Keramiklager neigen zum Bruch？

Keramiklager sind wesentliche Komponenten für den effizienten und stabilen Betrieb mechanischer Geräte. Mit Fortschritten in der Materialwissenschaft können Keramiken wie Zirkonoxid, Siliziumnitridund Aluminiumoxid werden aufgrund ihrer einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften häufig in der Lagerherstellung verwendet. Keramiklager spielen aufgrund ihrer außergewöhnlichen Materialeigenschaften in der modernen Industrie eine entscheidende Rolle. Ein häufig diskutiertes Thema ist, ob Keramiklager bruchanfällig sind.

Inhaltsverzeichnis

Materialeigenschaften von Keramiklagern

Keramiklager werden hauptsächlich aus Hochleistungskeramiken wie Zirkonoxid, Siliziumnitrid und Aluminiumoxid hergestellt. Diese Materialien weisen eine hohe Härte, hervorragende Verschleißfestigkeit, niedrige Reibungskoeffizienten und eine gute chemische Stabilität auf. Im Vergleich zu herkömmlichen Metalllagern bieten Keramiklager höhere Geschwindigkeiten, geringere Reibung und Verschleiß sowie überlegene Isoliereigenschaften.

Sprödigkeit von Keramiklagern

Trotz ihrer zahlreichen Vorteile ist die Sprödigkeit von Keramik ein erhebliches Problem. Aufgrund der starken Atombindung zwischen Keramikmaterialien neigen sie bei Einwirkung äußerer Kräfte eher zum Brechen als zur plastischen Verformung. Daher sind Keramiklager bei übermäßigen Stoßbelastungen oder unsachgemäßer Installation tatsächlich anfällig für Brüche.

Überlastung: Zwar weisen Keramiklager im Vergleich zu herkömmlichen Lagern eine höhere Druckfestigkeit auf, ihre Lebensdauer ist jedoch relativ kurz, sodass sie übermäßigen Belastungen nicht standhalten können.
Unsachgemäße Installation: Bei der Installation ist es wichtig, die Verwendung ungeeigneter Werkzeuge zu vermeiden, da diese die Lagerflächen beschädigen könnten. Außerdem sollte auf die Drehrichtung und die Einbaulage geachtet werden, um eine ordnungsgemäße Funktion sicherzustellen.
Unzureichende Wartung: Zur ordnungsgemäßen Wartung gehört es, die Lager sauber zu halten, um zu verhindern, dass Verunreinigungen ins Innere gelangen. Um die ordnungsgemäße Schmierung aufrechtzuerhalten, ist ein rechtzeitiger Austausch der Schmiermittel erforderlich.

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass das Bruchrisiko nicht bedeutet, dass Keramiklager in praktischen Anwendungen von Natur aus zerbrechlich sind. Tatsächlich kann das Bruchrisiko durch eine geeignete Konstruktion, präzise Herstellungsverfahren sowie korrekte Verwendung und Wartung effektiv kontrolliert werden.

Druckbelastungstest von Keramiklagern

Generell zerbrechen Keramiklager nicht so leicht, egal aus welchem Winkel sie fallen. Das Aussehen des Lagers wird dabei normalerweise nicht beeinträchtigt. Bei Vollkeramiklagern in Kombination mit Stahlwellen besteht jedoch aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien die Gefahr von Rissen.

Vergleich der Grundeigenschaften von Keramik- und Stahlwerkstoffen
Artikel	Einheit	Lagerstahl	Edelstahl	Si3N4	ZrO2	SiC	Al2O3
Signaldichte	g / cm³	7.85	7.90	3.20 - 3.30	6.00	3.10	3.95
Wärmeausdehnungskoeffizient	10^-6/K	10	11.0	3.2	10.5	4.5	8.5
Elastizitätsmodul	GPa	208	200	300 - 320	210	≥ 350	380
Wärmeleitfähigkeit	W / m · K.	30 40	15	35	2 3	150	30
Spezifischer Widerstand	Ω·mm²/m	0.1 - 1	0.75	10^8 – 10^18	10^5 – 10^15	10^-1 – 10^3	10^8 – 10^18
Gleitverschleiß ohne Schmierung		Groß	Groß	Klein	Klein	Klein	Klein
Betriebsdrehmoment		Groß	Groß	Klein	Verwendung	Klein	Verwendung

Ergebnisse des Ermüdungslebensdauertests für drei Lagertypen
Prüflagertyp	Last (N)	Max. Kontaktspannung (GPa)	Geschwindigkeit (r / min)	L10L_{10}L10 Lebensdauer (h)	L50L_{50}L50 Lebensdauer (h)	Weibull-Steigung (β\betaβ)
Ganzstahllager	5880	3.3	8000	46.2	269.5	1.06
Hybrid-Keramiklager	5880	3.9	8000	68.2	589.2	0.95
Vollkeramiklager	5880	3.9	8000	49.4	294.6	0.96

Bei einfachen Vergleichstests der Druckbelastung beträgt die Mindestdruckbelastung für Keramikkugeln etwa 1/2 bis 1/3 der Druckbelastung für Stahlkugeln. Dies liegt daran, dass sich die Kontaktoberfläche aufgrund der plastischen Verformung der Stahlkugeln vergrößert, was zu einer höheren Druckbelastung führt. Basierend auf den Druckbelastungswerten von Keramikkugeln kann die maximale Kontaktspannung bei Versagen auf etwa das 6- bis 7-fache des in der Norm ISO-TC4 angegebenen Werts berechnet werden. Dies beweist nicht nur, dass Keramikkugeln für den Einsatz in Wälzlagern sicher sind, sondern weist auch darauf hin, dass sie größeren statischen Belastungen standhalten können als Stahllager.

Minderung des Bruchrisikos bei Keramiklagern

Auswahl geeigneter Lagertypen und -spezifikationen: Wählen Sie Keramiklager, die den spezifischen Anwendungsanforderungen entsprechen und stellen Sie sicher, dass sie die Betriebslasten und -geschwindigkeiten bewältigen können.
Richtige Installation und Verwendung: Halten Sie sich bei Installation und Betrieb an die Richtlinien des Herstellers, um übermäßige Stoßbelastungen und andere installationsbezogene Probleme zu vermeiden.
Regelmäßige Inspektion und Wartung: Überprüfen und warten Sie Keramiklager regelmäßig, um mögliche Probleme rechtzeitig zu erkennen und zu beheben und sicherzustellen, dass sie in gutem Betriebszustand bleiben.

Obwohl Keramiklager eine gewisse Sprödigkeit aufweisen, sind sie dank wirksamer Kontrollmaßnahmen durch richtige Auswahl, Verwendung und Wartung in Anwendungen wie Hochgeschwindigkeitsmotoren, Präzisionsinstrumenten und in der Luft- und Raumfahrt äußerst effektiv. Mit Blick auf die Zukunft ist zu erwarten, dass kontinuierliche Fortschritte bei Materialien und Fertigungstechnologien die Leistung und Zuverlässigkeit von Keramiklagern weiter verbessern und ihre Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Industriebereichen erweitern werden.