DE60021451T2

DE60021451T2 - Keramikkugel für Kugellager

Info

Publication number: DE60021451T2
Application number: DE60021451T
Authority: DE
Inventors: Tomonori Konan Niwa
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1999-03-04
Filing date: 2000-03-03
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2020-03-04
Also published as: US6315454B1; EP1033505B1; EP1033505A1; TW515873B; DE60021451D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Kugeln für Kugellager des Typs, die zum Beispiel in Computer-Festplattenlaufwerken, Halbleiterscheiben-Übertragungsvorrichtungen und anderen Vorrichtungen verwendet werden, die einen schwach vibrierenden Betrieb benötigen.
Lagervorrichtungen, die Kugeln oder Rollen verwenden, die zwischen äußeren und inneren Laufrollen angeordnet sind, finden eine verbreitete Verwendung für den gleichmäßigen Lauf von drehbaren Komponenten in der Ausrüstung der verschiedenartigsten Größen von der Schwerindustrieausrüstung bis zu elektronischen Vorrichtungen. Traditionell wurden derartige Kugeln für Kugellager und Rollen aus Stahl hergestellt, doch in den letzten Jahren wurden ebenfalls keramische Werkstoffe, wie zum Beispiel Siliziumnitrid verwendet. Die US-Patentschrift Nr. 5,642,947 beschreibt ein Verfahren, um das Leben eines Stahl-Kugellagers zu verlängern, indem seine Fähigkeit, Ölfilme zu bilden, verbessert wird.
Zuvor waren Stahl und Super-Stahl der beste Werkstoff für Kugeln für Kugellager, zum Beispiel in Festplattenlaufwerken für Computer. Mit den Verbesserungen in der Computerleistung wurden jedoch höhere Umdrehungsfrequenzen gefordert und dementsprechend wurde es notwendig, keramische Werkstoffe (Kugel-Herstellungs-Werkstoff) für die Herstellung der Kugeln für Kugellager zu verwenden. Die US-Patentschrift Nr. 5,485,331, Dunfield et al., herausgegeben am 16. Januar 1996, beschreibt und veranschaulicht einen Festplattenlaufwerktyp, der Keramikkugeln für Kugellager gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 aufnimmt. Diese Patentschrift weist jedoch keine Offenbarung von Keramikkugeln mit allen Merkmalen von Anspruch 1 weiter unten.
Da die Dichte von keramischen Werkstoffen generell niedriger als die von Stahl ist, ist das Gewicht und folglich der Reibungswiderstand von Keramikkugeln für Kugellager entsprechend niedriger. Und da der Wärmeausdehnungskoeffizient keramischer Werkstoffe niedriger als der von Stahl ist, kann die dimensionale Genauigkeit verbessert werden. Ein keramischer Werkstoff weist ebenfalls den Vorteil auf, weniger Schmiermittel zu benötigen.
Die alleinige Auswahl eines keramischen Werkstoffes für eine Kugel für Kugellager reicht jedoch nicht unbedingt von sich aus. In einem Computer-Festplattenlaufwerk stellen unregelmäßige Lagervibrationen beim Speichern (Schreiben) und Lesen von Daten zum Beispiel einen potentiell fatalen Leistungsnachteil dar. Kugeln für ein derartiges Lager erfordern demgemäß eine größere Leistungsgenauigkeit als die der Kugeln für Kugellager, die zum Beispiel in einer Werkzeugmaschine verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, eine Keramikkugel für Kugellager bereit zu stellen, die fähig ist, dem unregelmäßigen Vibrieren zum Beispiel eines Festplattenlaufwerkes, das sie aufnimmt, vorzubeugen.
Erfindungsgemäß wird eine Keramikkugel für Kugellager bereit gestellt, die eine Sphärizität von weniger als 0,08 μm, eine Oberflächenrauheit von weniger als 0,012 μm und eine maximale Oberflächenporengröße von 5 μm umfasst.
Eine erfindungsgemäße Keramikkugel für Kugellager mit den vorgenannten Merkmalen weist eine hervorragende Oberflächebedingung und hohe dimensionale Genauigkeit auf. Wenn eine derartige Keramikkugel für Kugellager zum Beispiel in einem Lager in einem Computer-Festplattenlaufwerk verwendet wird, tritt demgemäß selten unregelmäßiges Lagervibrieren auf, so dass das Schreiben und Lesen von Daten genau und sicher erreicht werden kann. Die Erfindung wird im Folgenden nur als Beispiel und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschreiben. Es zeigen:
1 eine erläuternde Sicht, die die maximalen Porengrößen zeigt; und
2 eine erläuternde Sicht, die die Laborausrüstung zum Bestimmen der Vibrationsniveaus zeigt.
Die Sphärizität, Oberflächenrauheit und maximale Porengröße können wie folgt gekennzeichnet sein.
1. Sphärizität:
Die Spezifikationen über Stahlkugeln für Kugellager gemäß JIS B1501 werden für die erfindungsgemäßen Keramikkugeln für Kugellager verwendet. Sphärizität wird demgemäß durch das Messen von zwei oder drei äquatorialen Dimensionen an gegenseitigen rechten Winkeln bestimmt, und dies unter Verwendung eines Instruments, das maximale Radialabstände zwischen den jeweiligen umschriebenen Kreisen und der Kugeloberfläche misst.
2. Oberflächenrauheit:
Die Spezifikationen über Stahlkugeln für Kugellager gemäß JIS B1501 werden ebenfalls für die erfindungsgemäßen Keramikkugeln für Kugellager verwendet. Oberflächenrauheit wird demgemäß als der arithmetische Mittelrauhwert bestimmt, und dies durch das Messen einer äquatorialen Oberfläche einer Keramikkugel für Kugellager mit einem Messinstrument, das dem Typ entspricht, das in JIS B 0651 vorgesehen ist (Tracer Typ Oberflächenrauheits-Messinstrument).
3. Maximale Porengröße:
Die maximale Porengröße ist der größte Porendurchmesser, wie er in 1 der Zeichnungen gezeigt wird, von Poren, die an der Oberfläche der Keramikkugel für Kugellager ausgesetzt sind, und der größte Durchmesser der größten Pore, wenn mehrere derartige Poren bestehen. Die Messung der maximalen Porengröße kann zum Beispiel durch das Verwenden des Bildes von der Oberfläche der Keramikkugel für Kugellager ausgeführt werden, das zum Beispiel von einem metallurgischen Mikroskop oder einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen wird.
Die erfindungsgemäße Keramikkugel für Kugellager verfügt vorzugsweise über eine maximale innere Porengröße von weniger als 5 μm.
Es gilt, dass, wenn eine Keramikkugel für Kugellager Poren aufweist, diese Poren nicht nur an der Oberfläche davon, sondern auch in einem inneren Abschnitt davon bestehen. Wenn die Form und Größe der Keramikkugel für Kugellager durch das Polieren der Kugel justiert oder geregelt werden, sind demgemäß die Poren im inneren Abschnitt davon zwangsläufig der Oberfläche ausgesetzt.
Vorzugsweise ist Siliziumnitrid als Hauptbestandteil der Keramikkugel für Kugellager verwendet, wodurch sie der Kugel vorteilhafte Eigenschaften wie Härte, Gewicht und Reibungsverlust verleiht. Es können ebenfalls andere keramische Werkstoffe verwendet werden, zum Beispiel Aluminiumoxid, SiC, Zirconiumdioxid, Verbundwerkstoffe aus Aluminiumoxid Zirconiumdioxid und Kerametall.
Im Folgenden wird ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Keramikkugel für Kugellager unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Die Keramikkugel für Kugellager in dieser Ausführungsform weist als ihr Hauptbestandteil Siliziumnitrid auf, und die Keramikkugel umfasst zum Beispiel 94 Gew.% Siliziumnitrid, 3 Gew.% Aluminiumoxid und 3 Gew.% Yttriumoxid. Diese Keramikkugel für Kugellager ist ein gleichmäßige Kugel mit einem Durchmesser von zum Beispiel 2 mm, die eine Sphärizität von weniger als 0,08 μm, zum Beispiel 0,02 μm, eine Oberflächenrauheit von weniger als 0,012 μm, zum Beispiel 0,001 μm, und eine maximale Oberflächenporengröße von weniger als 5 μm, zum Beispiel 2 μm umfasst.
Der Rohstoff für die Keramikkugel für Kugellager ist als ein Schlamm zubereitet, der durch das Mischen von 1–10 Gewichtsteilen Sinterhilfspuder (zum Beispiel eine Mischung aus Aluminiumoxid und Yttriumoxid) mit 100 Gewichtsteilen Siliziumnitridpuder erhalten wird, und dadurch, dass die daraus entstehende Mischung einer Nassmischung (oder Nassmischungs-Feinmahlung) in einer Kugelmühle oder einem Attritor unterzogen wird, wobei zum Beispiel Reinwasser als ein Solvens verwendet wird.
Dieser Schlamm wird daraufhin in eine Rohpuderzubereitungsvorrichtung gegeben, die zum Beispiel dem Typ entspricht, der in der japanischen Patentschrift Nr. 290798/1998 gezeigt wird, um Rohpuder zuzubereiten. Der somit zubereitete Rohpuder wird mit einer bekannten Walz/Granulationsvorrichtung in eine kugelförmige Form geformt (granuliert). Die kugelförmig geformten Körper, die durch den Granulationsprozess erhalten werden, werden durch regelmäßiges Gasdrucksintern oder Heißflüssigkeitssintern gesintert, um kugelförmig gesinterte Körper aus Siliziumnitrid zu erhalten.
In einem alternativen Verfahren wird der weiter oben beschriebene Schlamm durch Sprühtrocknung in Rohpuder gebildet, und der Rohpuder wird in kugelförmige Körper durch Verwenden einer bekannten Metallpresse geformt. Die kugelförmig geformten Körper werden regelmäßigem Gasdrucksintern oder Heißflüssigkeitssintern unterzogen, um kugelförmig gesinterte Körper aus Siliziumnitrid zu bilden.
Die Größe der Poren in den gesinterten Körpern wird durch das Kontrollieren des Typs und der Menge der Sinterhilfe, von Sintertemperatur und -druck, und der durchschnittlichen Partikelgröße des Rohstoffs geregelt. Wenn zum Beispiel die Menge der Sinterhilfe und Sintertemperatur und -druck mit klein gehaltener durchschnittlicher Partikelgröße des Rohstoffs erhöht werden, wird die Verdichtung des Rohstoffs beim Sintern erheblich gefördert, so dass die Poren im Allgemeinen klein sind.
Demgemäß sind die Sinterhilfe und die Sinterbedingungen derart geregelt, dass eine maximale Porengröße der inneren Abschnitte (die nach der Vollendung des Polierens in Oberflächenporen wechseln) der gesinterten Körper nicht mehr als 5 μm umfasst.
Die somit erhaltenen Durchmesser, Sphärizität und Oberflächenrauheit der gesinterten Körper sind geregelt, in dem die gesinterten Körper derart dem Polieren unterzogen werden, dass Keramikkugeln für Kugellager aus Siliziumnitrid mit einem Durchmesser von weniger als 4 mm gebildet sind.
Die somit hergestellten Keramikkugeln für Kugellager umfassen eine Sphärizität von weniger als 0,08 μm, eine Oberflächenrauheit von weniger als 0,012 μm und eine maximale Oberflächenporengröße von weniger als 5 μm.
Wenn diese Keramikkugeln für Kugellager in einem Lager zum Beispiel in einem Festplattenlaufwerk von einem Computer verwendet sind, treten unregelmäßige Vibrationen selten auf, so dass das Schreiben und Lesen von Daten genau und sicher ausgeführt werden kann.
Beispiele
Im Folgenden werden Details von Experimenten beschrieben, die ausgeführt wurden, um die Vorteile der vorliegenden Erfindung zu ermitteln.
Mittels hydrostatischem Heißpressen wurden Kugeln aus gesinterten Körpern mit Siliziumnitrid als ein Hauptbestandteil hergestellt. Die Sinterhilfe(n) und Kalzinierungsbedingungen wurden derart variiert, dass die Größen der inneren Poren der Kugeln im Bereich der Erfindung variierten. Diese gesinterten Kugeln wurden daraufhin derart poliert, dass sie die Sphärizität und Oberflächenrauheit aufwiesen, die in der Tabelle 1 weiter unten angegeben sind, um die Keramikkugeln für Kugellager der Proben Nr. 1–10 zu erhalten, die in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen.
Auf dieselbe Weise wurden gesinterte Kugeln als Vergleichsbeispiele hergestellt, wobei die Sinterhilfe(en) und Kalzinierungsbedingungen derart variiert wurden, dass sie verschiedene Porendurchmesser aufwiesen. Diese Kugeln wurden daraufhin derart poliert, dass sie die Sphärizität und Oberflächenrauheit aufwiesen, die in der Tabelle 1 weiter unten angegeben sind, um Keramikkugeln für Kugellager der Proben Nr. 11–16 zu bilden, die nicht in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen.
Die Keramikkugeln für Kugellager wurden geschnitten und maximale Porengrößen in den davon geschnittenen Oberflächen wurden gemessen. Die Ergebnisse sind ebenfalls in der Tabelle 1 angegeben. Wenn die Oberflächen der Kugeln poliert sind, sind die Poren in den inneren Abschnitten davon nach Außen ausgesetzt und die maximalen Größen der inneren Poren und diejenigen der Oberflächenporen wurden als gleich angesehen.
Diese Keramikkugeln für Kugellager 1 wurden zwischen äußeren und innern Laufrollen 2, 3, wie in 2 gezeigt wird, angeordnet, um Kugellager zu bilden, und die innere Laufrolle 3 von jedem Lager wurde gedreht, wobei die äußere Laufrolle 2 fest war, um akustische (Vibrations-)Tests auszuführen. Die Intensität des Geräusches, das auftrat, wenn die innere Laufrolle um 5000–10000 U/Min. gedreht wurde, wurde an der äußeren Laufrolle 2 durch einen Sensor (Mikrofon) 4 aufgenommen, um zu untersuchen, ob der Ausgangspegel einen vorbestimmten zulässigen Bereich (d.h. 30 dB) überstieg, wodurch bestimmt wurde, ob jede Keramikkugel für Kugellager 1 angemessene Oberflächenmerkmale und -genauigkeit aufwies. Die Ergebnisse werden ebenfalls in der Tabelle 1 angegeben. In der Tabelle 1 sind die Proben, deren Geräuschintensität nicht größer als 30 dB ist, mit 0 (zufrieden stellend) markiert, und die Proben, deren Geräuschintensität größer als 30 dB ist, mit X (fehlerhaft).
Tabelle 1
Die Tabelle 1 zeigt deutlich, dass ermittelt wurde, dass Kugellager, die die Keramikkugeln für Kugellager (Proben Nr. 1–10) im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwenden, wenig Vibration hervorrufen und geeignet sind, um zum Beispiel in einem Festplattenlaufwerk von einem Computer verwendet zu werden. Sie können beispielsweise auch in einem Festplattenlaufwerk-Tragarm verwendet werden. Andererseits erfüllen die Kugellager, die Kugeln von Vergleichsbeispielen (Proben Nr. 11–16) verwenden, nicht die Bedingungen der vorliegenden Erfindung, so dass sie viel Vibration hervorrufen und nicht geeignet sind.

Claims

Keramikkugel (1) für Kugellager, die eine Sphärizität von weniger als 0,08 μm und eine Oberflächenrauheit von weniger als 0,012 μm umfasst und die durch eine maximale Oberflächenporengröße von 5 μm gekennzeichnet ist.
Keramikkugel (1) für Kugellager nach Anspruch 1, die eine maximale innere Porengröße von 5 μm aufweist.
Keramikkugel (1) für Kugellager nach Anspruch 1 oder 2, die durch eine Sphärizität von 0,02 μm, eine Oberflächenrauheit von 0,001 μm und eine maximale Oberflächenporengröße von 2 μm gekennzeichnet ist.
Keramikkugel (1) für Kugellager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die Siliziumnitrid als deren Hauptbestandteil umfasst.
Lager für Laufwerkmotoren, das innere (3) und äußere (2) Laufrollen aufweist, und das zwischen den Laufrollen mehrere Keramikkugeln (1) für Kugellager nach einem der Ansprüche 1 bis 4 unterbringt.