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Alles, was Sie über Lagermaterialien wissen sollten
Lager sind für die Fertigung von entscheidender Bedeutung und werden in vielen verschiedenen Arten von Geräten und Maschinen verwendet. Von einfachen Industriegeräten bis hin zu komplexen Maschinen reduzieren Lager die Reibung und ermöglichen ihnen die Bewältigung verschiedener Arten von Lasten. Daher ist die Verwendung hochwertiger und zuverlässiger Materialien für den Lagerherstellungsprozess von entscheidender Bedeutung.
Zur Herstellung verschiedener Arten hochwertiger Lager und ihrer zahlreichen Komponenten werden unterschiedliche Materialien verwendet. Diese Materialien werden einem speziellen Prozess unterzogen, um die gewünschten Eigenschaften zu erhalten, die die Lebensdauer und Leistung des Lagers erhöhen. Teams bei AUB können die verschiedenen Materialien besprechen, die bei der Lagerherstellung verwendet werden, und wie sich jedes auf die Verwendung, Integrität und Funktion des Lagers auswirkt.
Die Leistung eines jeden Lagers hängt von den Eigenschaften der gewählten Legierung und ihrer Wärmebehandlung ab. Die Auswahl eines Materials mit der richtigen Härte, Korrosionsbeständigkeit und Ermüdungslebensdauer stellt sicher, dass das Lager innerhalb der Betriebs- und Umgebungsparameter der Anwendung zuverlässig funktioniert. AUB verwendet unterschiedliche Materialien zur Herstellung verschiedener Lagerkomponenten. Diese Materialien werden verarbeitet, um ideale Eigenschaften zu erhalten und die Lagerleistung und Lebensdauer zu maximieren. Die hier beschriebenen Materialien werden am häufigsten verwendet. Für optimale Härte und Dimensionsstabilität wird das Lagermaterial im eigenen Haus wärmebehandelt.
Am meisten gemeinsames Material Für die Herstellung von tragenden Bauteilen in Präzisionskugellagern, Rollenlagern und Kegelrollenlagern wird Chromstahl 52100 verwendet. Diese Komponenten beziehen sich auf Lagerinnen- und Außenringe, Kugeln und Rollen. Die chemische Zusammensetzung dieses Stahls ist reich an Kohlenstoff und enthält etwa 1.5 % Chrom. Mithilfe kontrollierter Bearbeitungs- und Wärmebehandlungsmethoden verfügen die fertigen Lagerkomponenten über eine hohe Festigkeit, um Rissbildung zu widerstehen, und über harte Oberflächen, um einer Ermüdung durch Rollkontakt unter der Oberfläche zu widerstehen. Typische Oberflächenhärten für Lagerkomponenten aus diesem Material liegen zwischen 60 und 64 auf der Rockwell-C-Skala (Rc).
Es hat einen akzeptablen Preis, einen hohen Härtegrad und ein leiseres Laufgeräusch. Daher sind die Vorteile der Verwendung von Chromstahllagern eine hohe Härte, eine hohe Belastbarkeit, ein niedriger Dezibelpegel und eine breite Zugänglichkeit. Allerdings muss es geschmiert bleiben und ist nicht beständig gegen Korrosion oder Chemikalien. Benutzern wird empfohlen, Chromstahllager mit einem Öl oder einer Rostschutzbeschichtung zu schützen, um Korrosion vorzubeugen.
Ultrareiner Chromstahl 52100
Der zur Herstellung von Hochpräzisionslagern verwendete Rohstahl wird durch einen zusätzlichen Schmelzschritt behandelt, wodurch ein Stahl mit einer sehr gleichmäßigen Struktur aus feinkörnigem Material entsteht – ultrareiner Chromstahl 52100. Die Lagerkontaktflächen können sehr glatt superbearbeitet werden, so dass die Lager sehr geräuscharm laufen.
Die gebräuchlichste Wärmebehandlungsmethode für Chromstähle ist das Abschrecken des Stahls in einem Ofen mit kontrollierter Atmosphäre. Lager aus Chromstahl können bei Dauertemperaturen bis 120°C betrieben werden. Bei höheren Temperaturen kann die Lageranordnung thermisch stabilisiert werden. Durch Variation des Wärmebehandlungsprozesses ist es möglich, Lager herzustellen, die bei 220 °C oder höher betrieben werden können. Für diese Anwendungen müssen Lagerkomponenten bei höheren, den Betriebstemperaturen entsprechenden Temperaturen angelassen werden. Durch diese erhöhte Anlassung wird die Härte des Werkstoffs beeinträchtigt und die Belastbarkeit des Lagers verringert.
Wie aus der folgenden Tabelle hervorgeht, variiert die standardmäßige chemische Zusammensetzung von Chromstählen von Land zu Land.
Ein weiteres gängiges Material zur Herstellung von Lagern ist Edelstahl. Edelstahl ist aufgrund seines hohen Chrom- und Kohlenstoffgehalts ein beliebtes Material für Lager und ist widerstandsfähiger gegen Oberflächenkorrosion als Chromstahl. Es gibt über 60 Edelstahlsorten, die sich je nach Zusammensetzung und physikalischen Eigenschaften unterscheiden. Im Allgemeinen enthält die Zusammensetzung von Edelstahl unterschiedliche Mengen an Chrom, Kohlenstoff, Phosphor, Nickel, Mangan und Molybdän. Darüber hinaus helfen Sorten bei der Beschreibung der Eigenschaften von Edelstahllegierungen, einschließlich Korrosions- und Temperaturbeständigkeit, magnetischer Reaktion, Zähigkeit, Duktilität, Schweißbarkeit und Kaltverfestigung.
Edelstahl enthält neben mindestens 18 % Chrom auch Nickel. Das Chrom im Edelstahl reagiert chemisch, wenn es Sauerstoff ausgesetzt wird, und bildet eine Chromoxidschicht auf der Oberfläche der Lagerkomponenten. Dieser passivierende chemische Film bietet zusätzlichen Schutz für das Lager. Allerdings sind Edelstahllager aufgrund ihres Kohlenstoffgehalts weniger hart. Dadurch haben sie eine um 20 % geringere Tragfähigkeit als 52100 Chromstahllager.
Es gibt zwei gängige Arten von Edelstahllagern: martensitisch und austenitisch. Lager aus martensitischem Edelstahl (SV30) unterliegen bei der Verarbeitung des ursprünglichen Stahls häufig einer Verschlechterung, was zu einem verringerten Kohlenstoffgehalt und einem erhöhten Stickstoffgehalt im Material führt. Das Ergebnis ist ein Stahl mit hoher Festigkeit, Härte und verbesserter Korrosionsbeständigkeit. Austenitische Edelstahllager (AISI316) hingegen sind aufgrund ihres geringen Kohlenstoffgehalts nicht magnetisch und äußerst korrosionsbeständig. Sie können jedoch nur für Anwendungen mit geringer Last und niedriger Geschwindigkeit verwendet werden.
Der Kohlenstoffgehalt in Edelstahl der Serie 400 ist hoch genug, dass er mit Standard-Wärmebehandlungsmethoden auf Rc58 gehärtet werden kann. Lager aus diesem Material haben aufgrund der geringeren Härte eine um 20 % geringere Tragfähigkeit als 52100 Chromstahllager. Der Kohlenstoffgehalt bedeutet, dass das Bauteil magnetisch ist. Die Korrosionsbeständigkeit ist „gut“, wenn 440C-Material Süßwasser und milden Chemikalien ausgesetzt ist. Dieses Material erfreut sich bei amerikanischen Lagerherstellern großer Beliebtheit.
Lager aus herkömmlichem 440C-Edelstahl sind leicht laut, da bei der Laufbahnbearbeitung Karbide freigelegt werden, die sich normalerweise an den Korngrenzen konzentrieren. Lager mit größeren Bohrungen sind von diesem Zustand nicht betroffen. Lager aus Edelstahl der Serie 400 können bei höheren Temperaturen als Chromstahl betrieben werden, nämlich bis zu 250 °C im Dauerbetrieb. Lager aus diesem Material sind in der Regel teurer als Lager aus Chromstahl.
Edelstahl AISI 440 – Hervorragende Zähigkeit und Härte mit guter Korrosionsbeständigkeit. Dieses Material wird häufig in Lageranwendungen verwendet, bei denen genaue Toleranzen und Oberflächengüten erforderlich sind. Eine normale Wärmebehandlung kann gemäß MIL-H-6875 durchgeführt werden. Edelstahllager sind in verschiedenen Edelstahlmaterialqualitäten und -zusammensetzungen erhältlich. Zu den Vorteilen von Edelstahllagern gehören: Widersteht rauen Korrosionsbedingungen, was zu einer längeren Lebensdauer, geringeren Wartungskosten und geringeren Ausfallzeiten der Ausrüstung führt. Der Kontakt mit Meerwasser ist eine der härtesten Anwendungen in der Lagerwelt. Für Meerwasseranwendungen stehen spezielle Edelstahlsorten zur Verfügung.
Martensitische Edelstahllager – ACD34 / KS440 / X65Cr13
Viele Lagerhersteller verwenden für ihre Ringe und Kugeln Edelstahl mit etwas geringerem Kohlenstoff- und Chromgehalt als AISI 440C, bekannt unter verschiedenen Namen wie ACD34, KS440 und X65Cr13. Bei der Wärmebehandlung weist dieses Material kleinere Karbide auf, sodass das Lager hervorragende Geräuscharmut aufweist und gleichzeitig die gleiche Korrosionsbeständigkeit wie 440 °C bietet. Einige Hersteller geben für aus diesem Material hergestellte Lager die gleichen Tragzahlen wie Chromstahl an. Dies ist auf die Verwendung einer streng kontrollierten Wärmebehandlung mit einer Härte von bis zu Rc 60 zurückzuführen. Obwohl dies einer der am häufigsten verwendeten Edelstähle für Kugellager ist, hat dieses Material keine AISI-Bezeichnung.
Martensitische Edelstahllager – SV30
Martensitische Edelstähle können während der Rohstahlverarbeitung durch Reduzierung des Kohlenstoffgehalts und Zugabe von Stickstoff als Legierungselement modifiziert werden. Stickstoff erhöht die Sättigung von Chrom, wodurch Chromnitrid anstelle von Chromcarbid entsteht. Das Ergebnis ist ein hochfester, harter Stahl mit einer hervorragenden Mikrostruktur, der die Ermüdungslebensdauer in einigen Anwendungen um bis zu 100 % (doppelt) verlängern kann. Dieses Material verfügt außerdem über eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit, sogar fünfmal besser als 5C und ACD440. Aus diesem Material hergestellte Lager können 34–20 % teuer sein, was jedoch normalerweise durch die Vorteile einer überlegenen Leistung ausgeglichen wird.
Austenitischem Edelstahl
Austenitische Edelstähle der Serie 300 werden für nicht tragende Teile verwendet. Lagerkomponenten aus Edelstahl der Serie 300 sind korrosionsbeständig und aufgrund ihres geringen Kohlenstoffgehalts nicht magnetisch. Der Nachteil besteht jedoch darin, dass dieses Material nicht gehärtet werden kann, sodass die Lager nur bei geringen Belastungen und Drehzahlen betrieben werden können. Die chemische Reaktion der Lageroberfläche mit Sauerstoff wird Passivierungsprozess genannt; Der auf der Oberfläche gebildete Passivierungsfilm schützt das Lager vor Korrosion. Die Korrosionsbeständigkeit ist am besten, wenn das Lager nicht vollständig in die Flüssigkeit eingetaucht ist, beispielsweise bei Unterwasseranwendungen. Bei Lagern aus diesem Material handelt es sich in der Regel um Sonderbestellungen, für die eine Mindestmenge erforderlich ist; außerdem sind sie teuer.
Typischerweise haben Edelstahllager der Serie 300 ein Gehäuse der Güteklasse 304 und einen Lagerhalter der Güteklasse 302. Die Sorte 304 ist sehr bruchfest (hohe Duktilität) und weist eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit auf. 302 hat einen etwas höheren Kohlenstoffgehalt – was die Härte erhöht – und eignet sich daher für Komponenten im Lager selbst. Ein komplettes Lager aus Edelstahl der Serie 300 hat etwa die halbe Tragfähigkeit eines Lagers aus Wälzlagerstahl 52100.
AUB fertigt Lager aus Edelstahl 316, der im Vergleich zu herkömmlichen Stahl- und 440-Edelstahllagern eine überlegene Korrosionsbeständigkeit bietet. Edelstahl 316 ist beständiger gegen atmosphärische und allgemeine korrosive Bedingungen als jeder andere Standard-Edelstahl. Edelstahl 316 wird häufig in der Lebensmittel- und Medizinindustrie verwendet. Lager aus diesem Stahl können in Flüssigkeiten laufen oder bei niedrigen Drehzahlen trocknen. Edelstahl 316 ist ein molybdänhaltiger Edelstahl. Molybdän verleiht 316 insgesamt eine bessere Korrosionsbeständigkeit als 304, insbesondere eine höhere Beständigkeit gegen Lochfraß und Spaltkorrosion in Chloridumgebungen.
Hauptmerkmale:
Der Molybdängehalt erhöht die Widerstandsfähigkeit gegenüber Meeresumgebungen.
Hohe Kriechfestigkeit und gute Hitzebeständigkeit bei hohen Temperaturen.
Biokompatibel.
Die Herstellungseigenschaften ähneln denen der Typen 302 und 304.
Anwendungen: Lebensmittel- und pharmazeutische Verarbeitungsgeräte, Meeresumgebungen, chirurgische medizinische Geräte und Industriegeräte für den Umgang mit aggressiven Chemikalien, die bei der Herstellung von Tinten, Viskose, Fotochemikalien, Papier, Textilien, Bleichmitteln und Gummi verwendet werden.
Korrosionsbeständigkeit: Die Korrosionsbeständigkeit ist besser als bei Edelstahl 440c, 302, 304. Beständig gegen Natrium- und Calciumsalzlösungen, Hypochloritlösungen, Phosphorsäure, Sulfitlösungen und schwefelige Säure, die üblicherweise in der Zellstoffindustrie verwendet werden.
Materialzusammensetzung aus Edelstahl 316
Andere Edelstahllager der Serie 300
Lagerschilde, Dichtungsscheiben und Kugelkäfige werden manchmal aus Edelstahl AISI303 oder AISI304 hergestellt, da sie eine mäßige Korrosionsbeständigkeit aufweisen und sich für die Umformung in verschiedene Formen eignen.
Lager aus Kohlenstofflegierungsstahl
Kohlenstoffstahlmaterialien werden zur Herstellung verschiedener Lagerkomponenten verwendet. Es gibt zwei Grundtypen: legierten Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt und legierten Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt.
Lager aus legiertem Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt
Lager aus legierten Stählen mit mittlerem oder niedrigem Kohlenstoffgehalt werden oft als „Halbpräzisionslager“ oder „Commercial Grade“-Lager bezeichnet. Typische Materialien sind AISI8620 oder AISI4320. Die Innen- und Außenringe werden in einem Wärmebehandlungsprozess namens Einsatzhärten oder Aufkohlen einsatzgehärtet. Lager aus diesen Materialien halten hohen Belastungen oder hohen Drehzahlen nicht stand und sind nicht korrosionsbeständig. Aus diesen Materialien hergestellte Lager sind im Allgemeinen kostengünstig.
Lager aus kohlenstoffarmem legiertem Stahl
Weichstahl wird zur Herstellung von Lagerkäfigen, Metallschilden und Metallscheiben verwendet, um die herum Gummi zur Verwendung als Dichtungen geformt wird. Häufig verwendete Materialien sind AISI C1008 und C1010. Um das Material vor Korrosion zu schützen, ist eine Öl-/Fettbeschichtung (Käfig) oder eine Beschichtung (Abschirmung) erforderlich. Informationen zu Halterungen und Verschlüssen finden Sie in den jeweiligen technischen Merkblättern.
Wärmebehandlung von Wälzlagerstahl
Wenn sich Wälzlagerstahl in seinem weichen (ungehärteten) Zustand befindet, bezeichnen Metallurgen seine Struktur als perlitischen Zustand. Um Stahl zu härten, muss er auf sehr hohe Temperaturen erhitzt und dann sehr schnell abgekühlt werden. Beim Erhitzen auf 1,750 °F in einem Wärmebehandlung Im Ofen verändert sich das Gefüge von Perlit zu sogenanntem Austenit. Nach dem Abschrecken (schnelles Abkühlen) ändert sich das Gefüge von Austenit zu Martensit. Nach der Umwandlung in Martensit wird der Stahl sehr hart. Derzeit gilt es jedoch nicht als „thermisch stabil“. Dies liegt daran, dass beim Abschreckvorgang nicht der gesamte Austenit in Martensit umgewandelt wird. Dieses Phänomen wird „Retentionsaustenit“ genannt.
Wenn der Stahl thermisch nicht stabil ist, wandelt sich der Restaustenit über einen längeren Zeitraum (möglicherweise Jahre) in Martensit um. Diese Umwandlung geht mit einer Volumenzunahme einher und wird als metallurgisches Wachstum bezeichnet (nicht zu verwechseln mit thermischem Wachstum). Metallurgisches Wachstum kann selbst bei Raumtemperatur zu Veränderungen der Größe und Form jedes Stahlbauteils, beispielsweise eines Lagers, führen.
Während dieser Mangel an Dimensionsstabilität bei Standardlagern mit geringer Präzision kein Problem darstellt, kann er bei Miniaturlagern mit hoher Präzision (ABEC 5P, 7P, 9P) zu Problemen führen. Um dieses unerwünschte metallurgische Wachstum zu verhindern, muss der Stahl thermisch stabilisiert werden. Dies wird durch wiederholtes Abkühlen und Anlassen bei -120 F erreicht, um den größten Teil des Restaustenits in Martensit umzuwandeln.
