Durch die Verwendung anwendungsspezifischer Lagerstähle und Oberflächenbehandlungen kann die Zuverlässigkeit von Lagern erheblich erhöht werden, was wiederum zur Reduzierung der Gesamtbetriebskosten für Maschinen und Geräte (Total Cost of Ownership) beiträgt.
Bei Hochleistungslagern spielt die Auswahl und Optimierung von (Stahl-) Werkstoffen eine zentrale Rolle bei deren Entwicklung. Aus diesem Grund ist die Werkstofftechnik eine von vier zentralen Forschungs- und Entwicklungstechnologien bei NSK.
Eine Kombination aus einer speziellen Legierung und einer spezifischen Wärmebehandlung wurde verwendet, um den Super Tough-Stahl von NSK zu entwickeln
Materialreinheit
Die Lebensdauer von legierten Lagerstählen wie beispielsweise 100 Cr6 (oder SUJ2 in der japanischen Norm) hängt hauptsächlich vom Einschlussgehalt ab. Insbesondere Oxid- oder nichtmetallische Einschlüsse fördern negative Effekte unter der Laufbahnoberfläche. Beispielsweise ist bekannt, dass Aluminiumoxideinschlüsse, die durch den Oxidationsprozess während der Schmelze gebildet werden, zu einer erheblichen Verringerung der Lagerermüdungslebensdauer führen können. Dieser Effekt wird erzeugt, weil Aluminiumoxideinschlüsse relativ hart sind und sich auflösen können, wenn Der Stahl wird verarbeitet, beispielsweise beim Schmieden. Wenn ein Aufbrechen auftritt, schrumpfen die Einschlüsse und schwächen die Mikrostruktur.
BNEQARTET-Rillenkugellager werden in Antrieben von elektrischen Maschinen wie Haushaltsgeräten eingesetzt
In Zusammenarbeit mit einem führenden Stahlhersteller hat NSK Materialien wie Z-Stahl, EP-Stahl und BNEQUARTET entwickelt, um diese Art von negativen Auswirkungen zu verhindern. Einige dieser Materialien werden unter Verwendung spezieller Schmelzverfahren hergestellt, die den nichtmetallischen Gehalt verringern und die Lebensdauer verlängern.
Anwendungsspezifische Wärmebehandlung
Die Wärmebehandlung ist ein weiterer Parameter, der die spezifischen Eigenschaften von Stählen beeinflusst und folglich auch die Lager beeinflusst. Aus diesem Grund werden Materialien wie der SHX-Stahl von NSK einer speziellen Wärmebehandlung unterzogen, die bei hohen Betriebstemperaturen besonders verschleißfest ist. Lager dieses Typs sind nicht nur dort erforderlich, wo Wärme als fester Bestandteil des Prozesses vorhanden ist, sondern auch in Anwendungen wie Maschinenwerkzeugen, bei denen schnelle Spindeldrehzahlen hohe Temperaturen in den Antriebskomponenten erzeugen.
Während der Entwicklung wurden die Eigenschaften von SHX-Stahl durch umfassende Verschleißfestigkeitstests, einschließlich Vierkugel- und Rollentests sowie Material- und Oberflächenermüdungslebensdauertests, nachgewiesen.
Typisches Schadensmuster: Weiße Ätzbereiche unter der Materialoberfläche
Der Unterschied liegt in der Legierung
Der dritte Parameter bei der Suche nach einer höheren Lagersicherheit ist die Legierung. Legierungen können die Bildung von Rissen in der Lagermikrostruktur verhindern oder zumindest minimieren. Auch in Zusammenarbeit mit Stahlherstellern hat NSK verschiedene Speziallegierungen für dieses Anwendungsprofil entwickelt.
Polierte vierreihige Zylinderrollenlager, die als integrierte Planetenlager in Windkraftanlagen verwendet werden
Materialien wie der Super Tough-Stahl von NSK entstehen durch die Kombination der optimalen Wärmebehandlung mit einer Speziallegierung (Image1). Beispielsweise erhöht das Härten von Stählen unter Verwendung eines Verfahrens wie Carbonitrieren die Lebensdauer um den Faktor zwei im Vergleich zur geschätzten Lebensdauer unter kontaminierten Schmierbedingungen. In Umgebungen, in denen das Schmiermittel normale Verunreinigungen aufweist, kann die Lagerlebensdauer sogar um den Faktor 10 erhöht werden. Der Grund für diese verbesserte Leistung ist, dass der durch unzureichende Schmierung oder Verunreinigung des Schmiermittels verursachte oberflächeninduzierte Verschleiß erheblich verringert wird. Jeder mögliche Schaden, der durch „weiße Ätzrisse“ (WECs) verursacht wird, wird verzögert.
Beispiel 1
Die Entwicklung neuer Materialien erfolgt normalerweise als Reaktion auf industrielle Trends oder Änderungen der Anwendungsanforderungen. Dies war bei der BNEQUARTET-Technologie der Fall, die NSK vor zwei Jahren erstmals einführte (Image2). BNEQUARTET wurde ursprünglich als Reaktion auf die stetige Zunahme der Größe der Waschmaschinen entwickelt. Die in Frontlader-Waschmaschinen in ganz Europa häufig vorkommenden Rillenkugellager sind einer ungleichmäßigen und asymmetrischen Belastung ausgesetzt. Mit zunehmender Trommelgröße stellen höhere Waschlasten noch höhere Anforderungen an die Lager.
Vorteile von Super-TF beim Betrieb mit kontaminiertem Schmiermittel
Als Reaktion darauf machten sich NSK-Materialexperten daran, die Legierungszusammensetzung eines Spezialstahls zu verbessern, der die Bildung von Rissen und Vertiefungen in den Laufbahnen verhindert und vor allem deren Ausbreitung verhindert. Außerdem ist dieser spezielle Stahl besonders rein. Die in der BNEQARTET-Technologie angewendeten Maßnahmen führten zu einer Verdoppelung der Lagerlebensdauer bei hoher Belastung und ungünstigen Umweltbedingungen.
Beispiel 2
Ein weiteres Beispiel für eine anwendungsorientierte Materialentwicklung ist die Windturbinentechnologie. Hier können unterhalb der Materialoberfläche Schäden an den Lagern in Form von WECs auftreten (Bild 3). Diese Weißstrukturen aus sprödem Ferrit, die durch Änderungen der Mikrostruktur gebildet werden, können in geätzten und polierten Querschnitten des Materials beobachtet werden. Die veränderten Strukturen können den angewendeten Hochlasten nicht mehr standhalten. WECs bilden sich und breiten sich aus, was zu Oberflächenfehlern wie Lochfraß oder WSF (White Structure Flaking) führt.
Keramikbauteile und Lagerbeschichtungen sind ein weiteres Forschungsgebiet bei NSK
Wissenschaftler konnten die Gründe für WEC nie vollständig erklären. Gegenwärtiges Denken geht davon aus, dass die Bedingungen durch die Auswirkungen der Wechselwirkung der Komponenten innerhalb des Antriebsstrangs verursacht werden. Dazu gehören Dynamik, Mischreibung, elektrische Ladungen / Ströme, chemische Faktoren, Schlupf- / Gleitbewegungen und Wasserstoffdiffusion.
Gegenmaßnahmen entwickeln
Dank des Erfolgs bei der Replikation von WEC im Labor konnte NSK anschließend Gegenmaßnahmen entwickeln, die das Polieren von mit Martensit gehärteten Lagerstählen zusammen mit bestimmten anderen Materialien umfassen (Bild 4). Es hat sich gezeigt, dass dieser zusätzliche Prozess das Auftreten von WEC-Schäden erheblich verzögert.
Eine weitere wirksame Methode zur Verringerung der Wahrscheinlichkeit von WEC-Schäden ist die Verwendung von Lagerringen aus Tough Steel von NSK. Durch diese Kombination aus Material- und Oberflächenbehandlung kann die dynamische Tragfähigkeit normalerweise um 23% verbessert werden, was bei Wälzlagern einer Verdoppelung der Lebensdauer entspricht.
WEC-Schaden reduzieren
In Bezug auf oberflächeninduzierten Verschleiß aufgrund schlechter Schmierung oder kontaminierten Schmiermittels wird dies durch die Verwendung von STF-Lagern (Bild 5) stark reduziert, während sich potenzielle WEC-Schäden verzögern. Eine Reihe von NSK-Tests ergab, dass sich die Zeit vor dem Einsetzen des Schadens verdoppelte.
Eine weitere vorteilhafte Strategie ist die Verwendung von Lagerringen aus 'Anti-White Structure-Tough' (AWS-TF), einem proprietären NSK-Material, das speziell zur Verhinderung von WEC-Schäden entwickelt wurde. In einer umfangreichen Testreihe wurde die Lebensdauer herkömmlicher Stahllagerringe bis zu dem Zeitpunkt gemessen, an dem WEC-Schäden festgestellt wurden. Dann wurde die Testreihe mit AWS-TF wiederholt. Nach achtmal längerer Lebensdauer als bei herkömmlichen Stahllagerringen wurden keine WEAs (weiße Ätzbereiche) im Material festgestellt.
Kunststoffe und Keramik
Bei der Materialentwicklung bei NSK geht es nicht nur um Stahl. Kunststoffmaterialien sowie Nichteisenmetalle wie Messing werden ebenfalls getestet, um die Eigenschaften von Käfigen gezielt zu verbessern. Darüber hinaus spielen Keramik und Keramikbeschichtungen (Bild 6) eine zunehmende Rolle, wenn Anpassungen der elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften erforderlich sind von Lagern und deren Verschleißfestigkeit. Zu diesem Thema hat NSK kürzlich eine Keramikentwicklung namens HDY2 eingeführt, die optimierte Isolations- und Wärmeleitfähigkeitseigenschaften aufweist.
Ein weiterer Schwerpunkt der Materialentwicklung sind Schmierstoffe. Die Tribologie ist neben der Materialtechnologie eine separate Kernkompetenz in der Forschungs- und Entwicklungsorganisation von NSK.