In diesem Artikel werden wir über 100% Keramiklager sprechen: Egal ob Hochgeschwindigkeits-Keramiklager oder Hochtemperatur-Keramiklager, das Hauptmerkmal ist, dass sie ohne Schmierung auskommen.
Die richtige Auswahl des Schmiermittels oder die Durchführung angemessener Wartungsarbeiten sind sehr schwierig oder unmöglich; beispielsweise:
- Lager mit Dichtungen: Um die richtige Menge Schmiermittel wiederherzustellen, muss das Lager aus der Maschine oder Anlage ausgebaut, die Dichtungen entfernt, das Lager gründlich gereinigt, erneut geschmiert, mit neuen Dichtungen versehen und wieder in die Maschine oder Anlage eingebaut werden.
- Lager in aggressiven Umgebungen für Schmiermittel, wie z. B. Maschinen oder Anlagen im Lebensmittelbereich. Die periodisch erforderlichen Reinigungszyklen beinhalten auch den Einsatz von Hochdrucklanzen. Durch diesen Druck kann das Schmiermittel im Inneren der Lager während der Operation entfernt oder mit den Reinigungsmitteln verunreinigt werden.
- Lager in feuchten Umgebungen oder bei Dampfvorhandensein: Das Schmiermittel kann schnell verunreinigt werden und seine Wirksamkeit verlieren.
- Für diese Einsatzbedingungen ist das Angebot an Schmiermitteln sehr begrenzt und extrem teuer.
Das Ergebnis solcher Situationen ist, dass die Lager für Umgebungen mit hoher oder extrem hoher Temperatur nicht unter optimalen Bedingungen arbeiten, was zu einer vorzeitigen Ersatznotwendigkeit führt. Häufige Wartungsoperationen verursachen Maschinenstillstände, die wirtschaftlich nicht akzeptabel sein können.
Die 5 Merkmale vollständig keramischer Lager
Eine Lösung für all diese Probleme stellen die vollständig keramischen Lager dar, also Lager, die bestehen aus:
- Ringen aus Zirkoniumoxid (ZrO₂) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄)
- Lauflichtern aus Zirkoniumoxid (ZrO₂) oder Siliziumnitrid (Si₃N₄)
- Käfig aus PEEK-, PTFE-(Teflon)- oder PA66-(Nylon)-Kunststoff, hergestellt durch Spritzguss oder Bearbeitung (Materialwahl abhängig von den Betriebsbedingungen des Lagers)
- Nicht reibende Dichtungen aus PEEK oder PTFE (Materialwahl abhängig von den Betriebsbedingungen des Lagers).
Sehen wir uns im Detail an, welche Eigenschaften die vollständig keramischen Lager haben, die sie im Hinblick auf das Schmierungsproblem zu einer sehr interessanten, manchmal einzigen Lösung machen:
1. Härte
Die Härte der keramischen Materialien ist aufgrund ihrer intrinsischen Eigenschaften deutlich höher als die Härte, die Lagerstähle nach der Wärmebehandlung erreichen.
2. Rauheit
Die Lauflichter und Ringe aus keramischem Material weisen eine geringere Rauheit auf als das mit Lagerstählen Erreichbare.
3. Reibungskoeffizient
Der Reibungskoeffizient der keramischen Materialien ist niedriger als der der Lagerstähle.
4. Temperaturbeständigkeit
Keramische Materialien bieten eine extrem hohe Temperaturbeständigkeit. Zirkoniumoxid kann bis 500 °C verwendet werden, Siliziumnitrid bis 800 °C, während Lagerstähle – ohne spezielle Behandlungen – nur bis 150 °C eingesetzt werden können.
5. Chemische Beständigkeit
Zirkoniumoxid und Siliziumnitrid sind chemisch inert gegenüber vielen Substanzen, die für Stahlager fatal sind (Säuren, Basen, organische Verbindungen, Wasser, Salzspray usw.).
Diese 5 Eigenschaften erzeugen bei den vollständig keramischen Lagern einen sehr wichtigen Effekt: Die Verschleißfestigkeit ist besser als die der Stähle.
Sehen wir uns an, warum.
Betrachten wir zwei Lager gleicher Größe, eines aus Stahl und das andere aus keramischem Material, die der gleichen Belastung ausgesetzt sind.
Wie in diesem Artikel über Reibung beschrieben, wird der Verschleiß hauptsächlich durch zwei Effekte verursacht: mechanische Abrasion und Temperaturerhöhung.
Da die mechanische Abrasion mit der Rauheit der Kontaktflächen verbunden ist, ist dieses Phänomen bei keramischen Werkstoffen weniger ausgeprägt, weil ihre Rauheit geringer ist als die der Stahlwälzlager.
Die Temperaturerhöhung im Keramiklager wird geringer sein als in einem Stahlager. Da keramische Werkstoffe eine höhere Härte als Lagerstähle aufweisen, ist die Kontaktfläche zwischen Wälzkörper und Laufbahn im vollständig keramischen Lager kleiner als im Stahlager. Eine kleinere Gleitfläche in Verbindung mit einem niedrigeren Reibungskoeffizienten führt zu einer geringeren Wärmeentwicklung.
Letztlich weist das Keramiklager eine höhere Verschleißfestigkeit auf als das Stahlager.
All dies führt zu einem äußerst wichtigen Ergebnis:
Vollkeramische Lager können unter Schmierungsbedingungen arbeiten, unter denen der Einsatz von Stahllagern unmöglich ist.
Beispiele für den Einsatz von Keramiklagern
Einige Anwendungsbeispiele können die folgenden sein:
- Hohe oder sehr hohe Temperaturen: Dies ist eine sehr schwierige Situation für ein Stahlager, nicht nur wegen des Einflusses der Temperatur auf den Stahl selbst, sondern auch, weil es möglicherweise keine geeigneten Schmierstoffe gibt. Ein vollständig keramisches Vollkugellager kann auch ohne Schmierung betrieben werden.
- Maschinen oder Anlagen für die Lebensmittelindustrie: Die Vorschriften verlangen den Einsatz von für den Lebensmittelbereich zugelassenen Schmierstoffen. Der allgemeine Trend geht jedoch dahin, jede mögliche Kontaminationsquelle zu eliminieren und daher „natürliche“ Schmierstoffe zu verwenden oder die Schmierung ganz zu vermeiden. Unter diesen Bedingungen wird der Einsatz von Stahllagern sehr schwierig. Im Gegensatz dazu können vollständig keramische Lager mit Wasser geschmiert werden oder ganz ohne Schmierung laufen.
- Anwendungen im Hochvakuum: Stahlager in diesem Bereich müssen sehr spezielle Schmierlösungen verwenden, um zu verhindern, dass das Schmiermittel ausgast. Das vollständig keramische Lager kann ohne Schmierung arbeiten und stellt daher eine geeignete Lösung für dieses Problem dar.
