Keramik unterteilt man in Gebrauchskeramik (Silicatkeramik), technische bzw. Ingenieurskeramik (Oxidkeramik und Nichtoxidkeramik) sowie Mischkeramik (Cerments). Für den Einsatz in Kugellagern kommen überwiegend nichtoxidische keramische Werkstoffe wie Siliziumnitrid Si3N4 zum Einsatz. Der Vorteil liegt in einer für Keramik sehr hohen Bruchfestigkeit und Thermoschockbeständigkeit. Da Si3N4 auf Grund seiner Verarbeitbarkeit und überragenden Eigenschaften im Wälzlager auch heute noch die am häufigsten eingesetzte Keramik ist, beziehen wir uns im Folgenden auf diese Art von Keramik.

Hybridlager

Unter Hybridlagern versteht man, im Gegensatz zu Vollkeramiklagern, ein Wälzlager welches über Wälzkörper (Kugeln- oder Rollen) aus Keramik verfügt und über Ringe aus Stahl (Chrom- oder Edelstahl). Die Käfige können je nach Anforderung aus Kunststoff (PA6.6 / PA4.6 oder PEEK beziehungsweise ebenfalls aus Metall hergestellt werden.

Eingesetzt werden Hybridlager überwiegend als Spindellager für Werkzeugmaschinen, in Turbomolekularpumpen, in Elektromotoren, in der Lebensmittelindustrie, in der Medizintechnik, in der Chemieindustrie, in der Raum- und Luftfahrtindustrie oder überall dort, wo ein geräuscharmer Lauf, eine hohe Steifigkeit, eine hohe Temperaturunempfindlichkeit, eine Unempfindlichkeit gegenüber Stromdurchgang sowie ein äußerst langer und störungsfreier Betrieb auch unter schwierigen Schmierungsbedingungen erforderlich ist.

Schematisches Anwedungsbild?

Es gibt mehrere wichtige Vorteile für die Lagerleistung, die auf die verbesserten Oberflächeneigenschaften von Siliziumnitrid-Kugeln zurückzuführen sind. Da die Mikrostruktur von Siliziumnitrid gleichmäßig auf eine Korngröße im Submikrometerbereich ausgelegt werden kann, kann die Oberfläche einer Siliziumnitridkugel auf < 0,15 Mikrozoll Ra bearbeitet werden, und die Rundheit ist oft besser als 0,00001 Toleranz. Diese Präzision führt zu einem um 70 % niedrigeren Reibungskoeffizienten auf Stahl als auf Stahl, was sich in einer um 30 % geringeren inneren Lagerreibung, einem geringeren Käfigverschleiß, niedrigeren Innentemperaturen und einem geringeren Verschleiß der Laufbahn niederschlägt.

Die hochpräzise Geometrie einer Siliziumnitrid-Kugel minimiert die Variationsunterschiede zwischen den Kugeln innerhalb eines Lagers. Dieser Effekt reduziert Vibrationen und Geräusche, die entstehen, wenn sich die Kugeln innerhalb der Laufbahn und des Käfigs drehen. Darüber hinaus kann der nicht wiederholbare Rundlauf von Hybridlagern im Vergleich zu Stahllagern deutlich reduziert werden.

Obwohl sich Keramikwälzkörper aufgrund ihres hohen Elastizitätsmoduls unter Last nur gering verformen, ergeben sich aus der kleineren Kontaktellipse im Hybridkontakt im dynamischen Betrieb keine relevanten Nachteile. Die reduzierte tragende Kontaktfläche, die sich infolge des hohen Elastizitätsmoduls einstellt, wirkt sich insbesondere bei hohen Drehzahlen nicht nachteilig aus, da die Fliehkräfte im Lager aufgrund der deutlich geringeren Dichte der Keramikwälzkörper erheblich reduziert sind. Hybridlager verfügen daher über vergleichbare dynamische Tragzahlen wie Stahllager. Lediglich bei rein statischer Belastung ohne Relativbewegung ergibt sich eine um etwa 15–20 % geringere statische Sicherheit, weshalb Hybridlager nicht für dauerhaft rein statische Lastfälle ausgelegt werden sollten.

Besonders bei Schrägkugellagern und Spindellagern mit einem Druckwinkel ungleich 0°, typischerweise größer als 15°, spielt die Dichte der Wälzkörper eine entscheidende Rolle für die Lagerkinematik. Im quasistatischen Betrieb bei sehr niedrigen Drehzahlen sind die Berührungswinkel zwischen Kugel und Innen- sowie Außenring nahezu identisch, sodass überwiegend reines Rollen vorliegt. Mit steigender Drehzahl wirken jedoch zunehmende Fliehkräfte auf die Wälzkörper, wodurch sich die effektiven Druckwinkel insbesondere am Innenringkontakt verändern. Dies führt zu zusätzlichen Spin- und Gleitbewegungen, einer Vergrößerung des axialen Abstands der Kontaktpunkte und damit zu einem Anstieg der effektiven Lagervorspannung.

Zu stark vom Nenndruckwinkel abweichende Druckwinkel können insbesondere bei hohen Drehzahlen zu erhöhten Gleitanteilen im Wälzkontakt, steigender Reibung und Temperaturentwicklung, größeren Unterschieden der Kugelumlaufgeschwindigkeiten, einer Reduzierung der Käfigtaschenluft sowie zu einer erhöhten Belastung der Käfigstege bis hin zum Käfigversagen führen. Eine wirksame Reduzierung dieser Effekte wird durch den Einsatz von Keramikwälzkörpern erreicht, da die geringere Dichte die Fliehkräfte deutlich reduziert und den Druckwinkel auch bei hohen Drehzahlen näher am Auslegungswert hält.

Mit zunehmender Drehzahl steigt bei vorgespannten Lagern die Steifigkeit infolge der erhöhten Vorspannung, insbesondere bei starr angestellten Lagerungen. Um die gleiche Systemsteifigkeit wie bei einem vergleichbaren Stahllager zu erreichen, ist bei Hybridlagern eine deutlich geringere Ausgangsvorspannung erforderlich. Daraus resultieren niedrigere Betriebstemperaturen, geringere Reibverluste und eine reduzierte mechanische Lagerbelastung.

Spin/Rollverhältnis bei Kugellagern

Das Spin/Rollverhältnis beschreibt das Verhältnis der Spinbewegung (Drehbewegung der Kugeln um ihre eigene Achse) zur Rollbewegung (Bewegung der Kugeln entlang der Laufbahn des Lagers).

Ein niedrigeres Spin/Rollverhältnis ist vorteilhaft, da es folgende Vorteile bietet:

Ein hohes Spin/Rollverhältnis kann hingegen zu erhöhtem Verschleiß und höherer Reibung führen, was die Effizienz und Lebensdauer des Kugellagers negativ beeinflusst. Daher wird ein niedriges Spin/Rollverhältnis angestrebt, um die Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit zu optimieren.