Keramikwälzlager

Wesentliche Anforderungen an Wälzlagerungen in der Verfahrenstechnik sind Schmierstofffreiheit, eine hermetische Abdichtung des Prozeßraumes gegenüber der Umgebung, Sterilisierbarkeit sowie die Möglichkeit zur Heißdampfreinigung. Vor allem begrenzen die Korrosions- und Temperaturbeständigkeit den Einsatz konventioneller Wälzlager. Fordert der Anwender, beispielsweise aus der chemischen Industrie oder der Lebensmittelproduktion, außerdem noch Schmierstofffreiheit, müssen neue Wege bei der Lagerkonzeption gegangen werden.

Bei den Hybrid- und Keramikwälzlagern kommt Siliciumnitridkeramik (Si3N4) als Werkstoff für die hochbeanspruchten Wälzlagerkomponenten zum Einsatz und verleiht ihnen sehr gute Bauteileigenschaften. So führt die Werkstoffsubstitution im Hybridwälzlager, das mit Wälzkörpern aus dem sehr leichten Siliziumnitrid ausgestattet ist, zu einem ausgezeichneten Schnellaufverhalten. Die Dichte von Si3N4 ist um etwa 60% geringer als die von Stahl. Daraus ergeben sich besonders für Wälzlagerungen mit hohen Drehzahlkennwerten entscheidende Vorteile. Im Vergleich zu konventionellen Lagern sind die auftretenden Fliehkräfte deutlich geringer, so daß schnellaufende Hybridspindellager deutlich reibungsärmer und mit geringerer Lagererwärmung laufen.

Für Anwender, die hohe Anforderungen an die Korrosions- und Tieftemperaturbeständigkeit stellen, gibt es Hybridwälzlager mit Ringen aus den korrosionsbeständigen Wälzlagerstählen X102CrMo17 und X30 CrMoN 15 1. Diese Lager halten Temperaturen von bis zu 250°C stand und werden beispielsweise in Vakuumpumpen, Turbokompressoren, Beschichtungsanlagen und in Rührwerken eingesetzt. Besonders hitzebeständig sind Hybridwälzlager aus Schnellarbeitsstahl (HSS S-6-5-2) oder Nickel-Basislegierungen, die in einem Temperaturbereich von 500 °C bis maximal 750 °C eingesetzt werden können. Während Stahlwerkstoffe in tribologisch hoch beanspruchten Kontakten zu Adhäsiv-Verschleiß („Fressen“) neigen, gibt es dieses Phänomen bei den Keramik-Stahl-Paarungen in Hybridwälzlagern praktisch nicht. Diese Tatsache erklärt die ausgezeichneten Eigenschaften von Hybridwälzlagern unter Mangelschmierungsbedingungen. Bei geringer mechanischer Belastung und reduzierter Drehzahl läßt sich vollständiger Trockenlauf realisieren, eine Grundvoraussetzung für die erfolgreiche Anwendung der Wälzlager im Hochtemperaturbereich ab 250 °C.

Spindelsysteme für schnellaufende Turbomaschinen in der Prozeßgas- oder Vakuumtechnik sind vielfach mit Magnetlagern ausgestattet, die fast reibungsfrei und ohne Drehzahlbeschränkungen arbeiten. Auch hier fehlt das Wälzlager nicht. Ansich ruhende Notlager fangen bei einer unzulässig großen Rotorauslenkung den Rotor schlagartig auf und sorgen so für ein sicheres Auslaufen oder Durchfahren kritischer Drehzahlbereiche. Die Notlager sind extremen mechanischen Beanspruchungen unterworfen, da schlagartig Beschleunigungen auf Betriebsdrehzahlen mit Drehzahlkennwerten nxdm > 1,5 Mio auftreten können. Außerdem ist häufig eine Schmierung nicht möglich und es kommt zu einem korrosiven Angriff durch die jeweiligen Prozeßmedien oder Kondensate.

Die Hybridlager mit ihren geringen Wälzkörpermassen und diffusionsträgen Reibpaarungen sind den konventionellen Lagern weit überlegen und erreichen in der Regel ein mehrfaches an Standzeit. Ausgeführt werden diese Lager meistens vollkugelig oder mit Stahlkäfigen. Rostbeständige oder rostarme Wälzlagerstähle und reibungsmindernde Beschichtungen sichern unter tribologischen und korrosiven Extrembelastungen optimale Eigenschaften (Abb. 2).

Keramikwälzlager sind noch besser für Trockenlauf und den Betrieb in extrem korrosiver Umgebung geeignet. Sie besitzen neben den Wälzkörpern auch Lagerringe aus Siliciumnitrid und sind damit fast doppelt so hart wie ein hoch gehärtetes Stahlwälzlager. Außerdem sind die Keramikwälzlager bis 800°C und auch darüber hinaus hitzebeständig, völlig unmagnetisch und resistent gegenüber fast allen Medien. Deshalb eignen sich diese Lager hervorragend für Anwendungen in der Lebensmittel- und chemischen Industrie. Die an der Lagerstelle vorhandenen Medien können auch als Schmierung für das Lager dienen. Deshalb findet man besonders in hermetisch dichten Pumpen und Rührwerken mit Magnetantrieb Keramikwälzlager. Zum Einsatz kommen typischerweise Radialrillenkugellager und Zylinderrollenlager in axialer und radialer Ausführung. In Abhängigkeit vom konkreten Anwendungsfall kommen als Lagerwerkstoff Zirconiumdioxid (ZrO2) oder Siliciumnitrid (Si3N4) zum Einsatz. Keramikwälzlager mit Ringen aus Si3N4 besitzen eine geringfügig höhere Härte und Verschleißfestigkeit. Sucht man aus konstruktiven Gründen einen Werkstoff, der ein ähnliches Ausdehnungsverhalten wie Stahl hat, ist ZrO2 als Werkstoff besser geeignet. Außerdem ist ZrO2 in einigen Fällen korrosionsbeständiger.

Die konstruktive Gestaltung von Keramikwälzlagerungen unterscheidet sich nur geringfügig von der konventioneller Lager. Die Rührwerkslagerungen bestehen in den meisten Fällen aus einem Zylinderrollen- und einem Rillenkugellager mit einer Dreipunktgeometrie als Festlager. Gegenüber Radialrillenkugellagern verfügen solche Lager mit geteiltem Innenring über eine erhöhte axiale Tragfähigkeit. Bei besonders hohen mechanischen Kräften ist die Aufnahme der Radiallasten durch ein Lagerpaar, das aus zwei Zylinderrollenlagern mit hoher Tragfähigkeit besteht, sinnvoll. Das zusätzliche Dreipunktlager trägt dann ausschließlich die Axialkräfte. Noch einen Schritt weiter geht die in Abbildung 4 dargestellte Konstruktion, bei der anstelle des Kugellagers ein Axialzylinderrollenlager als Festlager dient. Bei feststehender Lastrichtung wird ein einseitig wirkendes und in allen anderen Fällen ein doppelt wirkendes Lager eingebaut.

Unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der Keramikwälzlager und der Umbauteile lassen sich durch verschiedene Maßnahmen kompensieren. Im Falle eines engen Temperaturbereiches helfen sorgfältig ausgelegte Einbaupassungen. Ansonsten haben sich elastische Zwischenringe und Ausgleichselemente zur Dehnungskompensation bewährt.

Ein Hersteller aus Herzogenrath stellt Hybrid- und Keramiklager in den Größen von Bohrung 4 mm bis zu Außendurchmesser von 180 mm her. Produziert werden Rillenkugellager, Schrägkugellager, aber auch Zylinderrollenlager und Tonnenlager sowie Axiallager. Zum Produktionsprogramm gehören außerdem Kugeln und Zylinderrollen aus Keramik.

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