HWG_CERAMIC_Stand_April_2010

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HWG Wälzlager liefert seit fast 25 Jahren
Qualität der Spitzenklasse! Wir bieten
Ihnen maßgeschneiderte Lösungen für
die anspruchsvollen Aufgaben der
modernen Antriebstechnik im 21. Jahrhundert.
HWG Wälzlager bietet ein enormes
Sortiment an lagerhaltigen Artikeln, die
sich an den Normabmessungen orientieren. Die Firmenzentrale mit Sitz in
Renningen, bei Stuttgart, deckt sämtliche
Anforderungen an einen modernen
Wälzlagerbetrieb ab. Forschung & Entwicklung, Konstruktion, moderne CNC
Weich- und Hartbearbeitung sowie
Montage, Sonderbefettung und
modernste Prüf- und Messtechnik unter
einem Dach gewährleisten die hohen
Qualitätsstandards, die wir neben den
zertifizierten DIN ISO Normen an uns stellen.
Am Tor zum Schwarzwald haben wir uns
der enormen Verantwortung unserer
Natur gestellt und sind nach DIN ISO 14001
zertifiziert. Umweltmanagement mit
modernen Anlagen und dem sorgfältigen Umgang mit unseren natürlichen
Ressourcen stehen für zukunftsichere und
gesunde Arbeitsplätze. Innovative
Aspekte sowie die Steigerung der
Wirtschaftlichkeit stehen bei jeder
Konstruktionsüberlegung im Vordergrund.
In dieser Broschüre zeigen wir Ihnen Vorzüge, Möglichkeiten und Anwendungsbeispiele keramischer Werkstoffe in
Wälzlagern. In einer sich immer schneller
drehenden Welt brauchen Sie zuverlässige Partner.
Gerne überzeugen wir Sie mit unseren
Produkten und Lösungen
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Anwendungen keramischer Werkstoffe in Wälzlagern
Eine der vorherrschenden Zielsetzungen
vor dem Vordergrund des praktisch
ungebrochenen Rationalisierungsdruckes
der Industrie und der Forderung nach
höherer Produktivität und Effizienz ist die
Drehzahlsteigerung. Höhere Drehzahlen
im Motorsport, höhere Zerspanungsleistungen bei der Dreh- und Fräsbearbeitung durch modernere Schneidstoffe, wie z.B. Diamant, führen die
Maschinen an ihre Leistungsgrenzen. Ein
weiteres Beispiel ist die Textilindustrie, bei
der die Faden- oder Transportgeschwindigkeit einer Anlage, wie z.B. beim
Verstrecken von Stoffen oder Folien, die
beherrschbare Lagerdrehzahl die
Produktivität einer ganzen Anlage
bestimmt.
Wälzlager mit keramischen Wälzkörpern
bieten unter extremen Betriebsbedingungen enorme Vorteile. Verschiedenste
Einsatzgebiete aus Bereichen mit sehr
hohen oder auch tiefen Betriebstemperaturen, Leichtlauf, Trockenlauf,
fehlender Magnetisierbarkeit oder
elektrischer Isolation können mit dem
umfassenden Sortiment der HWG Hybridund Keramikwälzlager schon heute
bedient werden.
Hybridlager
Bei einem Hybridlager werden Lagerringe
vorwiegend aus rostfreiem Stahl und
Wälzkörper aus Keramik verwendet. Dank
der hervorragenden Eigenschaften
kommen Hybridlager in den verschiedensten Anwendungen zum Einsatz.
Ob im Motorsport, in Dentalturbinen, zur
Lagerung von Werkzeugmaschinenspindeln, in Zentrifugen, Gyroskopen,
Turbomolekularpumpen, in der
Radartechnik, im Luft- und Raumfahrtbereich, in vielen Bereichen der
chemischen Industrie, in der Lebensmittelund Getränkeindustrie und allgemein
dort, wo hoher Korrosionswiderstand,
Temperaturwechselbeständigkeit, hohe
Drehzahl, geringes spezifisches Gewicht,
gute Isolierwirkung, Anti-Magnetismus
und Vakuumtauglichkeit gefordert
werden.
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Vollkeramiklager
Bei einem vollkeramischen Lager sind
sowohl Lagerringe als auch Wälzkörper
aus keramischen Werkstoffen.
Vollkeramische Wälzlager ermöglichen
den Einsatz auch unter schwierigsten
Bedingungen und können somit neue
Konstruktionsüberlegungen ermöglichen
oder Wartungsintervalle verlängern.
Vollkeramiklager kommen heute zur
Anwendung in Rührwerken der Chemie,
in der Pharmaindustrie bei der
Ampullenabfüllung, in der Lebensmittelindustrie bei der Fleisch- und
Wurstabfüllung, in der Medizintechnik bei
der Röntgen- und Kernspintomographietechnik, vereinzelt auch im highend Fahrradsport und in der Luftfahrt aus
Leichtbaugründen und überall dort wo
es aufgrund hoher Temperaturen nicht
möglich ist Stahllager einzusetzen.
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Keramik ist nicht gleich Keramik. Nachfolgend werden die unterschiedlichen
Keramiksorten näher erklärt und vor allem
die hervorragenden Eigenschaften des
Siliziumnitrids erläutert.
Ebenso wird auf den Herstellungsprozess
kurz eingegangen.
Technische Keramik ist ein Sammelbegriff,
der keramische Werkstoffe und Produkte
für technische Anwendungen zusammen-
fasst. Diese Werkstoffe und Produkte sind
alle anorganisch und nichtmetallisch.
Silicat
Keramik
Nitridische
NichtoxidKeramik
Technische
Keramik
Nicht Oxid
Keramik
Oxid
Keramik
Probedruck
Carbidische
NichtoxidKeramik
Silikatkeramik
(technische Porzellane)
Oxidkeramik
Nichtoxidkeramik
Steatit [MgSi 4 O 10 (OH)2], Cordierit
[2MgO*2Al2O3*5SiO2], Porzellan [Feldspat/
Quarz/ Kaolin]
Aluminiumoxid [Al2O3], Magnesiumoxid
[MgO], Aluminiumtitanat [Al 2 TiO 5 ],
Zirkonoxid [ZrO2]
Siliciumcarbid [SiC], Siliciumnitrid [Si3N4],
Aluminiumnitrid [AlN], Borcarbid [B4C],
Bornitrid[BN]
Die Silikatkeramik ist die älteste Gruppe
der Technischen Keramiken. Sie wird aus
natürlichen Rohstoffen hergestellt und
vereint grundlegende elektrische, mechanische und thermische Eigenschaften.
Wesentliche Bestandteile dieser mehrphasigen Werkstoffe sind Ton, Schamott
und Kaolin sowie Feldspat und Speckstein
als Silikatträger. Weitere Komponenten
wie Tonerde und Zirkon werden zur Erzielung spezieller Eigenschaften eingesetzt.
die Silikatkeramiken sind sehr kostengünstig, da die Rohstoffe in sehr hoher
Verfügbarkeit vorliegen.
Dieser Werkstoff kommt für Wälzlager
allerdings nicht in Frage.
Die Werkstoffe dieser Gruppe bestehen
im Wesentlichen (>90 %) aus einphasigen
und einkomponentigen Metalloxiden. Ihre
synthetischen Rohstoffe mit hohem Reinheitsgrad entwickeln bei sehr hohen
Sintertemperaturen gleichmäßige Gefüge
mit sehr guten Eigenschaften, welche
dann die Oxidkeramiken ergeben.
Zu dieser Gruppe gehören keramische
Werkstoffe, z.B. aus Verbindungen von
Silizium und Aluminium mit Stickstoff oder
Kohlenstoff. Generell weisen Nichtoxidkeramiken einen hohen Anteil an kovalenten Bindungen auf, die ihnen, auch
bei hohen Einsatztemperaturen, sehr gute
mechanische Eigenschaften verleihen.
Alle Rohstoffe dieser Keramiken werden
synthetisch hergestellt.
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Siliziumnitrid – der beste Lagerwerkstoff
Zur Zeit ist das Siliziumnitrid der noch
wichtigste nitridische Werkstoff der Nichtoxidkeramiken. Es ist deshalb noch
dominierend, weil es hervorragende Eigenschaften, wie z.B. extrem hohe Festigkeit,
hohe Zähigkeit, Verschleißfestigkeit,
niedrige Wärmeausdehnung und sehr gute
chem. Beständigkeit aufweist. Das
Siliziumnitrid wird bei 1700°C bis 1900°C
unter Schutzgas gesintert. Aufgrund dieser
Eigenschaften hat sich das Siliziumnitrid als
der am besten geeignete Werkstoff für die
Anwendung in Wälzlagern herauskristallisiert. HWG Wälzlager verwendet wie
Merkmale von Keramik in Wälzlagern
Vorteile von Keramik in Wälzlagern
reduzierte Reibung
geringe Dichte
extreme Temperaturstabilität
Verschleißfestigkeit
herausragende Korrosionsbeständigkeit
Medienbeständigkeit
geringe Wärmeausdehnung
kein Adhäsionsverschleiß
Isolation
kein Magnetismus
längere Gebrauchsdauer
höhere Drehzahlen
Einsatz unter Extrembedingungen
längere Serviceintervalle
hervorragende Notlaufeigenschaften
Einsatz in vorhandenen Prozessmedien
verminderte Vibrationen
Trockenlauf möglich
Schutz gegen elektrische Erosion
Einsatz in empfindlichen Instrumenten
alle anderen führenden Wälzlagerhersteller
vorwiegend Wälzkörper aus Siliziumnitrid in
seinen Produkten. Bei vollkeramischen
Wälzlagern werden teilweise auch
Lagerringe aus Zirkonoxid verwendet.
Technische Hochleistungskeramik
In der technischen Entwicklung gewinnen
neue Werkstoffe in der Zukunft immer
mehr an Bedeutung. Höhere mechanische, thermische und elektrische
Anforderungen an moderne Geräte,
Maschinen und Anlagen erfordern
Konstruktionselemente und Bauteile,
deren Eigenschaften nur mit neuen
Werkstoffen wie der technischen
Hochleistungskeramik zu erzielen sind.
Definiert in der DIN VENV 12212 ist es ein
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hochentwickelter, hochleistungsfähiger
keramischer Werkstoff, der überwiegend
nichtmetallisch und anorganisch ist.
Unter diesem Begriff versteht man speziell
hergestellte Keramikwerkstoffe für den
industriellen Einsatz, welche nichts mit den
bekannten Materialien aus Küche und Bad
zu tun haben. In speziellen Sinterverfahren
wird aus Pulver und Additiven ein für jeden
Einsatzzweck entwickelter „Hochleistungswerkstoff“ geformt. Diese Werkstoffe haben
eine Dichte von nahezu 100% und sind nicht
mehr porös, wie man sie aus der
Vergangenheit kennt. Sie werden in der
Regel bei Raumtemperatur aus einer
Rohmasse geformt und erhalten ihre typischen Werkstoffeigenschaften durch einen
Sintervorgang, der bei hohen Temperaturen
stattfindet.
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Der Herstellungsprozess von technischer Keramik
Masseaufbereitung
Pulverisierung
Basisgrundstoff für keramische Wälzlagerteile ist ein
Pulver aus natürlichen und synthetischen Rohstoffen.
Dies ist der Ausgangsstoff der zunehmend durch den
technischen Fortschritt ständig verbessert wird.
Mahlen
Mischen
Filtrieren
Granulieren
Sprühtrocknen
Formgebungsprozess
Umformung
Hier werden die Masseteilchen verdichtet und in eine zusammenhängende Form gebracht. Diese Form nennt man dann
Grünling. Dieser kann jetzt noch kostengünstig bearbeitet werden,
da die Endhärte erst durch dem folgenden Sintervorgang
entsteht.
Isostatisches Pressen
Grünbearbeiten
Extrudieren
Weißbearbeiten
Schlickergießen
Trockenund Naßpressen
Brandvorbereitung
Durch Erhitzen werden flüchtige Stoffe
verdampft, die Temperatur jedoch noch so
niedrig gehalten wird, dass der Sintervorgang noch nicht beginnt. Durch die Temperatur werden auch Wassermoleküle entfernt, die sich vergleichbar mit einer Hydrathülle um die Masseteilchen gelegt haben.
Dadurch rücken diese näher zusammen
und es kommt zum so genannten
Trockenschwund.
Trocknen
Entbinden
Verglühen
Glasieren
Sintervorgang
Sinterung
Darunter versteht man eine Wärmebehandlung bei ca. 3/4 der absoluten
Schmelztemperatur. Dieser Vorgang findet je nach Substanz unter
verschiedenen Atmosphären statt, z.B. im Schutzgas oder im Vakuum.
Den Sintervorgang kann man in drei Stadien untergliedern: Im ersten
Stadium findet ein Wachstum der Teilchenkontakte durch so genannte
Sinterbrücken statt. Im zweiten Stadium kommt es zur Ausbildung eines
zusammenhängenden Porenskeletts und im dritten Schritt findet eine fast
vollständige Poreneliminierung statt. Dadurch findet nochmals ein Schwund
statt und es kommt zu einer weiteren Dichtezunahme.
Endbearbeitung
Schleifen
Probedruck
Die so gewonnenen Bauteile besitzen jetzt ihre Endhärte und
können nur noch mit Diamant bearbeitet werden. Durch
Schleifen und Schleifen und abermals Schleifen müssen die
Bauteile aufwändig und langwierig bearbeitet werden. Dies ist
momentan jedoch der einzige Formgebungsprozess. Je nach
gewünschter Oberflächengüte können die Teile anschließend
noch poliert und geläppt werden
Sintern
Heißpressen
Reaktionssintern
Heißisostatisches Pressen
Schleifen
Lasertrennen
Fügen
Bohren
Scheuern
Läppen
Hohnen
Polieren
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Der Herstellungsprozess
Der Herstellungsprozess der Bauteile ist
dabei von entscheidender Bedeutung:
es wird darauf geachtet, dass nur
Produkte zum Einsatz kommen, welche
nach dem so genannten HIP-Verfahren
(Hot Isostatic Pressing) hergestellt sind.
Dies ist momentan das führende
Verfahren, welches ein homogenes und
porenfreies Gefüge garantiert. Andere
Herstellungsverfahren von SiliziumnitridBauteilen werden im nachfolgenden
Abschnitt beschrieben.
Das HIP-Verfahren ist zwar teurer als das
einfache Sintern, aber nur so kann für
eine hohe Qualität garantiert werden.
Ansonsten droht Gefahr, dass die
Wälzkörper oder Ringe der Belastung
nicht standhalten und zerbrechen.
Diese Qualität bietet die insbesondere
bei Wälzlageranwendungen erforderliche Dauerfestigkeit speziell bei
den hohen dynamischen Flächenpressungen der Überrollbeanspruchung.
Für besonders hoch beanspruchte
Hybrid- oder Vollkeramiklageranwendungen sind Wälzkörper aus
heißisostatisch gepresstem Si3N4 am
besten geeignet.
Das Spektrum der aus diesen Werkstoffen herstellbaren Bauteilgeometrien
ist unterschiedlich, da nicht jedes
Formgebungsverfahren für jeden Werkstofftyp verfügbar oder kostenmäßig
sinnvoll ist.
Speziell im asiatischen Markt werden oft
sehr günstige Kugeln, Ringe und
Formteile aus Siliziumnitrid, welche nur
gesintert sind, angeboten. Man erkennt
diese an nicht porenfreiem Gefüge und
an der Oberfläche.
Weitere günstige Kugeln werden oft aus
Aluminium- und Zirkonoxid angeboten.
Für Anwendungen mit niedriger
Belastung werden sie oft aus Preisgründen verwendet. Diese Werkstoffe
erreichen aber nie die Festigkeits- und
Dauerbelastungswerte von Siliziumnitrid ! Ebenso haben diese keramischen
Werkstoffe eine wesentlich schlechtere
Rollkontaktermüdung.
Übersicht der keramischen Werkstoffe und Lagerverträglichkeiten
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Rollkontakt Ermüdung
Dichte
Biegefestigkeit
E-Modul
Bruchzähigkeit
Wärmeausdehnung
Härte, HV10
Thermoschockwiderstand
g/cm3
MPa
GPa
MPa.m 1/2
10-6/K
kg/mm2
°C
B4
C
Karbide
SiC
Si
2
ZrO
3N
4
Nitride
3
Al
2O
he
it
Oxide
Ein
Aus der Tabelle kann man entnehmen,
dass das Siliziumnitrid in der Zusammenfassung aller technischen Eigenschaften die besten Werte liefert. Es
besitzt mit die geringste Dichte und
Wärmeausdehnung. Siliziumnitrid besitzt
im Vergleich mit allen Keramikwerkstoffen die beste RollkontaktErmüdung. Deshalb ist das Siliziumnitrid
der am besten geeignete Lagerwerkstoff.
3,9
900
380
4-5
9
1700
6,0
1400
200
8-10
10
1300
befriedigend
sehr gut
ausreichend
ausreichend
ausreichend
ausreichend
gut
gut
ausreichend
ausreichend
3,2
980
310
5-7
2,9
1600
3,1
550
400
~4,5
4,4
2600
2,5
300
440
2-3
5,8
2800
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Ceramic im Wälzlager - tribologischer Zusammenhang
Die Paarung Keramik – Stahl hat diese
Adhäsionsneigung nicht.
Dadurch ergibt sich eine bessere
Kinematik im Hybridlager, das ein
niedrigeres Temperaturniveau ergibt,
was zu einer höheren Schmierstoffviskosität und damit zu einem besser
trennenden Schmierfilm führt.
Dies führt letztendlich zu einer höheren
Schmierstoffgebrauchsdauer, die
mindestens zu einem 3-fachen größeren
Wert gegenüber Stahllagern führen.
Das bedeutet:
Bei Mangelschmierung hat ein Hybridlager
durch die geringe Adhäsionsneigung
zwischen Keramik und Stahl eindeutige
Vorteile hinsichtlich der Lebensdauer.
Versuche haben gezeigt, dass bei
extremer Mangelschmierung Hybridlager
gegenüber Stahllagern eine 10-20 fache
höhere Standzeit erreichen können. Dies
ist natürlich abhängig von den jeweiligen
Umgebungsbedingungen wie Temperatur, chemischen Einwirkungen, Verschmutzungsgrad und Drehzahl.
Medium
Wasser
anorg. Salzlösungen
schwache Säuren
starke organische Säuren
starke Säuren
Flußsäuren
oxydierende Säuren
schwache Laugen
starke Laugen
aliphatische Kohlenwasserstoffe
aromatische Kohlenwasserstoffe
chlorierte Kohlenwasserstoffe
niedere Alkohole
Ester
Ketone
Äther
Benzin
Treibstoffgemisch
Mineralöl
Fette, Öle
Terpentin
beständig
ausreichend beständig
bedingt beständig
meist unbeständig
völlig unbeständig
Probedruck
rid
nit
SI3
Sili N4
ziu
m
xid
ZrO
Zir 2
ko
no
X1
0
1.4 5Cr
12 Mo
5
17
är
10
0
1.3 CR6
50 g
5 eh
Medienbeständigkeit von Si3N4
te
t
Unter dem Begriff Tribologie bei Wälzlagern
versteht man die Beschreibung der
Vorgänge in den Wälzkontaktstellen mit
Schmierung, Reibung und Verschleiß.
Die Kontaktflächengeometrie, materialbedingte Adhäsionsneigung der Kontaktpartner zueinander, Reibwert und Schmierstoff bewirken zusammen ein gutes oder
schlechtes Gebilde.
Eine Stahl – Stahl – Paarung neigt bei Mangelschmierung zu Kaltverschweißungen und
erhöhtem Reibmoment, meistens in Verbindung mit einer höheren Temperatur in
der Wälzkontaktzone.
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Kugelbewegungen in einem Lager - Gleiten, Rutschen und Rollen
Eine Kugel in einem Lager ist in ungehinderter Bewegung, sie hat die Fähigkeit
sich in allen 3 (X,Y,Z) Ebenen zu bewegen.
Weil die Laufbahnradien des Innen- und
Aussenrings unterschiedlich sind, ist die
Kugel ständig am Rollen, Rutschen und
Gleiten. Diese ständige Bewegung ist die
Hauptursache für die Erzeugung von
Wärme und den Verschleiß im Lager.
Auswirkungen auf die Kugeln und das Gleiten
System Stahl/Stahl
. Gleiten von Stahl auf Stahl erzeugt “Kalt-” oder Mikroverschweißungen
. Die Oberflächen von Kugeln und Laufbahnen werden beschädigt
. Beschädigte Kugeln beschleunigen den Verschleiß der Laufbahnen
. Kontamination durch Verschleiß wirkt sich auf die Schmierungsleistung aus
. Überhitzung wird erzeugt durch Reibung und Kontakt an beschädigten Zonen und fördert weiter den Abbau
der Schmierung
System Keramik/Stahl
. Si3N4 auf Stahl minimiert Verschleiß, eliminiert Adhäsion
. Bleiben die Kugeln intakt, reduziert sich die Beschädigung beim Laufen
. Kühlere, glattere Kontaktoberfläche verlängert die Schmierfähigkeit
. Hohe Kugelhärte hilft Verunreinigungen aus der Laufbahn zu “stoßen”
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Pitting Bildung in den Laufbahnen
Was ist Rollkontakt Ermüdung?
Die immer wiederkehrende Einwirkung
von hoher Flächenpressung und Schlupf
ermüdet die Laufbahnen soweit, dass
Risse entstehen.
Das Phänomen Rollkontakt-Ermüdung
(Rolling Contact Fatigue, RCF) ist in den
letzten Jahrzehnten zu einem bedeutenden Kostenfaktor für die Industrie
geworden.
Was ist Ermüdung:
Verhalten von Teilen unter zyklischer
Belastung bis hin zu Rissen oder völligem
Versagen. Ermüdung tritt oft ein, wenn
ein Spannungsniveau wiederholt
erheblich über der Streckgrenze des
Materials liegt, was bei einer einmaligen
Belastung in dieser Größenordnung
normalerweise nicht zum Versagen führt.
Des weiteren ist Ermüdung ein
Phänomen bei dem, nach zyklischer
Belastung unterhalb der statischen
Festigkeit, das Material zerbricht.
Ermüdung zählt zu den häufigsten
Ursachen des Versagens von Werkstoffen unter wiederholter Be-und
Entlastung. Formteilgeometrie, Frequenz,
Belastungsunterschiede, Umgebung und
Temperatur, alles hat einen Einfluss auf
den Mechanismus des Versagens, der
auf Ermüdung zurückzuführen ist.
Warum verbessern Si3N4-Kugeln die Lagerleistung ?
Kontaktellipsen am Beispiel einer Kugel
Der keramische Werkstoff Siliziumnitrid
Si3N4 eignet sich als Wälzkörper (Kugel
oder Rolle) bestens für den Einsatz bei
Wälzlagern. Nachstehende Tabelle
verdeutlicht dies:
Einheit
Dichte
Härte
Zugfestigkeit
Druckfestigkeit
E-Modul
lin. Ausdehnungskoeffizient
Poissonsche Zahl
Wärmeleitfähigkeit
spez.elek. Widerstand
max. Einsatztemperatur
Korrosionsbeständigkeit
elektrische Leitfähigkeit
Magnetismus
g/cm3
HRC
MPa
MPa
GPa
10-6/K
W/mK
mm2/m
°C
Keramik
Si3N4
3,2
>75
-3000
310
3,7*
0,27
34
1018
1200
ausgezeichnet
Isolator
unmagnetisch
ZrO2
6,0
70
-2000
200
10*
0,25
2
1014
1000
ausgezeichnet
Isolator
unmagnetisch
100Cr6
7,8
62
2500
880
220
11**
0,3
40-50
0,1~1
250
annehmbar
Leiter
magnetisch
Stahl
X105CrMo17
7,6
60
2350
880
215
11,2**
-15
0,8
200
gut
Leiter
magnetisch
*=20-1000ºC | **=20-300ºC | Angaben sind abhängig von Legierung und Zustand und können schwanken
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Si3N4 verfügt über eine bislang unerreichte Kombination hervorragender Werkstoffeigenschaften
elektrisch
Isolierfähigkeit / keine elekt. Leitfähigkeit
Durchschlagfestigkeit bei Hochspannung
Dielektrische Eigenschaften
piezoelektrische Eigenschaften
mechanisch
Verschleißfestigkeit
hohe Festigkeit
hohe Härte
Formbeständigkeit
thermisch
Hochtemperaturfestigkeit
Temperatur Wechselbeständigkeit
Wärmeisolation / geringe Wärmeleitfähigkeit
Wärmebeständigkeit
chemisch/biologisch
Korrosionsbeständigkeit
katalytische Eigenschaften
biochemische Eigenschaften
Lebensmittelverträglichkeit
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Auswirkung und Effekte durch Si3N4
Schmierung
Kugeln aus Siliziumnitrid haben wahrscheinlich die größte Bedeutung auf die
Lagerleistung, was die Schmierung betrifft.
Wie im vorherigen Kapitel gesehen ruft
eine Stahlkugel, welche in Stahllaufbahnen
läuft, einen inherenten Zustand von „Kaltverschweißung“ hervor. Der Schmierstoff
minimiert diese Phänomen durch den
Aufbau eines „Kissens“ zwischen der Kugel
ungleiche Materialien
geringe Reibung
geringe Oberflächenrauhigkeit
bessere Oberflächengüte
und der Laufbahn, bekannt als EHD Film
(elastischer hydrodynamischer Film). Beim
Vorhandensein einer Stahl-Stahl Berührung
wird Hitze erzeugt, welche das Schmiermittel erwartungsgemäß versagen lässt.
Kugeln aus Siliziumnitrid lassen das Lager
kühler laufen wegen der ungleichen
Materialpaarung, dies verlangsamt den
Zerfall des Schmiermittels. Des Weiteren
Außenring Stahl
erhöhen die Unebenheiten einer Stahlkugel die Reibung und den Verschleiß der
Laufbahn. Die feine Mikrostruktur und die
Oberflächenbeschaffenheit eines Siliziumnitrid-Wälzkörpers setzen die interne
Reibung eines Lagers herab, reduzieren
den Verschleiß und die Wärmeerzeugung,
welcher die Fettgebrauchsdauer und
Lebensdauer des Lagers verlängert.
Außenring Stahl
Mikroverschweißung
höhere Reibung
Oberfächenunebenheiten
höhere Temperaturen
Stahl
Keramik
Schmierfilm
Schmierfilm
Innenring Stahl
Innenring Stahl
Dichte
Siliziumnitrid ist bis zu 60% leichter als Stahl.
Das geringere Gewicht von Siliziumnitrid
reduziert die Beanspruchung der Laufbahnen, und ermöglicht höhere Geschwindigkeiten.
Stahl X105CrMo17
Keramik Si3N4
0
2
4
Geschwindigkeit
Die Siliziumnitridwälzkörper erzeugen wegen
der geringeren Reibung weniger Verlustleistung, dadurch wird die physikalisch
mögliche Drehzahlgrenze um bis zu 30% im
Vergleich zu Lagern mit Stahlkugeln erhöht.
+30%
U/min
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(Dichte g/cm3)
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Zentrifugalkraft
Bei steigender Drehzahl von Lagern
nehmen die Zentrifugalkräfte, welche auf
die Laufbahn des Aussenrings wirken derart
zu, dass es zu Ermüdung des Stahls führen
kann. Das Kreiselmoment welches durch
die X,Y,Z Bewegungen der Kugel erzeugt
wird, ist ebenfalls signifikant geringer bei
höheren Drehzahlen, was zu weniger
Kugelrutschen im Lager führt. Das
Kugelrutschen ist der Hauptgrund für die
innere Erwärmung und den Laufbahnverschleiß.
Zentrifugalkraft
Kugelbewegung
Wärmeausdehnung
Außenring Stahl
Außenring Stahl
Der lineare Wärmeausdehungskoeffizient
von Si3N4 ist um den Faktor 3.6 geringer als
von Stahl.
Keramik
Stahl
Diese geringere Wärmeausdehnung wirkt
höheren Vorspannungen positiv entgegen.
Gegenüber Stahl besitzt Si3N4 auch eine
hervorragende Warmehärte und ermöglicht somit Hochtemperaturanwendungen bis zu 800°C. Meist sind der Anwendung jedoch durch die Ringe und
Käfige schon vorher Grenzen gesetzt.
Schmierfilm
Schmierfilm
Innenring Stahl
vergrößerte Kontaktellipse
erhöhte Reibung
erhöhte Temperatur
geringere Geschwindigkeit
kürzere Lebensdauer
Innenring Stahl
kleinere Kontaktellipse
verminderte Reibung
niedrigere Temperatur
höhere Geschwindigkeiten
längere Lebensdauer
Radialsteifigkeit
Der unterschiedliche E-Modul im Hybridlager bringt auch Vorteile bei den plastischen Verformungen. Die Lagerfederung
wird geringer und die Steifigkeit höher.
Diese Eigenschaften von Siliziumnitrid verändert sich nicht mit steigender Temperatur. Diese Eigenschaften vergrößern
die Steifigkeit von Werkzeugmaschinenlagern bei höheren Drehzahlen, weil die
Kugeln sich nicht unter den hohen Temperaturen verformen. Des Weiteren sind
die Laufbahnen kühler, was weiter die
Einflüsse der Verformung hinsichtlich der
Lagersteifigkeit verringert.
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Keramik Si3N4
Stahl X105CrMo17
0
20
40
60
80
(Härte Rc)
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Konstruktionsüberlegungen
Kugelsteifigkeit und Lagerleistung
Der Elastizitätsmodul (E-Modul) von
Siliziumnitrid ist ca. 1,5 mal höher als der
von Wälzlagerstahl. Hierdurch wird die
Berührgeometrie in der Kontaktzone
und die Hertz`sche Flächenpressung
beeinflusst. Die Kontaktfäche wird
kleiner.
Unterstellt man zunächst gleiche
Kugelbelastungen, so würde die
Flächenpressung ansteigen.
Tatsächlich werden die Kugelkräfte
beim Hybridlager niedriger, besonders
wenn bei hohen Drehzahlen die
Massenkräfte eine Rolle spielen, so dass
oft gleiche Flächenpressungswerte für
Stahl- und Hybridlager vorliegen.
Der Vorteil der kleineren Druckellipse
hinsichtlich einer geringeren Reibung
und somit kühlere Laufbahnen bleibt
bestehen.
Tragzahlen von Hybridlagern
Der E-Modul beeinflusst auch die
Tragzahl. Die Tragzahlberechnung von
Hybridlagern ist nicht genormt und wird
deshalb unterschiedlich durchgeführt.
Aus Versuchen ist bekannt, dass das
Ausfallverhalten von Hybridlagern dem
von Stahllagern sehr ähnlich ist. Die
Tragfähigkeit eines Hybridlagers
beeinflusst auch die Leistungsfähigkeit
und somit die Lebensdauerberechnung
L10.
Dies ist eine wichtige Aussage der man
besonders viel Aufmerksamkeit in den
letzten Jahren geschenkt hat.
Wie man den vorherigen Abschnitten
entnehmen kann, sind Wälzkörper aus
Siliziumnitrid viel steifer als StahlWälzkörper und dazu ist die
Kontaktfläche auf der Laufbahn viel
geringer. Für eine vorhandene
Belastung bedeutet dies, dass die
Flächenpressung in der Laufbahn
zunimmt und die L10 Lebensdauer
„theoretisch“ in einem Hybridlager ab-
Die richtige Aussage zur Materialermüdungslebensdauer kann nur mit
einer Berechnung der Hertz´schen
Pressung im Wälzkontakt, bei der die
Massenkräfte berücksichtigt werden,
gemacht werden. So wird der
scheinbare Nachteil der niedrigeren
Tragzahl der Hybridlager größtenteils
wieder ausgeglichen.
Generell kann man folgern:
. Direkter Austausch von Stahl mit Si3N4 reduziert die Lagerlast
. Si3N4-Kugeln erhöhen die Ermüdungsspannungen in den Stahllaufbahnen
. Die reduzierte Tragfähigkeit liegt an den Einsatzgrenzen des Stahls
Probedruck
nimmt. Tatsächlich gibt es Anwendungen bei dem die Lager an der
Belastungsgrenze laufen, welche
niedrigere Lebensdauererwartungen
zeigen, wenn ein Stahllager durch ein
Hybridlager ausgetauscht wird, weil die
Laufbahnen ermüden.
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Lebensdauer
Die Lebensdauer eines Wälzlagers ist die
Anzahl der Umdrehungen oder
Betriebsstunden bei konstanter Drehzahl,
die das Lager aushält, bevor die ersten
Anzeichen einer Werkstoffermüdung
auftreten. Nach DIN ISO 281 kann die
nominelle Lebensdauer (L) mit folgender
Formel bestimmt werden:
L = (C/P)
L = nominelle Lebensdauer
C = dynamische Tragzahl
P = dynamische äquivalente Belastung
p = Lebensdauerexponent
Lhna = a1 . a2 . a3 . Lh
Lhna = erreichbare Lebensdauer [h]
a1 = Faktor für die Ausfallwahrscheinlichkeit
a2 = Faktor für Werkstoff
a3 = Faktor für Betriebsbedingungen
p
Die Gleichung ist nur gültig für Standardwälzlager aus gehärtetem Wälzlagerstahl unter einwandfreien Betriebsverhältnissen und berücksichtigt
lediglich die Belastung des Lagers.
In dieser Gleichung wird eine Ausfallwahrscheinlichkeit von 10% angenommen.
Einflüsse auf die Schmierung, Sauberkeit
des Lagers und zum Werkstoff werden
in der Gleichung für die erweiterte
Lebensdauerberechnung berücksichtigt.
Auch die erweiterte Lebensdauerberechnung kann als Ausfallursache
nur die Werkstoffermüdung berücksichtigen. Die ermittelte Lebensdauer
kann daher von der tatsächlichen
Lebensdauer abweichen, wenn z.B. der
Schmierstoff vor erreichen der
ermittelten Lebensdauer verbraucht ist.
Speziell bei Mangelschmierung,
Trockenlauf, starker Verschmutzung des
Lagers und hohen Betriebstemperaturen kommt eine erweiterte
Lebensdauerberechnung nach dieser
Gleichung nicht mehr in Betracht.
Die traditionelle Berechnung der
Lebensdauer trifft auf Hybrid- und
Vollkeramikwälzlager nicht zu.
Die theoretischen L10 Lebensdauerberechnungen basieren grundlegend
auf statistischen Weibull-Kurven von
Stahllagern. Wenn man diese empirisch
hergeleiteten Gleichungen auf
Hybridlager anwendet, kann dies zu
irreführenden Betrachtungen führen,
weil diese Gleichungen nicht für die
Verwendung von unterschiedlichen
Materialien und niedrigeren Betriebstemperaturen in einer Lagerberechnung gelten. Während die
traditionelle L10 Formel eine niedrigere
Lebenserwartung für Hybridlager
voraussagt, übertreffen Hybridlager in
Fallstudien von zahlreichen Anwendungen, Stahllager in den meisten
Fällen.
Die Tatsache, dass Kugeln aus Siliziumnitrid 50% steifer als Stahlkugeln sind,
lässt die Hertz´sche Flächenpressung in
den Laufbahnen ansteigen. Wegen
dieser Eigenschaft muss die theoretische
L10 Lebensdauerberechnung eines
Hybridlagers neu betrachtet werden
und ist üblicherweise rechnerisch ~20%
geringer als bei Stahllagern. Deswegen
wird oft die innere Laufbahngeometrie
der Hybridlager wegen der steiferen
Kugeln neu angepasst, um eine höhere
Tragfähigkeit zu bekommen.
Des Weiteren kann die Erhöhung der
Kugelanzahl in einem Lager ebenso die
Tragfähigkeit eines Lagers erhöhen.
Ebenso hängt die Lebensdauer eines
Hybridlagers von der Materialqualität
und der Oberflächengüte der Wälzkörper ab. Wie bei allen Materialien gilt:
eine höhere Qualität und Widerstandsfähigkeit führt zur Verbesserung
des Endprodukts und seiner Eigenschaften.
Generell ist bei einer objektiven
Lageranalyse zu beachten:
-
Probedruck
Schmierung
Betriebstemperatur
Drehzahl
Belastungsgrenze des Lagers (Tragfähigkeit)
Verschmutzungsgrad
Abdichtung
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Vorteile durch Si3N4 Wälzkörper
geringere
Reibung
glattere
Oberfläche
hoher
elektrischer
Widerstand
Höhere Geschwindigkeit
keine Korrosion
Kühlere Schmierung
geringere
Wärmeausdehnung
Längere Lebensdauer
Tiefere Temperatur
Isolator
geringeres
Gewicht
Probedruck
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Hybridlager mit Wälzkörpern aus Siliziumnitrid
Wälzkörper aus Siliziumnitrid bieten viele
Verbesserungen gegenüber Stahllagern.
Die Eigenschaften von höherer Steifigkeit,
höhere Härte, niedrigerem Gewicht,
einzigartige Oberflächenbeschaffenheit und
Geometrie zusammen vereint, führen zu
einer Verringerung der Wärmeentwicklung
im Lager und damit zu niedrigeren
Schmiermitteltemperaturen. Die große
Steifigkeit und niedrige Temperaturausdehnung gemeinsam mit dem
niedrigeren Gewicht erlauben höhere
Geschwindigkeiten im Lager, speziell bei
Spindeln geringere Vibrationen und
Geräusche. Der hohe elektrische Widerstand
und die gute Korrosionsbeständigkeit des
Materials in Verbindung mit den bereits
erwähnten Wälzkörpereigenschaften helfen
dazu die Schmiermittelgebrauchsdauer zu
verlängern. All diese „Benefits“ ermöglichen
höhere Lagerdrehzahlen und eine längere
Lebensdauer.
Hybridlager mit Wälzkörpern aus Siliziumnitrid
setzen klar den Standard für eine höhere
Maschineneffizienz, geringere Stillstandszeiten und niedrigere Gesamtbetriebskosten.
Hybrid- und Vollkeramiklager
Hybrid- und Vollkeramiklager können in
Normgeometrien gefertigt werden und sind
daher auch in bestehenden Konstruktionen
einsetzbar. Längere Wartungszyklen oder
Drehzahlsteigerungen können durch den
Austausch mit Hybridlagern häufig schnell
und einfach realisiert werden.
In extremen Anwendungsgebieten bietet
ein vollkeramisches Lager zusätzliche
Möglichkeiten.
Dank der herausragenden Eigenschaften
der technischen Hochleistungskeramiken
sind Anwendungen in geschlossenen
Systemen, in elektrischen Anlagen und für
Probedruck
extremen Leichtbau einsetzbar.
Wo konventionelle Wälzlager an die
Grenzen des technisch Machbaren stoßen,
können Hybrid- und Vollkeramiklager einen
neuen Ansatz darstellen. Die Auslegung der
Lagerung und die damit verbundenen Umbzw. Anbauteile ist besonders bei vollkeramischen Lagern von elementarer
Bedeutung. Eine keramikgerechte Systemlösung erfordert dabei eine enge
Zusammenarbeit zwischen Wälzlagerhersteller und dem Anwender selbst.
HWG Wälzlager bietet Ihnen dank des
komplexen Maschinenparks auch die
Möglichkeit einbaufertige Komplettlösungen zu beziehen.