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Lohnt sich die Investition in Vollkeramiklager?
Vollkeramiklager sind verschleißfest, korrosionsbeständig und haben eine hohe Geschwindigkeit. Sie sind außerdem nicht magnetisch, haben einen niedrigen Reibungskoeffizienten, sind antielektrisch, korrosionsbeständig, leichter, glatter und härter. Sie werden häufig in extrem rauen Umgebungen oder unter besonderen Arbeitsbedingungen eingesetzt, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, Petrochemie und elektronischen Geräten. Vollkeramiklager sind ein Lagertyp, dessen Ringe und Wälzkörper aus keramischen Materialien wie Zirkonoxid (ZrO2), Siliziumnitrid (Si3N4) und Siliziumkarbid (SiC); es gibt viele Arten von Haltern, und zu den üblichen Herstellungsmaterialien gehören Polytetrafluorethylen, Nylon 66, Polyetherimid, Zirkonoxid, Siliziumnitrid, Edelstahl oder spezielles Luftfahrtaluminium. In diesem Blog werden die Vorteile, Typen und Vergleiche mit Stahllagern von Vollkeramiklagern im Detail vorgestellt, sowie eine umfassende Untersuchung, ob Vollkeramiklager Keramiklager sind eine Investition wert.
Vollkeramiklager haben viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Metalllagern, darunter Hochgeschwindigkeitsleistung, geringe Reibung, Korrosionsbeständigkeit und Haltbarkeit. Sie werden häufig in rauen Umgebungen eingesetzt, von Hochgeschwindigkeitsmaschinen bis hin zu chemischen Verarbeitungsanlagen und Hochtemperaturöfen.
①. Aktuelle Korrosion verhindern
Wenn der Motor läuft, wird die Potentialdifferenz zwischen den beiden Enden der Welle oder zwischen den Wellen als Wellenspannung bezeichnet. Der daraus resultierende Wellenstrom kann zu Schäden an Laufbahn und Wälzkörpern sowie zur Alterung des Schmiermittels führen. Vollkeramiklager können den Stromdurchgang verhindern und haben eine dauerhaftere Isolierfähigkeit als keramikbeschichtete Lager. In Generatoranwendungen von Windkraftanlagen werden häufig Vollkeramiklager eingesetzt.
②. Hohe Geschwindigkeit
Die Dichte von Wälzkörpern aus Siliziumnitrid ist 60 % geringer als die von Wälzkörpern aus Lagerstahl gleicher Größe. Geringeres Gewicht und Trägheit führen zu einer höheren Geschwindigkeitsleistung, wodurch die Fähigkeit des Lagers, schnell zu starten und zu stoppen, hervorragend ist. Darüber hinaus verfügen Vollkeramiklager über ölfreie, selbstschmierende Eigenschaften und einen niedrigen Reibungskoeffizienten, sodass Keramikkugellager eine sehr hohe Geschwindigkeit aufweisen.
③. Lange Lebensdauer
Bei Vollkeramiklagern ist die durch Reibung erzeugte Wärme gering, insbesondere bei hohen Drehzahlen, was zu einer Verlängerung der Lagerlebensdauer und des Nachschmierintervalls beiträgt, wodurch Ausfallverluste und Wartungskosten durch Lagerwartung erheblich reduziert werden können.
④. Hohe Härte und hohe Zähigkeit
Wälzkörper aus Keramik haben eine höhere Härte und eine ausgezeichnete Zähigkeit. Die Kombination dieser beiden Eigenschaften kann eine bessere Oberflächenrauheit erzielen, Schäden durch äußere harte Partikel und Stöße verhindern und eine hohe Verschleißfestigkeit aufweisen.
⑤. Höhere Steifigkeit
Die Steifigkeit des Lagers bezieht sich auf den Grad der elastischen Verformung des Lagers unter Last. Die Steifigkeit wirkt sich auf verschiedene Aspekte der Lagervibration, des Geräusches, der Lebensdauer und der Rotationsgenauigkeit aus und ist ein wichtiger Leistungsparameter bei der Lageranalyse. Die Härte von Vollkeramiklagern ist 1-mal höher als die von Lagerstahl und der Elastizitätsmodul ist etwa 1/3 höher.
⑥. Hohe Temperaturbeständigkeit
Wälzkörper aus Keramik haben einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten. Ein kleiner Wärmeausdehnungskoeffizient trägt dazu bei, die Empfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen zu verringern und so ein Verklemmen zu verhindern. In Umgebungen mit hohen Temperaturen können Vollkeramiklager bei 800–1000 °C zuverlässig arbeiten, ohne dass es zu einer durch Temperaturunterschiede verursachten Ausdehnung kommt.
Vollkeramische Lagertypen
ZrO2-Vollkeramiklager weisen eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen hohe und niedrige Temperaturen, hohen Druck, Korrosion, magnetische Isolierung und Selbstschmierung auf. Sie können in speziellen Umgebungen eingesetzt werden. Zirkonoxid-Keramiklager (ZrO2) ohne Käfig können in Umgebungen bis zu 400 °C eingesetzt werden.
Si3N4-Vollkeramiklager besitzen alle Eigenschaften von ZrO2-Vollkeramiklagern und bieten darüber hinaus zusätzliche Vorteile wie geringes Gewicht, hohe Verschleißfestigkeit und hohe Härte. Im Vergleich zu ZrO2-Vollkeramiklagern sind Si3N4-Vollkeramiklager für Hochgeschwindigkeits- und Hochlastanwendungen geeignet und halten höheren Temperaturen stand. Sie bieten eine gute Hochtemperaturfestigkeit, mechanische Oxidationsbeständigkeit, Hochtemperaturbelastbarkeit und Beständigkeit gegen korrosive Gase. Si3N4-Keramiklager ohne Käfig können in Umgebungen bis zu 1100 °C betrieben werden.
Vollkeramiklager aus Siliziumkarbid (SiC) bieten im Vergleich zu anderen Keramikmaterialien eine höhere chemische Korrosionsbeständigkeit, bessere Festigkeit, höhere Härte und höhere Verschleißfestigkeit. Sie haben außerdem geringe Reibungseigenschaften und sind für höchste Temperaturen geeignet. SiC-Keramiklager ohne Käfig können in Umgebungen bis zu 1400 °C eingesetzt werden.
Al2O3 Keramiklager
Keramiklager aus Aluminiumoxid (Al2O3) bestehen aus Aluminiumoxidkeramik mit einem Aluminiumoxidgehalt von 99 %. Die Wälzkörper bestehen ebenfalls aus Aluminiumoxidkeramik. Al2O3-Keramiklager ohne Käfig können in Umgebungen bis zu 1400 °C betrieben werden.
Vollkugellager aus Vollkeramik
Vollkugellager aus Vollkeramik haben auf einer Seite eine Kerbe, sodass Keramikkugeln aufgrund des fehlenden Käfigs stärker belastet werden können als Standardstrukturen. Dies erhöht ihre Tragfähigkeit und vermeidet die Einschränkungen von Käfigmaterialien, wodurch die Korrosionsbeständigkeit und Temperaturbeständigkeit von Vollkeramiklagern mit Keramikkäfig erreicht wird. Diese Lager sind nicht für hohe Geschwindigkeiten geeignet und beim Einbau sollte die Kerbe auf der Seite angebracht werden, die keine axiale Last trägt.
Herausforderungen bei vollkeramischen Gleitlagern
Der Produktionsprozess von Keramiklagern umfasst mehrere Prozesse, darunter die Vorbereitung des Rohmaterials, das Formen, Sintern und die Endbearbeitung. Jeder Prozess hat einen wichtigen Einfluss auf die Leistung des Endprodukts. Die Komplexität des Produktionsprozesses erhöht nicht nur die Produktionskosten, sondern stellt auch höhere Anforderungen an die Kontrolle des Produktionsprozesses.
Hohe Kosten.
Die Produktionskosten für Keramikmaterialien sind relativ hoch, was hauptsächlich auf die teuren Rohstoffe für Keramikmaterialien und den komplexen Produktionsprozess zurückzuführen ist. Der Herstellungsprozess von Hochleistungskeramikmaterialien wie Zirkonoxid (ZrO2), Siliziumnitrid (Si3N4) und Siliziumkarbid (SiC) erfordert Hochtemperatursintern und Präzisionsbearbeitung, was nicht nur zeit- und energieaufwendig ist, sondern auch teure Ausrüstung und technische Unterstützung erfordert. Daher sind die hohen Kosten für Keramiklager zu einem großen Hindernis für ihre Förderung und Anwendung geworden.
Schwierig herzustellen
Keramische Werkstoffe haben eine hohe Härte und eine geringe Zähigkeit, was ihre Verarbeitung erschwert. Traditionelle Metallverarbeitungstechnologie funktioniert bei der Verarbeitung keramischer Werkstoffe oft nicht, was zu Materialschäden oder Verarbeitungsfehlern führt. Darüber hinaus führt die Sprödigkeit keramischer Werkstoffe dazu, dass sie während der Verarbeitung leicht reißen und zersplittern, was die Komplexität und das Risiko der Verarbeitung erhöht.
Aufgrund von Sprödbruch
Obwohl Keramiklager eine ausgezeichnete Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und geringe Reibung aufweisen, sind die Sprödigkeit und Schlagfestigkeit von Keramikmaterialien in einigen extremen Umgebungen schlecht, was ihren Anwendungsbereich einschränkt. Beispielsweise können Keramiklager in Umgebungen mit hohen Stößen und starken Vibrationen aufgrund von Sprödbrüchen versagen.
Vollkeramiklager sind aufgrund ihrer hervorragenden Leistung und vielfältigen Einsatzmöglichkeiten zu einem unverzichtbaren Schlüsselelement in der modernen Industrie geworden. Obwohl ihre Anfangsinvestition hoch ist, sind sie aufgrund ihrer langen Lebensdauer und geringen Wartungskosten im Langzeiteinsatz wirtschaftlich. Insbesondere in rauen Umgebungen wie hohen Temperaturen, hohem Druck und Korrosionsgefahr liegen die Vorteile von Vollkeramiklagern auf der Hand.
Ausgezeichnete Leistung
Nehmen wir beispielsweise Lager aus Siliziumnitrid-Vollkeramik. Siliziumnitridkeramik ist eine Strukturkeramik mit hervorragender Gesamtleistung und vielen einzigartigen Eigenschaften, die sie in der modernen Technologie weit verbreitet machen. Siliziumnitridkeramik hat eine extrem hohe mechanische Festigkeit und Härte, vergleichbar mit Korund, und ist selbstschmierend und verschleißfest. Bei Raumtemperatur kann ihre Biegefestigkeit sogar bis zu 980 MPa betragen, was mit legiertem Stahl vergleichbar ist. Wichtig ist, dass ihre Festigkeit selbst bei einer hohen Temperatur von 1200 °C nicht abnimmt. Siliziumnitridkeramik hat eine ausgezeichnete thermische Stabilität, einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit, sodass sie eine gute Wärmeschockbeständigkeit aufweist. Selbst ein Wärmeschock von Raumtemperatur auf 1000 °C führt nicht zu Rissen.
| typische Eigenschaften | Al2O3 | ZrO2 | Si3N4 | SiC | Lagerstahl |
|---|---|---|---|---|---|
| Dichte (kg/m^3) | 3250 | 3100 | 3900 | 3200 | 7800 |
| Elastizitätsmodul (GPa) | 310 | 210 | 320 | 420 | 210 |
| Druckfestigkeit (MPa) | > 3500 | 2000 2500 | 2000 2700 | 2000 | - |
| Biegefestigkeit (MPa) | 700 1000 | 500 900 | 500 900 | 300 600 | 1000 |
| Bruchzähigkeit (MPa·m^1/2) | 3 5 | 8 12 | 6 10 | 3 5 | 16 20 |
| Härte (GPa) | 14 18 | 10 13 | 18 20 | 24 28 | 8 |
| Wärmeausdehnungskoeffizient (10^-6/K) | 4 8 | 10 12 | 2 4 | 3 5 | 12 |
| Wärmeleitfähigkeit (W·m^-1·K^-1) | 20 | 2 | 30 | 100 | 30 |
| Spezifische Wärmekapazität (J·kg^-1·K^-1) | 800 | 500 700 | 800 | 880 | 450 |
| Maximale Betriebstemperatur (℃) | 1050 | 500 800 | 1250 | 1250 | 400 600 |
| Oxidationsbeständigkeit | Hoch | Verwendung | Hoch | Sehr hoch | Sehr hoch |
| Fehlermodus | Sprödbruch | Sprödbruch | Sprödbruch | Sprödbruch | Duktiler Bruch |
Diese Tabelle bietet einen vergleichenden Überblick über die wichtigsten Eigenschaften von Industriekeramik (Al2O3, ZrO2, Si3N4, SiC) und Lagerstahl und hebt ihre Unterschiede hinsichtlich Dichte, mechanischer Festigkeit, thermischen Eigenschaften und Ausfallarten hervor.
Siliziumnitridkeramiken weisen eine ausgezeichnete chemische Stabilität auf und sind korrosionsbeständig gegenüber fast allen anorganischen Säuren (außer Flusssäure) und Natronlaugen mit einer Konzentration unter 30 %. Gleichzeitig weisen sie auch eine gute Korrosionsbeständigkeit gegenüber vielen organischen Substanzen auf. Wichtig ist, dass sie von einer Vielzahl von Nichteisenmetalllösungen, insbesondere Aluminiumflüssigkeiten, nicht benetzt werden und starker Strahlung standhalten. Siliziumnitridkeramiken haben eine geringe Dichte und ein geringes spezifisches Gewicht (nur 2/5 von Stahl) und sind gut elektrisch isolierend.
Selbstschmierend
Vollkeramiklager können ohne den Einsatz von Schmiermitteln einwandfrei funktionieren. Daher ermöglicht die Anwendung in Kryopumpen den Forschern, den Einfluss von Änderungen der Schmiermittelviskosität auf den normalen Betrieb der Lager zu vermeiden. Kryolager werden hauptsächlich in verschiedenen Arten von Flüssigkeitspumpen verwendet, beispielsweise in Flüssigerdgaspumpen, Flüssigstickstoffpumpen (Wasserstoff, Sauerstoff), Butanpumpen usw. Diese Geräte müssen in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen eine stabile Leistung und lange Lebensdauer aufrechterhalten, und Keramiklager sind aufgrund ihrer hervorragenden Leistung und Anpassungsfähigkeit zu einem unverzichtbaren Bestandteil dieser Geräte geworden. Keramiklager werden auch häufig in Geräten wie Flüssigkeitspumpen für Raketen und Flugkörper sowie Raumfahrzeuge verwendet. Diese Geräte müssen in extrem rauen Umgebungen funktionieren, und Keramiklager verfügen über eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit und die Fähigkeit, sich an Umgebungen mit hohen und niedrigen Temperaturen anzupassen, was sie zu einer idealen Wahl für diese Geräte macht.
Anwendungsfall - MRT
Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine Bildgebungstechnologie, die in der medizinischen und wissenschaftlichen Forschung weit verbreitet ist. Sie wird häufig mit MRT-Scannern in Krankenhäusern in Verbindung gebracht, die starke Magnetfelder verwenden, um zwei- und dreidimensionale Bilder des menschlichen Körpers oder anderer lebender Objekte zu erzeugen. In MRT-Scannern müssen alle verwendeten Geräte nicht magnetisch sein, um Störungen des Bildes zu vermeiden. Daher sind herkömmliche Stahllager in diesem Szenario nicht geeignet, da ihr Magnetismus die Bildqualität beeinträchtigen kann. Nicht magnetische Keramiklager eignen sich sehr gut für den Einsatz in MRT-Scannern. Der Vorteil von Keramiklagern besteht darin, dass sie hochgradig nicht magnetisch sind und daher keine Störungen bei MRT-Scans verursachen. Darüber hinaus verfügen Keramiklager auch über eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit und hohe Härte, wodurch eine stabile Leistung in rauen Umgebungen gewährleistet werden kann.
Anwendungsfall - Reinraum
Ein Reinraum ist eine nahezu staubfreie Umgebung, die Forschern schadstofffreie Bedingungen für die Vorbereitung und Messung kleiner Instrumente, Geräte oder Materialien bietet. Die Fähigkeit, diese staubfreie Umgebung aufrechtzuerhalten, ist jedoch häufig eine Herausforderung, insbesondere weil das Schmiermittel in Standardstahllagern nach und nach in die Umgebung abgegeben wird. Dieses Phänomen kann die Sauberkeitskontrolle des Reinraums beeinträchtigen. Vollkeramiklager bieten eine Lösung. Da sie ohne Schmiermittel betrieben werden können, erzeugen Keramiklager während des Betriebs nahezu keine Reibung und die Oberfläche kann sehr glatt gemacht werden, wodurch ein schmiermittelfreier Betrieb erreicht wird. Darüber hinaus erzeugen Vollkeramiklager im Gegensatz zu Edelstahllagern keine Wärmestaus im Lager, sodass keine Schmierung zur Wärmeableitung erforderlich ist.
Durch die Verwendung schmiermittelfreier Keramiklager kann das durch Stahllager verursachte Ausgasungsproblem vollständig beseitigt und so die Sauberkeitskontrolle des Reinraums aufrechterhalten werden. Vollkeramiklager laufen nicht nur reibungslos, sondern bieten auch eine stabile und zuverlässige Leistung in Reinräumen. Daher spielen Keramiklager eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Sauberkeit und Kontrollfähigkeit von Reinräumen.
Fazit
Vollkeramiklager bieten Vorteile wie hohe Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und elektrische Isolierung, stehen aber auch vor der Herausforderung, viel höhere Kosten als Stahllager und eine relativ geringe Tragfähigkeit zu haben. Für spezielle Anwendungen wie hohe Temperaturen, hohen Druck, Korrosion, Präzision, Sauberkeit und andere Arbeitsumgebungen sind Vollkeramiklager eine lohnende Investition.