Wenn nichts mehr geht: Keramik!

Fertigungstechniker greifen zur Schneidkeramik, wenn Trocken- oder Hartbearbeitung das Werkzeug Hartmetall als ¿zu weich¿ entlarven. Konstrukteure können ebenfalls zur Keramik greifen, wenn die üblichen Wälzlager schon nach kurzer Zeit versagen. Und das Beste: Die Keramik-Wälzlagertechnik gibt es nicht nur nach Norm, sondern auch nach Kundenwunsch.

Wo sich die Grenzen der konventionellen Wälzlagertechnik zeigen, finden zunehmend Keramiklager ihre Anwendung. Lagerringe aus Wälzlagerstahl, aber auch aus nichtrostenden oder hochwarmfes-ten Werkstoffen in Kombination mit Keramikwälzkörpern ergeben Lager mit besonderen Eigenschaften. Leichtlauf, Drehzahlerhöhung und längere Lebensdauer bei Fettschmierung sind schlagende Vorteile dieser Hybridlager. Ganz extremen Anforderungen ist das Voll-Keramiklager gewachsen.

Keramik ¿ ein Wälzlagerwerkstoff?

Diese Frage beantwortet die Praxis bereits seit langem. Keramikkugeln aus Siliziumnitrid sind schon seit Jahren mit großem Erfolg in schnell laufenden Hybridlagern im Einsatz. Mittlerweile bewähren sich sogar vollständig aus Keramik gefertigte Lager unter extremen Einsatzbedingungen. Dass sich die Keramik Siliziumnitrid (Si3N4) in solchen Lagern als Werkstoff etabliert hat, ist ihren Materialeigenschaften zu verdanken: Rund doppelt so hart wie Wälzlagerstahl, nicht zum Verschweißen neigend, ausgesprochen leicht.

Die geringe umlaufende Kugelmasse erlaubt Drehzahlsteigerungen weit über die normalen Grenzen hinaus und das bei geringerer Lagererwärmung und gesteigerter Lagerlebensdauer. Wenn die Einsatzbedingungen für Lager besonders kritisch sind, dann spielt die Keramik ihre besonderen Trümpfe aus. Die ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit in den meisten Medien und eine extreme Wärmestabilität (praktisch bis 800 Grad Celsius) sind Eigenschaften, mit denen das Feld gewöhnlicher Lageranwendungen verlassen werden kann. Medienschmierung oder Trockenlauf sind genauso realisierbar wie hohe Betriebstemperaturen bei unverändert hoher mechanischer Belastbarkeit.

Dass Hybridlager stromisolierend und Keramiklager sogar unmagnetisch sind, eröffnet weitere interessante Einsatzmöglichkeiten zum Beispiel in Elektromotoren oder in der Messtechnik.

Wann Hybridlager?

Häufig reicht es schon aus, ein entsprechendes Hybridlager einzusetzen, wenn beispielsweise die Drehzahl oder die Lebensdauer unter Mangelschmierungsbedingungen angehoben werden müssen. Hybrid- und Keramiklager werden in Normgeometrien gefertigt und sind damit in den meisten Fällen maßlich kompatibel zu konventionellen Lagern. Bereits mit dem Austausch eines konventionellen Maschinen-Spindellagers durch ein Hybrid-Spindellager lassen sich die Fettgebrauchsdauer und damit die Wartungszyklen signifikant verlängern.

In schnell laufenden Spindel- oder Schrägkugellagern rollen die Wälzkörper in den Laufrillen mit einer unvermeidlichen überlagerten Bohrbewegung ab. Erhöhte Reibung und thermische Belastung des Lagers schränken dabei vielfach Lagergebrauchsdauer und erreichbare Drehzahlen stark ein. Hybridlager mit ihren leichten Siliziumnitridkugeln und der günstigen Stahl-Keramik Materialpaarung überwinden diese Problematik, ohne dass größere Änderungen in bestehenden Konstruktionen erforderlich sind.

Mit steigenden Anforderungen an die Drehzahlen von Spindelsystemen sind zunehmend extreme Randbedingungen zu erfüllen. Häufig ist aus technischen wie wirtschaftlichen Gründen auf die übliche Öl-Minimalmengenschmierung zu verzichten. Temperaturen bis 250 Grad Celsius können eine weitere anspruchsvolle Randbedingung darstellen. Diesen extremen Anforderungen entspricht man am besten mit genau abgestimmten Lagersystemen. Dazu gehören Lagerkonstruktionen mit besonders gestalteten Fettkammern, bei denen die zur Verfügung stehende Fettmenge deutlich erhöht wird. Für die Lagergebrauchsdauer ist nämlich in solchen Anwendungsfällen vorwiegend die Fettgebrauchsdauer bestimmend, die wiederum in engem Zusammenhang mit der Fettmenge steht. Eine gute Lösung sind daher Hybridlager mit einem erweiterten Fettreservoir. Bei erhöhten Betriebstemperaturen hat sich Hochleistungsschnellarbeitsstahl als verzugsarmer Werkstoff für die Lagerringe bewährt. Die Käfige werden aus dem sehr festen Kunststoff PEEK gefertigt, der einen Betrieb bis zu einer Temperatur von 250 Grad Celsius zulässt.

Wartungsfreie Hybridlagersysteme

Als Beispiel für die Realisierung eines vollständig auf Hybridlagern basierenden Lagersystems seien flexibel einsetzbare Werkzeugeinheiten zur Drehzahlübersetzung in Fräsmaschinen genannt. Mit einem Werkzeugkegel versehen, werden diese kompakten Übersetzerköpfe in die Werkzeugspindel gesteckt und machen aus dieser sozusagen im Handumdrehen eine Hochgeschwindigkeitsfrässpindel. Große Schnittleistung bei gleichzeitig hoher Flexibilität sind die Vorteile dieser Systeme.

Reibungsarme Hybridlager sorgen hier für eine spielfreie und genaue Lagerung. Die Lebensdauerfettschmierung erlaubt einen wartungsfreien Betrieb. Dabei entfallen aufwendige Zusatzaggregate wie Frequenzumformer oder Ölnebeleinheit. In der neuesten Generation werden sogar die reibschlüssig im Getriebe abrollenden Planetenräder vollständig aus Keramik hergestellt, wodurch eine weitere Reibungsverminderung und zusätzlich noch eine erhöhte Steifigkeit realisiert wird.

Im Extremfall: Voll-Keramiklager

Ganz extrem geht es in den Anwendungsgebieten des vollständig aus Keramik bestehenden Keramiklagers zu. Die konventionelle Wälzlagertechnik macht normalerweise vor den Grenzen durch Korrosion, unzureichende Schmierung und Hochtemperatur halt. Diese Beschränkungen lassen sich mit dem Keramiklager überwinden. In hermetisch dichten Systemen (Pumpen, Rührwerke und Antriebstechnik in abgeschlossenen Prozessräumen) sind Keramiklager unter härtesten Bedingungen im Einsatz. In Gegenwart aggressiver Medien, bei unzureichender Schmierung und hohen Temperaturen bewährt sich Keramik als ausgesprochen verschleißfester und korrosionsbeständiger Wälzlagerwerkstoff. Reinigungsprozeduren in der Steriltechnik können dem Lager genau sowenig schaden wie längerfristiger Einsatz bei Medienschmierung in Wasser, Lösungsmitteln oder Säuren.

Der Vorteil des Keramiklagers steigt und fällt dabei mit seinem Einbau in die Umbauteile. Hierin unterscheidet es sich vom Hybridlager. Insbesondere muss die sehr geringe Wärmedehnung berücksichtigt werden. Dies lässt sich durch besondere Toleranzausgleichselemente oder auch durch eine angepasste Materialauswahl beherrschen. Hierzu wird in der Regel sehr eng zwischen Lagerhersteller und Anwender zusammengearbeitet, um eine keramikgerechte Konstruktion zu realisieren. Optimalen Anwendungsnutzen bieten auch komplette Lagersysteme, die als ganze Einheit vom Lagerhersteller bezogen und direkt eingebaut werden können. Der Vorteil hierbei ist, dass eine keramikgerechte Konstruktion einbaufertig zur Verfügung steht.

Wie bearbeitet man Keramik?

¿Schleifen, schleifen und nochmals schleifen: Nur durch Schleifen können wir die gewünschte Geometrie aus den Keramik-Rohlingen herausarbeiten. Alle anderen Bearbeitungsverfahren mit geo- metrisch bestimmter Schneide¿ beißen sich am Silizium-Nitrid ¿ das ist immerhin die Schneidkeramik, aus der auch Wendeschneidplatten hergestellt werden ¿ die Zähne aus. So die prompte Antwort von Matthias Popp, dem Geschäftsführer der Firma Cerobear. Natürlich wollten wir wissen, wie solche harten Brocken ¿ wer wagt sich schon an das Bearbeiten von Keramik? ¿ das Licht der Industrie-Welt erblicken. Schließlich geht es nicht nur um irgendwelche Konturen in Keramik, sondern um höchste Präzision.

Angeliefert werden gesinterte Rohlinge, also Keramikringe, die aus einem Pulver unter hoher Temperatur und hohem Druck gesintert wurden. Diese Ringe haben noch kräftig Aufmaß, im Schnitt muss man von gut einem Millimeter ausgehen, besitzen aber schon die Endhärte. Dann beginnt das Schleifen: Planschleifen, Innenschleifen, Außenschleifen, Anfasen und Kugel- oder Rollenlaufbahn schleifen. ¿Ein ziemlich aufwendiger Prozess, da zwischen der Keramik und den Diamantschleifscheiben kein allzu großer Härteunterschied besteht. Wir müssen vorsichtig schleifen, auch wenn es nur um die Fasen an den Ringen geht.¿ Matthias Popp und seine Mannschaft setzen deshalb ganz auf Diamant, so erreichen sie am wirtschaftlichsten die präzisen Ergebnisse.

Für ein Voll-Keramik-Lager fehlen dann nur noch die Kugeln und die Kugelkäfige. Beides wird zugekauft. Die Käfige aus Kunststoff liefern Kunststoffverarbeiter zu und die Keramikkugeln sind Standard-Kaufteile, deren Fertigung kein großes Know-how erfordert. Einige Unternehmen betreiben riesige ¿Kugelmühlen¿ und bieten dann Stahl- und Keramikkugeln in großen Mengen an. ¿Das ist auch der Grund, weshalb alle namhaften Kugellagerhersteller die Hybrid-Lagertechnik in ihrem Angebot haben.¿ Laut Matthias Popp ¿ist es keine große Kunst, solche Lager zu fertigen, denn das Bearbeiten der Stahlringe ist Stand der Technik, die Keramikkugeln bietet der Markt und die Lagermontage ist die gleiche, wie für Stahl-Kugellager.¿

Natürlich hat der Konstrukteur auch Bedarf an Keramik-Rollenlagern. Diese gibt es ebenfalls in Vollkeramik- und Hybridausführung. ¿Doch diese Rollenlager sind eine Herausforderung der ganz besonderen Art. Das Schleifen der Innen- und Außenringe beherrschen weltweit nur wenige Unternehmen. Und an das Schleifen der Rollen traut sich außer uns nur noch eine kleine japanische Firma¿ ¿ so weiß es Matthias Popp zu berichten und zeigt auch gleich das Problem auf: Denn nur auf den ersten Blick sehen die Rollen zylindrisch aus. Der Mantel dieser Rollen weist mehrere Flächen auf, die in unterschiedlichen Winkeln zueinander stehen. Wenn sich die Rollen nicht zu den Seiten hin im Durchmesser verkleinern würden, dann entstünden dort stark ausgeprägte Druckspitzen. Und solch eine Zylinder-Mantelfläche zu schleifen, das ist die Herausforderung.

Dieter Capelle

Links: http://www.cerobear.de