SE517535C2 - Rullningslager - Google Patents

Description

lO l5 20 25 30 Svårigheten med vatten beror på det faktum, att vatten- molekylen år mycket liten, varvid den kommer in i mikroskopiska sprickor och orsakar sprödhet i de flesta keramer, som innehåller en glasyr och stål. Vatten orsakar också polerande nötning genom ytoxidation av icke-oxiderande keramer; spaltkorrosion 'vid stillestånd; och visar inte någon tendens att bilda elastohydrodynamiska smörjnings- (EHL)-filmer, vilket leder till nötning genom yt-till- ytkontakt.

Det har konstaterats att för att lösa problemet vid sådana applikationer kan det vara användbart med lager byggda helt av keramer eller hybridlager, som har rullkrcppar av keramer och ringar av annat material, t.ex. stål. Det är emellertid fortfarande Vattens bristande förmåga att bygga upp tunna EHL-filmer vid kontakten mellan hållare och rullkroppar av keramiskt material som skapar ett problem och i synnerhet vid höga rotationshastigheter, har sådana lösningar visat sig vara otillräckliga.

Det är sedan tidigare känt (US-A-5,27l,679) att tillverka ett rullningslager innefattande yttre och inre ringar, kulor och en hållare för att hålla kulorna på avstånd från varvid hållaren består av en blandning av Mosz, varandra, polytetrafluoretylen, och WS2, aramidfibrer, och en polyeter-eter-keton (PEEK)-plast, vilket lager är avsett att användas i luft eller vakuum i en omgivning, som har hög eller låg temperatur, i närvaro av radioaktiva strålar, eller i vilken som helst annan omgivning, som inte tillåter användande av smörjolja eller -fett. Härvid tillhandahåller för lagret. Ytter- och hållarmaterialet smörjmedlet innerringar liksom de närvarande kulorna år tillverkade av rostfritt stål. lO 15 20 25 30 517 555 3 JP-A-90-87025 hänför sig till ett kullager i vilket åtminstone en del av inner- och ytterlöpbanorna är gjorda av eller belagda med kermet, stellit, eller utfällt rostfritt stål, varvid åtminstone ytpartierna av kulorna är utförda av en typ av material, som är utvalt bland kermet, stellit och keramer, bestående huvudsakligen av kiselkarbid. Löpbanorna och rullkropparna är gjorda av olika material och valda så, att rullkropparna har den hårdaste ytan. Lagret är avsett att användas i vatten vid förhöjd temperatur och högt tryck.

DE-A-4,235,838 hänför sig till ett lager i vilket åtminstone en av innerlöpbanan, ytterlöpbanan och rullkropparna är gjorda av ett keramiskt material bestående av sintrad kiselnitrid innefattande 0,5 till 40 vikts-% Mg, 0,3 till 3 vikts-% Zr och 1,5 till 5,0 vikts-% av ett material valt bland Sr, Al och en sällsynt jordartsmetall, och återstoden är kiselnitrid. Metallerna är närvarande som oxider. Lagret en korrosiv miljö såsom en är avsett att användas i smältugn, och pläteringsbad med smält metall eller ett förzinkningsbad under gjutning av legeringar. som har en DE-A-4,207,034 hänför sig till ett lager, ytterlöpbana gjord av stellit. Lagret är avsett för användning i ett smält metallbad.

EP-A-O 492 660 hänför sig till en hållare till ett lager, vilken hållare består av 15 till 50 vikts-% glasfibrer eller liknande armerande fibrer, 5 till 15 vikts-% kolfibrer och resten. polyeter-eter-keton (PEEK). Lagret är avsett för användning vid höga temperaturer.

DE-A-l9,606,249 lagerhållare av polyamidplast j. vilket 5 till 10 vikts-%' är polytetra- hänför sig till en fluoretylen (PTFE) och 10 till 20 vikts-% grafit. Lagret är 10 15 20 25 30 35 517 555 4 avsett för användning i höghastighetsverktyg (300,000 till 400,000 rpm). Lagret skall smörjas med paraffin.

US-A~4,906,llO hänför sig till ett rullager med fast smörjmedel, varvid hållaren är tillverkad av polyamidplast innehållande ett utvalt fast smörjmedel.

Beskrivning av föreliggande uppfinning Det har nu överraskande visats vara möjligt att lösa detta problem med hjälp av föreliggande uppfinning, vilken kännetecknas av att lagrets löpbanor är tillverkade av stellit (Co-Cr-legering), rullkropparna är tillverkade av i efterhand isostatiskt hetpressade aluminiumoxid-zirkonium- oxid-kompositer, och hållaren är tillverkad av polyeter eter grafitfibrer, grafitpulver och keton, innehållande polytetrafluoretylen.

Ytterligare kännetecken framgår av de bifogade patentkraven.

Genom föreliggande uppfinning kommer grafitinnehållet att åstadkomma låg friktion i fuktig miljö eftersom grafiten verkar mycket gynnsamt som fast smörjmedel i närvaro av vattenmolekyler. Ett alternativ är att använda ett material, som innehåller molybdendisulfid (MOSZ), vilket också är ett verksamt fast smörjmedel.

Löpbanorna Lrinqarl Materialet i lagerringarna är stellit. Stelliter är kobolt- lämpade för 23-38 krom-legeringar. Typiska stellit-legeringar denna uppfinning består av Co: 42-70 vikts-%; Cr: vikts-%; W: 4-22 vikts-%; och C: 0,5-3 vikts-%. Denna grupp av material uppvisar utmärkt korrosionsmotstånd och avflakningsmotstånd. Avflakningsmotstånd innebär härvid, att materialet kan motstå hög last under oscillation utan frätning, vilket innebär mindre behov av smörjning. ø n v v u I ; ø | ao lO l5 20 25 30 517 555 5 Stelliter har använts i lager, tätningar och ventiler, som arbetar under milda förhållanden i vatten och ånga.

Rullkroopar Rullkropparna i föreliggande lager kan ha vilken som helst form, såsom kulor, rullar och nålar. De utvalda keramerna hetpressade (HIP) för rullkropparna är postisostatiskt aluminiumoxid-(Al2O,)-zirkoniumoxid-(ZrO2)-kompositerx Mängden av stabiliserad zirkoniumoxid är omkring 40 till 70 % och resten aluminiumoxid. Typiska kommersiella lagerklassade kiselnitrider och andra keramer av intresse för vatten- miljöer anges i Tabell 1 härnedan. Den. mest föredragna efter-HIP Al¿% varianten (CTC) tillverkas av med ceriumoxid (CeO), stabiliserad ZrO2. Ceriumoxidstabiliseringen ger CTC utmärkt motstånd mot vattenåldring. Detta visas i den bifogade autoklavtesten (300%L 86 bar cxfii 9 dagar), som jämför olika potentiella keramiska material (Tabell 5). CTC var efter exponering det enda keramiska materialet, som kombinerade hög tryckhållfasthet och hög kritisk slagseghet utan några ytförändringar. CTA kan också användas men endast vid driftsförhållanden under l00°C. kvaliteter omfattar: CTA 60% ZrO2 Två föredragna (yttriumoxidstabiliserad) och 40% aluminiumoxid (Ceram'Tools A/S), och 40% aluminiumoxid (Ceram Tools A/S). och CTC 60% ZrO2 (ceriumoxidstabiliserad) Dessa kompositer har låga andelar glaserade korngränsfaser jämfört med kilselnitrider kombinerat med utmärkt tryckhållfasthet och kritisk slagseghet, jämfört med höghållfasta lagerklassade kisel- (Tabell 3 och 4). En låg andel glas och nitrider oxidstrukturen ger CTA och CTC keramerna utmärkt motståndskraft mot polerande nötning och spänningskorrosion i fuktig miljö (Tabell 2). lO 15 20 25 30 35 517 535 6 Oxidkeramer har också ett fördelaktigt inkörningsuppträdande i vatten jämfört med nitrider och karbider, vilket resulterar i en làg friktionskoefficient.

I efterhand HIP-behandlade aluminiumoxid-zirkoniumoxid- kompositer har mekaniska egenskaper likadana som, eller bättre än kiselnitrider vid rumstemperatur. Aluminiumoxid- och zirkoniumoxidkristaller är vid höga temperaturer skörare än kiselnitrider, vilket gör det lättare att bota mikroporer i det keramiska materialet genom HIP, vilket leder till material mindre känsliga för kontaktutmattning vid mikrokontakter under däliga smörjningsförhàllanden.

Monolitisk aluminiumoxid, med O-lO% tillsatser, som styr korntillväxt och sintring, har generellt sämre slagseghet och seghet jämfört med kiselnitrider och aluminiumoxid- zirkoniumoxid-kompositer. Dessa faktorer hindrar användning i rullningslagerapplikationer.

Monolitiska zirkoniumoxidmaterial, med O - 10% stabiliserande, korntillväxtstyrande och sintrande tillsatser, har en högre täthet jämfört med aluminiumoxid och kiselnitrider. Zirkoniumoxid förlorar dess goda mekaniska egenskaper i vatten-/àngmiljö vid en temperatur av omkring 200°C. Kompositer av aluminiumoxid-zirkoniumoxid har fuktig miljö jämfört med utomordentligt uppförande i monolitiska zirkoniumoxidmaterial. Den làga elasticitets- modulen hos zirkoniumoxid, liknande den hos stäl, är en fördel i applikationer för rullningslager. Zirkoniumoxid har emellertid en hårdhet av 1200 HV, vilket ligger i närheten av vanliga föroreningar, säsom kvartssand. Kompositerna av aluminiumoxid-zirkoniumoxid uppvisar en högre hàrdhet. 10 15 20 25 30 35 517 535 ¿*?ïfïš Hàllaren Polymeren polyaryleter-keton (PEEK), Vitrex) kan motstà vatten och ànga över 250°C utan att drabbas av försämrade mekaniska egenskaper. Den har emellertid inte i sig själv nägra speciellt goda tribologiska egenskaper. De tribologiska egenskaperna hos PEEK i vatten/ànga förbättras avsevärt genom tillsats av 5-15% grafitfibrer, 5-15% grafitpulver och 5-15% polytetrafluoretylen till PEEK (PEEK 450 FC30, Vitrex utgör en vald kvalitet).

TABELL 1 Keramiska material för rullkroppar till lager Material Tillverkare Sintrings- Huvudkom- Tillsatser process position NBD zoo Norcon, Us Hïpl sim, Mgo TsN-BNH Toshiba, JP posc-Hnfi sign, Yzol/Alzoz/Tioz N3212 CPI, DE posc-HIPZ sizN, Yzol/Alzo; TsN-isH Toshiba, JP post-HIPZ silN, MgAlZO, EkasicT ESK, DE SiC - Y-TZP Nikkato, JP post-HIP2 ZrO2 Ygg-stabil CTA Ceram Tools post-HIP: A153/ZrO2 ZrO2 stabil A/S, No med yttrium CTC Ceram Tools post-HIP: Al2O3/ZrO2 ZrO2 stabil A/S, No med cerium HIP1: Het isostatisk pressning som sintringsprocess HIP cykeln i post-HIP2: eftersintring som den sista sintringsprocessen.

TABELL 2 Hertz-cykelkontakt till ett maximalt kontakttryck av 5 GPa.

Ytbeskaffenhet efter 2,0 miljoner lastcykler av 10 Hz och rumstemperatur. En hàrdmetallkula (WC/Co) belastades pà ett lO 15 20 25 30 517 535 8 polerat plant keramàmne, utskuret från en keramkula. CTA inbegreps som allmän referens för hetisostatiskt pressade aluminiumoxid-zirkoniumoxid-kompositer_ Material Luft Vatten NBDZOO Ingen skada Skada TSN-3NH - Skadal CTA Ingen skada Ingen skada 1 1,5 miljoner lastcykler.

TABELL 3 Tryckhállfasthet för 17/32" keramiska kulor av höghàllfast typ.

Material Tryckhàllfasthet (kN) TSN-BNH 47,0 N32l2 43,6 CTA 71,3 CTC 85,8 TABELL 4 Kritisk stötbelastning för bildande av C-sprickor pà höghàllfasta 17/32" keramkulor. Kontakt mellan. keramiska kulor och keramiska kulor.

Material Kritisk stötbelastning (kN) TSN-BNH 9,5 N32l2 8,0 CTA l8,0 CTC 15,5 10 15 20 517 535 TABELL 5 Viktförlust diameterföràndring (pm); (mg/cmï; tryckhàllfasthet (kN); och kritisk stötbelastning (kN) för keramiska %" kulor. Kulorna autoklaverades i vatten vid 300°C och 86 bar under 9 dagar.

Material Viktförlust Diameter- Tryckhàll~ Kritisk (mg/cmfi ändring fasthet s t ö t - (pm) (kN) belastning (kN) NBD200 13,0 -14,5 40,0 2,3 TSN-3NH 9,0 +3,0 42,0 5,0 TSN-l5H 23,0 -18,0 30,0 5,4 EkasicT 0,0 +2,0 10,5 0,8 Y-TZP -1 -12,01 -1 -1 _2 _2 _2 _2 CTC +/-0,0 +/-0,0 53,0 21,4 1 2 dagar, inga mätningar gjordes utom beträffande diameteràndring. 2 Materialet kollapsade till följd av svära förhållanden. ~ » u ø a . nu

Claims (10)

10 15 20 25 30 517 535 io PATENTKRAV

1. Rullningslager, i synnerhet ett som användes i våt miljö, såsom med vatten och ånga, innefattande en ytterring, en innerring, rullkroppar, och en hållare som håller rullkropparna på ett inbördes avstånd från varandra, kännetecknat därav, att ringarna till lagret är tillverkade av stellit, rullkropparna är tillverkade av hetisostatiskt pressade aluminiumoxid-zirkoniumoxid-kompositer, och hållaren är tillverkad av polyetereterketon innefattande grafitfibrer, grafitpulver och polytetrafluoretylen.

2. Lager enligt patentkravet l, kännetecknat därav, att hållaren är tillverkad av polyeter-eter-keton omfattande 5 till 15 vikts-% grafitfibrer, 5 till 15 vikts-% vikts-% grafitpulver och 5 till 15 polytetrafluoretylen.

3. Lager enligt patentkrav 1-2, kännetecknat därav, att hållaren har en beläggning, som är en värmehärclande, vidhäftad beläggning baserad på grafit och ett organiskt bindemedel.

4. Lager enligt patentkraven 1-3, kännetecknat därav, att polyeter-eter-ketonen är en polyaryl-eter-keton.

5. Lager enligt patentkravet 2, kännetecknat därav, att mängden grafitfibrer är 10 vikts-%.

6. Lager enligt patentkravet 2, kännetecknat därav, att mängden grafitpulver är 10 vikts-%. 10 15 20 25 517 535 Il

7. Lager enligt patentkravet 2, kännetecknat därav, att mängden polytetrafluoretylen är 10 vikts-%.

8. Lager enligt patentkraven 1-7, kännetecknat därav, tillverkade av hetisostatiskt att rullkropparna är pressad aluminiumoxid-zirkoniumoxidkomposit med aluminiumoxidhalt i storleksordningen 20-80 volyms-% och zirkoniumoxidinnehåll av 80-20 volyms-%.

9. Lager enligt patentkravet 8, kännetecknat därav, att rullkropparna är tillverkade av hetisostatiskt pressad aluminiumoxid-(60%)-zirkoniumoxid(40%)-komposit, varvid zirkonium- oxiden är stabiliserad genom en yttriumtillsats.

10. Lager enligt patentkrav 8-9, kännetecknat därav, att rullkroppama är tillverkade av hetisostatiskt pressad aluminiumoxid- (60%)-zirkoniumoxid(4-O%)-komposit, varvid zirkonium-oxiden är stabiliserad genom en ceriumtillsats. 1 l. Lager enligt patentkraven 8-10, kännetecknat därav, att ringarna är tillverkade av stellit med en sammansättning Co: 42-70 vikts-%; Cr: 23-38 vikts-%; W: 4-22 vikts-%; och C: 0,5-3 vikts-%.