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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Lager inklusive Wälzlager
und Gleitlager, das vornehmlich für eine Vorrichtung geeignet
ist, die bei hoher Umdrehungszahl mit hoher Präzision bei niedrigen Vibrationsgeräusch und
niedrigem Schock betrieben wird, sowie das Verfahren zur Herstellung
des selbigen.
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2. Stand der
Technik
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In
letzter Zeit hat sich beispielsweise in einem Spindelmotor, wie
er in einem Speichergerät
eines Computers als Magnettyp oder optischer Typ benutzt wird, aufgrund
einer winzigen Abmessungsveränderung
des Lagermechanismus' aufgrund
thermischer Ausdehnung, die Drehpräzision auf ein nicht mehr vernachlässigbares
Mass verschlechtert.
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Ferner
hat sich, je nach Art der Anwendung, eine im Lagerabschnitt entstehende
Drehvibration und ein aus dieser Vibration stammendes Drehgeräusch zu
einem grossen Problem entwickelt.
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Zusätzlich sind
aufgrund der Miniaturisierung von Geräten solche Probleme aufgetreten,
wie eine durch die Lagerelemente erhaltene, gross gewordene Beeinflussung,
da die zu verwendenden Lager ebenfalls miniaturisiert wurden, Wälzkörper oder
Wälzoberflächen der
Wälzkörper werden
leicht beschädigt.
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Ausserdem
ist, da die konventionellen Lager meistens aus Metallen wie Lagerstahl
oder Edelstahl gefertigt worden sind, ein thermischer Ausdehnungskoeffizient
relativ gross geworden und die effektive Senkung des thermischen
Ausdehnungskoeffizienten durch eine kleine Variation einer Verbundkomponente
bekanntermassen extrem gering ist, so dass eine effektive Gegenmassnahme
gegen eine Verschlechterung der Drehpräzision aufgrund der winzigen
Veränderungen
der Grössen
nicht gefunden worden ist.
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Ferner
wird, da die Erzeugung der oben genannten Drehvibration durch eine
Oberflächenvergöberung aufgrund
der Abnützung
der Rolloberfläche
in Wälzlagern
und der Lagerfläche
in Gleitlagern und dem Zusammenspiel von verschiedenen Materialien
erzeugt worden ist, die Abnahme der Oberflächenvergröberung durch die Erhöhung der
Härte der
Wälzoberflächen oder
der Gleitoberflächen
möglich,
wie auch immer gibt es bezüglich
der oben genannten, aus Metall hergestellten Lager eine Begrenzung
für ein
Härten
auf hohem Niveau, und es ist eine schwierige Situation gewesen,
die Erzeugung von Drehvibrationen und das aus solch einer Vibration
entstandene Geräusch
zu lösen.
Ferner beeinflusst, obwohl die oben genannte Wälzoberfläche und die Lageroberfläche durch
Polieren endbearbeitet worden sind, eine abnormale Oberflächenschicht
(oberflächen-weichmachende
Schicht) ebenfalls die Oberfläche,
indem sie verursacht, dass die Oberfläche vergröbert wird, was es noch schwieriger
macht, das Problem der Drehvibration zu lösen.
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Ferner
sind, obwohl die durch eine Erhöhung
des Einflusses aufgrund der Miniaturisierung der Vorrichtungen hervorgerufenen
Schäden
an den Wälzkörpern und
den Wälzoberflächen mit
der Beulsteifigkeit zu tun haben, bei der oben genannten Lager aus
Metall deren Lösung
eine schwierige Situation gewesen, da eine Begrenzung bezüglich der
Erhöhung
der Beulsteifigkeit vorliegt.
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In
US-4,118,237 ist eine Herstellung eines Glaskeramikgegenstandes
offenbart, der eine hydrophobe Beschaffenheit und eine innewohnende
Taktilqualität
aufweist, dass er sich bei Berührung
rutschig oder ölig anfühlt. Die
Herstellung von besagten Glaskeramikartikeln weist die folgenden
drei Schritte auf.
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Erstens
wird eine Charge von Zutaten im richtigen Verhältnis gemischt und geschmolzen.
Zweitens wird die Schmelze gleichzeitig zu einem im wesentlichen
kristallisationsfreien Glas und einem Gegenstand mit der gewünschten
Geometrieform daraus abgekühlt.
Drittens wird der Glasgegenstand einer Hitzebehandlung bei Temperaturen über dem
Umwandlungsbereich davon ausgesetzt, um in situ das Wachstum der
Kristalle auszulösen.
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In
DE-88 14 665 ist ein Wälzlager
mit einem stationären
Lagerring, einem drehbaren Lagerring und einem Wälzelement offenbart, wobei
der stationäre
Lagerring und der drehbare Lagerring aus Glas geformt sind, vorzugsweise
aus Borosilikatglas.
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Die
vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um die verschiedenen Probleme
bezüglich
der Eigenschaften des Materials zu lösen und um ein Verfahren zur
Herstellung eines Lagers bereitzustellen, um nicht nur die Minderung
der Drehvibrationen aufgrund der thermischen Ausdehnung, aber auch
die Erzeugung von Vibrationsgeräuschen
aufgrund der Oberflächenvergröberung und
den Einfluss aufgrund der Miniaturisierung zu bewältigen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Entsprechend
einem Verfahren zur Herstellung eines Lagers entsprechend der vorliegenden
Erfindung, wird, nachdem ein Grundkörper jedes Elements aus Metall
gefertigt worden ist, eine Glasschicht auf der Oberfläche des
Grundkörpers
beschichtet und danach wird eine Wärmebehandlung zur Kristallisation
ausgeführt.
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Kurze Erklärung der
Zeichnungen
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1 zeigt
eine Querschnittsansicht einer Hauptstruktur eines Wälzlagers,
welches nicht in den Bereich der vorliegenden Erfindung fällt.
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2 zeigt
eine Querschnittsansicht des ganzen Aufbaus des Wälzlagers
von 1.
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3 zeigt
ein Blockschaltbild, welches die Herstellungsschritte für das Wälzlager
entsprechend den 1 und 2 illustriert.
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4 zeigt
eine Querschnittsansicht der Hauptstruktur des Wälzlagers als zweite Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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5 zeigt
ein Blockschaltbild, welches die Herstellungsschritte der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung illustriert.
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6 zeigt
eine Querschnittsansicht eines geänderten Aufbaus des Wälzlagers
der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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7 zeigt
den Aufbau eines Gleitlagers als dritte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Nachfolgend
werden die Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung basierend auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben.
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Die 1 und 2 zeigen
ein Wälzlager
als Beispiel, das nicht in den Bereich der vorliegenden Erfindung
fällt.
Der Grundaufbau dieses Wälzlagers 1 ist
derselbe, wie der eines Konventionellen, in welchem eine Mehrzahl
von Kugeln 5 (Wälzkörper) mittels
eines Käfigs 4 zwischen
einem Innenring 2 und einem Aussenring 3 angeordnet
und gehalten sind. In dem Beispiel sind von den Elementen des Wälzlagers 1,
der ganze Innenring 2 und der Aussenring 3 aus
polykristallisiertem Silikatglas gebildet, wie einem ausgewählten Hochsilikatglas
(Kristallglas), Natronkalkglas, Alminosilikatglas, Borosilikatglas
und Alkalisilikatglas.
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Bei
der Herstellung des oben genannten Innenrings 2 und des
Aussenrings 3, wird, wie in 3 gezeigt,
erstens eine gegebene Menge von Glasmaterial, welche derart bemessen
ist, dass sie eine gewählte Komponentenzusammensetzung
wird, zum Einsatz in einen elektrischen Schmelzofen zugeführt und
bei der gegebenen Temperatur (1450–1650°C)(➀) geschmolzen,
anschliessend wird das derart geschmolzene Glas in die Form gegossen,
um ein Formprodukt, welches ungefähr dem inneren Ring 2 und
dem äusseren
Ring 3 ähnlich
sieht, zu erhalten (➁). Danach wird eine Kugelrollfläche (Wälzkörperrollfläche) und
die Halteführungsrille
des derart erhaltenen Formprodukts bearbeitet (Spahnen, Polieren)
und, falls notwendig, wird ein Bearbeiten des inneren Durchmessers, äusseren
Durchmessers und Endabschnitts ausgeführt (➂), nachfolgend
wird eine Wärmebehandlung
zur Polykristallisation des Glases zu einer vorbestimmten Temperatur
(1000–1600°C) entsprechend
der Glasart (➃) ausgeführt.
Und, als eine abschliessende Behandlung, wird auf der Rolloberfläche der
Kugel, ein chemische Politur wie eine Fluor-Wasserstoffsäurenlösung aufgetragen
um eine Spiegelpolitur der Kugelwälzoberfläche zu erreichen, in den anderen
Abschnitten ausser der Kugelwälzoberfläche, wird
eventuell eine Oberflächenbehandlung
mittels Ionenaustausch eingesetzt, womit der Innenring 2 und
der Aussenring 3 endbearbeitet sind.
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Da
das Silikatglas, welches zur Herstellung des oben genannten Innenrings 2 und
Aussenrings 3 durch die Polykristallisation durch die thermische
Nachbehandlung (Prozess ➃) einen kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizient
kriegt, das Wälzlager 1,
bestehend aus dem Innenring 2 und Aussenring 3 eine
derartige Materialeigenschaft besitzt, dass die winzige Veränderung
der Grösse
aufgrund der thermischen Ausdehnung in der effektiven Benutzung
vermindert wird. In der Folge kann eine Verminderung der Drehpräzision aufgrund
der winzigen Dimensionsveränderungen
zum vornherein verhindert werden, wodurch es für einen Spindelmotor, welcher
für Geräte, welche
eine hohe Umdrehungspräzision,
wie magnetische oder optische Speichergeräte für einen Computer geeignet machen.
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Als
Hinweis, die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des polykristallisierten
Quarzglases, Alminosilikatglases, und normalem Eisenwerkstoff (Lagerstahl,
Edelstahl) sind wie folgt.
| Quarzglas: | 0.0000006
(100–300°C) |
| Alminosilikatglas: | 0.0000043
(100–300°C) |
| Eisenwerkstoff: | 0.00001–0.0000135
(100–400°C) |
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Das
heisst der thermische Ausdehnungskoeffizient von Quarzglas ist äusserst
gering, verglichen mit demjenigen des Eisenwerkstoffs, ferner, sogar
im Alminosilikatglas, ist er weniger als die Hälfte davon.
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Zudem
wird, entsprechend dem Wälzlager 1,
die Härte
der Kugelwälzoberfläche 2a, 3a (1),
aufgrund des polykristallisierten Silikatglases hoch, zusätzlich wird
die Oberflächenvergröberung aufgrund
der Abnützung
und der Zusammenwirkung mit den Stäuben verhindert, da die mechanische
Festigkeit vergrössert ist,
und es ist möglich,
dass die Umdrehungsgeräusche
und ein Drehgeräusch,
welches von der Umdrehungsvibration stammt, entfernt werden können. Zusätzlich wird
an den Wälzoberflächen 2a, 3a,
selbst nach einer spanenden Bearbeitung (Prozess ➂ und ➄ von 3),
da keine oberflächenweichmachende
Schicht aufgrund eines Abbaus durch die Spahnungswärme wie
in den inneren und äusseren
Ringen aus Eisenwerkstoffen vorliegt, kann die obgenannte Oberflächenaufrauhung
mehr als vorher verhindert werden. Als Hinweis, die Härte jedes
Silikatglases nach der Wärmebehandlung
ist, verglichen mit einem konventionellen Lagerstahl nach erfolgter
Wärmebehandlung,
der erstere zeigt Hv 570–790
in Vickers Härte
und der letztere zeigt ebenso Hv 510–610, entsprechend kann im
vorliegenden Beispiel die Kugelwälzoberfläche 2a, 3a mit
einer hohen Härte versehen
werden.
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Weiter,
entsprechend dem Wälzlager 1 der
Erfindung, da die Hitzebeständigkeit
und der Korrosionsschutz des Innenrings 2 und des Aussenrings 3 erhöht sind,
entsprechend, wenn die Kugel 5 und der Käfig 4 aus
dem punkto Hitzebeständigkeit
oder Korrosionsschutz besseren Material gefertigt sind, können diese
sogar in einem Hochtemperatur- oder hochkorrosiven Umfeld dauerhaft
eingesetzt werden, was deren Einsatzbereich vergrössert.
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Nun
zur Kugel 5, verglichen mit dem Innenring 2 und
dem Aussenring 3 ist sie ausserordentlich klein im Durchmesser,
die obgenannte winzige Dimensionsveränderung aufgrund der thermischen
Ausdehnung kann vernachlässigt
werden, entsprechend wird, wenn die Kugel 5 aus Eisenwerkstoff,
wie aus einem konventionellen Lagerstahl und neuen Keramiken, beinhaltend
verschiedene Sorten von Oxyden, Nitriden oder Karbiden besteht,
kein Problem sein. Es ist selbstverständlich, diese Kugel 5 zu
bilden, welche tatsächlich
aus Silikatglas hergestellt werden kann, so wie der Innenring 2 und
der Aussenring 3, wodurch eine Verschlechterung der Drehpräzision aufgrund
einer winzigen Dimensionsveränderung
sicherer verhindert wird.
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Weiter
zum Lagerkäfig 4,
ein aus herkömmlichem
Eisenwerkstoff gefertigter Lagerkäfig kann eingesetzt werden,
wie auch immer ist er aus dem Gesichtspunkt des Korrosionsschutzes
vorzugsweise aus einem Harz oder einer korrosionsbeständigen Sintermetalllegierung
hergestellt.
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4 zeigt
ein Wälzlager
als eine erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Und, ein Grundaufbau des Wälzlagers 11 ist
identisch mit demjenigen, wie er in 2 gezeigt
ist, so dass hier der Hauptabschnitt gezeigt ist und der Gesamtaufbau
in der Erklärung
weggelassen wird. Die Besonderheit der zweiten Ausführungsform
besteht darin, dass ein Innenring 12 und ein Aussenring 13,
jeweils aus einem Grundkörper 14 und 15,
hergestellt aus einem Eisenwerkstoff wie Lagerstahl und Edelstahl,
und die gesamten Oberflächen davon
mit einer Glasschicht 16, 17 beschichtet sind.
In diesem Fall ist, obwohl die Glasschicht 16, 17 ein
polykristallisiertes Silikatglas umfasst, welches zur Herstellung
des Innenrings 2 und des Aussenrings 3 der ersten
Ausführungsform
verwendet worden ist, stattdessen aus dem Gesichtspunkt der Haftung
des Silikatglases auf dem Grundkörper
Alkali-Silikatglas vorzuziehen.
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Bei
der Herstellung des oben genannten Innenrings 12 und Aussenrings 14,
wie in 5 gezeigt, sind die Grundkörper 14 und 15 zuerst
unter Verwendung eines Eisenwerkstoffs vorbereitet (➀),
anschliessend wird auf der Oberfläche des Grundkörpers 14, 15 eine
Oxidationsbehandlung durchgeführt,
um die Haftung zwischen dem Metall und dem Glas zu erhöhen (➁).
Andererseits wird eine Glasmischung, welche so zusammengesetzt ist,
dass sie ein Glaspulver derart enthält, dass es eine vorbestimmte
Massgabe erhält,
vorbereitet, und die Glasmischung wird auf der Oberfläche des
Grundkörpers 14, 15 in
einer bestimmten Dicke unter Verwendung eines Sprühverfahrens
oder Tauchverfahrens aufgetragen (➂), nach dem Trocknen
wird eine Sinterbehandlung bei einer gegebenen Temperatur (mehr
als 1500°C),
entsprechend der Glasart, in einem Ofen durchgeführt (➃). Danach wird,
wie bei der ersten Ausführungsform,
die Bearbeitung der Wälzoberfläche der
Kugel und der Führungsrille
des Lagerkäfigs
durchgeführt
und, sofern nötig,
werden Arbeiten am inneren und äusseren Durchmesser
und an den Stirnseiten durchgeführt
(➄), anschliessend wird eine Wärmebehandlung zur Polykristallisation
des Glases bei einer vorbestimmten Temperatur (1000–1600°C) durchgeführt (➅),
weiter wird an der Wälzoberfläche der
Kugel ein chemisches Polieren unter Verwendung von beispielsweise
einem Fluorwasserstoffsäuremittel
durchgeführt
und die Kugeloberfläche
auf Spiegelglanz endbearbeitet, und je nach Anlass wird an den Abschnitten,
welche nicht Wälzoberflächen sind,
eine Oberflächen-Denaturierungsbehandlung
aufgrund eines Ionenaustauschverfahrens angewandt (➆),
wodurch der Innenring 12 und der Aussenring 13 endbearbeitet
werden.
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Entsprechend
der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, da der Innenring 12 und
der Aussenring 13 lediglich in der Oberflächenschicht
davon durch eine polykristallisierte Glasschicht gebildet sind,
verglichen mit der oben genannten ersten Ausführungsform, die winzige Dimensionsveränderung
aufgrund thermischer Ausdehnung ein bisschen grösser, wie auch immer ist, verglichen
mit dem konventionell aus Eisenwerkstoff hergestellten Innen- und
Aussenring, die Dimensionsveränderung
aufgrund der thermischen Ausdehnung genügend klein um die Drehpräzision zu
gewährleisten.
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Weiter,
da die Wälzoberfläche 12a, 13a des
Innenrings 12 und Aussenrings 13 eine hohe Härte aufgrund
der Polykristallisation der Glasschicht 16, 17 aufweist,
so wie in der ersten Ausführungsform,
wird die Oberflächenvergröberung verhindert,
um zu ermöglichen,
dass die Drehvibration und das daraus entstandene Drehgeräusch abnehmen, überdies
werden die Hitzebeständigkeit
und der Korrosionsschutz ausreichen.
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Hierbei
kann, obwohl die Kugel 18 aus neuen Keramiken, ausgewählt von
Eisenwerkstoff, wie dem konventionellen Lagerstahl und Edelstahl
oder verschiedenen Arten von Oxyden, Nitriden und Karbiden gebildet
werden kann, so wie der obgenannte Innenring 12 und Aussenring 13,
können
diese mit dem Grundkörper beschichtet
mit der Glasschicht gebildet werden. Nun zum Lagerkäfig (nicht
gezeigt), er kann geformt werden, so wie der Konventionelle, welcher
aus konventionellem Eisenwerkstoff hergestellt worden ist, wenn
der Korrosionsschutz wichtig ist, er kann vorzugsweise aus einem
Harz oder einer Sintermetalllegierung gebildet werden.
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Als
Hinweis, in der oben genannten ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung kann, obwohl betreffend den Innenring 12 und
den Aussenring 13, die ganze Oberfläche dieser Grundkörper 14, 15 davon geeignet
ist, um mit der Glasschicht beschichtet zu werden, diese Glasschicht 16, 17,
wie in 6 gezeigt, einzig auf der Seite des Innendurchmessers
oder der Seite des Aussendurchmessers appliziert werden und in diesem
Fall ist der oben genannte Effekt, wie bei der zweiten Ausführungsform
erwartet werden.
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Zusätzlich,
in den oben genannten ersten und zweiten Ausführungsformen ist ein Lager
als sogenanntes Kugellager aufgebaut, welches Kugeln 5 oder 18 als
Wälzkörper benutzt,
wie auch immer ist es selbstverständlich, dass es als Walzenlager,
in welchem Walzenkörper
benutzt sind, aufgebaut ist.
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7 zeigt
ein Gleitlager als eine zweite Ausführungsform. Dieses Gleitlager 21 weist
einen Lagerkörper 22 auf,
welcher hülsenförmig ist
und eine Welle (Lagerzapfen) 23, die drehbar am Lagerkörper 22 gelagert ist,
und der Lagerkörper 22 am
Gehäuse 24 gekoppelt
und geführt
ist. Der Lagerkörper 22 besteht
aus einem Grundkörper 25,
gebildet aus einem Eisenwerkstoff wie Lagerstahl und Edelstahl,
und die Glasschicht 26 ist am inneren Umfang des Grundkörpers 25 aufgetragen,
andererseits besteht die Welle 23 aus einem Wellenkörper 27,
welcher aus verschiedenen Sorten von Eisenwerkstoffen gebildet ist
und einer Glasschicht 28, welche am äusseren Umfang des Wellenkörper 27 aufgetragen
ist. Hier bestehen besagte Glasschichten 26 und 28 aus
dem polykristallisierten Silikatglas, welches für den Innenring 2 und
den Aussenring 3 der ersten Ausführungsform verwendet worden
ist. Als Hinweis, die Glasschicht 28 der Welle 23 ist
in begrenzter Art und Weise an den Kupplungsabschnitt mit dem Wellenkörper 27 gestaltet.
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In
der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist das Herstellungsverfahren des Lagerkörpers 22 und
der Welle 23 als konstitutionelle Elemente des Gleitlagers 21 im
wesentlichen identisch mit dem Herstellungsverfahren (5)
des inneren, äusseren
Rings 12, 13 der zweiten Ausführungsform, und die winzige
Dimensionsveränderung
wird klein, da das auf diese Weise erzielte Gleitlager 21 mit
den polykristallisierten Glasschichten 26, 28 auf
seinen Oberflächenschichten,
inklusive einer Wälzoberfläche 22a des
Lagerkörpers 22 und
der Welle 23, so wie die zweite Ausführungsform, gebildet sind.
Und die Oberflächenvergröberung ist
verhindert, um es zu ermöglichen,
dass die Drehvibration und das daraus entstandene Drehgeräusch abnehmen,
da die Lageroberfläche 22a des
Lagerkörpers 22 und
der Umfang des Lagerkörpers 23 aufgrund
des Vorliegens der polykristallisierten Glasschicht 26, 28,
so wie bei der ersten und zweiten Ausführungsform, eine hohe Härte aufweisen,
zusätzlich
werden die Hitzebeständigkeit
und der Korrosionsschutz genügend.
Weiter kann in dieser dritten Ausführungsform der gesamte Lagerkörper 22 aus
Glas geformt sein.
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Wie
oben genannt, kann, entsprechend einem Lager, welches entsprechend
dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, die Verschlechterung
der Drehpräzision
aufgrund der winzigen Dimensionsveränderung aufgrund der thermischen
Ausdehnung verhindert werden, da die Wälzkörperoberfläche oder Lageroberfläche mit
dem polykristallisierten Glas bedeckt ist, dadurch wird es geeignet
für Vorrichtungen,
welche eine hohe Drehpräzision
verlangen.
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Weiter
wird die Oberflächenvergröberung aufgrund
des Lagerverschleisses und des ineinander eingegriffen seins verschiedener
Materialien durch das Vorliegen des harten Glases verhindert und
die Beanspruchbarkeit des Lagers erhöht, und es wird erwartet, dass
das Vibrationsgeräusch
reduziert wird und von einer Beschädigung durch den Einfluss einer
miniaturisierten Vorrichtung effektiv verhindert wird und dazu beiträgt, die Lebensdauer
und Zuverlässigkeit
zu erhöhen.
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Zudem
kann aufgrund des Vorliegens des Glases, da die Hitzebeständigkeit
und der Korrosionsschutz erhöht
sind, eine stabile Verwendung unter einem Hochtemperaturumfeld und
einem korrosiven Umfeld möglich
werden, was ein einfaches Beizen ermöglicht, um die Erscheinung
zu verbessern und eine Erweiterung des Anwendungsbereichs herbeizuführen.