Volg me op:
Alles wat u moet weten over lagermaterialen
Lagers zijn essentieel voor de productie en worden gebruikt in veel verschillende soorten apparatuur en machines. Van eenvoudige industriële apparatuur tot complexe machines, lagers verminderen wrijving en maken het mogelijk om diverse belastingen te verwerken. Daarom is het gebruik van hoogwaardige en betrouwbare materialen cruciaal voor het productieproces van lagers.
Er worden verschillende materialen gebruikt om verschillende soorten hoogwaardige lagers en hun vele componenten te produceren. Deze materialen worden onderworpen aan een specifiek proces om de gewenste eigenschappen te verkrijgen die de levensduur en prestaties van het lager verlengen. Teams bij AUB kunnen de verschillende materialen bespreken die worden gebruikt bij de productie van lagers en hoe elk het gebruik, de integriteit en de functie van het lager beïnvloedt.
De prestaties van elk lager zijn afhankelijk van de eigenschappen van de gekozen legering en de warmtebehandeling ervan. Het selecteren van een materiaal met de juiste hardheid, corrosieweerstand en levensduur zorgt ervoor dat het lager betrouwbaar zal presteren binnen de bedrijfs- en omgevingsparameters van de toepassing. AUB gebruikt verschillende materialen om verschillende lagercomponenten te produceren. Deze materialen worden verwerkt om ideale eigenschappen te verkrijgen en de lagerprestaties en levensduur te maximaliseren. De hier beschreven materialen zijn de meest gebruikte. Het lagermateriaal wordt intern met warmte behandeld voor optimale hardheid en maatvastheid.
Chroomstalen lagers – 52100
Het meest gebruikte materiaal voor de productie van dragende componenten in precisiekogellagers, rollagers en kegellagers is chroomstaal 52100. Deze componenten omvatten de binnen- en buitenringen, kogels en rollen van het lager. De chemische samenstelling van dit staal is rijk aan koolstof en bevat ongeveer 1.5% chroom. Door gecontroleerde bewerkings- en warmtebehandelingsmethoden hebben de afgewerkte lagercomponenten een hoge sterkte om scheuren te weerstaan en harde oppervlakken om contactvermoeidheid onder het oppervlak te voorkomen. De typische oppervlaktehardheid van lagercomponenten gemaakt van dit materiaal ligt tussen de 60 en 64 op de Rockwell C-schaal (Rc).
Het heeft aanvaardbare kosten, een hoog hardheidsniveau en een stiller loopgeluid. Daarom zijn de voordelen van het gebruik van chroomstalen lagers een hoge hardheid, een hoog draagvermogen, een laag decibelniveau en een brede toegankelijkheid. Het moet echter gesmeerd blijven en is niet bestand tegen corrosie of chemicaliën. Gebruikers wordt geadviseerd chroomstalen lagers te beschermen met een olie- of roestwerende coating om corrosie te voorkomen.
Ultraschoon 52100 chroomstaal
Het ruwe staal dat wordt gebruikt voor de productie van uiterst nauwkeurige lagers wordt behandeld met een extra smeltstap, wat resulteert in een staal met een zeer uniforme structuur van fijnkorrelig materiaal: ultraschoon 52100 chroomstaal. De lagercontactvlakken kunnen superglad afgewerkt worden, waardoor de lagers zeer stil lopen.
De meest gebruikelijke warmtebehandelingsmethode voor chroomstaal is het afschrikken van het staal in een oven met gecontroleerde atmosfeer. Lagers van chroomstaal kunnen werken bij continue temperaturen tot 120°C. Bij hogere temperaturen kan het lagersamenstel thermisch worden gestabiliseerd. Door het warmtebehandelingsproces te variëren, is het mogelijk lagers te produceren die kunnen werken bij 220°C of hoger. Voor deze toepassingen moeten lagercomponenten worden getemperd bij hogere temperaturen die overeenkomen met de bedrijfstemperaturen. Deze verhoogde tempering heeft een nadelig effect op de hardheid van het materiaal en het draagvermogen van het lager wordt verminderd.
Zoals uit onderstaande tabel blijkt, varieert de standaard chemische samenstelling van chroomstaal van land tot land.
Een ander veelgebruikt materiaal dat wordt gebruikt om lagers te maken is roestvrij staal. Roestvrij staal is een populaire materiaalkeuze voor lagers vanwege het hoge chroom- en koolstofgehalte, dat beter bestand is tegen oppervlaktecorrosie dan chroomstaal. Er zijn meer dan 60 soorten roestvrij staal, die elk variëren afhankelijk van de samenstelling en fysieke eigenschappen. Over het algemeen omvat de samenstelling van roestvrij staal verschillende hoeveelheden chroom, koolstof, fosfor, nikkel, mangaan en molybdeen. Bovendien helpen kwaliteiten bij het beschrijven van de eigenschappen van roestvrij staallegeringen, waaronder corrosie- en temperatuurbestendigheid, magnetische respons, taaiheid, ductiliteit, lasbaarheid en werkharding.
Roestvrij staal bevat naast minimaal 18% chroom ook nikkel. Het chroom in het roestvrij staal reageert chemisch bij blootstelling aan zuurstof en vormt een laag chroomoxide op het oppervlak van de lagercomponenten. Deze passiverende chemische film biedt extra bescherming voor het lager. RVS lagers zijn echter minder hard vanwege hun koolstofgehalte. Hierdoor hebben ze een 20% lager draagvermogen dan 52100 chroomstalen lagers.
Er zijn twee veel voorkomende typen roestvrijstalen lagers: martensitisch en austenitisch. Martensitische roestvrijstalen lagers (SV30) ondergaan vaak slijtage tijdens de verwerking van het originele staal, wat resulteert in een lager koolstofgehalte en een verhoogd stikstofgehalte in het materiaal. Het resultaat is een staal met hoge sterkte, hardheid en verbeterde corrosieweerstand. Austenitische roestvrijstalen lagers (AISI316) zijn daarentegen niet-magnetisch en zeer corrosiebestendig vanwege hun lage koolstofgehalte. Ze kunnen echter alleen worden gebruikt voor toepassingen met lage belasting en lage snelheid.
Het koolstofgehalte in roestvrij staal uit de 400-serie is zo hoog dat het kan worden gehard tot Rc58 met behulp van standaard warmtebehandelingsmethoden. Lagers gemaakt van dit materiaal hebben vanwege de lagere hardheid een 20% lager draagvermogen dan 52100 chroomstalen lagers. Het koolstofgehalte betekent dat het onderdeel magnetisch is. De corrosiebestendigheid is “Goed” wanneer 440C-materiaal wordt blootgesteld aan zoet water en milde chemicaliën. Dit materiaal is zeer populair onder Amerikaanse lagerfabrikanten.
Lagers gemaakt van conventioneel 440C roestvrij staal zullen enigszins luidruchtig zijn omdat carbiden, die zich gewoonlijk concentreren op de korrelgrenzen, bloot komen te liggen tijdens het afwerken van de loopbaan. Lagers met grotere boringen worden niet beïnvloed door deze aandoening. Lagers gemaakt van roestvrij staal uit de 400-serie kunnen bij hogere temperaturen werken dan chroomstaal, tot 250 °C continu. Lagers gemaakt van dit materiaal zijn meestal duurder dan lagers van chroomstaal.
AISI 440 roestvrij staal – Uitstekende taaiheid en hardheid met goede corrosieweerstand. Dit materiaal wordt veel gebruikt in lagertoepassingen waarbij nauwkeurige toleranties en oppervlakteafwerkingen vereist zijn. Gewone warmtebehandeling kan worden uitgevoerd in overeenstemming met MIL-H-6875. Roestvaststalen lagers zijn verkrijgbaar in verschillende materiaalsoorten en samenstellingen van roestvrij staal. Voordelen van roestvrijstalen lagers zijn onder meer: Bestand tegen zware corrosieve omstandigheden, wat resulteert in een langere levensduur, lagere onderhoudskosten en uitval van apparatuur. Blootstelling aan zeewater is een van de zwaarste toepassingen in de lagerwereld. Voor zeewatertoepassingen zijn speciale soorten roestvrij staal beschikbaar.
Martensitische roestvrijstalen lagers – ACD34 / KS440 / X65Cr13
Veel lagerfabrikanten gebruiken voor hun ringen en kogels roestvrij staal met een iets lager koolstof- en chroomgehalte dan AISI 440C, bekend onder verschillende namen zoals ACD34, KS440 en X65Cr13. Bij warmtebehandeling heeft dit materiaal kleinere carbiden, zodat het lager uitstekende geluidsarme eigenschappen heeft en tegelijkertijd dezelfde corrosieweerstand biedt als 440C. Sommige fabrikanten publiceren dezelfde belastingswaarden als chroomstaal voor lagers die uit dit materiaal zijn vervaardigd. Dit komt door het gebruik van een streng gecontroleerde warmtebehandeling met een hardheid tot Rc 60. Hoewel dit één van de meest gebruikte roestvaststalen voor kogellagers is, heeft dit materiaal geen AISI-aanduiding.
Martensitische roestvrijstalen lagers – SV30
Martensitische roestvaste staalsoorten kunnen tijdens de verwerking van ruw staal worden gemodificeerd door het koolstofgehalte te verlagen en stikstof als legeringselement te introduceren. Stikstof verhoogt de verzadiging van chroom, dat verandert in chroomnitride in plaats van chroomcarbide. Het resultaat is een staal met hoge sterkte en hoge hardheid en een uitstekende microstructuur die de levensduur van vermoeiing in sommige toepassingen tot wel 100% (dubbel) kan verlengen. Dit materiaal heeft ook een verbeterde corrosieweerstand, zelfs 5 keer beter dan 440C en ACD34. Lagers gemaakt van dit materiaal kunnen 20 – 40% duur zijn, maar dit wordt meestal gecompenseerd door de voordelen van superieure prestaties.
Austenitisch roestvrij staal
Austenitisch roestvast staal uit de 300-serie wordt gebruikt voor niet-dragende onderdelen. Lagercomponenten gemaakt van roestvrij staal uit de 300-serie zijn bestand tegen corrosie en zijn niet-magnetisch vanwege hun lage koolstofgehalte. De wisselwerking is echter dat dit materiaal niet kan worden gehard, waardoor de lagers alleen bij lage belastingen en snelheden kunnen werken. De chemische reactie van het lageroppervlak met zuurstof wordt het passivatieproces genoemd; de op het oppervlak gevormde passivatiefilm beschermt het lager tegen corrosie. Corrosiebestendigheid is het beste als het lager niet volledig in de vloeistof is ondergedompeld, zoals bij onderwatertoepassingen. Lagers gemaakt van dit materiaal zijn meestal speciale bestellingen waarvoor een minimumhoeveelheid vereist is; bovendien zijn ze duur.
Meestal hebben roestvrijstalen lagers uit de 300-serie een behuizing van klasse 304 en een lagerhouder van klasse 302. Kwaliteit 304 is zeer breukvast (hoge ductiliteit) en heeft een zeer hoge corrosieweerstand. 302 heeft een iets hoger koolstofgehalte – toenemende hardheid – waardoor het geschikt is voor onderdelen in het lager zelf. Een compleet lager van roestvrij staal uit de 300-serie heeft ongeveer de helft van het draagvermogen van een lager van 52100-lagerstaal.
AUB vervaardigt lagers met behulp van roestvrij staal 316, dat superieure corrosieweerstand biedt in vergelijking met conventioneel staal en lagers van roestvrij staal 440. 316 roestvrij staal is beter bestand tegen atmosferische en algemene corrosieve omstandigheden dan enig ander standaard roestvrij staal. 316 roestvrij staal wordt veel gebruikt in de voedingsmiddelen- en medische industrie. Lagers gemaakt van dit staal kunnen in vloeistoffen lopen of bij lage snelheden drogen. 316 roestvrij staal is een molybdeenhoudend roestvrij staal. Molybdeen geeft 316 een betere algehele corrosieweerstand dan 304-kwaliteit, vooral een hogere weerstand tegen putcorrosie en spleetcorrosie in chloride-omgevingen.
Opvallende kenmerken:
Het molybdeengehalte verhoogt de weerstand tegen mariene omgevingen.
Hoge kruipsterkte en goede hittebestendigheid bij hoge temperaturen.
Biocompatibel.
De productiekenmerken zijn vergelijkbaar met de typen 302 en 304.
Toepassingen: Apparatuur voor de verwerking van voedsel en farmaceutische producten, maritieme omgevingen, chirurgische medische apparatuur en industriële apparatuur voor de verwerking van agressieve chemicaliën die worden gebruikt bij de productie van inkten, rayon, fotografische chemicaliën, papier, textiel, bleekmiddel en rubber.
Corrosiebestendigheid: De corrosiebestendigheid is beter dan die van roestvrij staal 440c, 302 en 304. Bestand tegen natrium- en calciumzoutoplossingen, hypochlorietoplossingen, fosforzuur, sulfietoplossingen en zwaveligzuur, die veelvuldig worden gebruikt in de papierindustrie.
Materiaalsamenstelling van 316 roestvrij staal
Andere roestvrijstalen lagers uit de 300-serie
Lagerschilden, afdichtringen en kogelkooien worden soms vervaardigd uit AISI303 of AISI304 roestvrij staal, omdat ze een matige corrosieweerstand hebben en geschikt zijn om in verschillende vormen te worden gevormd.
Lagers van koolstofgelegeerd staal
Koolstofstaalmaterialen worden gebruikt om verschillende componenten van lagers te produceren, en er zijn twee basistypen: gelegeerd staal met middelmatig koolstofgehalte en gelegeerd staal met laag koolstofgehalte.
Middelgrote lagers van koolstofgelegeerd staal
Lagers gemaakt van gelegeerd staal met een middelmatig koolstofgehalte of een laag koolstofgehalte worden vaak “semi-precisie” of “commerciële” lagers genoemd. Typische materialen zijn AISI8620 of AISI4320. De binnen- en buitenringen zijn gehard in een warmtebehandelingsproces dat 'cassetteharden' of carbureren wordt genoemd. Lagers gemaakt van deze materialen zijn niet bestand tegen hoge belastingen of hoge snelheden en zijn niet corrosiebestendig. Lagers gemaakt van deze materialen zijn over het algemeen goedkoop.
Lagers van gelegeerd staal met laag koolstofgehalte
Zacht staal wordt gebruikt voor de productie van lagerkooien, metalen schilden en metalen ringen waarrond rubber wordt gegoten voor gebruik als afdichtingen. Veelgebruikte materialen zijn AISI C1008 en C1010. Een olie-/vetcoating (kooi) of beplating (schild) is vereist om het materiaal tegen corrosie te beschermen. Voor informatie over houders en sluitingen, zie de betreffende technische bulletins.
Warmtebehandeling van lagerstaal
Wanneer lagerstaal zich in zijn zachte (ongeharde) toestand bevindt, spreken metallurgen van de perlietstructuur. Om staal te harden, moet het tot zeer hoge temperaturen worden verhit en vervolgens zeer snel worden afgekoeld. Wanneer het in een warmtebehandelingsoven tot 1,750 °F (900 °C) wordt verhit , verandert de structuur van perliet in wat bekend staat als austeniet. Na afkoeling (snel afkoelen) verandert de structuur van austeniet in martensiet. Zodra het is omgezet in martensiet, wordt het staal zeer hard. Het wordt echter op dit moment nog niet als "thermisch stabiel" beschouwd. Dit komt doordat niet al het austeniet tijdens het afkoelingsproces in martensiet wordt omgezet. Dit verschijnsel wordt "resterend austeniet" genoemd.
Als het staal niet thermisch stabiel is, zal het vastgehouden austeniet gedurende een langere periode (mogelijk jaren) transformeren in martensiet. Deze transformatie gaat gepaard met een toename van het volume en wordt metallurgische groei genoemd (niet te verwarren met thermische groei). Metallurgische groei kan veranderingen in de grootte en vorm van elk stalen onderdeel, zoals een lager, veroorzaken, zelfs bij kamertemperatuur.
Hoewel dit geen probleem is bij lagers van het basistype met lage precisie, kan dit gebrek aan maatvastheid problemen veroorzaken bij miniatuurlagers met hoge precisie (ABEC 5P, 7P, 9P). Om deze ongewenste metallurgische groei te elimineren, moet het staal thermisch worden gestabiliseerd. Dit wordt bereikt door herhaaldelijk afkoelen en temperen bij -120 F om het grootste deel van het achtergebleven austeniet in martensiet om te zetten.
