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PICARD Know-How: Was Hybridlager so alles können

Unter Hybridlagern versteht man zunächst Wälzlager, dessen Lagerringe und Wälzkörper aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Das können Varianten aus Kunststoff und Glas sein, doch am weitesten verbreitet ist die Kombination von Wälzkörpern aus hochfester Keramik, Siliciumnitrid (Si3N4) und Lagerringen aus Wälzlagerstahl.

Wann aber wurden Hybridlager entwickelt und zu welchem Zweck überhaupt? Zeit für einen kleinen Trip in die Vergangenheit: Die Idee für Hybridlager entstand nämlich bereits vor mehr als 50 Jahren – hauptsächlich, um sie in Gasturbinen mit sehr hohen Drehzahlen und damit einhergehend hohen Lagertemperaturen einzubauen. Diese Turbinen erreichten tatsächlich mehr als 30.000 Umdrehungen pro Minute und Lagertemperaturen von über 650 °C. Damit man aber diesen Bedingungen gerecht werden konnte, brauchte es einen Werkstoff mit einem höheren Härtegrad als Wälzlagerstahl, der gleichzeitig leicht, hochfest und hochtemperaturbeständig ist. Damals waren die meistverbreiteten Keramikwerkstoffe zwar sehr temperaturbeständig und hatten eine geringe Dichte – allerdings konnten sie nicht gerade in ihrer Sprödig- und Festigkeit glänzen. Die 60er und 70er Jahre hatten glücklicherweise jedoch einiges mehr zu bieten als Woodstock & die Bee-Gees, denn auf der Suche nach einem Material mit verbesserten Eigenschaften wurde man genau in der Zeit auf die Synthesekeramik Siliciumnitrid aufmerksam – der heute verwendete keramische Standardwerkstoff für Walzkörper.

Siliciumnitrid war eine regelrechte Revolution für aufkommende Hybridlager: So löst ihre Verwendung Lagerungsprobleme, denen herkömmliche Werkstoffe nicht gewachsen sind. Außerdem haben Hybridlager mit Wälzkörpern aus Siliciumnitrid ein besseres Verschleißverhalten im Vergleich zu Lagern komplett aus Stahl, die unter schwierigen Einsatzbedingungen besonders unter Mangelschmierung oder Verschmutzung leiden. Sogar bei hohen Drehzahlen entsteht bei Hybridlagern nur eine sehr geringe Reibungswärme, denn Keramikkugeln haben ein höheres Elastizitätsmodul als Stahlkugeln und eine minimale Wärmedehnung; ergo entstehen wegen ihrer kleinen Dichte bei schneller Drehung geringere Fliehkräfte, wodurch sich die Lebensdauer des Lagers erhöht. Noch nicht genug? Hier gibt’s noch ein paar Fakten hinterher: Keramikkugeln ermöglichen neben all dem auch eine höhere Fettgebrauchsdauer selbst unter schwierigen Einsatzbedingungen. Zusätzlich sind Wälzkörper aus Siliciumnitrid korrosionsbeständig, temperaturwechselstabil und überrollfest bei starken Belastungen. Hybridlager sind nicht magnetisch, haben eine stromisolierende Wirkung und können so auch in Anwendungen eingesetzt werden, in denen herkömmliche Lager durch Stromdurchgang potenziell geschädigt werden – ein echter Alleskönner also.

All diese Eigenschaften gestalten Hybridlager optimal für den Einsatz gerade unter anspruchsvollen Bedingungen. Vor allem sind sie für Anwendungen ausgelegt, bei denen hohe elektrische Isolierung erforderlich ist und/oder hohe Drehzahlen auftreten; da Hybridlager nur einen sehr geringen Verschleiß aufweisen und die Wälzkörper leichter sind als Stahlwälzkörper, eignen sie sich perfekt für schnell drehende Systeme mit hohen Drehzahlen. Typische Anwendungsgebiete für Hybridlager können beispielsweise Elektromotoren, Getriebe, Pumpen und Kompressoren, Generatoren von Windkraftanlagen, Hochgeschwindigkeitsanwendungen wie Spindeln von Werkzeugmaschinen, Traktionsantriebe von Schienenfahrzeugen, Triebwerke und ähnlich anspruchsvolle Aggregate der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie Bereiche in der Dental-, Medizin- und Vakuumtechnik sein – eine kleine Veränderung mit großer Wirkung.

Ihrer vielen positiven Eigenschaften zum Trotz, sieht die Realität natürlich ein wenig anders aus. Denn Hybridlager können so einiges, aber eben nicht alles. So macht der Keramikwerkstoff die Wälzkörper anfällig für hohe Last, insbesondere für Stoßlast. Hier schlagen sie wegen ihrer Härte winzige Dellen in Laufbahnen aus weicheren Materialen wie Edelstahl, weshalb die Lager mit der Zeit nicht mehr sauber laufen können. Daneben kann die Robustheit der Keramik unter kleineren Unreinheiten innerhalb des Werkstoffs oder an dessen Oberfläche leiden. Aufgrund dessen werden keramische Lagerkomponenten unter strengsten Qualitätskontrollen hergestellt; selbst nach der Montage werden die Lager im Ganzen nochmals speziell geprüft. Dieser Prozess ist zwar ein notwendiger, der Sicherheit und Qualität verschafft, doch ebenso ein kostspieliger. Aufgrund dieser Preislage werden Hybridlager bisher oft nur dann verwendet, wenn ihre Vorteile wirklich zum Tragen kommen.

Bezeichnungen

Hybridlager lassen sich an ihren Vor- oder Nachsetzzeichen erkennen. Jeder Hersteller verwendet dabei seine eigenen Bezeichnungen. Einige davon sind hier aufgeführt: