WO2017101923A1 - Wälzlager mit wälzkörper aus einem keramischen werkstoff - Google Patents

Wälzlager mit wälzkörper aus einem keramischen werkstoff Download PDF

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Franziska Braun
Kirsten Wunder
Gabriele Laugisch
Branimir KARIC
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Definitions

  • the invention relates to a rolling bearing comprising a metal inner ring, a metal outer ring and between these recorded, rolling on ringseiti- gene raceways rolling elements, which consist of a ceramic material.
  • the rolling elements of the ceramic material are relatively poor heat conductors, compared with conventional rolling elements made of steel, the derivative of the heat generated on the inner ring side is throttled through the rolling elements to the outer ring, resulting in much higher réelleringtempera- tures set compared to the outer ring temperatures.
  • the temperature difference between the two rings affects the existing radial clearance of the bearing. The higher the temperature difference.
  • the radial internal clearance and thus the reserve against a tension in the rolling bearing itself are all the lower.
  • the radial clearance is also reduced in high-speed bearings by the fact that it generates a centrifugal force as well as a centrifugal force. tion-related widening of the inner ring and a centrifugally induced displacement of the rolling elements comes in operation.
  • the invention is therefore based on the object to provide a comparison with the prior art improved rolling bearing.
  • the thermal conductivity of the ceramic material is> 30 W / mK and ⁇ 70 W / mK.
  • the invention is based on the consideration to improve the heat transfer between the inner ring and outer ring, that specifically the thermal conductivity of the ceramic material, ie the rolling elements, is improved.
  • the rolling elements have a thermal conductivity of more than 30 W / mK.
  • the thermal conductivity should not exceed 70 W / mK.
  • the thermal conductivity should be at least 35 W / mK and a maximum of 60 W / mK.
  • the thermal conductivity should be between 40 W / mK and 55 W / mK.
  • the thermal conductivity lies between 40-55 W / mK and thus approximately in a range of conventional rolling bearing steel from which the inner ring and the outer ring are made so that approximately comparable thermal conductivities of the different materials used result via the rolling bearing.
  • Sillicon nitride is preferably used as the ceramic material, which contains at least one additive in order to increase its thermal conductivity. The addition of the additive makes it possible to reduce the glass phase content or to modify the glass phase composition in such a way that an increase in the thermal conductivity is achieved.
  • Titanium nitride ( ⁇ ) is preferably added as an additive. Titanium nitride is preferably added with a content of between 10 and 60% by weight, preferably with a content of between 30 and 50% by weight. That is, the TiN content is significantly increased beyond the usual content of at most 5% by standard containing Si 3 N 4 rolling elements.
  • the aggregate is added with the specified amount of the ceramic mass, after which the rolling elements are pressed and sintered, usually gas pressure sintered, are.
  • the increased addition of TiN reduces the glass phase content, which results in an improvement in thermal conductivity.
  • one or more sintering additives such as MgO and / or YbaOj can be added as an additive. Their content should be between 1 and 12 percent by mass. It is also possible via the sintering additives to reduce the glass phase proportion or to vary the glass phase composition accordingly in order to generate improved thermal conductivity.
  • the invention relates to a method for producing a rolling body from a ceramic material, in particular for a rolling bearing of the type described.
  • This method is characterized by. in that a green body produced in a molding process is made of silicon nitride which is free from aggregates or one or more aggregates such as TiN. MgO, Yb 2 0 3 or Al 2 O 3 is sintered in a sintering process at a sintering temperature of 1830 - 1950 ° C for at least 7 h, or that an already sintered rolling elements of silicon nitride, which is free of aggregates or one or more additives such as TiN. MgO. Yb20 3 or Al2O3 is sintered again in a second sintering process at a sintering temperature of 1830 - 1950 ° C for at least 8 h.
  • the single drawing is a schematic representation and shows a partial view of a rolling bearing 1 according to the invention in section.
  • the illustrated rolling bearing 1 comprises a metal inner ring 2, a metal outer ring 3 and on the corresponding ring-side raceways 4, 5 rolling rolling elements 6, which consist of a ceramic material.
  • the rolling elements 6, z.
  • balls or rollers are guided in a cage 7 in the example shown.
  • the rolling elements 6 are made as described from a ceramic material.
  • a silicon nitride is preferably used as the ceramic base material.
  • the thermal conductivity of the ceramic material was deliberately increased.
  • the addition of the additives leads to the fact that the proportion of the glass phase in the ceramic material, ie the proportion of S1O2, is reduced. This proportion of glass occurs because, for sintering of the rolling elements 6, a sintering additive is usually added in the form of Al 2 O 3 .
  • TiN titanium nitride
  • the content of TiN should be between 10 and 60% by weight, preferably between 30 and 50% by weight, in particular between 40 and 50% by weight. That is, the proportion of TiN in the ceramic mass, which is usually at most 5 wt%, is drastically increased. This results in a reduction of the glass phase content, so that the thermal conductivity can be significantly improved.
  • the aggregate 8 in the form of TiN is indicated in the rolling body 6a.
  • the aggregate 9 is, for example, MgO
  • the aggregate 10 is Yb 2 0 3 .
  • the MgO replaced to a certain extent the otherwise usual as sintered Al 2 0 3 .
  • AI2O3 to 3 - is added 4 percent by mass
  • the Al is according to the invention roller bodies 6b 2 0 3 to 0 - 2 mass percent was added.
  • the MgO is added to at least 1% by mass, preferably at least 3% by mass.
  • the Yb203 is also added as a substitute for the AI 2 O 3 . It is also added to at least 1 percent by mass, optionally also a little more. Preferably, the addition is selected so that a composition Si0 2 / MgO / Yb 2 0 3 of 3 mass percent to 3 percent by mass to 1 percent by mass results on the finished rolling element 6b. When MgO and Yb20 3 are added together, the total amount should not exceed 12 mass%.
  • a third possibility is indicated how the thermal conductivity of silicon nitride can be increased.
  • the Yb 2 O 3 10 is added as an additive. If only this one additive is added, it is present in a higher proportion than previously described. At least 3, in particular at least 5 percent by mass are preferably added. ben.
  • a Si0 2 / Yb 2 03 ratio of 3 percent by mass to 5 percent by mass should be given to the finished ceramic rolling elements.
  • a green compact from S13N 4 which is either free of aggregates or having to sinter at an elevated sintering temperature and sintering time increased one or more additives such as TiN, MgO, AI2O3 or YD2O3.
  • the sintering temperature should be in the range between 1830 - 1950 ° C, the sintering temperature should be at least 7 h, but may be longer.
  • the sintering temperature should also be between 1830 - 1950 e C in the second sintering process, while the sintering time is at least 8 h.
  • the respective sintering is preferably carried out under a nitrogen atmosphere.

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Abstract

Wälzlager umfassend einen metallenen Innenring (2), einen metallenen Außenring (3) und zwischen diesen aufgenommene, auf ringseitigen Laufbahnen wälzende Wälzkörper (6, 6a, 6b, 6c), die aus einem keramischen Werkstoff bestehen. Erfindungsgemäß beträgt die Wärmeleitfähigkeit des keramischen Werkstoffs > 30 W/mK und < 70 W/mK.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Wälzlager
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager umfassend einen metallenen Innenring, einen metallenen Außenring und zwischen diesen aufgenommene, auf ringseiti- gen Laufbahnen wälzende Wälzkörper, die aus einem keramischen Werkstoff bestehen.
Hintergrund der Erfindung
Wälzlager der eingangs genannten Art, also Radiallager, kommen in unter- schiedlichsten Anwendungsfällen zum Einsatz. Üblicherweise liegt, geometrisch bedingt, die höchste Kontaktbelastung in solchen Wälzlagern zwischen dem Innenring und den Wälzkörpern. Vor allem bei sehr schnell drehenden Lagern, beispielsweise Spindellagern, ergibt sich häufig das Problem der sogenannten Außenringführung. Dies bedeutet, dass die Wälzkörper relativ zum Außenring sauber abrollen, jedoch relativ zum Innenring eine Schlupfbewegung, sogenannter Bohrschlupf, einsetzt. Die hohe Kontaktbelastung sowie dieser Schlupf führen zu einer erhöhten Wärmeerzeugung im Bereich der Innenringkontakte des Wälzlagers. Da die Wälzkörper aus dem keramischen Werkstoff relativ schlechte Wärmeleiter sind, verglichen mit üblichen Wälzkörpern aus Stahl, ist die Ableitung der innenringseitig entstehenden Wärme über die Wälzkörper zum Außenring hin gedrosselt, wodurch sich deutlich höhere Innenringtempera- turen, verglichen mit den Außenringtemperaturen, einstellen. Die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Ringen beeinflusst die vorhandene Radialluft des Lagers. Je höher die Temperaturdifferenz ist. umso geringer ist die verblei- bende Radialluft und damit die Reserve gegen eine Verspannung im Wälzlager selbst. Die Radialluft wird im Übrigen bei schnelllaufenden Lagern auch zusätzlich dadurch reduziert, dass es zu einer fliehkraftbedingten sowie einer pas- sungsbedingten Aufweitung des Innenrings sowie einer fliehkraftbedingten Verlagerung der Wälzkörper im Betrieb kommt.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Wälzlager anzugeben.
Beschreibung der Erfindung
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Wälzlager der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Wärmeleitfähigkeit des keramischen Werkstoffs > 30 W/mK und < 70 W/mK beträgt. Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, den Wärmeübergang zwischen Innenring und Außenring dadurch zu verbessern, dass gezielt die Wärmeleitfähigkeit des keramischen Werkstoffs, also der Wälzkörper, verbessert wird. Zu diesem Zweck ist vorgesehen, dass die Wälzkörper eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 30 W/mK aufweisen. Die Wärmeleitfähigkeit sollte 70 W/mK nicht übersteigen. Mit der erfindungsgemäß erhöhten Wärmeleitfähigkeit verglichen mit der Wärmeleitfähigkeit, die bisher verwendete Keramikwälzkörper aufweisen (diese liegt bei ca. 25 W/mK) lässt sich ein deutlich verbesserter Wärmeübergang erreichen, so dass sich die Temperaturdifferenz zwischen Innenring und Außenring deutlich reduzieren lässt.
Bevorzugt sollte die Wärmeleitfähigkeit wenigstens 35 W/mK und maximal 60 W/mK betragen. In weiterer Präzisierung sollte die Wärmeleitfähigkeit zwischen 40 W/mK und 55 W/mK liegen. Idealerweise liegt die Wärmeleitfähigkeit zwischen 40 - 55 W/mK und damit näherungsweise in einem Bereich herkömmli- chen Wälzlagerstahls, aus dem der Innenring und der Außenring gefertigt sind, so dass sich über das Wälzlager näherungsweise vergleichbare Wärmeleitfähigkeiten der unterschiedlichen verwendeten Materialien ergeben. Als keramischer Werkstoff wird bevorzugt Silliziumnitrid verwendet, das zur Erhöhung seiner Wärmeleitfähigkeit wenigstens einen Zuschlagstoff enthält. Durch die Zugabe des Zuschlagstoffs ist es möglich, den Glasphasengehalt zu reduzieren respektive die Glasphasenzusammensetzung so zu modifizieren, dass eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit erreicht wird.
Als Zuschlagsstoff wird bevorzugt Titannitrid (ΤΊΝ) zugegeben. Titannitrid wird dabei bevorzugt mit einem Gehalt zwischen 10 - 60 Gewprozent zugegeben, vorzugsweise mit einem Gehalt zwischen 30 - 50 Gewprozent. Das heißt, dass der TiN-Gehalt deutlich über den üblichen Gehalt von höchstenfalls 5 %, den Si3N4-Wälzkörper standardmäßig enthalten, hinaus erhöht wird. Der Zuschlagstoff wird mit dem angegebenen Mengenanteil der keramischen Masse zugegeben, wonach die Wälzkörper gepresst und gesintert, üblicherweise gasdruckgesintert, werden. Durch die erhöhte Zugabe des TiN wird der Glasphasenanteil reduziert, was eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit mit sich bringt.
Alternativ oder zusätzlich können als Zuschlagstoff auch ein oder mehrere Sinteradditive wie MgO und/oder YbaOj zugegeben werden. Deren Gehalt sollte zwischen 1 - 12 Masseprozent liegen. Auch über die Sinteradditive ist es mög- lieh, den Glasphasenanteil zu reduzieren respektive die Glasphasenzusammensetzung entsprechend zu variieren, um eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit zu generieren.
Neben dem Wälzlager selbst betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzkörpers aus einem keramischen Werkstoff, insbesondere für ein Wälzlager der beschriebenen Art. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus. dass ein in einem Formgebungsprozess hergestellter Grünling aus Siliziumnitrid, der frei von Zuschlagstoffen ist oder der einen oder mehrere Zuschlagstoffe wie TiN. MgO, Yb203 oder AI2O3 aufweist, in einem Sinterprozess bei einer Sintertemperatur von 1830 - 1950° C für wenigstens 7 h gesintert wird, oder dass ein bereits gesinterter Wälzkörper aus Siliziumnitrid, der frei von Zuschlagstoffen ist oder der einen oder mehrere Zuschlagstoffe wie TiN. MgO. Yb203 oder AI2O3 aufweist, in einem zweiten Sinterprozess bei einer Sintertemperatur von 1830 - 1950° C für wenigstens 8 h erneut gesintert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert. Die einzige Zeichnung ist eine schematische Darstellung und zeigt eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Wälzlagers 1 im Schnitt.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Das abgebildete Wälzlager 1 umfasst einen metallenen Innenring 2, einen metallenen Außenring 3 sowie auf den entsprechenden ringseitigen Laufbahnen 4, 5 wälzende Wälzkörper 6, die aus einem keramischen Werkstoff bestehen. Die Wälzkörper 6, z. B. Kugeln oder Rollen, sind im gezeigten Beispiel in einem Käfig 7 geführt.
Die Wälzkörper 6 bestehen wie beschrieben aus einem keramischen Werkstoff. Erfindungsgemäß wird bevorzugt ein Siliziumnitrid als keramischer Grundwerkstoff verwendet. Durch Zugabe eines oder mehrerer Zuschlagstoffe wurde gezielt die Wärmeleitfähigkeit des keramischen Materials erhöht. Die Zugabe der Zuschlagstoffe führt dazu, dass der Anteil der Glasphase im keramischen Material, also der Anteils an S1O2, reduziert wird. Zu diesem Glasanteil kommt es, da zum Sintern der Wälzkörper 6 ein Sinteradditiv üblicherweise in Form Al203 zugegeben wird.
Um die verbesserte Wärmeleitfähigkeit zu erreichen und damit für einen verbesserten Wärmeübergang der primär im Kontakt zwischen dem Innenring 2 und den Wälzkörpern 6 entstehenden Wärme vom Innenring 2 zum Außenring 3 zu sorgen, sind im gezeigten Ausführungsbeispiel unterschiedliche Möglichkeiten gezeigt. Bei dem ersten Wälzkörper 6a wurde zur Verringerung des Glasphasenanteils als Zuschlagstoff Titannitrid (TiN) zugegeben. Der Gehalt von TiN sollte zwischen 10 - 60 Gewichtsprozent betragen, bevorzugt zwischen 30 - 50 Gewichtsprozent, insbesondere zwischen 40 - 50 Gewichtsprozent. Das heißt, dass der Anteil an TiN in der keramischen Masse, der üblicherweise maximal 5 Gewichtsprozent beträgt, drastisch erhöht wird. Hieraus resultiert eine Reduzierung des Glasphasenanteils, so dass die Wärmeleitfähigkeit deutlich verbessert werden kann. Der Zuschlagstoff 8 in Form des TiN ist bei dem Wälzkörper 6a angedeutet.
Eine zweite Möglichkeit der Wärmeleitfähigkeitserhöhung ist bei dem zweiten Wälzkörper 6b dargestellt. Hier sind zwei verschiedene Zuschlagstoffe 9, 10 zugegeben. Bei dem Zuschlagstoff 9 handelt es sich beispielsweise um MgO, während es sich bei dem Zuschlagstoff 10 um Yb203 handelt. Das MgO ersetzt zu einem gewissen Anteil das als Sinterwerkstoff sonst gebräuchliche Al203. Während üblicherweise AI2O3 zu 3 - 4 Masseprozent zugegeben wird, wird beim erfindungsgemäßen Wälzkörper 6b das Al203 zu 0 - 2 Masseprozent zugegeben. Das MgO wird zu wenigstens 1 Masseprozent, bevorzugt zu wenigstens 3 Masseprozent zugegeben.
Auch das Yb203 wird als Ersatz für das AI2O3 zugegeben. Es wird ebenfalls zu wenigstens 1 Masseprozent zugegeben, gegebenenfalls auch etwas mehr. Bevorzugt wird die Zugabe so gewählt, dass sich am fertigen Wälzkörper 6b eine Zusammensetzung Si02/MgO/Yb203 von 3 Masseprozent zu 3 Masseprozent zu 1 Masseprozent ergibt. Werden MgO und Yb203 zusammen zugegeben, so sollte der Gesamtmenge 12 Masseprozent nicht übersteigen.
Am Wälzkörper 6c ist schließlich eine dritte Möglichkeit angedeutet, wie die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumnitrid erhöht werden kann. Hier ist als Zuschlag- stoff lediglich das Yb203 10 zugegeben. Wird nur dieser eine Zuschlagstoff zugegeben, so liegt er in einem höheren Anteil vor als zuvor beschrieben. Bevorzugt werden wenigstens 3. insbesondere wenigstens 5 Masseprozent zugege- ben. Bevorzugt sollte ein Si02/Yb203-Verhältnis von 3 Masseprozent zu 5 Masseprozent am fertigen keramischen Wälzkörper gegeben sein.
Zusätzlich oder alternativ zur Zugabe der Zuschlagstoffe ist es auch denkbar, den Glasphasenanteil allein durch Variation der Sinterung vorzunehmen. So ist es denkbar, einen Grünling aus S13N4, der entweder frei von Zuschlagstoffen ist oder einen oder mehrere Zuschlagstoffe wie TiN, MgO, YD2O3 oder AI2O3 aufweist, bei einer erhöhten Sintertemperatur und einer erhöhten Sinterdauer zu sintern. Die Sintertemperatur sollte im Bereich zwischen 1830 - 1950° C liegen, die Sintertemperatur sollte wenigstens 7 h betragen, kann aber auch länger sein.
Alternativ zur Verlängerung der Sinterzeit und der Erhöhung der Sintertemperatur des einen Sinterprozesses ist es auch denkbar, die Sinterung wie üblich vorzunehmen, nämlich bei einer Temperatur von 1750 - 1850° C und einer Sinterdauer von 5 - 7 h und die abgekühlten Wälzkörper einer Nachsinterung zu unterziehen. In diesem Fall sollte im zweiten Sinterprozess die Sintertemperatur ebenfalls zwischen 1830 - 1950e C liegen, während die Sinterdauer wenigstens 8 h beträgt. Die jeweilige Sinterung erfolgt bevorzugt unter Stickstoffatmosphäre.
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Claims

Patentansprüche
1. Wälzlager umfassend einen metallenen Innenring (2). einen metallenen Außenring (3) und zwischen diesen aufgenommene, auf ringseitigen Laufbahnen wälzende Wälzkörper (6, 6a, 6b, 6c), die aus einem keramischen Werkstoff bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit des keramischen Werkstoffs > 30 W/mK und < 70 W/mK beträgt.
2. Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme- leitfähigkeit zwischen 35 W/mK und 60 W/mK beträgt.
3. Wälzlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit zwischen 40 W/mK und 55 W/mK beträgt. 4. Wälzlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff Siliziumnitrid ist, das zur Erhöhung seiner Wärmeleitfähigkeit wenigstens einen Zuschlagstoff (8, 9, 10) enthält.
Wälzlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Zuschlagstoff (8) Titannitrid enthalten ist.
Wälzlager nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Titannitrid zwischen 10 - 60 Gewichtsprozent beträgt.
Wälzlager nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Titannitrid zwischen 30 - 50 Gewichtsprozent beträgt.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Zuschlagstoff (9. 10) ein Sinteradditiv wie MgO oder Yb;>03 enthalten ist.
9. Wälzlager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an MgO und/oder Yb2Ü3 zwischen 1 Masseprozent bis 12 Masseprozent beträgt.
10. Verfahren zur Herstellung eines Wälzkörpers aus einem keramischen Werkstoff, insbesondere für ein Wälzlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein in einem Formgebungs- prozess hergestellter Grünling aus Siliziumnitrid, der frei von Zuschlagstoffen ist oder der einen oder mehrere Zuschlagstoffe wie TiN, MgO, Yb203 oder AI2O3 aufweist, in einem Sinterprozess bei einer Sintertemperatur von 1830 - 1950° C für wenigstens 7 h gesintert wird, oder dass ein bereits gesinterter Wälzkörper aus Siliziumnitrid, der frei von Zuschlagstoffen ist oder der einen oder mehrere Zuschlagstoffe wie TiN, MgO, Yb203 oder AI2O3 aufweist, in einem zweiten Sinterprozess bei einer Sintertemperatur von 1830 - 1950° C für wenigstens 8h erneut gesintert wird.
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