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Das richtige Lagermaterial auswählen und wie es sich auf die Leistung auswirkt

~ Wie unterschiedliche Lagermaterialien die Lagerleistung beeinflussen können ~

Obwohl die Lager mechanisch sehr einfach sind, kann die Wahl des richtigen Lagermaterials, das den Belastungs- und Umgebungsbedingungen entspricht, die Lagerleistung drastisch beeinflussen.

Richard Huber - Materialwissenschaftler, Matmatch

Richard Huber - Materialwissenschaftler, Matmatch

Hier Richard Huber, Materialwissenschaftler bei Materialvergleichs-Website Matmatch, erklärt, was Konstrukteure bei der Wahl des Materials für ihre Lager berücksichtigen sollten.

Ob in einer Lebensmittelproduktionsanlage, in einer Automobilmontagelinie oder sogar in Verbraucherprodukten wie Skateboards und Elektrowerkzeugen - Lager spielen eine wichtige Rolle bei der Verringerung der Reibung zwischen den beweglichen Teilen in einem mechanischen System.

Lager kommen in allen Formen und Größen, aber die häufigsten Arten sind Gleitlager, die nur aus einer Welle bestehen, die sich in einem Loch dreht, das von einer Hülse unterstützt wird, und Wälzlagern, die aus Kugeln oder zylindrischen Rollen zwischen den rotierenden bestehen innere und äußere Ringe. Außerdem enthalten die Lager weitere Elemente wie Laufbahnen, um die Kugeln und Käfige zu führen, um korrekte Ausrichtung und Abstände zu gewährleisten.

Das Lagergehäuse und die Struktur sind am häufigsten aus Stahl hergestellt, die Laufbahnen und Käfige (oder Halterungen) sind typischerweise aus Stahl oder Kunststoff hergestellt, und die Kugeln können aus Stahl, Keramik oder Kunststoff hergestellt sein.

Um den Konstrukteuren die Möglichkeit zu geben, das richtige Material für ihre Aufgabe zu finden, möchte Matmatch zur größten Materialdatenbank werden, die heute im Internet frei verfügbar ist. Innerhalb dieser Datenbank können mehrere Materialtypen für Lager ausgewählt werden.

Stahllagermaterial

Stahl ist weit verbreitet und kann aufgrund seiner hohen radialen und statischen Belastbarkeit gut unter hohen Belastungen eingesetzt werden, wodurch eine hohe Rotationsgeschwindigkeit erreicht wird, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Kugeln dauerhaft deformiert werden.

Dies liegt daran, dass die meisten Lager in industriellen Anwendungen mit Chromstahl (SAE 52100) hergestellt werden. Dies hat einen höheren Kohlenstoffgehalt und etwa 1.5 Prozent Chromgehalt. Der Herstellungsprozess umfasst eine kontrollierte Wärmebehandlungsstufe, die die Oberflächenhärte auf der Rockwell-Härteskala (HRc) auf etwa 60-64 anpasst. Dies verleiht Chromstahl nicht nur eine glattere, härtere Oberfläche, sondern auch höhere Temperaturen von bis zu 120 Grad Celsius.

Stahl ist jedoch schwer, laut und der geringe Chromgehalt von Chromstahl bedeutet, dass er eine geringe Beständigkeit gegenüber Chemikalien und Korrosion aufweist. Dies bedeutet, dass trotz der hohen Härte der Kontakt mit Wasser und sauren Verbindungen im Schmiermittel oder sogar Staub und Schmutz zu erhöhtem Verschleiß und Ermüdung der Stahlkugeln und der Laufbahn führen kann; die anhaltende Wirkung davon führt, wenn sie nicht kontrolliert wird, zum ultimativen katastrophalen Versagen des Lagers.

Dies ist besonders wichtig für Lebensmittelherstellungsumgebungen, in denen sich beispielsweise die Umgebungsniveaus von Wärme und Feuchtigkeit regelmäßig ändern. Eine Maschine kann zum Frittieren und Backen von Nahrungsmitteln dienen, während eine andere Maschine weiter unten die Kühl- und Schnellgefriervorrichtung des Produkts sein kann.

Zu diesem Zweck könnte sich der Lagerbenutzer für einen rostfreien Stahl entscheiden, der typischerweise einen höheren Chromgehalt von etwa 18 Prozent enthält, was ihm eine höhere Korrosionsbeständigkeit verleiht.

AISI 440C Edelstahl wird in einem Standardverfahren hergestellt, bei dem das Material schnell erhitzt und abgeschreckt wird, wodurch der Stahl martensitisch wird, was dem Stahl eine harte kristalline Struktur verleiht.

Obwohl 440C-Edelstahl eine etwas geringere Härte und eine geringere Tragfähigkeit als Chromstahl aufweist, kann er Temperaturen von bis zu 250 Grad Celsius aushalten. Dies ist nützlich für Lageranwendungen, bei denen eine hohe Geschwindigkeit kontinuierlich aufrechterhalten werden muss.

Lagermaterial

Einer der Nachteile dieser beiden Arten von Stahl besteht darin, dass ihr Kohlenstoffgehalt ihnen magnetische Eigenschaften verleiht, die sie für die Verwendung in medizinischen Geräten wie MRI-Bildgebungsmaschinen ungeeignet machen. Hier sollten Ingenieure austenitische Edelstähle wie AISI 316 (Kohlenstoff - 0.08% Max) berücksichtigen.

Der geringe Kohlenstoffgehalt macht diese Art von Stahl unmagnetisch. Es ist jedoch wichtig anzumerken, dass dies auch verhindert, dass der Stahl wirksam gehärtet wird, so dass er eine geringe Lasttragfähigkeit aufweist und daher auf niedrigere Drehzahlen beschränkt ist.

Keramisches Lagermaterial

Für Anwendungen in der Pharmazie, Lebensmittel- und chemischen Verarbeitung können Lager hohen chemischen, reinigenden und sauren Bedingungen ausgesetzt und hohen Belastungen ausgesetzt werden. Hier können Ingenieure besser mit Lagern arbeiten, die Keramikkugeln verwenden. Obwohl die Halterungen und Ringe immer noch aus Stahl bestehen können, werden die Kugeln aus Keramik hergestellt.

Kugellager aus keramischen Werkstoffen wie Siliziumnitrid (Si3N4) bieten glattere Oberflächen, geringere Wärmeausdehnung, hohe Härte (über 70 HRc), geringe Korrosion und geringe elektrische Leitfähigkeit.

Keramikkugellager können 60-Prozent leichter, 120-Prozent härter und rund 70-Prozent steifer als ihre Stahlgegenstücke sein, während sie immer noch eine viel höhere Temperaturbewertung von über 700 Grad Celsius erreichen.

Keramische Kugeln benötigen auch weniger Schmierung - oft sind sie schmiermittelfrei - bieten geringere Reibwerte und bleiben bei hohen Drehzahlen kühl. Entscheidend ist, dass Keramiklager in nichtmagnetischen Anwendungen verwendet werden können.

Der Nachteil ist, dass Keramiklager unter geringeren Tragfähigkeiten leiden können und empfindlicher gegenüber thermischen Schocks sind, die zu Rissen führen können. In diesen Situationen kann die Auswahl alternativer Keramiktypen wie Zirkonoxid (ZrO2) und Siliziumkarbid (SiC) das beste Ergebnis liefern.

Matmatch Lagermaterial Datenbank

Kunststofflagermaterial

Kunststoff ist ideal für nicht magnetische, nicht leitende und hochkorrosive Bereiche. Hier bieten die Lager eine sehr leichte und dennoch hochfeste Alternative. Kunststoffe, die in Lagern verwendet werden, können weit reichen, einschließlich Materialien wie Polyoxymethylen (POM-C), allgemeines Polyamid (PA6 / 66), Polyetheretherketon (PEEK), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen (PTFE, Teflon) und phenolimprägnierte Fasern.

Kunststoffe sind bei normalen und hohen Geschwindigkeiten gut; Sie sind selbstschmierend, korrosionsbeständig und arbeiten leise und reibungslos. Sie können Temperaturen von bis zu 150 Grad Celsius erreichen. Dies wird durch den geringen Reibungskoeffizienten (COF) des Kunststoffs erreicht, der im Laufe der Zeit konsistent bleibt, da Kunststoff wenig Verschleiß aufweist.

Vorsicht ist jedoch bei sehr hohen Temperaturen und bei Anwendungen geboten, bei denen das Lager hohen Belastungen ausgesetzt ist, da dies zu einer dauerhaften Verformung der Kugeln und des Käfigs führen kann.

Da Industrie- und Verbraucheranwendungen immer komplexer werden, ist es wichtig, dass die Ingenieure nicht nur die richtige Lagerart wählen, sondern auch das richtige Lagermaterial für die Anwendung. Die Verwendung einer Materialdatenbank ist der erste Schritt auf dem Weg zu besserer Leistung, Kosteneinsparungen und verbesserter Produktlebensdauer.

Prozessindustrie Informer

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