Fig.1: Inspection of 47.625 mm diameter ceramic balls (right) used for windmill generator bearings.

Utveckling av kulor till keramiska lager

Från början var det framväxten av hög­presterande avancerade gasturbiner som drev utvecklingen av keramiska rullkroppar. Andra inbyggnader – som verktygsmaskinspindlar, elmotorer och generatorer – har gjort keramiska rullkroppar till en allt hetare teknik.

Av Oskar Schöppl, SKF Österreich AG, Steyr, Österrike

Hybridlager

Sammandrag

För över 400 år sedan var de första industriellt framställda keramiska kulorna marmorkulor. De användes som kanonkulor, ballast och leksaker. I och med de nya konstruktionskeramerna, som dök upp under 1960- och 1970-talen, fick dessa enkla marmorkulor ge plats för högpresterande keramiska kulor. Dessa har testats i jetmotorer och tillverkas kommersiellt för spindlar till verktygsmaskiner, elmotorer, Formel 1-bilar och pumpar.

De senaste användningsområdena för hybridlager finns inom järnvägsteknik och vindkraftgeneratorer. SKF är en ledande aktör inom utveckling, industrialisering, applicering och standardisering av keramiska kullagerkulor. Utvecklingsarbetet fortsätter och inriktas i dag främst på kulor med större diameter. Kullagerkulor i kiselnitrid, med diameter upp till 47,625 millimeter, är redan kommersiellt tillgängliga. På materialsidan undersöks möjligheter att skräddarsy nya material för specifika tillämpningar. Detta kommer att spara kostnader och bli till nytta för miljön. De nya anläggningar som startas för att tillgodose det ökande behovet av moderna keramiska material är nämligen mindre energikrävande än de gamla som ersätts.

Försäljning och råd

Oscar Schöppl, Oscar.Schoeppl@skf.com

Hybridlager med keramiska rullkroppar används i många krävande inbyggnader. Som exempel kan nämnas lager till järnvägs­industrin och till vindgeneratorer.

Standardmaterialet för kerami­ska rullkroppar är kiselnitrid, Si3N4. Materialet uppfyller internationella standarder. Test- och inspektionsmetoder (fig 1) har etablerats, med hänsyn tagen till den aktuella trenden mot större keramiska kulor. I dag finns högkvalitativa kiselnitridkulor med diameter upp till 47,625 mm (fig 1, höger) kommersiellt tillgängliga.

Kulor av keramiska material, sten och marmor har en lång historia. De har använts som kanonkulor, ballast och som spelkulor för barn. Utvecklingen av syntetiska keramer under 1960- och 1970-talen öppnade vägen för högpresterande kiselnitridkulor i kullager, en teknik som fick stor användning i så olika produkter som jetmotorer, verktygsmaskinspindlar, elmotorer, tävlingsbilar, pumpar och liknande. Utvecklings­arbetet pågår fortfarande, nu med särskild inriktning mot större kulor.

Utveckling av keramiska kulor och inbyggnader
En viktig drivkraft bakom utvecklingen av moderna konstruktionskeramer har varit strävan efter en mycket effektiv gasturbinmotor. Driftförhållandena för huvudaxellagren i sådana motorer är extremt krävande, med axelvarvtal över 30 000 r/min och lagertemperaturer över 650 °C [1]. Vid gastemperaturer över 1 100 °C är det bara högpresterande keramiska material med högre hårdhet än lagerstål som kommer ifråga – ibland når inte ens koboltbaserade stelliter och höglegerade volframstål ända fram. Gasturbiner används främst i jetmotorer. Den inbyggnaden kräver lätta material (låg densitet) som behåller sin höga hållfasthet vid höga temperaturer. Dessutom måste de uppfylla en rad krav på styvhet, bearbetbarhet och tillgänglighet.

Keramiska material var kända för att uppfylla de båda första kraven, beständighet vid höga temperaturer och låg densitet, men de var samtidigt sköra. Forskningsdata från rymd- och försvarsindustrin användes för att förstå varför keramer är så svaga, och hur man skulle kunna ta sig runt det problemet. Arbetet resulterade i teorier, metoder och processer som förbättrade de keramiska materialen, och födde nya syntetiska keramer, som kiselnitrid. SKF Engineering & Research Centre i Nederländerna har arbetat intensivt med kerami­ska material sedan utvecklingen på området startade.

Kiselnitrid är en speciell keram med självförstärkande egenskaper. Materialets två keramiska faser, alfa-kiselnitrid och beta-kisel‑nitrid har olika kristallstrukturer. Den ena bildar långsträckta nålar (fig 2). Under tillverkningen kan balansen mellan de två faserna justeras för att ge ett segare material. Den första kommersiellt tillgängliga kiselnitriden med hållfasthet och seghet som lämpade sig för lagerinbyggnader tillverkades genom hetisostatpressning (HIP).

Under 1960- och 1970-talen konstruerade SKF-bolaget MRC Bearings de första keramiska lagren. Hybridlagret med delad innerring tillverkades av MRC för ett testprogram som finansierades av den amerikanska regeringen. Kisel­nitridens egen­skaper i lager under långtidsdrift, med fasta smörj­medel och temperaturer över 500 °C, visades av SKF 1984 [1].

Omkring 1990 började även verktygsmaskinindustrin studera fördelarna med lätta keramiska kulor som tillåter höga varvtal. I mitten av 1990-talet blev det vanligt med frekvensomriktare för elmotorer. De snabba spänningsväxlingarna orsakade elektrisk erosion i konventionella lager. Hybridlager erbjöd ett mycket robust alternativ för elektrisk isolering mellan axel och motorkapsling. Vid ungefär samma tid lanserades flera hybridlagerbaserade lösningar för Formel 1-racerbilar. Lagertypen valdes för sin robusthet under krävande förhållanden (utarmad smörjning och stor belastning). Hybridlagren gjorde sin entré i pumpar och kompressorer omkring år 2000. Här spelar lagertypen en viktig roll genom att lagren kan smörjas med arbetsmedier som har lägre viskositet än smörjolja – till exempel. köldmedier. Keramernas utmärkta korrosionsbeständighet gjorde materialet till ett uppenbart val för kompressorer med sura gaser. På senare år har lager till vindturbingeneratorer blivit en viktig inbyggnad. Här behövs stora keramiska kulor (fig. 1, höger) med diametern 47,625 mm. Ett annat växande användningsområde är järnvägsindustrin, där keramiska rullkroppar används i traktionsmotorer (fig 3). Elektrisk isolering och höga prestanda hos keramiska rullkroppar under relativt lätta belastningar (de genererar mindre friktionsvärme) ökar fettlivslängden i dessa sammanhang.

Kvalificering av högpresterande keramiska kulor
Många rullningslagerinbyggnader kan dra nytta av keramiska kulor. För att säkerställa att ett keramiskt material presterar optimalt i en inbyggnad krävs en noggrann bedömning av materialet som används till kulorna. Under åren har ett antal testmetoder utvecklats.

Vanligtvis går det att göra en första materialbedömning genom att studera makrostrukturen (fig 4, överst), mikrostrukturen och homogeniteten (fig 4, mitten) hos provkroppar utskurna från blanks eller färdiga rullkroppar. Det görs genom att polera deras ytor. Även hårdheten (fig 4, nederst) och känsligheten mot fraktur vid intryckning kan bestämmas relativt snabbt hos ett kandidatmaterial.

Nya metoder har utvecklats för att testa hållfastheten hos färdiga keramiska kulor. Framför allt då det gäller höghållfasta material har ytkvaliteten visat sig ha betydande inverkan på hållfastheten. Och ytkvaliteten hos en lagerkula är mycket bättre än hos en referensprovkropp. Testet med ”hackförsedd kula” (fig 5) har fördelen att hållfastheten kan utvärderas på riktiga kulor och inte på sådana provkroppar som i dag specificeras av ISO 26602:2009. Kulorna förses med hack och belastas vertikalt. De reagerar på ungefär samma sätt som standardprovkroppar. Detaljinformation om testmetoden finns publicerad [2, 3]. Det har visats [4] att ytdefekter som Hertzska ”C”-sprickor har stor inverkan på en kulas hållfasthet.

En initial idé om cyklisk rullningskontaktutmattning kan utvärderas med en Polymet-skiva i en provningsmaskin (fig 6). En provstav belastas mellan två roterande stålskivor. Vanligen körs 40×106 cykler med ett kontakttryck på 3 eller 4,8 GPa som ett acceptanstest. Cyklisk rullningskontaktutmattning kan testas på färdiga kulor med en modifierad fyrkultestmaskin. Den översta keramiska kulan pressar in de tre nedre kulorna i en kulficka. Detta simulerar ett mycket enkelt lager (fig 7). Ett liknande test kan också utföras som ett femkulorstest, med fyra kulor i botten. En annan möjlighet för bedömning av rullningskontaktutmattning hos färdiga keramiska kulor är V-spårtestet (fig 8). En kula belastas mellan två ringar med V-spår och kontakttryck mellan 1,5 och 5,5 GPa. Vid standardvarvtalet måste kulorna med 28,6 millimeters diameter klara cirka sex miljoner belastningscykler per timme.

Livslängden hos hybridlager testas under olika smörjförhållanden. Den typiska lagertypen för uthållighetstestning är ett vinkelkontaktkullager 7209, med kuldiameter 12,7 millimeter. I figur 9 visas ett livslängdstest av ett hybridlager med fettsmörjning på ett större vinkelkontaktkullager 7318, med kuldiametern 31,7 millimeter.

Slutsats
Med dessa formella metoder för att kvalificera keramiska rullkroppar i hybridlager kan slutanvändare känna sig trygga beträffande materialens prestanda i avancerade tillämpningar. Fortsatt utveckling av keramiska material – skräddarsydda för högpresterande inbyggnader – gör att hybridlager troligen kommer att hitta användningsområden i nya industriella inbyggnader med höga prestandakrav.  

Referenser
[1] Pallini, R A, ”Turbinmotorlager för ultrahöga temperaturer”, Kullager­tidningen 234, september 1989
[2] P Supancic, R Danzer, S Witschnig, E Polaczek, R Morrell, ”A new test to determine the tensile strength of brittle balls – The notched ball test”, Journal of the European Ceramic Society 29 2447–2459 (2009)
[3] P Supancic, R Danzer, W Harrer, Z Wang, S Witschnig, O Schöppl, ”Strength Tests on Silicon Nitride Balls”, Key Engineering Materials Vol 409 sid 193−200 (2009)
[4] P Supancic, R Danzer, Z Wang, S Witschnig, O Schöppl, ”The Notched Ball Test – A New Strength Test for Ceramic Spheres”, 9th Symp on Ceramic Materials, Shanghai (2008)

 

Relaterat innehåll