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Wälzlager DLC-beschichtete Wälzlagerkäfige in der Anwendung

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

NKE Austria hat optimierte Wälzlagerkäfige mit DLC-Beschichtung (Diamond-like-Carbon) für herausfordernde Betriebsbedingungen vorgestellt. Im Vergleich zu Messingkäfigausführungen sollen sich die DLC-beschichteten Stahlkäfige durch hohe Widerstandsfähigkeit und Langlebigkeit auszeichnen. Zwei Anwendungsbeispielen zeigen die Vorteile auf.

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Das Bild zeigt einen innenringgeführten Stahlmassivfensterkäfig mit DLC-Beschichtung.
Das Bild zeigt einen innenringgeführten Stahlmassivfensterkäfig mit DLC-Beschichtung.
(Bild: NKE)

Dieser erste beschrieben Anwendungsfall war ausschlaggebend für den Start der Entwicklung von DLC-beschichteten Wälzlagerkäfigen bei NKE: ein Sonderzylinderrollenlager, das als großes Pleuellager in einem hochdrehenden Kurbeltrieb eingesetzt war. In seiner ursprünglichen Ausführung war das Lager mit einem innenringgeführten Messingmassivkäfig (Nachsetzzeichen MPB) ausgestattet und hatte sich seit Jahren in der Anwendung bewährt. Zur Erhöhung der Produktivität der Anlage war vom Kunden eine Drehzahlsteigerung von maximal 2000 min-1 auf bis zu 3000 min-1 vorgesehen. Unter diesen Betriebsbedingungen erbrachte der standardmäßige MPB-Käfig im Versuch eine Standzeit von lediglich 300 Stunden, bis die Käfigführungsflächen in hohem Maße verschlissen waren und es zu einem Bruch der Käfigstege kam. Dies wurde auf die stark gestiegenen Fliehkräfte in der Anwendung und den daraus resultierenden Belastungen auf den Käfig zurückgeführt. Hierbei ist anzumerken, dass die Anwendung fettgeschmiert ist, womit die gestiegenen Drehzahlen einen sehr großen negativen Einfluss auf die Schmierstoffverteilung haben, insbesondere im Käfigführungsspalt, was den Verschleiß zusätzlich begünstigt.

Stahlkäfige mit und ohne Beschichtung im Test

Erst der Einsatz des in Folge projektierten DLC-beschichteten innenringgeführten Stahlmassivfensterkäfigs (Bild 1) mit den Nachsetzzeichen FPB und SQ202C hat im mittlerweile mehr als zwei Jahre laufenden Langzeitversuch zufriedenstellende Standzeiten von mehr als 3000 Stunden ergeben. Ein unzulässiger Verschleiß war, mit Ausnahme eines geringen Übertrags der DLC-Beschichtung zwischen den Führungsflächen, ebenso wenig zu beobachten wie Anzeichen eines mechanischen Versagens der Käfige. Zum Vergleich wurden identische Stahlkäfige ohne Beschichtung eingesetzt, die parallel im Versuch liefen. Dieser Versuch wurde nach 1000 Stunden aufgrund deutlicher Spuren von Verschleiß und Fressen auf den Führungsflächen eingestellt.

Verschleiß an den Funktionsflächen vermeiden

Bei der zweiten Anwendung, in der DLC-beschichtete Stahlkäfige nach den Erfahrungen aus dem ersten Beispiel zum Einsatz kamen, handelt es ich um die Lagerung einer schnell laufenden Trommel zur Speicherung von kinetischer Energie in einem Notstromaggregat. Die ursprüngliche Lagertype war ein Radialrillenkugellager mit außenringgeführtem, zweiteiligem Messingmassivkäfig (Nachsetzzeichen MA). Auch hier war aufgrund ungünstiger Betriebsbedingungen – geringe Radiallast bei gleichzeitig hoher anwendungsbedingter Axiallast und hoher Drehzahl des Außenrings (>2500 min-1) – ein starker Verschleiß an den Funktionsflächen des Käfigs feststellbar, was in weiterer Folge zu einem Bruch des Käfigs führte.

Das Bild zeigt ein Rillenkugellager mit außenringgeführtem Stahlmassivkäfig mit DLC-Beschichtung.
Das Bild zeigt ein Rillenkugellager mit außenringgeführtem Stahlmassivkäfig mit DLC-Beschichtung.
(Bild: NKE)

Nach Betrachtung der Einsatzbedingungen und Analyse des Schadensbildes wurde auch hier der Einsatz eines zweiteiligen außenringgeführten Stahlmassivkäfigs mit DLC-Beschichtung (Nachsetzzeichen FA und SQ202C) empfohlen. Bei der anschließenden praktischen Erprobung von zwei derart ausgestatteten Lagern wurden nach einer Versuchsdauer von mehr als 900 Stunden kein Verschleiß oder Anzeichen für ein mechanisches Versagen der Käfige beobachtet. Das Design konnte in Folge in die Serienfertigung übernommen werden (Bild 2); die Nachrüstung bereits bestehender Anlagen ist geplant. (sh)

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