Extreme Temperaturen. Keine Kompromisse.
Wälzlager kommen als kritische Komponenten in fast jeder erdenklichen Maschine vor.
In Windkraftanlagen und Elektrofahrzeugen sind sie ebenso unverzichtbar wie in der Stahlherstellung oder in alltäglichen Haushaltsgeräten. Und überall müssen sie zuverlässig funktionieren, mitunter über viele Jahre oder gar Jahrzehnte, ungeachtet der Gegebenheiten in ihrem jeweiligen Einsatzbereich.
Dabei kann es sich um extrem reine Umgebungen handeln, in denen strikte Hygiene ein Muss ist. Oder um extrem raue Bedingungen, wie man sie in Minen, Steinbrüchen und Zementwerken vorfindet. Vielleicht auch um feuchte Umgebungen, in denen Wälzlager dem ständigen Kontakt mit Wasser oder anderen Flüssigkeiten ausgesetzt sind. In diesem Beitrag befassen wir uns jedoch mit extremen Temperaturen, bei denen Wälzlager kontinuierlich weiterarbeiten müssen – wie heiß oder kalt es auch werden mag.
Ob die sengende Hitze in der Stahlerzeugung oder die eisige Witterung in der Arktisforschung: Hier geht es um Temperaturen, bei denen auf Standardwälzlager schlicht kein Verlass ist.
Die Konstruktion und Herstellung von Wälzlagern, die solchen Temperaturextremen standhalten, erfordert langjährige Erfahrung, besondere Werkstoffe, fortschrittliche Schmierstrategien und innovative technische Lösungen. NSK hat all das zu bieten – und macht daher Leistung, Langlebigkeit und Zuverlässigkeit bei allen Temperaturen möglich.
Hitze
NSK stuft alles jenseits von 120 °C – die übliche Betriebstemperatur eines herkömmlichen fettgeschmierten Wälzlagers – als extreme Hitze ein.
NSK stuft alles jenseits von 120 °C – die übliche Betriebstemperatur eines herkömmlichen fettgeschmierten Wälzlagers – als extreme Hitze ein. Das ist fraglos enorm heiß, doch viele Spezialwälzlager müssen mit noch extremeren Temperaturen zurechtkommen. Um die 400 °C sind es beispielsweise in der Stahlherstellung, und in manchen Umgebungen der Luft- und Raumfahrt können kurzzeitig sogar 1 000 °C auftreten – auch wenn das Wälzlager diesen Wert nicht erreicht.
Hier gilt es zu bedenken, dass ein Wälzlager, das bei derart extremen Temperaturen eingesetzt werden soll, in allen Aspekten hitzefest ausgelegt sein muss.
Das betrifft nicht nur das Material, aus dem die Käfige, Ringe und Wälzkörper gefertigt sind, wenngleich dieser Aspekt zweifellos wichtig ist; es betrifft auch die Dichtungen, Deckscheiben und Schmiermittel. Gerade an Letzteren scheitert es oft, da herkömmliche Schmierstoffe bei mehr als 120–150 °C an ihre Grenzen stoßen.
Eine mögliche Option ist Krytox, gemeinhin das Schmiermittel der Wahl für sehr heiße, chemisch aggressive oder sauerstoffreiche Umgebungen. Krytox bleibt bis in Temperaturbereiche von weit über 250 °C stabil, ist chemisch träge und kommt oft zum Einsatz, wenn Sauerstoffverträglichkeit gefordert ist.
Eine weitere Lösung bieten Festschmierstoffe, die im Prinzip eine Gleitschicht zwischen zwei Oberflächen bilden und dadurch Reibung zwischen beiden verhindern. Im Kern handelt es sich um einen Feststoff, der exakt die gleiche Aufgabe erfüllt wie eine Flüssigkeit oder ein Schmierfett.
Bei den Dichtungen setzt NSK auf Optionen aus Viton, die dauerhaft Temperaturen von bis zu 200 °C standhalten und kurzzeitig sogar bis zu 250 °C.
Sie zeichnen sich nicht nur bei Extremtemperaturen durch Langlebigkeit und konstante Leistung aus, sondern auch im Kontakt mit Chemikalien. Dank ihrer hohen Beständigkeit gegenüber Ölen, Kraftstoffen, Lösungsmitteln und Säuren bieten sie viel mehr Schutz als herkömmliche Gummidichtungen. Sie kommen oft in Umgebungen wie Fahrzeugmotoren, der Luft- und Raumfahrt, Chemiewerken und Industriemaschinen zum Einsatz.
Die NSK Produkte für hohe Temperaturen decken den Bereich von 150 °C (X26) bis 250 °C (X29) ab.
Wem das nicht ausreicht, der findet in unserer Produktreihe SPACEA weitere Optionen speziell für Extremumgebungen. Unsere Wälzlager YS und SJ aus dieser Serie nutzen einen Molybdändisulfid(MoS2)-Festschmierstoff, um Temperaturen von bis zu 350 °C bzw. 400 °C standzuhalten. Diese Festschmierstoffe erlauben den Einsatz in Umgebungen, in denen konventionelles Schmierfett verdampft oder sich zersetzt.
Kälte
Wälzlager für extrem kalte Temperaturen sind im Allgemeinen weniger gefragt als solche für extrem heiße Umgebungen.
Das liegt vor allem daran, dass extreme Kälte in nahezu allen Industrieprozessen wesentlich seltener vorkommt als extreme Hitze. Daraus folgt jedoch nicht, dass in dem Bereich keinerlei Bedarf besteht. In einigen Sektoren, wie der Weltraumerkundung, der Medizin, der Arktisforschung und der Kryogenik, sind Wälzlager für Tieftemperaturen sogar unverzichtbar.
Die Herausforderungen, die mit extremer Kälte einhergehen, verhalten sich oft umgekehrt zu denen bei extremer Hitze. Denn hier versagen Schmiermittel, weil Öle und Fette zähflüssig werden oder erstarren. Metallkomponenten ziehen sich zusammen (statt sich auszudehnen), wodurch sich die Lagerluft verändern kann. Manche Wälzlager werden steif oder schwergängig, sodass sie bei Kälte schlechter anlaufen.
Mögliche Lösungen sind spezielle Schmiermittel für niedrige Temperaturen oder – wie bei den Wälzlagern für extreme Hitze – feste Alternativen, der Einsatz von Spezialstählen oder Keramik wie Siliziumnitrid und die Anpassung der Lagerluft, um der Materialschrumpfung Rechnung zu tragen. Einige Wälzlager werden auch mit flexiblen Käfigen ausgestattet, die sich an Temperaturveränderungen anpassen.
Ein herausragendes Beispiel aus dem NSK Produktangebot für kalte Umgebungen sind unsere selbstschmierenden Rillenkugellager für Tauchpumpen in Tieftemperaturanwendungen.
Führende Hersteller greifen zunehmend auf diese Edelstahllager mit einem Käfig aus selbstschmierendem Fluorkunststoff zurück.
Solche Pumpen müssen bei Tieftemperaturen bis –200 °C im Dauerbetrieb oder intermittierend fördern können. Die zweifache Lagerung der Pumpenwelle ist ein kritisches Konstruktionselement, das korrosionsbeständig sein muss. Es kann kein anderes Schmiermittel verwendet werden als die Medien, die das Lager umspülen.
Daher hat NSK eine Serie von Rillenkugellagern entwickelt, die eigens für diese ungewöhnlichen Betriebsbedingungen ausgelegt sind und sich in wesentlichen Konstruktionsmerkmalen von herkömmlichen Pumpenlagern unterscheiden. Diese Wälzlager sind meist aus AISI 440C oder einem ähnlichen martensitischen Edelstahl gefertigt, der Korrosionsbeständigkeit und mechanische Festigkeit bei Tieftemperaturen aufweist.
Die Wälzkörper – ebenfalls aus Edelstahl – werden in einem stabilen Käfig geführt, der das gesamte Innenvolumen des Lagers einnimmt. Der Käfigwerkstoff, ein selbstschmierender Fluorkunststoff, gewährleistet derweil einen reibungsarmen Lauf des Lagers ohne externe Schmierung. Zudem ist der Hochleistungs-Fluorkunststoff extrem verschleißfest und bietet gute Tieftemperatur-Eigenschaften bei Drehzahlen bis 3 600 min−1. Der Käfig ist zweiteilig ausgeführt, die beiden Hälften sind durch Edelstahlnieten verbunden.
Diese Rillenkugellager erreichen eine deutlich längere Lebensdauer als andere Wälzlager für derlei Anwendungen, etwa solche mit einem Käfig aus Phenolharz. Selbstverständlich eignen sich die Pumpenlager auch für die Förderung von anderen Kryo-Gasen wie z. B. Stickstoff.
Mit steigendem Bedarf an Wälzlagern für kalte Umgebungen betreiben wir weiterhin Innovationsarbeit, genau wie bei unseren Wälzlagern für extreme Hitze. Für die Zukunft sind daher weitere wegweisende Entwicklungen in diesem Bereich zu erwarten.
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