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Entwicklungstrends von Wälzlagerwerkstoffen

 

In WälzlagerDie Fertigungsmethode und die Materialeigenschaften bestimmen unmittelbar die Lebensdauer, Zuverlässigkeit und die zulässigen Betriebsbedingungen eines Lagers. Aktuell werden Lagerteile hauptsächlich aus hochkohlenstoffhaltigem Chromlagerstahl wie dem gängigen GCr15 und GCr15SiMn gefertigt. In den letzten Jahren wurden die Lagerwerkstoffe aufgrund der Entwicklung von Anlagen hin zu höheren Drehzahlen, größeren Belastungen, höheren Temperaturen und komplexeren Betriebsbedingungen kontinuierlich verbessert. Dabei lassen sich im Wesentlichen folgende Entwicklungsrichtungen erkennen:

 

1. Hochhärtbarer Wälzlagerstahl

 

Um den Anforderungen an großformatige, dickwandige Lagerbauteile gerecht zu werden, hat die Industrie schrittweise hochhärtbare Wälzlagerstähle wie GCr15SiMo und GCr18Mo entwickelt. Diese Werkstoffe ermöglichen eine gleichmäßige Härtung auch bei größeren Querschnittsabmessungen, wodurch die Gesamtfestigkeit und Dauerfestigkeit der Bauteile verbessert werden. Sie eignen sich daher für große Lager und Schwerlastanlagen.

 

2. Oberflächengehärteter Wälzlagerstahl

 

GCr4-Oberflächenhärtungsstahl findet häufig Anwendung in Schwerlastanlagen wie Schienenfahrzeugen und Walzwerken. Durch Mittelfrequenz-Induktionserwärmung und schnelle Abkühlung lässt sich auf der Bauteiloberfläche eine gehärtete Schicht bestimmter Tiefe erzeugen. Dies verleiht dem Lager sowohl eine hohe Oberflächenhärte als auch eine hohe Kernzähigkeit und verbessert somit die Dauerfestigkeit und Schlagfestigkeit.

 

3. Neue Arten von Edelstahl-Wälzlagerstählen

Herkömmliche Edelstähle wie 9Cr18 und 9Cr18Mo (440C) weisen zwar eine gute Korrosionsbeständigkeit auf, neigen jedoch zur Bildung grober Karbide, was die Dauerfestigkeit und die Oberflächenqualität beeinträchtigt. Der in den letzten Jahren entwickelte martensitische Edelstahl 0,7C-13Cr verbessert durch die Reduzierung des Kohlenstoff- und Chromgehalts sowie die Verringerung der eutektischen Karbide die Kontaktfestigkeit, die Zähigkeit und die Korrosionsbeständigkeit von Lagern. Er wird häufig in präzisionsgefertigten, rostfreien Lagern wie Festplattenlagern und Lagern für medizinische Geräte eingesetzt.

 

4. Hochfester legierter Stahl

 

Die Wälzlagerstähle der GT-Serie zeichnen sich durch eine optimierte Legierungszusammensetzung, verbesserte Festigkeit und Zähigkeit sowie erhöhte Anlassstabilität aus. Sie eignen sich für Schwerlast- und Leichtbaulager und bieten unter sauberen Schmierbedingungen eine lange Lebensdauer.

 

5. Verschmutzungsresistenter Wälzlagerstahl

 

In der Praxis können Staub oder Abriebpartikel im Schmieröl Vertiefungen auf der Lagerfläche bilden, was zu Spannungskonzentrationen und vorzeitigem Materialermüdungsverschleiß führt. Um diesem Problem zu begegnen, hat Japan die TF-Serie von schmutzresistenten Wälzlagerstählen (wie z. B. TF, HTF, STF, NTF usw.) entwickelt.

 

Durch die Optimierung des Kohlenstoffgehalts und der Legierungselementverhältnisse bildet das Material feinere Karbide und erhöht den Restaustenitanteil, wodurch die Spannungskonzentration an den Eindruckkanten reduziert wird. Die Praxis zeigt, dass Lager aus Stählen der TF-Serie unter verunreinigten Schmierbedingungen eine 4- bis 10-fach längere Lebensdauer aufweisen können.

 

6. Quasi-Hochtemperatur-Wälzlagerstahl

Bei Verwendung herkömmlicher GCr15-Lager in Umgebungen von 100 °C bis 200 °C bildet sich leicht eine helle, weiße Zone mit geringer Härte in der oberflächennahen Schicht des Materials, was die Lagerlebensdauer verkürzt. Um dieses Problem zu beheben, wurden quasi-hochtemperaturbeständige Wälzlagerstähle wie NTJ2 und KUJ7 entwickelt. Durch eine gezielte Erhöhung des Gehalts an Elementen wie Chrom, Silizium und Molybdän wird die Bildung heller, weißer Zonen unterdrückt, sodass die Lager auch bei 150 °C eine gute Lebensdauer und Dimensionsstabilität aufweisen.～180℃. Diese Werkstoffe finden breite Anwendung in Automobilmotoren, Generatoren und Warmumformungsanlagen.

 

7. Hochtemperatur-Wälzlagerstahl

Unter Hochtemperatur- und Hochgeschwindigkeitsbedingungen, wie sie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt auftreten, sind herkömmliche Werkstoffe unzureichend. Frühere Hochtemperatur-Wälzlagerstähle wie T1, T2, T10 und M50 weisen zwar eine hohe Härte bei hohen Temperaturen auf, haben aber einen hohen Gehalt an Legierungselementen und sind daher teuer.

 

In den letzten Jahren haben Europa und die USA eine neue Generation von Hochtemperatur-Einsatzstählen wie M50NiL, CBS1000 und RBD entwickelt. M50NiL ist dabei der am weitesten verbreitete Stahl. Nach dem Einsatzhärten bilden sich feine Karbide an der Oberfläche, die Druckeigenspannungen erzeugen. Seine Kernzähigkeit kann das 2,5-Fache von M50 erreichen, was zu einer höheren Dauerfestigkeit führt. Derzeit wird er hauptsächlich in High-End-Anlagen wie Hauptwellenlagern von Flugzeugtriebwerken eingesetzt. Insgesamt schreitet die Entwicklung von Wälzlagerwerkstoffen kontinuierlich in Richtung höherer Festigkeit, höherer Zuverlässigkeit, Beständigkeit gegen Verschmutzungen und Korrosion sowie verbesserter Hochtemperaturleistung voran. Mit der Entwicklung der Luft- und Raumfahrt, der Anlagen für neue Energien und der High-End-Fertigung wird die Forschung und Anwendung neuer Lagerwerkstoffe weiter intensiviert und eine stärkere technische Grundlage für die Verbesserung der Lagerleistung geschaffen.