Was sind die wichtigsten Leistungseinschränkungen von Edelstahllagern bei Hochlast- oder Hochgeschwindigkeitsanwendungen?

Lager aus Edelstahl werden aufgrund ihrer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit häufig in Spezialanwendungen wie der Lebensmittelverarbeitung, medizinischen Geräten und der Schiffstechnik eingesetzt. Beim Einsatz unter extremen Belastungen oder hohen Geschwindigkeiten schränken jedoch die inhärenten Materialeigenschaften von Edelstahllagern, insbesondere der gängigen martensitischen Edelstahlsorte AISI 440C, ihre Leistung ein.

I. Einschränkungen bei Hochlastanwendungen: Ermüdung und Sprödigkeit

1. Belastbarkeit und Kontaktermüdungslebensdauer

Obwohl AISI 440C-Edelstahllager durch Wärmebehandlung eine hohe Härte (typischerweise 58–60 HRC) erreichen können und eine hervorragende Verschleißfestigkeit bieten, liegen sie hinsichtlich der Grundleistung immer noch hinter Standard-Lagerstählen mit hohem Kohlenstoffgehalt aus Chrom (wie GCr15/52100) zurück.

Dynamische Tragzahl: Die dynamische Tragzahl von 440C-Stahl ist im Allgemeinen niedriger als die von 52100-Stahl. Dies ist vor allem auf den hohen Chromgehalt im 440C-Stahl zurückzuführen, der viele Karbide bildet. Diese in der Matrix verteilten Karbidpartikel können in Spannungskonzentrationsbereichen zu Rissquellen werden und die innere Reinheit und Gleichmäßigkeit des Stahls beeinträchtigen.

Kontaktermüdungsfestigkeit: Unter Bedingungen hoher Belastung sind Lagerlaufbahnen extrem hohen Hertzschen Spannungen ausgesetzt. Bei wiederholter hoher Kontaktbeanspruchung ist die Wälzkontaktermüdungslebensdauer von 440C-Stahl geringer als die von 52100-Stahl. Das bedeutet, dass sich bei gleichen Belastungsbedingungen die erwartete Lebensdauer (L10) eines 440C-Lagers deutlich verkürzt.

2. Zähigkeit und Schlagfestigkeit

440C ist ein typischer martensitischer Edelstahl. Seine hohe Härte geht auf Kosten der Zähigkeit.

Tendenz zur Sprödigkeit: Aufgrund seines hohen Kohlenstoffgehalts weist 440C nach dem Härten eine relativ spröde Struktur auf. Bei Anwendungen mit Stoßbelastungen oder starken Vibrationen ist dieses Material anfälliger für Sprödbrüche oder Laufbahnabplatzungen, insbesondere in Spannungskonzentrationsbereichen.

Eindruckfestigkeit: Trotz seiner hohen Härte ist 440C möglicherweise nicht so beständig gegen Brinelling wie speziell behandelte legierte Stähle, wenn er plötzlichen statischen oder stoßartigen Belastungen ausgesetzt wird, was seine geometrische Genauigkeit bei hohen Belastungen beeinträchtigt.

II. Leistungsherausforderungen bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen: Temperaturanstieg und Dimensionsstabilität

1. Wärmeableitung und Betriebstemperaturgrenzen

Bei Hochgeschwindigkeitsbetrieb erzeugt die Reibung im Lager eine erhebliche Wärmemenge. Edelstahl stellt die folgenden thermodynamischen Herausforderungen dar:

Wärmeleitfähigkeit: Edelstahl, insbesondere 440C, hat typischerweise eine geringere Wärmeleitfähigkeit als gewöhnlicher Lagerstahl. Diese geringere Wärmeleitfähigkeit erschwert die schnelle Ableitung der im Lager erzeugten Wärme, was zu einem raschen Temperaturanstieg führt.

Anlasseffekt: Wenn die Betriebstemperatur des Lagers die obere Anlasstemperatur von 440 °C (typischerweise unter 200 °C) überschreitet, kommt es zu einer sekundären Erweichung, wodurch die Härte des Materials abnimmt, wodurch seine Verschleißfestigkeit und Tragfähigkeit erheblich verringert werden. Die durch hohe Geschwindigkeiten erzeugte Wärme kann leicht zu einem solchen thermischen Ausfall führen.

2. Schmierungsmanagement und Reibungseigenschaften

Hohe Geschwindigkeiten stellen extrem hohe Anforderungen an die Schmierung und die Eigenschaften von Edelstahllagern machen das Schmiermanagement noch komplexer.

Gleitreibung: Bei hohen Geschwindigkeiten verstärkt sich die Gleitreibung zwischen den Kugeln und Laufbahnen sowie zwischen den Kugeln und Käfigen/Halterungen. Eine unzureichende Schmierung oder die falsche Auswahl des Schmiermittels kann zu starkem Adhäsionsverschleiß auf der Edelstahloberfläche führen.

Lagerspiel: Aufgrund des Unterschieds im linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) von 440C im Vergleich zu gewöhnlichen Lagerstählen, gepaart mit dem Effekt des Temperaturanstiegs, kann das Innenspiel von Lagern, die mit hohen Drehzahlen betrieben werden, unvorhersehbar schwanken, was zu einem Verlust der Vorspannungskontrolle oder einer erhöhten Reibung führt, was die Grenzgeschwindigkeit weiter begrenzt.

3. Umfassende Einschränkungen in komplexen Umgebungen

Edelstahllager werden häufig in korrosiven Umgebungen eingesetzt. Unter komplexen Betriebsbedingungen mit hohen Belastungen, hohen Geschwindigkeiten und Korrosion verschlechtert sich die Leistung des Materials weiter.

Korrosionsermüdungssynergie: Korrosive Medien beschleunigen die Lochfraßbildung auf der Laufbahnoberfläche. Diese Korrosionsflecken werden zu Spannungskonzentrationsquellen. Bei wiederholter hoher Belastung kann es leicht zu Korrosionsermüdung kommen, die zu einem vorzeitigen Lagerausfall führt.

Einschränkungen von Nicht-440C-Stählen: Austenitische Edelstähle (z. B. 304 und 316), die korrosionsbeständiger sind, aber eine geringere Härte und Festigkeit aufweisen, haben bei hoher Belastung oder hohen Geschwindigkeiten eine deutlich geringere Tragfähigkeit und Betriebsgeschwindigkeit als 440C-Stähle. Sie eignen sich im Allgemeinen nur für Umgebungen mit niedriger Geschwindigkeit, geringer Last und extrem korrosiver Umgebung und sind nicht für Hochlast- oder Hochgeschwindigkeitsanwendungen geeignet.