Kuulalaakerin materiaalin valinta

Transkriptio

1 n materiaalin valinta Henri Nurminen Kuulalaakeri Kuulalaakeri on laakeri, joka koostuu neljästä pääkomponentista. Pääkomponentteja ovat sisempi ja ulompi laakeripinta, laakerikuulat ja laakerikuulia paikallaan pitävät välikappaleet. Tämän lisäksi materiaalista riippuen laakerin sisällä voi olla voiteluainetta, kuten rasvaa tai öljyä. Laakerin tarkoituksena on mahdollistaa jonkin kappaleen vähäkitkainen pyöriminen akselin ympäri. Kuulalaakerin ominaisuudet Olennaisimpia ominaisuuksia kuulalaakereita valittaessa ovat väsymyskestävyys, jottei murtumia synny sekä pinnan kovuus, jolloin pyörimisestä aiheutuva kitka on mahdollisimman pieni. [3] Laakereiden on kestettävä ulkopuolisesta massasta ja voimista aiheutuvaa kuormitusta sekä pyörimisestä aiheutuvasta kitkaa. Kitkasta syntyy lämpöä, minkä lisäksi laakeri saattaa olla lämpimissä olosuhteissa esimerkiksi teollisuudessa. Pyörimiseen liittyen myös melun tuottaminen voi olla tarpeellista ottaa huomioon. Joissakin äärimmäistä tarkkuutta vaativissa sovelluksissa taas tärinä tai pyörimisestä aiheutuva erittäin pieni värähtely voivat vaikuttaa kuulalaakerin kuulien materiaalivalintaan, jolloin pinnan on oltava todella kova ja sileä. Olosuhteista riippuen kuulalaakerille saattaa myös olla korroosiokestävyyteen liittyviä vaatimuksia. Metallit ovat korroosioherkkiä, joten kosteissa tai märissä olosuhteissa metallia tulisi välttää. Myös kuulalaakerin massalla ja magneettisuudella voi olla merkitystä joissain sovelluksissa. Urheiluvälineissä kuten polkupyörissä tai skeittilaudoissa tämä keveys voi olla tärkeä ominaisuus. Kuulalaakerit ovat yleensä komponentteja jossain suuremmassa kokonaisuudessa, kuten tuotteessa, jolloin materiaalin hinnan on oltava kohtuullinen ja materiaalin oltava saatavilla mahdollisesti jopa teollisessa mittakaavassa. Kuva 1. Tyypillinen kuulalaakeri Keraamit Keraamit ovat ei-metallisia, epäorgaanisia aineita, joiden yhdistekirjo on laaja. Keraamit voivat sisältää esimerkiksi oksideja, silikaatteja, karbideja tai nitridejä. [5] Keraamit muodostuvat joko ioni- tai kovalenttisista sidoksista, minkä takia ne ovat usein erittäin lujia. Toisaalta keraamit voivat muodostua monista eri yhdisteistä, joten materiaalin ominaisuudet voivat vaihdella suurestikin. Joidenkin keraamien lujuuden takia ne sopivat hyvin kuulalaakerin kuulien materiaaliksi. Suuren lujuuden ja jäykkyyden lisäksi ne ovat kuitenkin yleensä hauraita esimerkiksi koville iskuille. Keraamit eivät myöskään ruostu, joten olosuhteista riippuen ne voivat olla oiva materiaalivalinta metallien sijasta korroosiokestävyyttä tai lämmönsietokykyä vaativissa sovelluksissa. [1] Yleisin kuulalaakereissa käytetty keraami on piinitraatti. Käytettäessä keraamisia kuulia kuulaakereissa ei tarvita voiteluainetta, jolloin ne soveltuvat hyvin sovelluksiin, joissa voitelu ei ole mahdollista, kuten esimerkiksi avaruustekniikka. Metallit Metallit muodostuvat metallisidoksista. Metalleille ominaista ovat useat vapaat elektronit sidoksissa. Tästä johtuu metallien hyvä lämmön- ja sähkönjohtavuus. Metallien magneettisuus voi olla ongelmana esimerkiksi lääketieteellisissä sovelluksissa. [2] Metallit ovat useimmiten myös lujia ja kestäviä, eivätkä ne ole hauraita kuten keraamit. Metallit kuitenkin ovat herkempiä korroosiolle. [1] Metalleista on mahdollista tehdä lukemattomia määriä erilaisia yhdisteitä ja näistä yhdisteistä kuulalaakereissa käytetään erilaisia teräksiä. Teräkset ovat rautavaltaisia metalliseoksia, joiden ominaisuuksia muokataan halutuiksi erilaisilla seosaineilla, kuten esimerkiksi hiilellä, kromilla, piillä, nikkelillä, vanadiinilla tai alumiinilla. Hiiliteräs sisältää yleensä vain rautaa ja hiiltä ja ruostumaton teräs taas rautaa ja kromia. Polymeerit Polymeerit ovat molekyyliketjuja, jotka syntyvät useiden molekyylien muodostamista ketjuista. Polymeerit koostuvat primäärisistä sidoksista ketjujen sisällä ja sekundäärisistä näiden ketjujen välillä. Sidosenergiat ovat siis pienempiä ketjujen välillä, joten polymeerit ovat pääsääntöisesti vähemmän jäykkiä ja lujia, kuin metallit ja keraamit. [1] Polymeerit eivät myöskään usein kestä korkeita lämpötiloja. Yleisimpiä synteettisiä polymeerejä ovat erilaiset muovit. Vaikka muoveilla ei ole lujuuden tai kestävyyden saralla yhtä hyviä ominaisuuksia, kuin metalleilla tai keraameilla, voivat ne tarjota sellaisia vaihtoehtoja, joita metalleista tai keraameista ei löydy. Jos laakereilta vaaditaan pientä massaa tai hiljaista pyörimisääntä, voivat polymeerit tarjota parhaan ratkaisun. Polymeerit eivät myöskään tarvitse voiteluainetta eivätkä ne ruostu. [2] Kuva 2. Laakereita keraamisilla kuulilla Materiaalin lopullinen valinta Kuulalaakerin materiaalia valittaessa tärkeimmiksi ominaisuuksiksi osoittautuivat väsymyskestävyys sekä pinnan kovuus. Analysoituamme erilaisia materiaaleja graafisesti käyttäen CES EduPackia voimme todeta, että väsymyskestävyydeltään ja kovuudeltaan sopivimpia materiaaleja ovat erilaiset teräkset. Kuvasta 3 näemme, että kiinnostavimmat materiaalit sijoittuvat oikealle ylös, jolloin väsymyskestävyys ja kovuus ovat vertailuryhmässä suurimpia. Näistä valitsemme korkean hiilipitoisuuden hiiliteräksen (high carbon steel), joka sisältää pääasiassa rautaa ja 0,7-1,7% hiiltä. Valitsemme sen sekä hyvien materiaaliominaisuuksiensa puolesta että myös sen teollisen käytännöllisyytensä takia. Sen hinta on edullinen ja saatavuus teollisellakin mittakaavalla hyvä. Vaihtoehdot erityisempiin sovelluksiin Keraameilla ja polymeereillä on spesifejä ominaisuuksia, jotka antavat molemmista materiaaliryhmistä hyviä vaihtoehtoja kuulalaakereiden valmistamiseen. Tässä tarkastelussa kuitenkin keskityimme väsymyskestävyyden ja pinnan kovuuteen, jolloin metallit ja erityisesti teräs on sopivin vaihtoehto materiaalivalinnaksi. Kuitenkin, kun olosuhteet lämpötilan tai kosteuden suhteen ovat tärkeitä, kannattaa valita keraami tai polymeeri. Kun taas paino tai hiljaisuus ovat tärkeitä ominaisuuksia, voi paras materiaalivalinta löytyä keraameista. Monissa haastavissa ja erikoisissa ympäristöissä, jolloin hinnallakaan ei ole niin suurta merkitystä, kuten lääketieteelliset sovellukset tai avaruustekniikka, voi paras vaihtoehto löytyä keraameista. Keraamit yleisestikin ovat nousussa tutkimuksen saralla, joten tulevaisuudessa niiden käyttäminen kuulalaakereissakin voi yleistyä Kuva 3. Kuvaaja eri materiaalien kestävyydestä ja kovuudesta [1] Luentokalvot [2] A Guide to Ball Bearing Materials [3] Bearing Materials - Ceramics, Chrome Steels, Stainless Steels, and Plastics Bearing materials [5] Keraamit [6] CES EduPack ohjelmiston tietokanta Kuva 1. Kuulalaakeri Kuva 2. Keraaminen laakeri Ceramic_ball_bearing_Fan-Blowers-874x555.jpg

2 Tekijä: Jani Mäkelä Yhteystiedot: Johdanto Kuulalaakerin tehtävä on vähentää kitkaa kahden liukupinnan välillä pyörivien kuulien avulla. Kitka saadaan minimiin tarkoitukseen sopivalla välyksellä pintojen ja kuulien välissä sekä hyvällä voitelulla. Nämä asiat eivät kuitenkaan yksinään riitä hyvän kuulalaakerin valmistukseen. Materiaalin valinta kuulalaakeriin alkaa vaatimusprofiilin laadinnalla. Tässä vaiheessa selvitetään tuotteen käyttötarkoitus ja valmistettavuus, jonka jälkeen päätetään valintastrategia eli mitkä ominaisuudet ovat tässä tarkastelussa keskeisimpiä lopputuotteelle. Tämän jälkeen tehdään alustava karsinta epätodennäköisille vaihtoehdoille eli suoritetaan materiaalin esivalinta. Esivalitut materiaalit otetaan tämän jälkeen tarkempaan tarkasteluun ja niille tehdään ns. ominaisuusprofilointi. Ominaisuuksien ja niiden painotusten avulla voidaan tämän jälkeen tehdä lopullinen valinta. Valinnan onnistuneisuutta voidaan lisäksi arvioida prototyypin avulla ja sen jälkeisellä käyttöseurannalla. Kuva 1. Kuulalaakerin rakenne Vaatimusprofiili Kuulalaakerin toiminnan kannalta olennaisimpia tekijöitä ovat kestävyys ja käyttöikä. Nämä ominaisuudet riippuvat pitkälti valmistusmateriaalista ja sen mekaanisista ominaisuuksista, kuten esimerkiksi kovuudesta, puristuslujuudesta ja iskusitkeydestä eli niitä tulee painottaa valinnassa. Kuulalaakeri saattaa myös lämmetä käytössä, joten joitakin termodynaamisia ominaisuuksia, kuten lämpölaajeneminen ja sulamispiste tulee huomioida. Laakeri ei väljistyä yli toleranssien lämpölaajenemisen seurauksena eikä se saa muovautua käyttölämpötilassaan. Lisäksi kuulalaakeri ei saa olla altis korroosiolle. Kustannuksiltaan laakerin tulee olla kohtuullinen, mutta sen ei tarvitse olla ei halvin mahdollinen. Valintastrategia Painotetaan valinnassa kuulalaakerille hyviä ominaisuuksia ja tarkastellaan kustannuksia pidemmällä aikavälillä sen sijaan, että materiaalin yksikköhinta olisi ainoa merkitsevä tekijä. Tavoitteena on siis tuottaa laadukas kuulalaakeri, jolla on mahdollisimman pitkä käyttöikä. Valmistusmateriaali ei saa olla liian huonosti muokattava, jotta valmistuskustannukset pysyvät järkevinä. Laakerin tulisi sopia yleisimpiin käyttökohteisiin sekä rajattuihin erikoistapauksiin, mutta sen laatu ei saa kärsiä liian laajasta käyttöalueesta. Materiaaliryhmät Tarkastellaan eri materiaaliryhmiä CES EduPack 16 ohjelmiston[2] avulla. Kuvassa 4 on esitetty eri materiaaliryhmien kestävyys ja puristuslujuus, jotka kumpikin ovat huomattavan tärkeitä ominaisuuksia kuulalaakerille. Tämän puolesta voisikin olettaa teknisten keraamien olevan vahvoilla, vaikka perinteisesti kuulalaakerit onkin valmistettu metalliseoksista. Metallit ja metalliseokset tulevatkin heti teknisten keraamien perässä yhdessä lasien, komposiittien ja luonnon keraamien kanssa tarkasteltaessa kovuutta ja puristuslujuutta Koska kuulalaakerista halutaan mahdollisimman kestävä, kannattaa tarkastelusta heti aluksi jättää pois vaahdot, luonnonmateriaalit ja polymeerit (kuva 2). Näin ollen tarkasteltaviksi materiaaliryhmiksi jäävät metallit, komposiitit, lasit ja keraamit. Kuva 4. Eri materiaaliryhmien kovuus ja puristuslujuus Mekaaniset ominaisuudet Pelkästään kovuus ja puristuslujuus eivät kerro kaikkea eikä niiden perusteella yksinään voi tehdä materiaalivalintaa. On syytä ottaa huomioon myös materiaalin sitkeys eli kuinka hyvin materiaali vastustaa säröytymistä. Mitä pienempi sitkeys materiaalilla on, sitä herkemmin se säröytyy esimerkiksi iskusta. Kaikissa kuulalaakerien sovelluksissa sitkeys ei ole niin kriittinen tekijä, mutta jossain asennuksissa se voi olla tärkeää ja siksi materiaaliksi tulisi valita sellainen aine, jolla on vähintään kohtalainen, mutta mielellään hyvä tai erinomainen sitkeys. Joskus myös itse laakerin asentaminen tapahtuu lyömällä laakeri sisään laakeripesään. Kuvassa 5 on vertailtu keraameja, metalleja, laseja ja komposiitteja sitkeyden ja kovuuden suhteen. Kuvaajasta huomataankin, että huonoiten pärjäävät luonnon keraamit, komposiitit ja lasit niiden ollessa sekä hauraimpia että pehmeimpiä. Jäljelle jäävät tekniset keraamit sekä metallit ja metalliseokset, jotka kumpikin ovat hyviä vain toisessa osaalueessa. Jos käyttökohteessa vaaditaan erityisesti iskun- tai tärinänkestävyyttä, on valmistusmateriaaliksi syytä valita metalliseos. Jos puolestaan tiedetään, että laakeri asennetaan vakaaseen paikkaan jossa siihen ei kohdistu äkillisiä voimia, voitaisiin materiaaliksi harkita myös teknistä keraamia, sillä sen käyttöikä olisi huomattavasti pidempi. Pidempi käyttöikä perustuu materiaalin merkittävän suureen kovuuteen, jolloin myös kuluminen on vähäisempää. Muut materiaaliryhmät eivät yllä teknisten keraamien tasolle näissä. Kuva 6. Metallien sekä keraamien lämpölaajenemiskerroin ja sulamispiste Ominaisuusprofiili Valitaan ominaisuusprofilointiin keskimäärin parhaiten menestyneet materiaalit. CES-ohjelmistolla on rajoitettu vaihtoehtoja eri ominaisuuksien ääripäistä asettamalla seuraavat rajat: Hinta max. 40 /kg Puristuslujuus min. 00MPa Kovuus Vickers min. 500HV Sitkeys min. 5MPa*m^1/2 Sulamispiste min. 0 C, max C Lämpölaajenemiskerroin max. 15μstrain/ C Yhdeksi tärkeimmistä valintakriteeristä valittiin hyvä laatu sekä pitkä käyttöikä. Koska teknisillä keraameilla on lähes kaikin puolin selvästi paremmat ominaisuudet kuin metalliseoksilla, valitaan ominaisuusprofilointiin jäljelle jääneet kaksi teknistä keraamia ja unohdetaan metalliseokset niiden muuten hyvistä ominaisuuksista huolimatta. Keraamien ainoa huono ominaisuus oli alhainen sitkeys. Parhaiten siis lopulta menestyivät piikarbidi sekä piinitridi. Alla olevissa taulukoissa on listattu niiden mekaaniset ominaisuudet sekä muutama yleinen asia kyseisistä aineista joiden avulla lopullinen valinta voidaan suorittaa. Kuva 7. Piinitridin yleiset ja mekaaniset ominaisuudet [2] Kuva 2. Kuulalaakeri Esivalinta Käytetään esivalinnassa hyväksi tietoa erilaisten materiaalien rakenteista, kuten sidostyypeistä ja mikrorakenteesta. Näiden avulla saadaan karsittua osa vaihtoehdoista, jonka jälkeen voidaan tarkastella hieman tarkemmin eri materiaaliryhmien ominaisuuksia ja edelleen karsia muutama ehdokas ominaisuusprofilointia varten. Materiaalin rakenne Kuulalaakerin materiaalin tulee olla mahdollisimman kestävää, joten sen atomien välisten sidosten tulee olla vahvat. Tällöin esimerkiksi heikot sidokset, kuten van der Waalsin voima, dipoli-dipolisidos ja vetysidos eivät tule kyseeseen, vaan materiaalin atomisidosten olisi oltava vahvoja ioni-, metalli- tai kovalenttisia sidoksia. Sidostyyppi luonnollisesti vaikuttaa suoraan materiaalin ominaisuuksiin, mutta se ei suinkaan ole ainoa tekijä. Merkittävässä roolissa ovat myös atomien järjestys rakenteessa, mikroskooppinen rakenne sekä makroskooppinen rakenne[1]. Kuva 3. Suurlujuusteräksen ja keraamin mikrorakenne Aineen mikrorakennetta muuttamalla voidaan monipuolisesti vaikuttaa aineen ominaisuuksiin. Esimerkiksi teräksen ominaisuuksia voidaan parantaa seostamalla siihen pieniä määriä hiiltä ja suorittamalla erilaisia lämpökäsittelyjä. Näin saadaan parempia arvoja teräksen kovuudelle ja sitkeydelle, jotka ovat tärkeitä ominaisuuksia myös kuulalaakerille. Kuva 5. Materiaalien sitkeys vs. kovuus Termodynaamiset ominaisuudet Kuten vaatimusprofiilissa todettiin, tulee kuulalaakerin valmistuksessa ottaa huomioon myös materiaalin lämpölaajeneminen sekä sulamispiste. Vaikka kuulalaakerin lämpötilan ei pitäisi vaihdella suuria määriä, varmistetaan kuitenkin, että materiaali ei pääse sulamaan käyttölämpötilassa eikä sillä ole erityisen suurta lämpölaajenemiskerrointa. Normaalissa käytössä kuulalaakeri saavuttaa suurimman lämpötilansa 30-1 minuutin jatkuvan käytön jälkeen, mutta lämpötilan nousun pitäisi olla korkeintaan C[3]. SKF puolestaan lupaa kuulalaakereidensa toimivan aina 1 C lämpötilaan saakka, joten tässä voidaan pitää turvallisena sulamispisteen alarajana C:ta. Kuvassa 6 on vertailtu metallien ja teknisten keraamien termodynaamisia ominaisuuksia ja siitä huomataankin että sulamispiste ei koidu ongelmaksi minkään materiaalin kohdalla, mutta kuvaajan avulla voidaan karsia suurimmat lämpölaajenemiskertoimet omaavat materiaalit pois vaihtoehdoista. Jätetään harkinnasta myös ne materiaalit, joilla on kaikista korkeimmat sulamispisteet, sillä niiden valmistaminen saattaa olla hyvinkin työlästä. Arvioidaan sopivaksi sulamispisteen ylärajaksi 2500 C. Kuva 8. Piikarbidin yleiset ja mekaaniset ominaisuudet [2] Lopullinen valinta Kun tarkastellaan piinitridin (kuva 7.) ja piikarbidin (kuva 8.) ominaisuuksia, huomataan piikarbidin olevan kovempaa kuin piinitridi. Sillä on myös huomattavasti parempi puristuslujuus. Tämä antaa ensivaikutelman siitä että piikarbidi olisi varma valinta. Kuitenkin syvemmän tarkastelun jälkeen huomataan piinitridillä puolestaan olevan parempi vetolujuus ja sitkeys. Lisäksi se kestää myös merkittävästi paremmin väsymistä kuin piikarbidi. Tämä on tärkeä ominaisuus kuulalaakerille sen toistaessa aina samaa liikettä. Kun pidetään mielessä, että jo molemmat näistä materiaaleista ovat erittäin kovia, saadaan luultavasti paras lopputulos valitsemalla näistä kahdesta se, jolla on parempi sitkeys ja väsymisenkesto eli piinitridi. Piinitridiä onkin jo aikaisemmin käytetty kuulalaakerien valmistuksessa ja sen etuina ovat muun muassa erinomainen korroosion- ja lämmönkesto. Huonoja puolia ovat kuitenkin korkea hinta ja vaativa valmistusprosessi. Näiden vuoksi piinitridin käyttö ei ole vielä merkittävästi yleistynyt[2]. Kuva 9. Piinitridistä valmistettu kuulalaakeri [1] MOL-12 Materiaalit, [2] CES EduPack [3] Jeil Bearing %temperature.pdf SKF

3 Tekijä: Joni Palin Yhteystiedot: Johdanto Kuulalaakeri on laakerityyppi, jossa kahden pinnan välissä on kuulia, jotka vierivät. Tavallisesti toinen pinnoista on vapaa pyörimään ja toinen paikallaan. Pinnan pyöriessä myös kuulat vierivät pintojen välissä, jolloin liikettä vastustaa kuulien vierimisvastus. Vierimisvastus on huomattavasti pienempi kuin pintojen välinen liukukitka tilanteessa, jossa kuulia ei olisi vaan pinnat liukuisivat toisiaan vasten. Kuulalaakerin vaatimuksia Kuulalaakeri on oltava valmistettu mahdollisimman hyvin rasitusta kestävästä ja vähän kokoonpuristuvasta materiaalista, jotta se toimisi parhaalla mahdollisella tavalla. Kuulalaakereita käytetään hyvin erilaisissa käyttökohteissa ja vaatimukset materiaalien ominaisuuksille ja kestävyydelle eroavat paljon toisistaan. Toisissa sovelluksissa voidaan pyrkiä edullisuuteen, mutta joskus laadun pitää olla parasta mahdollista eikä hinnalla ole väliä. Tyypillisiä käyttökohteita ovat esimerkiksi pyörät ja teollisuusvaihteet. Suurissa koneissa, kuten tuulivoimaloissa käytettävien vaihteiden laakereiden on oltava erittäin korkealaatuisia ja pitkäikäisiä, sillä niiden vaihtaminen voi olla hyvin kallista ja vaikeaa. Rullalaudan pyörässä käytettävä kuulalaakeri voi taas olla halvemmista materiaaleista valmistettu, sillä pyörän vaihtaminen ei ole työlästä. Fracture toughness (MPa.m^0.5) 0 1 0,1 0,01 0,001 0,001 0,01 0, Compressive strength (MPa) Kuva 1: Materiaalit puristuslujuuden ja murtolujuuden mukaan. Kuulalaakerin rakenteisiin voi kohdistua suuria ja jatkuvia voimia. Laakeri on useassa tapauksessa myös tärinässä. Käytettävä materiaali ei voi siis väsyä nopeasti eikä joustaa liikaa. Suuri osa yllättäen tapahtuvista laakerivaurioista johtuu tärinän aiheuttamista vaikutuksista. [1] Vierimisestä aiheutuva kitka aiheuttaa materiaalin lämpenemistä. Jotta laakerin kuulat eivät kuumentuisi liikaa, on laakerin materiaalin hyvä johtaa lämpöä. 0 0 Low carbon steel Nickel-chromium alloys Nickel Copper Jos laakeria käytetään ympäristössä, jossa siihen kohdistuu suuria lämpötilan vaihteluita, materiaalin pitää kestää vaihtelut eikä se saa laajentua tai kutistua liikaa lämpölaajenemisen seurauksena, jotta kuulat vierisivät oikein pintojen välissä. Käyttöympäristö voi aiheuttaa myös korroosiota laakerin eri osissa. Korroosion aiheuttamaa syöpymistä voi esiintyä kosteissa olosuhteissa ja etenkin tapauksissa, joissa lämpötila vaihtelee. [2] Laakerin materiaali ei voi siis olla helposti ruostuvaa ja jos laakerissa käytetään useita eri materiaaleja, toinen materiaali ei saa hapettaa toista. Fracture toughness (MPa.m^0.5) 50 High carbon steel Titanium alloys Medium carbon steel 5 Ferrous alloys Non-ferrous alloys Materiaaliryhmät vertailtuna Materiaaliryhmistä kuulalaakerin valmistusmateriaaliksi kannattaa valita metallit. Metallit kestävät parhaiten suuria voimia, rasitusta ja tärinää. Metallit ovat melko lujia ja jäykkiä materiaaleja, mutta joustavat ennen kuin murtuvat. Metallit ovat hyvin muovattavia ja kestävät lämpötilavaihteluita. Metallit ovat kuitenkin alttiita ympäristön aiheuttamille vaikutuksille, kuten korroosiolle. Metallien tiheys on yleensä suuri, mikä johtuu niiden atomien suuresta koosta. Metalliatomit liittyvät toisiinsa metallisidoksilla. Metallisidoksessa on runsaasti vapaita elektroneja, joka aiheuttaa niille hyvän sähkön- ja lämmönjohtavuuden. Koska metalliatomien ytimet jakavat elektroneja, voi ydinten paikka sidoksessa muuttua ilman metallin murtumista. Tästä syystä metalleja voi muovata. Keraamit ovat ioni- ja kovalenttisilla sidoksilla muodostuvia aineita. Ne ovat kovia ja hyvin lämpöä sekä korroosiota kestäviä aineita. Keraamit kestävät hyvin mekaanista rasitusta ja niiden tiheys on pieni. Keraamit sopisivat muuten hyvin laakerin materiaaleiksi, mutta ne ovat hauraita, joten ne murtuvat helposti suurien voimien vaikutuksesta ja tärinästä. Koska keraamit muodostuvat lujilla ioni- tai kovalenttisilla sidoksilla, joiden sidosenergiat ovat suuria, ne ovat lujia aineita. Näissä sidoksissa ei kuitenkaan ole metallisidoksen kaltaisia vapaita elektroneja, joka aiheuttaa keraamien haurauden ja muokkaamattomuuden. Kolmas materiaaliryhmä eli polymeerit, joita ovat esimerkiksi muovit ja kumi ovat huonosti laakerin materiaaliksi soveltuvia aineita, koska ne eivät ole lujia eivätkä jäykkiä, joten ne niiden rakenne rikkoutuu nopeasti rasituksessa. Polymeereissä useat molekyylit liittyvät toisiinsa heikoilla sidoksilla, joita kutsutaan Van der Waalsin voimiksi. Heikkojen sidosten, kuten dipoli-dipoli sidoksen tai vetysidoksen sidosenergiat eivät ole yhtä suuria kuin vahvoilla sidoksilla, joten aineet eivät ole yhtä lujia. Kuva 2: Metallit murtolujuuden mukaan. Vasemmalla puolella teräkset ja oikealla muut metallit. Materiaalivalinta Metalleja vertailtaessa jotkin niukkaseosteiset teräkset ja ruostumaton teräs osoittautuvat ominaisuuksiltaan parhaiksi materiaaleiksi kuulalaakerin valmistukseen. Kuvaajissa on tarkasteltu aineiden murtoja puristuslujuutta, jotka ovat tärkeitä ominaisuuksia laakerille. Molempia teräslaatuja on paljon erilaisia ja osan ominaisuudet eivät sovellu yhtä hyvin laakerin materiaaliksi, mutta parhaat seokset löytyvät näistä kategorioista. Teräkset valmistetaan raudasta, mutta myös muista metalleista löytyy suhteellisen kestäviä metalleja. Muiden sopivien metallien käyttöä rajoittaa kuitenkin jokin muu ominaisuus. Kuparilla ja titaanilla hinta ja nikkelillä sen herkkyys hapettumiselle. Kun kaikki ominaisuudet otetaan huomioon, ruostumaton teräs on paras mahdollinen vaihtoehto kuulalaakerin materiaaliksi. Valittaessa kestävin mahdollinen vaihtoehto ruostumattomista teräksistä saadaan materiaali, joka kestää suuria voimia ja kulutusta sekä käyttöympäristön olosuhteita. Moni muu metalliseos saattaa ruostua nopeasti kosteissa olosuhteissa ja varsinkin lämpötilan vaihdellessa voimakkaasti. kestää kuitenkin hyvin korroosiota. Ruostumattomat teräkset eivät ole myöskään liian kalliita metalliseoksia, sillä niiden hinta on noin 6 /kg. Muiden teräslaatujen hinta voi olla kuitenkin alle 1 /kg, joten jos alhaiset kustannukset ovat tärkeä tekijä materiaalin valinnassa, voi jokin muu teräs olla parempi valinta kuulalaakerin materiaaliksi. [3] Kuulalaakerin materiaalin voi valita hyvin monella tavalla eikä yhtä ainoaa oikeaa vaihtoehtoa ole. Ominaisuudet, joita laakerilta halutaan vaihtelevat suuresti eri käyttökohteiden välillä. on kuitenkin varma valinta hyväksi materiaaliksi, koska se on vahvaa ja kestää ympäristön vaikutusta paremmin kuin moni muu metalli. [1] J. Slavic, A Brkovic and M. Boltezar Typical bearing-fault rating using force measurements: application to real data. Journal of Vibration and Control, December 11 vol. 17 no DOI:.1177= , lj.si/ladisk/data/pdf/typical%bearing- Fault%Rating%Using%Force%Measurements- Application%to%Real%Data.pdf, viitattu [2] viitattu [3] Ashby, M.F. and Jones, D.R.H. (05) Engineering Materials 1: An Introduction to Properties, Applications and Design, 4th edition, Elsevier Butterworth-Heinemann, Oxford, UK. ISBN:

4 Tekijä: Amanda Grannas Yhteystiedot: Taustaa Kuulalaakeri koostuu kahdesta pyöreästä pinnasta. Pinnat ovat pyöreät ja niiden välissä on kuulia. Kuuloja pitävät paikallaan pidikkeet, mutta siten että kuulat pääsevät pyörimään vapaasti kun pinnat pyörivät. Käytännössä kuulalaakereita tarvitaan vähentämään kitkaa kappaleiden välillä. Verrattuna liukulaakeriin, kuulalaakerin kitka on pienempää eikä kuluta pintoja samalla tavalla. Kuulalaakeri takana on meidän hyvin tuntemamme Leonardo Da Vinci. Aluksi niitä käytettiin pääasiassa pyörissä ja hevosvaunuissa. Vuonna 1974, walesilainen seppä patentoi kuulalaakerin, joka oli tukena kärryn akselissa. Kuula- ja rullalaakerit ovat osaselityksiä nopeaan teolliseen kehitykseen 1900-luvun lopulla. (Rolling Bearings: 08 Shaeffler) Käytännössä Kaikissa laitteissa, joissa on pyörivä akseli, korkeat laakerikuormitukset ja pieni kitkahävikki, löydämme laakereita. Niitä on monissa arkisissa koneissa, kuten esimerkiksi auton renkaassa, pyykinpesukoneessa, porakoneessa, tuulivoimalassa ja tehosekoittimessa. Laakerit ovat tärkeässä roolissa koneen elinikään ja energiatehokkuuteen viitaten. Kuulalaakerit ovat erittäin halpoja suhteessa niistä saatuun hyötyyn. Toiminto ja rakenne Kuulalaakerissa on eri osioita; kuulat, niiden väliset erottajat (kehä) ja sekä ulkoiset että sisäiset renkaat. Sisäinen rengas painaa kuulat ulospäin ulkorengasta kohti. Renkaissa on kuulan diametriin sopiva vako, jotta kuulat pääsevät pyörimään vapaasti. Kuulat eivät ole suoraan kontaktissa metallipintoihin, vaan erittäin ohueen öljyfilmiin joka tasoittaa pintojen karheudet. Täten saadaan minimaalinen pintojen kulutus. Kuulia erottava kehä pitää kuulien välin tasaisena ja estää kuulat hankaamasta toisiaan. YouTube videossaan, Bearing Basics Episode 1 (6.1.17), Pony Power kanavaa pitävä Matt demonstroi yksityiskohtaisesti laakereiden toimintoa ja rakennetta. Materiaaliominaisuudet Kuulalaakerin eri osiot eivät voi koostua samasta materiaalista, sillä muuten systeemi ei toimisi. Laakerin on kestettävä kovaa jännitystä ja kuormitusta, joten materiaalin on oltava vahvaa. Jos näin ei ole, kuulat voivat deformoitua tai litistyä. Materiaalivaihtoehtoja on lukuisia. Taulukossa on kuvattuna, laakeripalveluja tarjoavan firman AST:n kotisivujen (6.1.17) mukaan, yleisimmin käytetyt materiaalit kuulalaakereissa ja niiden eri ominaisuuksia, joita myös AST on kuvannut. Kehien materiaaleina käytetään mm. peltiä, messinkiä, kevytmetalleja ja muoveja. Yleisin on nylon muovi. Myös konekomponentteja tuottava yhtiö, SKF, on kotisivuillaan antanut tietoa laakereissa käytetyistä materiaaleista. Riippuen kappaleen käyttökohteesta ja tarpeista, valitaan eri materiaali. Myös eri muoviyhdistelmiä on rajattomasti. Nylon 66:a käytetään, SKF:n kotisivujen mukaan, paljon, suhteellisen hyvästä lämmönkestävyydestä ja mekaanisista ominaisuuksista johtuen. Nylon materiaaleja voidaan vahvistaa lisäämällä pieniä määriä kuitua, esim. lasikuitua. Kuva 1. Kuulalaakeri ja sen komponentit Kuulat ja/tai renkaiden + - materiaali Kuulalaakeriteräs (Kromiteräs: 1% C, 1,5% Kr) - AISI 440C - ACD34 / KS440 / X65Cr13 Erittäin kovaa lämpökäsittelyn jälkeen Pinta hyvin kulutusta kestävää estää deformaatiot Hyvin muovattavaa ja hitsattavissa Metallisidos Ei ruostu Kestää hyvin korroosiota ja korkeampia lämpötiloja (250 C) Ei ruostu Hiljaista käytössä Kestää hyvin korroosiota ja korkeampia lämpötiloja (250 C) SV30 Erittäin vahvaa ja kovaa Lämmönkestävyys (300 C) Ylivoimainen mikrorakenne (elinaika jopa kaksinkertainen tietyissä sovelluksissa) Muovi Halpaa Ei kaipaa voitelua H Helposti muovattavaa Keraami (tavallisin on silikoninitridi) Sileä pinta vähäinen kitka ja melutaso kovaa (ioni- tai kovalenttinen sidos) Erinomainen korroosionkestävyys Kestää korkeita lämpötiloja ( C) EI johda lämpöä Jäykkää ja pitkäikäistä Kehä + - käyttö Nylon materiaalit Matala melutaso Korroosion- ja ruostumisenkestävää (hylkii vettä) Helposti muotoiltava moniköyttöinen Halpoja Pelti Relatiivisen vahvaa (voidaan pintakäsitellä vähentääkseen kitkaa) Korkea lämmönkestävyys ( 300 C) Eivät vahingoitu laakereiden öljystä Halpaa Messinki Lämmönkestävyys 250 C Eivät vahingoitu laakereiden öljystä Matala lämmönkestävyys (yleensä 1 C) Herkkiä joillekin kemikaaleille Täytyy pinnoittaa kitkan vähentämiseksi ja kestävyyden parantamiseksi Ei sovi liian korkeisiin nopeuksiin Täytyy suojata hapetukselta, muuten ruostuu Heikko korroosiovastuts Raskaita Johtaa sähköä (paljon vapaita elektroneja) ja lämpöä Vaativat öljyämistä Kromiterästä heikompi Kallista ( /kg) Magneettista Johtaa lämpöä ja sähköä Raskaita Hankalampi ja tarkasti kontrolloitu tuotantoprosessi Kalliimpaa Monimutkainen tuotantoprosessi (käytetään typpeä seosaineena lisää kromin saturaatiota) Erinomainen koroosionkestävyys Korkea hinta Ei kovin lujaa eikä jäykkää (atomirakenteessa matala idosenergia, sekundääriset sidokset ketjujen välillä ja primääriset ketjujen sisällä) Lyhyempi elinikä Matala lämmönkestävyys (1 C) Kaikista kallein Haurasta Saatavuus Ei kestä suuria kuormituksia Suuntautunut Korkeissa nopeuksissa Sähkölaitteissa Useimmiten ruostumattomissa teräslaakereissa Suurissa kuulalaakereissa Kompressoreissa ja jääkaapeissa Pienemmissä ja keskikokoisissa laitteissa Lujuus (Rockwell Asteikko) Rc Rc 58 Rc 60 Rc Rc Rc 78 Muiden komponenttien materiaali useimiten Kaikki osat terästä (kuulat ja renkaat voivat olla samaa terästä) Kaikki osat terästä (kuulat ja renkaat voivat olla samaa terästä) Kuulat teräksisiä tai keraamisia Kehä ja renkaat erilaisia muoveja Kuulat keraamisia Muut osat terästä Kuten taulukosta ja kaavioista on havaittavissa, ruostumattoman teräksen ominaisuudet ovat monin puolin hyvät. Ruostumattomia teräslajeja on lukematon määrä (taulukossa on käsitelty lähemmin kolme), koska ne usein koostuvat monista eri metalleista; rauta (Fe), kromi (Cr), nikkeli (Ni) ja yleensä lisäksi vielä neljä tai viisi ainetta. Muiden elementtien lisääminen saa aikaan ruostumattomuuden ja parantaa lujuutta, mutta nostaa tuntuvasti hintaa suhteessa muihin teräksiin. Kuitenkin verrattuna eri teknillisiin keraamisiin aineisiin tai erityiskäsiteltyihin muoveihin, hinta on kuitenkin alhaisempi. Koska kaikki kuulalaakerin komponentit eivät voi olla samasta materiaalista, valitsin kuulille keraamin, piinitridin. Yhdistelmänä teknillisellä keraamilla ja ruostumattomalla teräksellä on kova hinta mutta erinomainen suorituskyky kun tarvitaan tarkkuutta ja erittäin korkeita nopeuksia ja lämpötiloja. Kitka on pientä ja matalissa nopeuksissa ei kaipaa voitelua. Kehään valitsin muovin, Polyeterterketodin (PEEK) (katso kaavio). Termoplastisista aineista PEEK on erityisen jäykkää, kovaa ja kestää korkeita lämpötiloja. Materiaalilla on pieni kitka, korkea kemiallinen vastus ja on pitkäikäistä. Muoveja ei myöskään tarvitse voidella. Tämänlainen kuulalaakeri on kallis, mutta suorituskyvyltään erinomainen. Kuulalaakerin käyttökohde Arkisissa laitteissa Ilmavoiman ja sairaanhoidon sovelluksissa Ilmakehä- ja avaruusteollisuudessa Ruoka- ja juomateollisuudessa Esimerkiksi työkalut, tuulettimet, kuvien ja filmien käsittely, kemiateollisuus, teknilliset laitteet, kangasteollisuus Kun tarvitaan erittäin korkeita nopeuksia, tarkkuutta ja matalaa kitkaa. Esim. lentokoneiden välineissä ja lääkkeellisissä työkaluissa Kuva 2. Kuulalaakeri (renkaat ja kehä ruostumatonta terästä ja kuulat piinitridiä) [1] y/graphics/ahsd/jpg/asballbe.jpg [2] B-zoom.png CES EduPack 14 KJR-C04 Luento 1-01_e_ryhmät.pdf

5 n Materiaalit Niki Vihtola, Bulk modulus (GPa) Johdanto ja vaatimukset Kuulalaakeri on mekaanisiin laitteisiin pyörimisen helpottamiseksi kehitetty komponentti, joka pienetää vaadittua pyörimiskitkaa. Tämä vähentää liikeen aikaansaavaa voimaa sekä lämmöntuottoa ja kulumista kriittisissä osissa. Liukulaakeri on yksinkertaisin laakerin muoto, mutta ei kelpaa sellaisiin osiin, joissa on laakeriin akselin normaalivoiman suuntaisesti kohdistuvaa voimaa, mikä aiheuttaa suurta kitkaa pintojen välillä. Kitkan vähentämiseksi laakereita lisäksi voidellaan tapauksesta riippuen rasvalla tai öljyllä. Laakerin materiaalin määrityksessä jätetään tämä komponentti käsittelemättä, muistaen kuitenkin myös voitelun rajoitukset. Kuulalaakereita käytetään laajalla pyörimisnopeuden alueella hitaasta liikkeestä aina useisiin kymmeniin tuhansiin kierroksiin, jopa sataan tuhanteen kierrokseen minuutissa. Maksimipyörimisnopeus riippuu laakerin rakenteesta, kuulien koosta laakerissa sekä korkeimmasta lämpötilasta, jossa materiaali pystyy toimimaan luotettavasti. Näiden vaatimusten takia yleisimmin käytetyt materiaalit laakereissa ovat erilaiset metallit sekä tekniset keraamit niiden korkeiden kimmo-, liuku- ja puristuskertoimien sekä väsymiskestävyyden takia. Nopeuden ja kitkan kasvaessa lämpötila nousee nopeasti komponenteissa, joten laakerilla on hyvä olla myös korkeahko toimintalämpötila. Teollisuuden kannalta myös hinta on rajoittava tekijä ,1 0,01 Non-technical ceramics Metals and alloys Technical ceramics Natural materials Polymers Glasses Composites Keraamit Tekniset keraamit koostuvat usein karbideista, metallioksideista tai nitrideistä. Keraameilla on erittäin suuri puristuskerroin, jolloin puristuksesta aiheutuva kitkapinnan kasvu on hyvin pientä keraamin säilyttäessä muotonsa puristuksen alla. Lisäksi keraamit ovat metalleja kevyempiä, mikä pienentää niiden pyörimisenergiaa. Keraamit ovat ominaisuuksiensa ansoista jopa metalleja parempia. Keraamien heikkous on niiden matala iskunkestävyys ja murtolujuus, jotka aiheuttavat dramaattisen elastisten moduulien heikkenemisen. Ehjänä pysyessään keraamien väsymyskestävyys on jopa metalleja parempi, mutta esimerkiksi värinä aiheuttaa nopeasti murtumia kuuliin tai laakerin runkoon ajan kuluessa. Lisäksi keraamit ovat pakollisia kohteissa joissa ferromagneettisuus ja sähkönjohtavuus ovat sulkevia tekijöitä. [3] 25 Nikkelin superseokset (Nickel based superalloys) Silicon Nitride Bearings [1] Nikkelin superseokset ovat kestävyysominaisuuksiltaan samankaltaisia teräsjohdannaisten kanssa. Superseosten edut ovat erittäin korkeissa lämpötiloissa toimiessa, sillä niiden käyttölämpötilat voivat olla jopa 10 C. Voiteluaineen puolesta tosin suurimmat lämpötilat ovat noin 500 C. Superseosten valmistus on vaikean muokattavuutensa ja korkeiden energiakustannusten takia hyvin kallista, joten laakeri ei ole optimaalinen käyttökohde sille ja niitä käytetäänkin kohteissa kuten lentokoneiden turbiinit tai rakettimoottoreiden komponentit. Lisäksi superseokset ovat herkkiä hapettumiselle, joten ne tulee pinnoittaa mikäli komponentille odotetaan pitkää käyttöikää. Zirconia 0,001 Foams 1e-4 Shear modulus (GPa) 0, Fatigue strength at ^7 cycles (MPa) Puristuskertoimen ja väsymiskestävyyden kannalta on helppo määrittää, ettei edellämainittujen vaatimusten nojalla kannata kuulalaakeria valmistaa esimerkiksi komposiiteista tai luonnonmateriaaleista. Paras kestävyys on nikkeli- sekä terässeoksilla ja keraameilla kuten zirkonialla, karbideilla. Seuraavaksi käsitellään kuulalaakeriin määretllyillä ehdoilla käytännöllisimpiä aineita Glasses Tungsten carbides Technical ceramics Silicon carbide High carbon steel Age-hardening wrought Al-alloys Zirconia Composites Yield strength (elastic limit) (MPa) Price (EUR/kg) Age-hardening wrought Al-alloys Medium carbon steel Silicon Silicon carbide Maximum service temperature ( C) Alussa määritettyjen ehtojen mukaan keraamit, terässeokset ja superseokset ovat ominaisuuksiltaan parhaita kuulalaakerin valmistukseen. Superseosten valmistuskustannusten takia ne ovat kuitenkin huonoin valinta käyttöön, sillä keraamit suoriutuvat korkeista lämpötiloista lähes yhtä hyvin kuin superseokset. Tavallisesti kuulalaakerit valmistetaan korkeahiilisestä teräksestä, mutta pieniin sovelluksiin joissa saavutetaan korkeampia kierroslukuja kuten sähkömoottoriin laakereiksi on paras valinta keraamiset laakerit. Keraamit, joista laakereita valmistetaan ovat useimmiten zirkoniaa (ZrO2) sekä piin karbideja tai nitridejä. Zirkonia on painavampaa ja sen puristuslujuus on piitä korkeampi, mutta se on pehmeämpää ja hauraampaa. Liki puhdas alumiinioksidi jakaa ominaisuutensa hyvin piin karbidien kanssa, mutta on hieman pehmeämpää. Yleisimmin täyskeraamiset laakerit, joita valmistetaan muun muassa polkupyöriin, turboahtimiin ja pieniin sähkölaitteisiin kuten hiustenkuivaajiin, ovat valmistettu piinitrideistä tai -karbideista esimerkiksi niiden hieman zirkoniaa edullisemman hinnan takia. [3] [5] Hiiliteräs ja seokset (Low, Medium and High carbon steel) Hiiliteräs on terästä, jossa terästä on seostettu hiilellä aina 2.1% saakka. Riippuen seostetun hiilen määrästä hiiliteräkset jaetaan niukka-, keski- ja runsashiilisiin teräksiin ja niitä kutsutaan seostamattomiksi teräksiksi, jos muita seosaineita ei ole käytetty. Hiiliterässeoksiin muodostuu karbideja, jolloin teräs voidaan karkaista suuremman kovuuden saavuttamiseksi. Karkaisu tapahtuu nopeahkolla lämpötilan muutoksella teräksessä, kun ylälämpötila ylittää noin 700 C. Tästä johtuen materiaalin käyttölämpötilan yläraja jää noin 400 C ollen kuitenkin riittävä suurimmalle osalle kuulalaakerien käyttökohteita. Hiilen määrää kasvattaessa korkeahiiliseksi, teräkselle saadaan parempi myötölujuus sekä väsymiskestävyys muiden ominaisuuksien ollessa yhtäläisiä niukka- ja keskihiilisen teräksen kanssa. Niukkahiilistä terästä seostamalla pääasiassa mangaanilla ja pienillä määrillä muita metalleja kuten kuparilla, nikkelillä tai vandaniumilla saadaan aikaan niin sanottuja HSLA-teräksiä (Low Alloy Steel) joilla myötölujuus ja väsymiskestävyys ovat vielä korkeahiilistä terästä korkeampia. Tämän lisäksi korkein käyttölämpötila kasvaa jonkin verran. [6] [7] High Carbon Bearing [2] Piinitridi (Si3N4) muodostuu korkeassa C lämpötilassa typpisäiliössä. Piijauhe reagoi typen kanssa muodostaen triagonaalisen alfa-, heksagonaalisen beta- tai kuutiomallisen gamma-kristallirakenteen, joita viimeisintä valmistetaan korkeassa paineessa ja saavuttaa sillä erittäin korkeita kovuuksia. Piinitrideillä on kohtalaisen suuri iskunkestävyys verrattuna muihin keraameihin ja on siksi kasvattanut suosiotaan perinteisten metallisten laakerien korvaajana. Piinitridin iimeisimmät sovellukset ovat aiemmin mainittujen keraamien yleisten käyttökohteiden lisäksi jopa rakettimoottoreiden pinnoitteena ja lääketieteessä titaanin korvaajana osoittaen sen kyvyn kestää myös värinää ja korkeaa kuumuutta aineen ollessa myös ympäristöystävällinen. Hintakustannukset aineen valmistamiseksi ovat vielä tosin moninkertaiset verrattuna hiiliteräkseen johtuen ettei nykyisellä prosessilla pystytä valmistamaan nopeasti suuria eriä kerralla. Käyttökohteiden yleistyessä ja prosessien kehittyessä valmistuskustannukset ovat tippuneet ja tulevat jatkossa laskemaan. [1] [2] [3] CES Edupack 16 [5] [6] Lindoos, Veikko: Uudistettu Miekk'ojan Metallioppi Otava, 1986, ISBN [7]