ca 10 viktprocent. Enligt en föredragen utföringsform av upp- 10 15 20 25 30 35 qfiaa - f i l i jf 3 finningen är rullningslagren hybridlager med rullkroppar av kerammaterial, speciellt av kiselnitrid, belagda med en film av titandioxid, magnetit eller zinkoxid, i synnerhet av ti- tandioxid.

Enligt föreliggande uppfinning är de keramiska kontakt- ytorna, dvs löpbanorna och/eller rullkropparna i. ett lager eller rullkroppen i en rull-lyftare belagda med en tunn, smörjande och friktionsnedsättande film bildad av vissa me- talloxider, nämligen titandioxid, magnetit eller zinkoxid.

Filmen på de smorda ytorna är väsentligen kontinuerlig och har vanligen en tjocklek inom intervallet från 0,01 pm till 10 pm. För helkeramlager kan metalloxiden appliceras både på de två löpbanorna och rullkroppen eller på antingen löpbanor- na eller rullkropparna. Om både rullkropparna och löpbanorna smörjes enligt föreliggande uppfinning anpassas filmtjockle- ken vanligen så att den totala tjockleken hos de två filmerna som är i kontakt inte överskrider 10 pm. Hybridlager föredra- ges, såsom nämnts ovan, och rullkropparna är då belagda med metalloxidfilmen i det givna tjockleksintervallet.

Metalloxiden kan. appliceras på de önskade ytorna till exempel genom ett CVD (kemisk gasfasavsättning)- eller PVD (fysikalisk gasfasavsättning)-förfarande. Titandioxid kan till exempel appliceras genom att titannitrid avsättes och denna oxideras därefter i luft eller syreatmosfär vid tempe- raturer av ca 800 till 1200°C. Det föredrages emellertid att metalloxiden avsättes på ytorna med användning av ett smör- jande, flytande eller halvfast material som bärare för fasta metalloxidpartiklar. Bäraren kan vara vilken som helst kon- ventionellt använd smörjande olja eller fett, till exempel vegetabiliska oljor och di-esteroljor._ Dessa mineraloljor, oljor användes som regel med konventionella förtjocknings- medel såsom litium- och/eller kalciumtvålar. Även om bäraren i sig ger en viss smörjande effekt erhålles effekterna av långtidssmörjning, friktionsnedsättning och ståndsförbâttring från metalloxidpartiklarna, vilka vidhäftar och deras bildning' av' en 'väsentligen nötningsmot- de keramiska ytorna, sammanhängande film på dessa ytor.

Metalloxiderna som omfattas av föreliggande uppfinning, titandioxid, magnetit och zinkoxid, har bland annat hårdhets- 10 15 20 25 35 »aha n~af~ zrffäïrâf- 4 egenskaper som ger den erforderliga hårdhetsskillnaden mellan filmen och substratytan. Det har visat sig att speciellt ti- tandioxidparitklar har utmärkt affinitet till keramiska ytor och att de bildar de önskade förhållandevis mjuka filmerna på ytorna, vilket reducerar friktionen i kontaktytorna.

För bildning av skiktet av ytfilm av de specifika metall- oxidpartiklarna måste partiklarna deformeras plastiskt i kon- takten mellan rullkroppen och den andra ytan. deformation av partiklarna måste partiklarna vara under en storleken för plastisk-spröd-trans- För plastisk kritisk partikelstorlek, formation. För partiklar av titandioxid av anatasfas kan den kritiska partikelstorleken beräknas till under ca 10 pm.

Hårdhetsskillnaden mellan titandioxid och substratytan och kontaktytan förmodas bidra till de erhållna tillfreds- ställande tribologiska resultaten. Även om titandioxid i vil- dvs anatasform, som helst kristallform, kan användas, föredrages det att använda ti- ken brookitform eller rutilform, tandioxid i anatasform för att öka hårdhetsskillnaden mellan materialen. Hårdheten för rutilformen är ungefär dubbla den för anatasformen. Dessutom är hårdheten för anatasformen läg- re än den för härdat stål som användes i lagerytor och nöt- ning av dessa ytor i hybridlager reduceras således. Den för- hållandevis låga hårdheten hos anataspartiklar gör det även möjligt att ha en större partikelstorlek hos de partiklar som pålägges.

Partikelstorleken för de applicerade metalloxidpartiklar- na överstiger 'vanligen inte 10 ;uu. Anataspartiklar kan. ha större partikelstorlek än rutilpartiklar och ändå ge plastisk deformation vid tryckkontakt. För anatas kan partikelstorle- ken vara upp till 10 um, företrädesvis upp till ca 5 um, me- dan partikelstorleken för rutil vanligen inte bör överstiga 2 pm. Det faktum att större partiklar av titandioxid av anatas- formen kan användas är även fördelaktig då det finns en risk att partiklarna bäddas in i filmen av olja eller fett och inte häftar tillräckligt till keramytan om partikelstorleken är alltför liten. Vanligen bör partikelstorleken inte vara under 0,01 pm och företrädesvis inte under 0,1 um. Det är speciellt föredraget att. partikelstorleken är åtminstone 1 pm. 10 15 20 25 30- 35 ií;i:sr: , @.sí t;:z¶ z h f e n *L f 5 Oljan eller fettet innehållande metalloxipartiklarna kan appliceras på de ytor som skall smörjas på konventionellt sätt, t ex med användning av fettpistoler, pumpade oljesmörj- ningssystem, aerosolsmörjningssystem etc. Ytfilmen av metall- oxid kan även appliceras genom ett förfarande där delarna rullas eller trumlas i en slurry av partiklarna och delarna kan därefter monteras i den anordning i vilken de skall an- vändas och eventuellt därefter behandlas med konventionella fett- eller oljesmörjmedel. De smorda rullningslagren enligt uppfinningen innefattar keramiska rullkroppar och keramiska ringar eller stålringar där de keramiska lagerkontaktytorna är belagda med en tunn film bildad av metalloxiden och de innefattar vidare, ett hus eller en hål- lare och lagren kan vara avskärmade eller kapslade, dvs liv- som konventionellt, stidssmorda. För vissa applikationer är det även möjligt att ha korta behandlingsperioder med partiklar för att åter bygga upp eventuellt skadade ytskikt utan att avlägsna lagren från rullkontaktsystemet. Under normala driftsbetingelser kan kon- ventionella smörjmedel som inte innehåller metalloxidpartik- lar appliceras om så önskas.

Föreliggande uppfinning avser även en metod för att smör- ja en rullkontaktanordning, helkeramiskt eller hybridkeram rullningslager innefattande keramiska rullkroppar och ringar av keram-respektive stål, eller den keramiska rullkroppen i en rullyftare, där titandioxid, magnetit eller zinkoxid, i synnerhet titandioxid, ytorna för bildning av en tunn, smörjande och friktionsned- sättande film, innefattande metalloxiden, på ytorna. Möjliga och föredragna metoder för att applicera filmerna är de som Smörjningen enligt uppfinningen kan genom- appliceras på de keramiska kontakt- beskrivits ovan. föras vid eller före hopsättningen och som en permanent smörjning.

J Uppfinningen avser även en komposition lämplig för smörj- ning av rullkontaktanordningar såsom beskrivna ovan. Komposi- tionen innefattar en blandning av smörjande organiskt fett eller olja och partiklar av titandioxid, magnetit eller zink- oxid, speciellt titandioxidpartiklar, där mängden partiklar i fettet eller oljan är från 0,25 till 25 volymprocent, före- trädesvis från 2 till 10 volymprocent. Fettet eller oljan kan 10 15 20 25 30 35 »fffiíifïläfith:0372iil fi? i 6 vara vilket som helst sådant känt material, till exempel de ovan angivna.

Uppfinningen avser även en rullkropp som är smord i en- lighet med föreliggande uppfinning, kropp i tribologisk kontakt.

Ritningarna illustrerar några olika typer av lager.

Fig. 2 en vy av ett och speciellt en sådan Fig. 1 är en vy av ett kullager, rullningslager och Fig. genomskärningsvy som 'visar' kulor* med ett tunt metalloxid- skikt.

I Fig. (2) mellan den yttre ringen (1) och den inre ringen (4). Lag- I Fig. rullningslager med metalloxidbelagda rullar (2) 3 av ett axiallager. Fig. 4 är en 1 visas ett kullager med metalloxidbelagda kulor ret innefattar dessutom en hållare (3). 2 visas ett mellan den yttre ringen (1) och den inre ringen (3). Lagret är utrustat med en hållare (4). I Fig. 3 visas ett axiallager med en hål- lare (4) pch metalloxidbelagda kulor (2) ringen/löpbanan (1) och den undre ringen/löpbanan (3). följande utförings- mellan den övre Uppfinningen illustreras närmare i exempel vilka emellertid inte är avsedda begränsa densamma.

Exempel För (TiO2) av anatasfas som smörjmedel för lager helt av stål och hybrid- jämförelse av effekten av titandioxid lager med rullkroppar av kiselnitrid gjordes försök enligt Tabell 1. De undersökta lagren var av axiallager design (SKF#51036), med en stålhållare som normalt rymmer 10 kulor.

För försöksserien kördes lagren reducerat med 5 kulor i varje test och med pålagd maximal axiell belastning för försöks- maskinen, 3560 Newton, för att ge arbetsbetingelser som ver- kar under gränsskiktssmörjning. Den använda bäraren/smörjmed- let (SKF LGMT3) var ett fett baserat på mineralolja och med ett förtjockningsmedel som utgjordes av en litiumtvål. Titan- dioxidpartiklar av anatasstruktur tillsattes till fettet i försöken 3 och 4. Fettet och fett-titandioxidblandningen in- fördes i hållaren i en mängd av 5,1 g i varje försök. Partik- larna hade en storlek inom intervallet 0,1 till 5 um och en medelstorlek av 0,5 um. Försöken kördes vid maximala hastig- heten inom intervallet 2050 till 2070 rpm. Nötningen hos lag- ren registrerades genom viktmätningar. Det skall nämnas att 10 15 20 25 30 35 _ Ä; - \ f f < K - -.m = "'n .. ._ ~f << « « ~ ~ _ ~ Vw _- '* -¿ '__ _ > t f. < . c c . "f "' 'T ' < m f <* ( : 7 under försöken är den väsentliga kontakten rullningskontakt, men det finns även en glidkontaktkomponent till hållaren i lagret. Alla lagerdelar rengjordes med ultraljud i aceton och vägdes på en mikroskala före och efter försöken. Ytorna hos stållöpbanor, hållare, stâlkulor och keramkulor undersöktes både före och efter försöken genom optisk mikroskopi och svepelektronmikroskopi. Under försöken mättes löpbanans tem- peratur på baksidan av den övre löpbanan och rotationer mättes med en elektronisk räknare. för utvärdering av titandioxid, Tabell I. Försöksserier anatasform. som smörimedel för kullager.

Test 1. Test med lager helt av stål med fettsmörjning under gränsbetingelser. 5964000 rotationer eller ca 50 timmars to- tal testtid.

Test 2. Hybridlagertest (keramkulor) med fettsmörjning under gränsbetingelser. tal testtid.

Test 3. Test med lager helt av stål med fettsmörjning under med tillsats av 2,5 volym% titandioxid. 5964000 rotationer eller ca 50 timmars to- gränsbetingelser, 5977000 rotationer eller ca 50 timmars total testtid.

Test 4. Hybridlagertest (keramkulor) med fettsmörjning under gränsbetingelser, med tillsats av 2,5 volym% titandioxid. 5964000 rotationer eller ca 50 timmars total testtid.

Försöken gav följande resultat vad avser viktförlust eller viktökning för lagerdelar: -»^f\».^,. 10 15 20 25 30 8 Test 1. Stållöpbanor och hållare - Stålkulor - fett Del Före test Efter test Skillnad [9] [9] [mg] övre löpbana 97,2444 97,2452 +o,s Undre löpbana 91,6684 9l,6688 +0,4 Hållare l6,9523 l6,9496 -2,7 Kulor (5) 22,3537 22,3533 -0,4 Test 2. Stållöpbanor och hållare - Keramkulor - Fett Del Före test Efter test Skillnad [9] [9] [mg] övre löpbena 97,4962 97,49ss +o,s Undre löpbana 9l,2834 91,2822 -1,2 Hållare l6,9593 l6,9497 -9,6 Kulor (5) 9,3098_ 9,3l00 +0,2 Test 3. Stållöpbanor och hållare - Stålkulor - Fett med titandioxid Del Före test Efter test Skillnad [9] [9] [N91 övre löpbana 97,sses 97,6s6s ro Undre löpbana 9l,6120 9l,6ll2 -0,8 Hållare 17,097: 17,os73 -10,0 Kulor (5) 22,3480 22,3464 -1,6 Test 4. Stållöpbanor och hållare- Keramkulor - Fett med titandioxid Del Före test Efter test Skillnad [gl (91 [mg] övre löpbana 96,64so 97,6496 +1,6 Undre löpbana 9l,2482 9l,2494 +l,2 Hållare 16,871: 16,869? -1,6 Kulor (5) 9,3l3l 9,3l35 +O,4 10 15 1 i rj§5§¿&:ši7:ZHf " f(:íH" htêïí 9 I test 4 framgår att nötningen är mindre i jämförelse med test 1, 2 och 3. Den mest signifikanta förändringen är för nötningen av hållaren: 625% högre i test 3 i jämförelse med test 4; 600% högre i test 2 i jämförelse med test 4; och 168% högre i test 1 i jämförelse med test 4. Inga viktförluster registrerades på löpbanorna eller kulorna i test 4. En liten viktökning registrerades på dessa delar på grund av upptag av titandioxid på ytorna. För kulorna var detta av stor betydel- se då tunna mjuka filmer av fast substans bildades.

Under försöksserien registrerades temperaturen i den övre löpbanan och efter den initiala stabiliseringen av systemen kunde en stabil nivå registreras i samtliga försök. För hyb- ridlagren reducerades temperaturen hos löpbanan med 7°C från ett medelvärde av 82°C till 75°C i test 4 genom tillsatsen av titandioxid. Temperaturnivån i test 4 var under den för test 1 och 3 med lager helt av stål. Användningen av titandioxid i ett lager helt av stål gav en liten temperaturhöjning, från 77°C i test 1 till 79°C i test 3.

Claims (15)

10 15 20 25 30 35 nqan 1 ¿É5áäi¥ï37:!f f,:¿, i.. 10 Patentkrav

1. Smord rullningskontaktanordning, vilken anordning ut- göres av ett helkeram- eller hybridkeramrullningslager eller en rull-lyftare med keramisk rullkropp, kännetecknad av att de keramiska kontaktytorna i anordningen är belagda med en tunn, smörjande, nötnings- och friktionsreducerande film bil- dad av titandioxid av anatasfas.

2. Rullningskontaktanordning enligt krav 1, kännetecknad av att filmen av titandioxid är bildad av partiklar med en partikelstorlek av upp till 10 um.

3. Rullningskontaktanordning enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att anatasen föreligger i form av anataspar- tiklar med en storlek av från 0,01 um till ca 5 pm.

4. Rullningskontaktanordning enligt något av kraven 1 till 3, vilken utgöres av ett hybridkeramrullningslager med rullkroppar av keram och ringar av stål.

5. Rullningskontaktanordning enligt något av föregående krav, vari anordningens keramiska delar är baserade på Si3N4.

6. Sätt att smörja de keramiska kontaktytorna i en rull- ningskontaktanordning, vilken anordning är ett helkeram- eller hybridkeramrullningslager eller en rull-lyftare, känne- tecknat av att titandioxid av anatasfas appliceras på de ke- ramiska kontaktytorna för bildning av en tunn, smörjande och friktionsreducerande film innefattande titandioxiden på ytor- na.

7. Sätt enligt krav 6, kännetecknat av att titandioxiden appliceras på ytorna, i kombination med ett konventionellt organiskt smörjande fett eller olja.

8. Sätt enligt krav 6 eller 7, kännetecknat av att titan- dioxiden appliceras i en mängd som ger en väsentligen konti- nuerlig film med en tjocklek av från 0,01 till 10 pm.

9. Sätt enligt krav 6, 7 eller 8, kännetecknat av att anataspartiklarna har en partikelstorlek av upp till ca 5 pm.

10. Sätt enligt något av kraven 6 till 9, vari rullnings- kontaktanordningen utgöres av ett hybridkeramrullningslager med rullkroppar av keram och ringar av stål.

11. ll. Komposition lämplig för smörjning av den keramiska delen eller de keramiska delarna av en rullningskontaktanord- ning, kännetecknad av att kompositionen innefattar en bland- 10 fxfw- ll ning av ett smörjande organiskt fett eller olja och partiklar av titandioxid av anatasfas, varvid mängden partiklar i fett- et eller oljan är från 0,25 till 25 volymprocent.

12. Komposition enligt krav 11, kännetecknad av att ti- tandioxidpartiklarna har en partikelstorlek av från 0,01 pm till ca 5 pm.

13. Keramisk rullkropp, kännetecknad av att den är belagd med en 'tunn, smörjande, nötnings- och, friktionsreducerande film bildad av titandioxid av anatasfas.

14. Keramisk rullkropp enligt krav 13, att den smorts med en komposition såsom definierad i krav 11 eller 12.

15. Keramisk rullkropp enligt krav 13 eller 14, rullkropp är i en tribologisk kontakt. kännetecknad av vilken -««f--« f