Der Wälzlagerstahl aus der Zukunft

Gelegentlich finden sich in Science Fiction Romanen Hinweise auf unbekannte Werkstoffe, die sich vom Helden der Geschichte nicht bearbeiten lassen, weil sie zehnmal so fest wie der beste Stahl sind. Zwar bleibt im Dunkeln, woher der Held weiß, daß es gerade ¿¿zehnmal¿ so viel ist, mit dieser Geschichte hier möchte ich jedoch etwas Licht in die ¿zehnfache¿ Festigkeit eines neuen Stahls bringen, den die FAG in Schweinfurt zusammen mit der Uni Bochum und den Vereinigten Schmiedewerken in Essen (VSG) entwickelte.

Obwohl es häufig in Druckwerken von ¿höchstentwickelt¿, ¿optimal¿ und anderen Ausdrücken wimmelt, die dem Leser suggerieren, er erlebe gerade das absolute Ende der Fahnenstange, marschiert der Fortschritt unablässig weiter. Ein Ende technischer Entwicklungen gibt es jedoch nicht.

Doch im vorliegenden Fall besteht diese Gefahr wohl nicht, denn es geht um einen neuen Stahl, der seine erste Anwendung in hochbelasteten Wälzlagern findet. Normalerweise enthält Stahl Kohlenstoff, der beim bekannten Wälzlagerstahl 100Cr6 etwa ein Prozent ausmacht, beim 440C sogar 1,08 Prozent und beim Hochleistungsstahl M50 immer noch 0,8 Prozent. Kohlenstoff liegt im Stahl in Form von Karbiden vor, die im Ge-füge längliche Inseln bilden, leider auch entlang der Korngrenzen. Das begünstigt die Bildung von Mikrorissen, die man in hochbeanspruchten Oberflächen überhaupt nicht liebt. Denn das sind nicht nur Ansatzpunkte für mechanischen Verschleiß, sondern auch für Korrosion. Bisher war Kohlenstoff als Härtbarkeitsträger unverzichtbar, ein Ersatz nicht möglich.

Geht es um Härtbarkeit, spielt jedoch auch Stickstoff in der Technik eine wesentliche Rolle. Am Institut für Werkstoffe der Universität Bochum wurde darum schon vor mehr als 20 Jahren nach Möglichkeiten gesucht, den Kohlenstoff durch Stickstoff zu ersetzen. Nach theoretischen Vorarbeiten tat man sich mit der VSG als Hersteller mit Stahlerfahrung und der FAG in Schweinfurt als Anwender zusammen, um ein praktikables Herstellverfahren und danach auch Anwendungen zu entwickeln. Als Geburtsjahr des neuen Stahls mit der Bezeichnung Cronidur 30 gilt wohl das Jahr 1984. Im Jahr 1988 standen erste Vorläufer des neuen Stahls zur Verfügung.

Der Druck macht die Musik

Die große Frage lautete natürlich: Wie bringe ich den flüchtigen Stickstoff in den Stahl hinein? Beim Nitrieren bedient man sich stickstoffhaltiger Salze, die für die Stahlherstellung nicht in Frage kamen. In zahlreichen Versuchen wurde schließlich ein Pulver aus Siliziumnitrid entwickelt, das dem Schlackenbad zugesetzt wird. Hier zerfällt es in Silizium und Stickstoff. Damit der Stickstoff jedoch in der Schmelze bleibt und sich nicht verflüchtigt, mußte sie unter einen Druck von etwa 40 bar gesetzt werden, wobei die Atmosphäre aus Argon und Stickstoff besteht.

Der nächste Schritt zur Fertigung annehmbarer Mengen bestand in der Entwicklung eines druckdichten Schmelzofens, in dem heute etwa 600 Tonnen Stahl pro Jahr hergestellt werden. Natürlich reichte es für die Verwendung als Wälzlagerstahl nicht aus, lediglich den Kohlenstoff durch Stickstoff zu ersetzen. Darum entstand eine neue Legierung mit einem Anteil von 15,2 Prozent Chrom und 1,02 Prozent Molybdän. Dazu kommen 0,55 Prozent Silizium aus dem Siliziumnitrid-Pulver und 0,38 Prozent Stickstoff, während der Kohlenstoffanteil auf 0,3 Prozent sank.

Der Stickstoff bildet zusammen mit dem Kohlenstoff kugelförmige Karbonitride, die gleichmäßig im Gefüge verteilt sind ¿ und nicht mehr die Korngrenzen schwächen. Das Schliffbild unterscheidet sich denn auch grundlegend von jenem konventioneller Stähle. Während bei diesen die Karbide helle Streifen bilden, zeigt das Bild von Cronidur 30 gleichmäßig über die Fläche verteilte, kleine kreisförmige Einschlüsse. Der hohe Anteil von Chrom, der lediglich beim Stahl 440C noch etwas höher liegt, ist hauptsächlich für die Korrosionsbeständigkeit zuständig. Biegewechselfestigkeit, Bruchdehnung, Warmhärte und vor allem die Zähigkeit liegen bei Cronidur deutlich höher als bei jedem vergleichbaren Stahl.

Durch das noch recht aufwendige Herstellverfahren und die nur kleinen heute hergestellten Mengen liegt der Gestehungspreis für Cronidur 30 etwa zehnmal höher als bei konventionellen Stählen. Das wird sich allmählich ändern, wenn es mehr Anwendungen gibt und die Losgrößen wachsen. Die Bearbeitung unterscheidet sich nicht von der anderer Stähle, doch müssen andere Drehwerkzeuge und Schleifmittel verwendet werden.

Erste Anwendungen: Natürlich die Raumfahrt

Nirgendwo wird auf Zuverlässigkeit der Bauteile solch großer Wert gelegt wie bei der Raumfahrt. So suchte die NASA denn auch für die Brennstoffpumpen des Space Shuttle nach Wälzlagern, die nicht nach jedem Flug ausgewechselt werden mußten, sondern mindestens zehn Flüge halten sollten. 1989 kam es zur Zusammenarbeit von NASA und FAG, in deren Verlauf die FAG die benötigten Lager aus Cronidur 30 herstellte. Der erste Flug erfolgte damit 1995. Die Lager laufen mit rund 36 000 und 23 600 Umdrehungen pro Minute in flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff. Die Pumpen werden von Pratt & Whitney hergestellt.

Die bisher ausgezeichneten Ergebnisse mit den neuen FAG-Lagern führen dazu, daß auch die Ariane mit diesen Lagern ausgestattet werden soll. Außerdem strahlt das Ergebnis auf die gesamte Luftfahrt aus. Von hier gibt es bereits eine Reihe von Kontakten, die zu größeren Aufträgen führen werden. Einer davon sind die Rotorkopf-Lager für den neuen Sikorsky-Hubschrauber Helibus S-92. Doch allein davon kann ein Großunternehmen nicht leben.

In der erdgebundenen Technik schien es vor allem bei Spindellagern ein erstes Anwendungsfeld zu geben. Doch auch Stihl meldete sich zu Wort. Dort war der Verschleiß der Rillenkugellager zu hoch, in denen die Kurbelwellen der kleinen Kettensägen-Zweitakter laufen. Hier war es vor allem der Innenring, der stets vorzeitig den Geist aufgab. Die FAG fertigt ihn nun aus Cronidur 30, was sofort drastische Besserung brachte. Fälle wie diesen dürfte es weit häufiger geben, so daß in der Zukunft ¿Mischlager¿ dieser Art ganz sicher an Bedeutung gewinnen werden.

Bei Spindellagern arbeitet die FAG mit einem bekannten Spezialisten zusammen, bei dem seit einem Jahr Feldversuche mit Cronidur 30 Lagern laufen. Bisher ist noch kein Lager ausgefallen, so daß dieser Hersteller alle seine Spindeln auf diese Lager umstellen will. Bei ihnen wird die Ölschmierung durch Fettschmierung ersetzt. Die größte Spindel hat eine Leistungsaufnahme von 80 kW und dreht 40 000 pro Minute.

Das zeigt bereits: Cronidur stellt geringere Ansprüche an den Schmierstoff, so daß sich die Lager auch für Pumpen eignen, bei denen die Lager ¿ wie im Bergbau ¿ mit wasserhaltigen Ölen geschmiert werden. Doch auch andere Anwender meldeten sich. So laufen in den Drahtwalzwerken Drähte mit Geschwindigkeiten um 100 Meter pro Sekunde durch Führungsrollen. Deren bisher konventionelle Lager mußten alle acht bis sechzehn Stunden (!) ausgewechselt werden. Selbst wenn Lager aus Cronidur 30 ¿nur¿ die doppelte Lebensdauer erreichen sollten, würde das Walzwerk durch Halbierung der Stillstandzeiten weitaus mehr Kosten sparen, als selbst teure Lager an Mehrkosten verursachen.

System- statt Stückkosten

Vordergründig mögen manchen potentiellen Anwender die hohen Stückkosten der Cronidur-Lager verschrecken. Sie werden zwar mit der Zunahme der Lagermengen sinken, aber wohl kaum aufs Niveau konventioneller Lager. Hier muß jeder Anwender jedoch zu rechnen beginnen. Was kostet es seinen Kunden, die Maschine oder Anlage stillzusetzen, nur um verschlissene Lager auszutauschen? Darin ist nicht nur die Zeit für den Produktionsausfall enthalten, sondern auch der Aufwand für den Lagerwechsel, für das Lager selbst ¿ und die Fehler, die beim Wechsel gemacht werden könnten. In anderen Fällen wird es überhaupt erst möglich sein, Wälzlager zu verwenden, falls sie aus Cronidur bestehen. Zwar kosten sie erheblich mehr als etwa Gleitlager, dafür liegt ihr Reibungswiderstand bei nur etwa einem Drittel jenes von Gleitlagern. Das kann bei Antrieben mit hohen Drehzahlen durchaus den Ausschlag geben, weil damit der Energieaufwand sinkt.

Ein besonderer Fall sind Lager, die ohne Schmierung arbeiten. Hier haben sich bisher schon Lager mit Stahlringen und Keramikwälzkörpern bewährt. Cronidur bietet erheblich bessere Eignung für diese Kombination, wobei es Sie interessieren wird, daß es bei der FAG nicht nur Cronidur-Lager mit Keramikkugeln gibt, sondern auch mit Keramikrollen.

Ein weiterer Sonderfall sind Kleinstlager, die etwa Bohrspindeln von Zahnarzt-Marterinstrumenten benötigen. Die Spindeln drehen sich rund 400 000 mal pro Minute und werden von einer FAG-Tochter seit Anfang 1998 aus Cronidur gefertigt. Aber auch Abgasturbolader für Verbrennungsmotoren müssen so bald wie möglich ungeschmierte Lager erhalten, damit kein Schmieröl ins Abgas eingetragen wird und die Arbeit des Oxidationskatalysators erschwert. Hier bieten sich Cronidurlager mit Keramikkugeln geradezu an. Bei Garrett, dem entwicklungsfreudigsten Hersteller von Abgasturboladern wird zwar auch an Luftlagern gearbeitet, die sind jedoch noch längst nicht in jenem Topf, in dem es kocht. Zudem sind sie auch nicht umsonst zu haben. Wegen der Luftversorgung sind sie mindestens so teuer wie Cronidur-Keramiklager.

Das war, lieber Leser, nur ein kleiner Blick in ein neues Lagergebiet, von dem wir künftig noch einiges erwarten können. Sollten Sie inzwischen jedoch einen noch besseren Stahl entwickelt haben und können Sie über meine Geschichte nur gähnen, dann melden Sie sich umgehend. Meine nächste Geschichte ist Ihnen sicher.

Christian Bartsch / Juli 1999