Keramische Lagers können sich als äußerst effektive Lösung in Anwendungen erweisen, die starken oder variablen magnetischen Feldern ausgesetzt sind. In diesem Artikel betrachten wir die Anwendung keramischer Lagers speziell in Umgebungen mit magnetischen Feldern.
Die für nahezu alle Rollenlagers verwendeten Stähle lassen sich in zwei Hauptgruppen einteilen:
- Spezialhärtestähle wie 100Cr6,
- Cementierungs‑Stähle wie 20NiCrMo7.
Ein Lager aus diesen Stählen, das in einem magnetischen Feld betrieben wird, kann verschiedenen schädigenden Effekten unterliegen:
- Magnetische Anhaftung von Partikeln oder Schmutz auf den Laufbahnen und Wälzkörpern, die die Kontaktoberflächen beschädigen und zu erhöhten Vibrationen sowie erhöhtem Verschleiß führen.
- Elektrische Entladungen zwischen Laufbahn und Wälzkörpern, die durch Restströme aus rotierenden Magnetfeldern verursacht werden und den Verschleiß des Lagers verstärken.
- Steigende Temperaturen und Reibung infolge von Hystereseverlusten durch Ummagnetisierung, parasitären Strömen und magnetischen Anziehungskräften.
- Wasserstoffversprödung, die zu spröder Schalen‑ oder Rißbildung („white etching cracks“ bzw. „white structure flaking“) führen kann, was den Verschleiß deutlich beschleunigt.
- Verschlechterung der tribologischen Eigenschaften der verwendeten Schmierstoffe.
Zudem ist zu berücksichtigen, dass elektrische Felder sehr häufig gleichzeitig mit magnetischen Feldern auftreten und durch die dadurch induzierten parasitären Ströme die negativen Effekte auf die Lagers verstärken und verstärken.
Aus diesen Gründen kann die Auswahl eines Lagers, das in einem Umfeld mit magnetischen und/oder elektrischen Feldern eingesetzt wird, schwierig sein. Bei einer falschen Entscheidung drohen früherer und unerwarteter Lageraustausch sowie deutlich höhere Kosten für außerplanmäßige Wartung.
Es mag den Anschein haben, als gäbe es für diese Art von Problem keine effektiven Lösungen; in der Realität bietet uns der technologische Fortschritt bei Werkstoffen und Fertigungsverfahren jedoch ein breites Spektrum an Optionen, aus dem die jeweils optimale Lösung ausgewählt werden kann.
Das zentrale Prinzip, das bei der Materialwahl für Lagers stets berücksichtigt werden muss, ist das physikalische Verhalten der Feldlinien von magnetischen und elektrischen Feldern: Wenn es gelingt, diese Feldlinien zu unterbrechen, können die magnetischen und elektrischen Felder keine negativen Effekte auf das Lager ausüben.
Zur Unterbrechung der Feldlinien eines magnetischen Feldes sind amagnetische Materialien erforderlich. Treten daneben elektrische Felder auf, müssen zusätzlich elektrisch isolierende Materialien gewählt werden.
Stand der Technik: Zu den amagnetischen oder elektrisch isolierenden Werkstoffen, die für die Herstellung von Lagers geeignet sind, gehören unter anderem:
- Austenitische rostfreie Stähle wie AISI 304 und AISI 316: amagnetisch, aber nicht elektrisch isolierend.
- Kunststoffe wie PA, PA66, PEEK, PTFE: amagnetisch und elektrisch isolierend.
- Keramische Materialien wie ZrO₂, Si₃N₄, SiC, Al₂O₃: ebenfalls amagnetisch und elektrisch isolierend.
Jedes dieser Materialien weist Vor- und Nachteile auf, und die Auswahl muss sorgfältig entsprechend den Einsatzbedingungen des Lagers getroffen werden.
Austenitische Edelstähle wie AISI 304 und AISI 316 sind amagnetisch und können daher effektiv in Gegenwart von Magnetfeldern eingesetzt werden. Da sie jedoch nicht elektrisch isolierend sind, werden Lager aus diesen Materialien bei Anwendungen mit elektrischen Feldern – wie beispielsweise in elektrischen Generatoren – den negativen Auswirkungen von Streuströmen ausgesetzt. Außerdem sind diese Stähle nicht härtbar, sodass ihre Härte deutlich geringer ist als die von üblicherweise verwendeten Wälzlagerstählen. Dies führt zu einer sehr geringen Tragfähigkeit dieser Lager. Die fehlende Härtbarkeit wirkt sich zudem negativ auf die Qualität der mechanischen Bearbeitung aus, wodurch die Rauheit der Laufbahnen höher ist als bei Standardlagern, was die Lebensdauer weiter reduziert. Insgesamt können diese Stähle nur dann eingesetzt werden, wenn die Belastungen des Lagers sehr gering sind. Sie eignen sich für chemisch aggressive Umgebungen, bei niedrigen oder hohen Temperaturen sowie in Gegenwart von Strahlung.
Kunststoffe, die für die Herstellung von Lagern verwendet werden können (PA, PA66, PEEK, PTFE), sind amagnetisch und gleichzeitig elektrisch isolierend, sodass sie auch in Anwendungen mit gleichzeitiger Präsenz von Magnet- und elektrischen Feldern eingesetzt werden können. Diese Materialien sind (mit Ausnahme von PEEK) relativ kostengünstig und leicht zu verarbeiten. Zu berücksichtigen sind jedoch ihre oft sehr geringe Tragfähigkeit sowie die große Schwierigkeit, Präzisionen und Lagerspiele zu erreichen, die mit Stahlwälzlagern vergleichbar sind.
Keramische Werkstoffe sind die leistungsfähigste Materialklasse für diese Art von Anwendungen und können in zwei Arten von Lagern eingesetzt werden:
- Hybridlager, das heißt mit Ringen aus Standardstahl und Wälzkörpern aus keramischem Material
- Vollkeramische Lager, das heißt mit Ringen und Wälzkörpern aus keramischem Material
Bei Hybridlagern ermöglicht die Verwendung keramischer Wälzkörper die Unterbrechung der Kraftlinien des Magnetfeldes, das durch das Lager verläuft; jedoch können andere Magnetfelder, die durch die einzelnen Ringe verlaufen, weiterhin negative Effekte verursachen. Die Anwendung muss daher sorgfältig analysiert werden, auch weil es nicht immer einfach ist, den Verlauf der Magnetfelder zu bestimmen, die sich innerhalb bestimmter Maschinen oder Anlagen bilden können. Hinsichtlich der Tragfähigkeit weisen diese Lager eine geringere Belastbarkeit als vergleichbare Stahllager auf, erreichen jedoch eine höhere maximale Drehzahl.
Vollkeramische Lager hingegen vermeiden sämtliche negativen Auswirkungen von Magnet- und elektrischen Feldern und bieten gleichzeitig eine Tragfähigkeit, die mindestens der von vergleichbaren Stahllagern entspricht, sowie eine maximale Drehzahl, die sogar über der von Hybridlagern liegt. Darüber hinaus können sie in chemisch aggressiven Umgebungen, bei Vorhandensein von Strahlung, bei Einsatztemperaturen von bis zu 1200 °C sowie unter Bedingungen mit geringer oder fehlender Schmierung eingesetzt werden.
