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Einsatz von gesintertem Siliziumkarbid in Gleitlagern

SiC im Pumpenbau
Einsatz von gesintertem Siliziumkarbid in Gleitlagern

Einsatz von gesintertem Siliziumkarbid in Gleitlagern
Abb. 1 Aufbau von radialen Gleitlagern, unten die vollkeramische Ausführung, oben mit SiC-Wellenschutzhülse auf metallischer Welle
Siliziumkarbid (SiC) findet vielfältigeAnwendung im chemischen Anlagen- und Apparatebau und hat speziellim Pumpenbau hohe Akzeptanz gefunden. Durch die sehr hohe Härte,die hohe Wärmeleitfähigkeit und die sehr guteKorrosionsbeständigkeit kann die Lebensdauer speziell vonPumpendichtungen und -lagern um ein Vielfaches verlängert und somitdie Lebenszykluskosten reduziert werden.

Siliziumkarbid (SiC) findet vielfältige Anwendung im chemischen Anlagen- und Apparatebau und hat speziell im Pumpenbau hohe Akzeptanz gefunden. Durch die sehr hohe Härte, die hohe Wärmeleitfähigkeit und die sehr gute Korrosionsbeständigkeit kann die Lebensdauer speziell von Pumpendichtungen und -lagern um ein Vielfaches verlängert und somit die Lebenszykluskosten reduziert werden.

Die Verwendung von SiC hat die Welt der Pumpenkonstruktionen aber noch in anderer Hinsicht revolutioniert. Die besonders gute Beständigkeit in hoch korrosiven und abrasiven Medien erlaubt die Integration von Lagern in den Fördermediumraum. Damit wurden besonders platzsparende Konstruktionen mit einer hermetischen Abriegelung möglich. Mediengeschmierte Magnetkupplungspumpen und Spaltrohrmotorpumpen sind heute weit verbreitet in Anlagen zur Förderung gefährlicher Chemikalien.
Gemäß den vielfältigen Rahmenbedingungen, denen die Lager ausgesetzt sein können (d.h. unterschiedliche Umdrehungszahl, Fördermedien, Temperaturen, Drücke), stellt das Elektroschmelzwerk Kempten für die Auslegung der Lager und Dichtungen eine facettenreiche Palette von SiC-Werkstoffen bereit. Man unterscheidet bei gesintertem SiC (S-SiC) nach dichtem SiC, porösem SiC und graphithaltigem SiC. Einige SiC-Sorten können auch freies Silizium (Si-SiC) aufweisen. Als weiteres Merkmal differieren auch die Korngrößen der Gefüge. Ziel dieses Beitrags ist es, speziell für Gleitlager die Rahmenbedingungen und die dazu passenden Werkstoffkombinationen vorzustellen.
Anwendungen
Die Aufgabe der Gleitlager ist es, die Führung von Laufrad und Welle zu gewährleisten; dies auch bei Temperatur- und Druckschwankungen. Die Schmierung durch das Fördermedium sollte dabei zu jedem Zeitpunkt sichergestellt sein. Konstruktiv gesehen, gibt es zwei prinzipielle Aufbaumöglichkeiten eines radialen Gleitlagers:
? Fall A: metallischer Lagerschaft mit keramischer Wellenhülse und keramischer Lagerbuchse
? Fall B: keramischer Lagerschaft mit keramischer Lagerbuchse
Im Fall A kann eine kraftschlüssige Verbindung von Lagerschaft und Wellenhülse, wie in Abbildung 1 dargestellt, mittels einer auf die SiC-Wellenhülse aufgeschrumpften Zentrierhülse und deren Verschraubung mit dem Lagerschaft bewerkstelligt werden. Wegen der thermischen Ausdehnung und nachlassender Einspannung der Wellenschutzhülse gibt es eine maximale Einsatztemperatur. Für die Verbindung können ebenso auch Toleranzhülsen, Montagehülsen, Klebeverbindungen oder O-Ringe verwendet werden. Die Wahl der richtigen Verbindungstechnik hängt maßgeblich von der gewünschten maximalen Einsatztemperatur und der Art des zu fördernden Mediums ab. Die Lagerbuchse kann in beiden Konstruktionsarten gleichzeitig als Axiallager zur Aufnahme von Axiallasten ausgelegt werden.
Um die Wartungsfreundlichkeit zu erhöhen, werden auch sogenannte Cartridge-Lager verwendet. Cartridge-Lager stellen einen montagefertigen Lagersatz aus kombinierten Axial- und Radialgleitlagern dar, der nur noch auf den Pumpenschaft im Gehäuse aufgeschoben und mit dem Laufrad verschraubt werden muss. Der größte Vorteil ist, dass die Lagerspiele bereits voreingestellt (temperaturkompensiert) sind und der Lagerwechsel zeitlich schneller vonstatten geht.
Rahmenbedingungen
Sofern ein keramischer Lagerschaft gemäß Fall B verwendet wird, ist dessen richtige Dimensionierung von größter Wichtigkeit. Schließlich muss dieser den Festigkeitsanforderungen aus den radialen Biegemomenten standhalten. Die Verwendung eines ausreichend festen Werkstoffs und ein keramikgerechtes Design unter Einbeziehung von Schmierkanälen ist hier unumgänglich.
In Anwendungen, wo die Fördermedien mit Partikeln beladen sind, steigt der abrasive Verschleiß mit dem Feststoffgehalt und der Härte der Partikel stark an. Damit die Lagerspaltgeometrien und Oberflächengüten unverändert bleiben, ist ein entsprechend harter, tribologisch hoch beanspruchbarer Werkstoff einzusetzen und einer ausreichend guten Durchspülung Sorge zu tragen. Hier sind neben der richtigen Materialauswahl wieder auch geeignete konstruktive Maßnahmen gefragt.
Der allseitig wirkende chemische Angriff stark ätzender Medien stellt große Anforderungen an die Werkstoffe. Auch Heißwasser kann keramische Werkstoffe stark angreifen. Infolge der Korrosion weiten sich in beiden Fällen die Spaltbreiten der Lager und die Gleitflächen werden aufgeraut.
Der Trockenlauf keramischer Gleitlager ist aufgrund der hohen Wärmeentwicklung zu vermeiden. Die Lager und das Fördergut könnte in Mitleidenschaft gezogen werden. Einem schnellen Abkühlen der Pumpe halten Lager und Dichtungen aus dichtem SiC aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit sehr gut stand.
Um einer Aufheizung infolge temporären Trockenlaufs vorzubeugen, können SiC-Werkstoffe mit einer schmierenden Feststoffphase verwendet werden. Einen längerfristigen Schutz gegen Überhitzung stellen DLC-Schichten oder Graphitschichten als Oberflächenvergütung dar. Auch ein Trockenlauf über mehrere Stunden kann den Lagern nichts anhaben.
SiC-Lösungenfür den Lagerschaft
Für den keramischen Lagerschaft sind feinkörnige SiC-Sorten besonders geeignet, da sie die höchsten Biegebruchfestigkeiten bieten. Ein kostengünstiger SiC-Allround-Werkstoff ist ein drucklos dicht gesintertes SiC ohne freies Silizium. Es weist eine hohe Härte, gepaart mit guter chemischer Beständigkeit, auf. Liegt der Einsatzschwerpunkt der Pumpe vermehrt im Bereich der Förderung chemisch kritischer Medien, sind gesinterte grobkörnigere S-SiC-Sorten die bessere Wahl, da sie einen noch besseren Widerstand gegenüber chemischer Korrosion besitzen. Sollte hingegen aus Platzgründen eine höhere Festigkeit bei kleinerer Dimensionierung gefordert sein, ist ein drucklos Flüssigphasen-gesintertes SiC besser geeignet. Es weist ein porenfreies, feinkörniges Gefüge auf, besitzt eine hohe Bruchzähigkeit und damit eine besonders gute Biegebruch- und Kantenbruchfestigkeit (Abb. 2).
Für Lagerbuchsenund Wellenhülsen
Die Lagerbuchsen und Wellenhülsen der Gleitlager unterliegen eher geringeren Biegemomenten. Weil oftmals der abrasive Verschleiß und/oder der chemische Angriff im Vordergrund stehen, ist hier wiederum ein grobkörniger S-SiC Werkstoff gefragt. Grobkörnige Werkstoffe weisen eine erheblich verringerte Korngrenzfläche auf und bieten damit wesentlich weniger Angriffsfläche für die Korrosion. Die chemische Beständigkeit eines grobkörnigen S-SiC-Werkstoffes in aggressiven Medien ist in Abbildung 3 mit der von Siliziumnitrid und Aluminiumoxid verglichen. Abbildung 4 zeigt das Gefüge eines solchen Werkstoffs. Noch grobkörnigere S-SiC-Werkstoffe mit weiter verbesserter chemischer Beständigkeit sind ebenfalls erhältlich. Ein weiterer Vorteil dieser Werkstoffe ist, dass große Körner wesentlich besser im Gefüge verankert und damit schwerer durch abrasive Partikel herauszulösen sind. Gleitlager, die aus einem grobkörnigen Material gefertigt sind, weisen zudem eine höhere Tragfähigkeit auf und zeichnen sich durch eine höhere Laufruhe aus.
Um der Heißwasserkorrosion begegnen zu können, hat es sich gezeigt, dass der Einsatz von grobkörnigem S-SiC mit Graphit-Einlagerungen hilfreich ist. Der Gehalt, die Größe und die Form der Graphitpartikel spielen dabei eine entscheidende Rolle. Die SiC-Werkstoffe mit eingelagertem Graphit bieten zudem die Möglichkeit, die Temperaturen bei Mangelschmierung oder bei temporärem Trockenlauf niedrig zu halten. Dies ist der selbstschmierenden Eigenschaft von Graphit zuzuschreiben.
E cav 230
Frank Meschke, Josef Kracker
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