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Kompakte Rillenkugellager von NSK mit verdoppelter Lebensdauer

Wälzlagerwerkstoff SHJ7 ermöglicht Downsizing
Kompakte Rillenkugellager von NSK mit verdoppelter Lebensdauer

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(bec) Konstrukteure, die Rillenkugellager mit langer Lebensdauer und hohen Tragzahlen verwenden möchten, sollten einen Blick auf die Werkstoffe der infrage kommenden Lager werfen. Die Werkstoffentwicklung und -auswahl hat große Auswirkungen auf die Performance der Lager, wie NSK mit dem SHJ7-Werkstoff für Rillenkugellager zeigt.

» Waldemar Sosnowski, Senior Application Engineer, European Technology Center, NSK Deutschland GmbH, Ratingen

Inhaltsverzeichnis
1. Ziel: erhöhte Lebensdauer
2. Klassische Materialermüdung
3. Oberflächennahe Abblätterung
4. Weiße Strukturen (White Structure Flaking)
5. Abplatzer aufgrund hoher Temperatur
6. Gezielte Optimierung des Werkstoffs
7. Vergleichstests zeigen den Erfolg der Entwicklungsarbeit
8. Wirksam auch gegen die Bildung weißer Strukturen
9. Höhere Tragzahlen – kompaktere Konstruktion
10. Höhere Effizienz dank Reibungsreduzierung

Anforderungen aus der europäischen Haushaltsgeräte-Industrie gaben vor einigen Jahren den Anstoß für die Entwicklung eines neuen Werkstoffs für Rillenkugellager. Die Trommellager der in Europa vorherrschenden Waschmaschinen mit Frontbeladung werden einseitig und ungleichmäßig belastet, und der Trend zu größeren Trommeln mit höherer Beladung verstärkt diese Belastung noch weiter. Insbesondere die Premium-Hersteller fordern Wälzlager, die unter diesen Bedingungen erstens eine hohe Lebensdauer erreichen und zweitens einen möglichst geringen Bauraum beanspruchen.

Ziel: erhöhte Lebensdauer

Wenn man die Wälzlagerlebensdauer verlängern möchte, sollte man nicht nur die Lagergröße, sondern auch die Verwendung eines besseren Werkstoffs berücksichtigen. Zusätzlich sind Konstrukteure in diesem Fall gut beraten, die typischen umgebungsbedingten Ausfallursachen zu ermitteln und gezielt konstruktive Maßnahmen zu ergreifen, um das Risiko vorzeitiger Ausfälle zu reduzieren. Bei Rillenkugellagern in industriellen und automobilen Elektroantrieben sind es neben der normalen Materialermüdung überwiegend drei Schadensbilder, die einen vorzeitigen Lagerausfall beschreiben:

  • oberflächennahe Abblätterung
  • weiße Strukturen unterhalb der Oberfläche (White Structure Flaking)
  • Abplatzer aufgrund von hohen Temperaturen

Klassische Materialermüdung

Klassische Ermüdung einer Laufbahn entsteht durch das Abrollen der Wälzkörper auf den Laufbahnen. Bei entsprechend hoher Anzahl an Überrollungen bilden sich unterhalb der Oberfläche kleinste plastische Verformungen im Gefüge. An diesen Verformungen kommt es zu Spannungskonzentrationen und Rissbildungen. Auch nichtmetallische Einschlüsse im Gefüge fördern die Rissbildung. Die Folge sind Ausbrüche oder eine flächige Abschälung des Materials.

Oberflächennahe Abblätterung

Abblätterungen von Material der Laufbahnoberflächen können dadurch entstehen, dass Verunreinigungen auf der Oberfläche wiederholt überrollt werden und die Flächenpressung lokal überhöht wird. Durch eine solche Lastspitze entsteht zunächst eine Kerbe, die bei weiterer Überrollung wächst und in der Folge von Wiederholung und Häufung ebenfalls zu einer örtlichen Abschälung der Oberfläche führt.

Weiße Strukturen (White Structure Flaking)

Die Ursache dieses Schadensbildes ist Gegenstand der aktuellen Forschung und wird immer besser verstanden. Optisch ist dieses Phänomen im geätzten Schliff durch weißliche Verläufe erkennbar.

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Unter bestimmten Bedingungen, wenn z. B. elektrischer Strom durch ein Lager fließt oder Gleitbewegungen zwischen den Wälzkörpern und der Laufbahn stattfinden, kann Wasserstoff leichter in den Wälzlagerstahl diffundieren. Die Anlagerung des Wasserstoffs im Werkstoffgefüge führt zur Versprödung unterhalb der Oberfläche und damit zu Rissbildung. Diesem Schaden kann man entgegenwirken, indem man die Werkstoffzusammensetzung anpasst und einen geeigneten Wärmebehandlungsprozess wählt.

Abplatzer aufgrund hoher Temperatur

Auch hohe Betriebstemperaturen können das Gefüge nachteilig verändern. Die daraus resultierenden Schwächungen im Werkstoff fördern infolge weiterer Wälzbelastung ein Abblättern der darüber liegenden Schichten der Laufbahnoberfläche. Durch die Optimierung des Wälzlagerstahls lässt sich die Temperaturfestigkeit der Lager erhöhen. Die NSK Deutschland GmbH, Ratingen, verfügt hier über umfangreiche Erfahrungen aus Hochtemperaturanwendungen, z. B. in der Stahl- und Papierindustrie.

Gezielte Optimierung des Werkstoffs

Das Auftreten der oben genannten Schadensphänomene kann – wie beschrieben – durch die Auswahl bzw. Optimierung des Wälzlagerwerkstoffs beeinflusst werden. Vor diesem Hintergrund verbesserte NSK die Zusammensetzung eines vorhandenen Wälzlagermaterials und entwickelte den neuen SHJ7-Stahl zur Marktreife.

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Der verbesserte Werkstoff minimiert das Entstehen und vor allem die Ausbreitung von Rissen in den Lagerringen. Zudem wurde die Reinheit des Stahls verbessert. Damit wird vor allem einer Rissentstehung vorgebeugt, sodass die Bildung von Abblätterungen bzw. Abplatzern reduziert wird.

Vergleichstests zeigen den Erfolg der Entwicklungsarbeit

In umfangreichen Testreihen hat NSK die Wirksamkeit der Optimierungsmaßnahmen im Vergleich zu Lagern aus dem Standardwerkstoff 100Cr6 nachgewiesen – z. B. bei Tests sowohl in einer hinreichend reinen als auch in einer verschmutzten Umgebung. Bei Tests in sauberer Umgebung erreichten die Lager aus dem Werkstoff SHJ7 eine um den Faktor 2,5 höhere Lebensdauer im Vergleich zum Standardwälzlagerstahl. Unter widrigen Umgebungsbedingungen, bei starker Verschmutzung, verlängerte sich die Lebensdauer entsprechend um den Faktor 1,3.

Wirksam auch gegen die Bildung weißer Strukturen

Mit Blick auf das White Structure Flaking wurden die Lager unter Wasserstoffbeaufschlagung getestet. Hier zeigte sich, dass die Rillenkugellager aus SHJ7 gegenüber Standardmaterial eine mehr als 2,5-fach höhere Lebensdauer erzielten. Ein Dauertest bei +150 °C Umgebungstemperatur führte auch hier den Nachweis einer verlängerten Lebensdauer.

Höhere Tragzahlen – kompaktere Konstruktion

Der NSK-Sonderwerkstoff SHJ7 zeigt: Die Werkstoffentwicklung ist eine wirksame Stellschraube, um die Lebensdauer von Wälzlagern zu verlängern und das Risiko des Auftretens typischer Schadensbilder in den jeweiligen Applikationen zu verringern.

Steigende Anforderungen in den Anwendungen führen zu einer höheren Belastung in den Wälzlagern. Im Vergleich zu Wälzlagern aus konventionellen Stählen erreichen die Rillenkugellager aus SHJ7 höhere Tragzahlen. Das bedeutet: Der Konstrukteur kann gegebenenfalls ein kleineres Wälzlager einsetzen oder aber die Belastbarkeit und Leistungsfähigkeit der vorhandenen Konstruktion steigern.

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Mit anderen Worten: Die Rillenkugellager aus SHJ7 schaffen die Voraussetzung für ein Downsizing der Konstruktion. Das ist eine wichtige Forderung angesichts des immer dichteren „Packaging“ in vielen Bereichen des Maschinenbaus und der Antriebstechnik.

Höhere Effizienz dank Reibungsreduzierung

In einem weiteren Bereich, der zunehmend an Bedeutung gewinnt, ermöglicht die Verwendung des Sonderwerkstoffs SHJ7 ebenfalls Verbesserungen: Bei Downsizing der Lager wird deren innere Reibung verringert. Dies reduziert die Antriebsverluste, was bei Haushaltgeräten schon im Hinblick auf die Einteilung in Effizienzklassen ein echter Vorteil ist.

Gängige Größen der Rillenkugellager aus dem Werkstoff SHJ7 sind mit Bohrungsdurchmessern von 20 bis 35 mm und Außendurchmessern bis 72 mm ausgeführt.

Detaillierte Informationen zu den Wälzlagern mit verdoppelter Lebensdauer
Weitere Informationen zum Wälzlagerwerkstoff

Kontakt:
NSK Deutschland GmbH
Harkortstraße 15
40880 Ratingen
Tel.: 02102 481–0
E-Mail: info-de@nsk.com
Website: www.nskeurope.de

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