Industrie: Keramikkugeln in Konkurrenz zu Edelstahlkugeln

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Chaosamran_Studio/shutterstock.com

Die Silizium-Nitrid-Kugel (Si3N4) ist heute in vielen Anwendungen, insbesondere in hochbelasteten Umgebungen, nicht mehr wegzudenken. Doch ihr Erfolg war von vielen Imponderabilien begleitet. Schon in den 70iger Jahren wurden die ersten Siliziumnitrid-Kugeln hergestellt. Allerdings war diese teure Technologie weniger geeignet für Anwendungen in Wälzlagern. Nur durch das Aufkommen des Sinterns wurden zwar Fortschritte erzielt, doch die Restporosität des Werkstoffs hat nicht zum Erfolg geführt, wie es erwartet wurde.

Erst Ende der 80iger Jahre gelang es durch die Heißisostat-Presstechnik fast porenfreie Silizium-Nitrid-Kugeln herzustellen. Das Potential einer Wälzlagerkugel wurde damit optimiert. Im Gegensatz zu Stahlkugeln bot sie ein deutlich geringeres Gewicht, eine höhere Steifigkeit und Härte, eine glattere Oberfläche, einen hohen elektrischen Widerstand, hohe Korrosionsfestigkeit und eine niedrigere Wärmedehnung. Diese hochwertigen Präzisionskugeln wurde allerdings nur in Ausnahmefällen eingesetzt, da die Produktionskosten zu hoch waren und somit in der Anschaffung zu teuer.

Doch bei Einsätzen, wenn es keine andere Lösung mehr gab, hatte sich die Silizium-Nitrid-Kugel bewährt und diese positiven Erfahrungen haben dazu geführt, dass sie bei weiteren Anwendungen eingesetzt wurde. Der Durchbruch gelang dann in den 90iger Jahren, da sie in weiteren Anwendungen ihren Einsatz fand, was sich auf die Nachfrage niederschlug und somit auch auf die Kosten.

Was kann eine Metallkugel?

Metallkugeln sind kugelförmige Elemente, die in Rückschlag- und Kugelhähnen, Lagern und anderen mechanischen Geräten verwendet werden, die eine Dreh- oder Linearbewegung ermöglichen. Sie werden normalerweise aus legiertem Stahl, Kohlenstoffstahl oder Edelstahl hergestellt. Metallkugeln zeichnen sich durch den Außendurchmesser, die zulässige Abweichung, die Oberflächenrauheit und die Toleranz aus. Der Außendurchmesser ist die Gesamtbreite oder der durchschnittliche Durchmesser der Kugel.

Zulässige Abweichung ist der größte radiale Abstand in einer radialen Ebene zwischen einer Kugel um die Metallkugeloberfläche und einem beliebigen Punkt auf der Kugeloberfläche. Die Oberflächenrauheit misst die Unregelmäßigkeiten, die sich auf der Oberfläche bilden, sind jedoch keine signifikanten Abweichungen. Basisdurchmesser Toleranz ist die maximal zulässige Abweichung des durchschnittlichen Durchmessers vom angegebenen Durchmesser.

Stahlkugeln gleiten auf einer Laufbahn, was dazu führt, dass dies zu Mikro-Verschweißungen oder kalten Adhäsionen durch den Stahl-auf-Stahl Kontakt führt. Dies kann zu Beschädigungen der Oberflächen von Laufbahn und der Metallkugel führen. Der Verschleiß der Kugel wie der Laufbahn wird dadurch weiter beschleunigt. Eine Kontamination der Schmierung ist die Folge.

Keramikkugeln und ihre Vorteile

Keramikkugeln sind ebenfalls kugelförmige Elemente, die in Rückschlag- und Kugelhähnen, Wälzlagern und anderen mechanischen Geräten verwendet werden, die eine Dreh- oder Linearbewegung ermöglichen. Allerdings – sie bestehen aus anorganischen, nichtmetallischen Materialien, die bei hohen Temperaturen verarbeitet werden. Viele Keramikkugeln sind mit ihrer extrem glatten Oberfläche in der Lage, ein hohes Maß an Toleranz zu erreichen.

Dadurch haben Keramikkugeln im Vergleich zu Metallkugeln einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten. Das Schleifen von Keramikkugeln entfernt Kratzer, Schnitte, Schrammen und viele andere Unregelmäßigkeiten. Viele Keramikkugeln weisen eine größere Härte auf als Stahlkugeln und sind in der Lage, höhere Betriebstemperaturen zu bewältigen, was zu einer längeren Lebensdauer und verbesserten Zuverlässigkeit führt. Keramikkugeln können auch hohe Festigkeit, geringe Wärmeausdehnung, geringes Gewicht, erhöhte Korrosionsbeständigkeit und elektrischen Widerstand bieten.

Keramikkugeln stehen deutlich in Konkurrenz zur Stahlkugel

Die hohe Zuverlässigkeit und Erschwinglichkeit der Si3N4-Keramikkugeln sind die primären Hauptgründe für das Wachstum des Keramikkugelbedarfs. Die Hauptabsatzgebiete sind Europa, die USA, Japan und China. Einsatzgebiete mit wachsender Tendenz sind die Automobilindustrie, bei Elektromotoren und Werkzeugmaschinen, im Dentalbereich sowie in der Windenergie.