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Informationen zu Keramiklagern
Keramikkugellager sind ein typisches Beispiel für technische Keramik, die in der Industrie weit verbreitet ist und von vielen Ingenieuren große Aufmerksamkeit erhält. Bei Hochgeschwindigkeits-Präzisionslagern werden am häufigsten Hybrid-Keramikkugellager verwendet, die aus heißgepressten Si3N4-Keramikkugeln bestehen, während die Lagerringe aus Stahl bleiben. Diese Lager sind hochgradig standardisiert, erfordern nur minimale Änderungen an der Maschinenstruktur und sind leicht zu warten, wodurch sie sich besonders für Hochgeschwindigkeitsvorgänge eignen. Mit diesen Lagern ausgestattete Hochgeschwindigkeits-Elektrospindeln bieten Vorteile wie hohe Geschwindigkeit, hohe Steifigkeit, hohe Leistung und lange Lebensdauer.
1. Korrosionsbeständigkeit: Keramikwälzlager sind ideal für den Betrieb unter rauen Bedingungen mit korrosiven Medien, da Keramik nahezu unempfindlich gegen Korrosion ist.
2. Geringe Dichte und geringes Gewicht: Keramikkugeln haben im Vergleich zu Stahlkugeln eine geringere Dichte, wodurch die Zentrifugalkraft auf den Außenring während der Rotation um bis zu 40 % reduziert und so die Lebensdauer des Lagers verlängert wird.
3.Thermische Stabilität: Keramik reagiert im Vergleich zu Stahl weniger auf Wärmeausdehnung und -kontraktion, sodass Lager in Umgebungen mit erheblichen Temperaturschwankungen eingesetzt werden können.
4. Hoher Elastizitätsmodul: Der höhere Elastizitätsmodul von Keramik bedeutet weniger Verformung unter Belastung, was zu einer höheren Betriebsgeschwindigkeit und einer höheren Präzision beiträgt.
Vergleich von Lagermaterialien
Hier ist ein Vergleich der Leistungsmerkmale von AISI 52100 (GCr15), Edelstahl AISI 440 (9Cr18), Siliziumnitrid (Si3N4) und Zirkonoxid (ZrO2):
| Werkstoff | Dichte (g / cm³) | Wärmeausdehnungskoeffizient (10^-6/°C) | Elastizitätsmodul (GPa) | Härte (HV) | Druckfestigkeit (MPa) | Biegefestigkeit (MPa) | Bruchzähigkeit (MPa.m^1/2) | Wärmeleitfähigkeit (W/m·K) | Spezifische Wärme (J/kg·K) | Max. Betriebstemperatur (°C) | Elektrische Isolierung | Langlebigkeit |
| GCr15 | 7.8 | 11 | 208 | 800 | 2400 | 20 | 30 40 | 30 40 | 450 | 120 | Nicht isolierend | Schwach |
| 9Cr18 | 7.9 | 17 | 200 | 700 | 2600 | 25 | 30 40 | 15 | 450 | 150 | Nicht isolierend | Konservativ |
| Si3N4 | 3.2 | 3.2 | 320 | 1700 | 900 | 7.0 | 3.5 5.5 | 15 | 800 | 100 | Isolierend | Strong Pilates |
| ZrO2 | 6.0 | 10.5 | 210 | 1300 | 3500 | 10.5 | 2.5 3.5 | 2.5 | 400 | 800 | Isolierend | Strong Pilates |
Arten von Keramiklagern
Vollkeramiklager zeichnen sich durch magnetische Isolierung, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, Selbstschmierung sowie Hoch- und Tieftemperaturbeständigkeit aus und sind daher für extreme Umgebungen und besondere Arbeitsbedingungen geeignet. Die Ringe und Wälzkörper bestehen aus Zirkonoxid (ZrO2)-Keramikmaterialien, wobei PTFE das Standardkäfigmaterial ist. Andere Materialien wie glasfaserverstärktes Nylon 66 (RPA66-25), technische Kunststoffe (PEEK, PI), Edelstahl (AISISUS316) und Messing (Cu) werden ebenfalls verwendet.
Vollkeramiklager aus Siliziumnitrid verwenden Siliziumnitrid (Si3N4)-Keramikmaterialien für Ringe und Wälzkörper. Andere Materialien wie RPA66-25, PEEK, PI und Phenol-Laminatrohre können ebenfalls verwendet werden. Im Vergleich zu ZrO2 sind Si3N4-Lager für höhere Geschwindigkeiten, Tragfähigkeiten und Umgebungstemperaturen geeignet. Hochpräzise Keramiklager für Hochgeschwindigkeitsspindeln mit hoher Steifigkeit sind mit Präzisionswerten bis zu P4- bis UP-Klassen erhältlich.
Vollrollige Kugellager
Diese Lager verwenden ein käfigfreies Design, wodurch Keramikkugeln eingebaut werden können, was die Tragfähigkeit erhöht und Einschränkungen durch Käfigmaterialien vermeidet. Sie sind jedoch für Hochgeschwindigkeitsanwendungen ungeeignet und sollten mit der Spaltseite zum nicht axialen Lastende hin eingebaut werden.
Keramikkugeln, insbesondere Siliziumnitrid, haben eine geringe Dichte, eine hohe Härte, einen niedrigen Reibungskoeffizienten, sind verschleißfest, selbstschmierend und steif, was sie ideal für Hochgeschwindigkeits-, Hochpräzisions- und langlebige Hybridlager (mit Innen- und Außenringen aus Metall) macht. Die Innen- und Außenringe bestehen normalerweise aus Lagerstahl (GCr15) oder Edelstahl (AISI440C), während Keramikkugeln aus den Materialien ZrO2, Si3N4 oder SiC bestehen können.
Herstellungsprozess von Keramiklagern
Keramiklager sind Hightech-Produkte, die in der modernen Industrie weit verbreitet sind. Ihr Herstellungsprozess umfasst die Aufbereitung des Rohmaterials, Formgebung, Sintern und Präzisionsbearbeitung.
Rohstoffvorbereitung
Die Hauptmaterialien sind Aluminiumoxid und Siliziumnitrid. Die Pulver werden streng gesiebt und gemessen, um die richtige Partikelgröße und -proportion sicherzustellen. Die Rohmaterialien werden getrocknet und in einer Kugelmühle gemahlen, um während der Formgebung einen besseren Fluss und eine bessere Füllung zu gewährleisten.
Vermischung
Keramikpulver wird mit anderen Additiven vermischt, um Leistung und Verarbeitbarkeit zu verbessern. Mahlen und Mischen sorgen für eine gleichmäßige Partikelgröße und stabile Zusammensetzung.
Bildung
Die gemischten Rohstoffe werden in Formen gepresst. Keramikprodukte können in Plasmaspritzprodukte und Press-/Spritzgussprodukte unterteilt werden. Plasmaspritzprodukte stellen hohe technische Anforderungen und werden in kleinerem Maßstab hergestellt, während Press-/Spritzgussprodukte Vorformlinge verwenden, was eine hohe Produktionseffizienz bietet, aber eine strenge Qualitätskontrolle erfordert.
Sintern
Die geformten Keramikrohlinge werden in Hochtemperaturumgebungen gesintert, wodurch dichte Strukturen entstehen und Festigkeit und Härte zunehmen.
Precision Machining
Gesinterte Keramiken haben eine hohe Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit, neigen jedoch zu Rissen. Eine Präzisionsbearbeitung (Drehen, Schleifen usw.) ist erforderlich, die mehrere Inspektionen und Poliervorgänge umfasst, um das Aussehen und die innere Qualität der Lager sicherzustellen.
Montage
Präzisionsgefertigte Keramiklager werden zusammengebaut, einschließlich Innenring, Außenring und Kugeln. Die Montage erfordert professionelle Ausrüstung und gründliche Qualitätskontrollen, um sicherzustellen, dass alle Spezifikationen eingehalten werden.
Qualitätskontrolle
Keramische Werkstoffe weisen eine hohe Festigkeit, Temperaturbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und chemische Stabilität auf, sind jedoch spröde. Bei der Herstellung ist eine strenge Qualitätskontrolle unerlässlich. Zu den gängigen Methoden gehören Röntgen- und metallografische Mikroskopprüfungen.
Anwendungen von Keramiklagern
Keramiklager werden in Umgebungen und Bedingungen eingesetzt, die hohe Temperaturen, Korrosionsbeständigkeit, elektrische Isolierung, Selbstschmierung und Hochgeschwindigkeitsleistung erfordern. Sie werden häufig in der Luft- und Raumfahrt, der Chemie, dem Maschinenbau, der Medizin und der Elektronik eingesetzt.
Luft- und Raumfahrt
Keramiklager werden in Turbinen, Motoren, Rudermaschinen und Propellern von Flugzeugen, Raketen und Satelliten eingesetzt und müssen hohe Geschwindigkeiten und große Lasten bewältigen. Sie bieten höhere Festigkeit, bessere Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit, verbessern die Kraftstoffeffizienz und reduzieren die Umweltbelastung.
Chemische Industrie
Keramiklager sind ideal für Geräte, die korrosiven Gasen oder Flüssigkeiten ausgesetzt sind. Sie bieten eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit in Umgebungen mit starken Säuren, Basen und Salzwasser, weshalb sie häufig in Säurewaschmaschinen, Chemiepumpen usw. eingesetzt werden.
Mechanische Fertigung
In der Maschinenbauindustrie werden Keramiklager in Motoren, Pumpen, Zentrifugen, Hochgeschwindigkeitshydraulikpumpen und Werkzeugmaschinen eingesetzt, um Geräusche zu reduzieren, die Geschwindigkeit zu erhöhen und die Lebensdauer zu verlängern. Sie sorgen für Stabilität in Umgebungen mit hohen Geschwindigkeiten und hohen Temperaturen und senken die Wartungskosten. Aufgrund ihrer hohen Korrosions- und Temperaturbeständigkeit werden sie auch in Spezialgeräten wie Hochtemperaturöfen und Vakuumöfen eingesetzt.
Medizinischen Bereich
Keramiklager werden in verschiedenen medizinischen Geräten wie chirurgischen Geräten und Dialysemaschinen verwendet und sorgen für Präzision und Zuverlässigkeit bei gleichzeitiger Reduzierung von Wartungszeit und -kosten.
Fazit
Keramikkugellager sind unverzichtbare mechanische Komponenten mit unvergleichlicher Leistung im Vergleich zu Metalllagern. Ihr weitverbreiteter Einsatz in verschiedenen Bereichen verbessert die Lebensdauer und Geschwindigkeit der Lager erheblich und stellt eine grundlegende Komponente für die Entwicklung von Hochgeschwindigkeits- und Hochpräzisionsmaschinen dar. Ihre Anwendung in Umgebungen mit hohen Temperaturen, Korrosion, Isolierung und Vakuum hat ebenfalls hervorragende Ergebnisse erbracht und bietet mehr Vitalität für zukünftige Entwicklungen.