Wie wählen Sie die passenden Hochtemperaturlager aus?

Wälzlager sind unverzichtbare Bauteile in Maschinen, da sie einen ruhigen und effizienten Drehbetrieb ermöglichen. In Branchen wie der Stahlproduktion, in Öfen und in Gasturbinen können extrem hohe Temperaturen auftreten. Unter diesen Bedingungen ist die Auswahl des geeigneten Lagers entscheidend.

In diesem Blog erläutern wir, wie Sie die richtigen Werkstoffe auswählen und worauf beim Einsatz von Lagern bei hohen Temperaturen zu achten ist. Außerdem geben wir praktische Hinweise zur Auswahl geeigneter Hochtemperaturlager für Ihren Bedarf.

Wichtige Auswahlkriterien für Hochtemperaturlager

Betriebstemperatur

Temperaturgrenzen von Lagerwerkstoffen verstehen

Auswirkungen extremer Hitze auf Lagerkomponenten

• Auswirkungen auf Ringe, Wälzkörper, Käfige und Dichtscheiben: Extreme Hitze kann diese Bauteile schädigen und sie im Zeitverlauf schwächen sowie in ihrer Wirksamkeit beeinträchtigen.

• Risiken der Wärmeausdehnung: Hohe Temperaturen können zur Ausdehnung der Lagerbauteile führen. Dadurch verringert sich das Spiel, und die Reibung nimmt zu.

• Werkstoffstabilität: Entscheidend ist der Einsatz von Werkstoffen, die auch bei hohen Temperaturen ihre Form und Abmessungen beibehalten. So wird eine zuverlässige Funktion sichergestellt und Ausfällen unter extremer Hitze vorgebeugt.

Tragfähigkeit und Drehzahl

Lastarten und ihre Auswirkungen auf die Lagerauswahl

• Axial- und Radiallasten: Hohe Temperaturen können die Lagerwerkstoffe schwächen.

• Dadurch wird es für die Lager schwieriger, mechanische Belastungen sowohl aus axialen Kräften (entlang der Welle) als auch aus Radialkräften (quer zur Welle) sicher aufzunehmen.

• Kombinierte Lasten: Hochtemperatur-Lager müssen sorgfältig ausgewählt werden, damit sie sowohl axiale als auch radiale Lasten aufnehmen können. Dies ist insbesondere bei hohen Temperaturen von entscheidender Bedeutung.

Drehzahlaspekte bei Hochtemperatur-Lagern

Hochtemperatur-Lager in Hochgeschwindigkeitsanwendungen stehen vor der Herausforderung, verstärkte Reibung und Wärmeentwicklung zu bewältigen. Daher ist der Einsatz von Werkstoffen unverzichtbar, die sowohl hohe Drehzahlen als auch die damit verbundene thermische Belastung sicher aushalten.

Zwischen Tragfähigkeit und Drehzahl besteht häufig ein Zielkonflikt. Hochdrehzahl-Lager aus Werkzeugstahl wie M50 sind für extreme Einsatzbedingungen ausgelegt. Sie bieten einen ausgewogenen Kompromiss zwischen hoher Leistungsfähigkeit und Dauerhaltbarkeit unter starken Belastungen.

Schmierung von Hochtemperatur-Lagern

Herausforderungen bei der Schmierung von Lagern bei erhöhten Temperaturen

Hohe Temperaturen können herkömmliche Schmierstoffe wie Mineralöle zersetzen. In der Folge steigen Reibung und Verschleiß deutlich an. Das führt zu einer geringeren Leistungsfähigkeit und einer verkürzten Lebensdauer von Hochtemperatur-Lagern.

Bei der Auswahl eines Schmierstoffs stehen im Wesentlichen zwei Optionen zur Verfügung: Fett und Festschmierstoffe. Hochtemperaturfette, etwa fluorierte Fette wie EXSEV-EX, sind in bestimmten Anwendungen wirksam. Sie eignen sich besonders dort, wo Flüssigschmierstoffe eingesetzt werden können.

Festschmierstoffe wie Molybdändisulfid (MoS2) und Wolframdisulfid (WS2) eignen sich besser für hohe Temperaturen. Sie zersetzen sich nur schwer und gewährleisten eine zuverlässige Schmierung.

Die richtige Schmierung für unterschiedliche Temperaturbereiche auswählen

Werkstoffauswahl für Hochtemperaturlager

Keramiklager

Vorteile:

• Hohe Hitzebeständigkeit

• Geringe Wärmeausdehnung

• Korrosionsbeständigkeit

• Nicht magnetisch

• Nicht leitfähig

Nachteile:

• Hohe Kosten

• Spröde Werkstoffeigenschaften

• Geringere Tragfähigkeit im Vergleich zu Stahl

Anwendungen:

• Ideal für den Einsatz in Öfen

• Komponenten für die Luft- und Raumfahrt

• Reinraumgeräte

Hybridlager

Vorteile:

Kombiniert die Festigkeit und Verschleißfestigkeit von Stahlringen mit der geringen Reibung und der hohen Wärmebeständigkeit von Keramikkugeln.

Anwendungen:

• Hochgeschwindigkeitsmaschinen

• Elektromotoren

• industrielle Hochtemperaturumgebungen

Hochgeschwindigkeits-Wälzlager aus Werkzeugstahl

Werkstoffe:

Stähle M50, BG42 und XD16N.

Vorteile:

• Geeignet für extreme Drehzahlen und Temperaturen.

• Bietet hohe Festigkeit und lange Lebensdauer.

Anwendungen:

• Stahlwerke

• Turbinen für die Luft- und Raumfahrt

• Hochleistungsmaschinen

Besondere Anforderungen an Hochtemperaturlager

Thermische Ausdehnung und Lagerluftmanagement

Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE)

Verschiedene Werkstoffe dehnen sich bei Erwärmung unterschiedlich stark aus. Keramik weist eine geringe Ausdehnung auf, während Stahl eine deutlich höhere Ausdehnung besitzt.

Die korrekte Lagerluft bei Hochtemperaturlagern ist sicherzustellen. So lassen sich Probleme wie erhöhter Innendruck und Fressen des Lagers vermeiden.

Lagerluft unter Hochtemperaturbedingungen beherrschen

Bei Normaltemperatur sollte ein zusätzlicher Lagerluftspalt vorgesehen werden. So lässt sich die Materialausdehnung bei steigender Temperatur berücksichtigen.

Eine falsche Lagerluft kann bei Hochtemperaturlagern zu einer Fehlausrichtung führen und Reibung sowie Verschleiß erhöhen. Dadurch verkürzt sich die Lebensdauer der Hochtemperallager, während das Ausfallrisiko steigt.

Korrosionsbeständigkeit in Hochtemperaturumgebungen

Keramische Werkstoffe im Vergleich zu Edelstahl

Siliziumnitrid (Si3N4) ist gegenüber den meisten Säuren und alkalischen Lösungen beständig. Gegenüber Flusssäure kann es jedoch angegriffen werden.

Zirkonoxid (ZrO2) und Siliziumkarbid (SiC) bieten eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit. Sie eignen sich sowohl für stark saure als auch für alkalische Umgebungen.

Die richtigen Lager für korrosive Hochtemperaturbedingungen auswählen

Keramische Werkstoffe eignen sich hervorragend für Umgebungen mit korrosiven Gasen, Chemikalien oder Salzwasser. Daher sind sie besonders geeignet für den Einsatz in Chemieanlagen und der maritimen Industrie.

Umgebungsfaktoren: Reinraum- und Vakuumanwendungen

Lager für Reinraumumgebungen

Der Einsatz martensitischen Edelstahls (SUS440C) und polymerer Festschmierstoffe trägt dazu bei, Partikelemissionen zu reduzieren.

Hochtemperaturlager eignen sich ideal für den Einsatz in der Halbleiterfertigung, der Lebensmittelverarbeitung und in Reinraumumgebungen.

Lager für Vakuumumgebungen

Für Vakuumbedingungen sind Lager aus Edelstahl (JIS SUS630) oder Keramik bevorzugte Optionen.

In Vakuumumgebungen kommen häufig WS2 und MoS2 als Schmierstoffe zum Einsatz.

Beim Einsatz von Hochtemperaturlagern in Vakuumumgebungen sind der Vakuumdruck und Temperaturschwankungen zu berücksichtigen.

Gängige Hochtemperaturlagertypen und ihre Einsatzbereiche

Vollkeramiklager

Wesentliche Merkmale

• Bestehen vollständig aus keramischen Werkstoffen wie Siliziumnitrid oder Zirkonoxid.

• Geeignet für extreme Temperaturen bis zu 1600°C.

• Zu den Anwendungen zählen Triebwerksturbinen, Anlagen der Halbleiterfertigung und Hochtemperatur-Industrieöfen.

Stärken und Schwächen

• Stärke: Hervorragende Wärme- und Korrosionsbeständigkeit.

• Schwäche: Geringere Tragfähigkeit und höhere Kosten im Vergleich zu Hybrid- oder Stahlwälzlagern.

Hybrid-Keramiklager

Werkstoffaufbau

• Hybrid-Keramiklager bestehen aus Stahlringen in Kombination mit Keramikkugeln.

• Sie werden typischerweise bei Temperaturen bis zu 500°C eingesetzt.

• Typische Anwendungen sind hochdrehende Industriemaschinen, Hochleistungsmotoren und Triebwerke der Luft- und Raumfahrt.

Vorteile

• Vereint die Tragfähigkeit von Stahl mit der Wärmebeständigkeit und dem geringen Reibwert von Keramik.

• Wirtschaftlicher als Vollkeramiklager.

Hochtemperatur-Stahllager

Geeignete Einsatzbereiche

• Geeignet für Anwendungen bis zu 350°C.

• Zu den gängigen Werkstoffen zählen martensitischer Edelstahl (SUS440C) und ausscheidungshärtender Stahl (SUS630).

• Typische Anwendungen sind Stahlwerke, Abgasanlagen im Automobilbereich, Öfen in der Lebensmittelverarbeitung und Brennöfen.

So sichern Sie Lebensdauer und Leistungsfähigkeit von Hochtemperaturlagern

Fachgerechte Montage und Passung

Temperatureinfluss auf die Lagermontagepassung

Unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten beeinflussen das Passungsverhalten von Hochtemperaturlagern im Betrieb. Werkstoffe, die sich unterschiedlich stark ausdehnen, können die Lagerluft verändern und damit die Leistungsfähigkeit beeinträchtigen.

Stellen Sie bei der Montage die korrekte Lagerluft für Hochtemperaturlager sicher. Dies ist insbesondere im Einsatz bei hohen Temperaturen entscheidend. So bleiben Ausrichtung und Laufverhalten erhalten, während das Risiko von Überhitzung oder Fressen sinkt.

Umfangsspannung und Lagerringe

Es ist entscheidend, dass die Umfangsspannung an den Lagerringen von Hochtemperaturlagern die Streckgrenze bei hohen Temperaturen nicht überschreitet. Eine zu hohe Umfangsspannung kann zu Verformungen oder zum Ausfall der Ringe führen und damit ihre Integrität und Leistungsfähigkeit beeinträchtigen. Eine geeignete Auslegung und Werkstoffwahl sind wesentlich, um sichere Betriebsbedingungen zu gewährleisten und die Lebensdauer der Hochtemperaturlager zu verlängern.

Wartung und Überwachung

Präventive Wartung für Hochtemperaturlager

Regelmäßige Inspektionen sind für Hochtemperaturlager wichtig. Prüfen Sie fortlaufend Verschleiß, Schmierstoffstand und Lagerluft. So lassen sich potenzielle Probleme frühzeitig erkennen, bevor sich der Zustand der Hochtemperaturlager weiter verschlechtert.

Schmierstoffmanagement: Schmierstoffe bei Bedarf nachschmieren und Hochtemperaturlager beim ersten Anzeichen von Verschleiß oder Beschädigung ersetzen. Rechtzeitige Wartung kann ungeplante Ausfälle verhindern und die Lebensdauer der Hochtemperaturlager verlängern.

Frühzeitige Erkennung von Lagerausfällen

Achten Sie auf übermäßige Geräusche, erhöhten Reibungswiderstand oder Temperatursprünge, da dies auf einen möglichen Ausfall von Hochtemperaturlagern hinweisen kann.

Der Einsatz von Überwachungssystemen ist für Hochtemperaturanwendungen unverzichtbar. Sie erkennen frühe Ausfallanzeichen, ermöglichen eine rechtzeitige Wartung und helfen, kostspielige Stillstände zu vermeiden.

Fazit

Zusammenfassend hängt die Leistungsfähigkeit von Hochtemperaturlagern von Betriebstemperatur, Werkstoffwahl, Tragfähigkeit und Schmierung ab. Die Auswahl der passenden Hochtemperaturlager erhöht Lebensdauer und Zuverlässigkeit und senkt zugleich Wartungs- und Stillstandskosten.

Die Anpassung von Hochtemperaturlagern an den jeweiligen Einsatzfall ist entscheidend für eine optimale Leistung. Eine fachkundige Beratung ist daher sinnvoll. Experten können wertvolle Unterstützung leisten, damit Sie die passenden Lager für Ihre Anwendung auswählen.