Kohlenstoffgleitlager

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Schunk Carbon Technology

Inhaltsverzeichnis

KOHLENSTOFFGLEITLAGER

02

Schunk Carbon Technology 03

Anwendungsgebiete 04

Charakteristische Eigenschaften 05

Bel astbarkeit 05 Trockenlaufende Gleitlager 06 Mediengeschmierte Gleitlager 07

Gegenlaufwerkstoffe 08

Konstruktion 09 Lagergestaltung 09 Einbau 10 Einpressen 10 Einschrumpfen 10 Das Lagerspiel 10

KOHLENSTOFFGLEITLAGER

We are Schunk Carbon Technology

Schunk Carbon Technology ist weltweit führend in der Entwicklung, Fertigung und Anwendung von Carbon- und Keramiklösungen. Wie kein Anderer vereint Schunk Carbon Technology dabei Innovationskraft und technologisches Know-how mit außergewöhnlicher Serviceorientierung zu einem einzigartigen Leistungsspektrum.

Mit seinem hochspezialisiertem Technologieportfolio aus Mechanical Carbon, Electrical Carbon, High Temperature

Applications und Technical Ceramics bietet Schunk Carbon Technology perfekt auf die vielfältigen industriellen

Anwendungsbereiche abgestimmte Lösungen. Sie finden uns in Millionen von Kraftfahrzeugen, in Haushaltsgeräten,

in der Bahn- und Luftfahrttechnik, wie auch in der chemischen Industrie, in Prozessen zur Wärmebehandlung sowie in

der Solar- und Windenergie bis hin zu Medizintechnik und Halbleiterindustrie.

Die Business Unit Mechanical Carbon Industry

entwickelt und produziert Werkstoffe für Dich-

tungsringe, Gleitlager und Pumpenkomponen-

ten aus Graphit und Kohlenstoff sowie aus SiC.

Die Produkte kommen in der Dichtungstechnik

sowie in Maschinen, Aggregaten und Anlagen

vieler Industriebereiche zum Einsatz. Zum

Beispiel in der chemischen und petrochemischen

Industrie, der Energie- und Versorgungstechnik,

in der pharmazeutischen und Nahrungsmittelin-

dustrie bis hin zu Anwendungen in der Luft- und

Schifffahrt.

Eine Division der Schunk Group

Schunk Carbon Technology ist eine Division

der Schunk-Group, die als global operierender

Technologiekonzern mit über 8100 Mitarbeitern

in 29 Ländern maßgeschneiderte Hightech-

Lösungen in den Bereichen Kohlenstofftechnik

und Keramik, Umweltsimulation, Klimatechnik,

Sintermetall und Ultraschallschweißen

entwickelt.

03

04

Anwendungsgebiete

Ob im klassischen Pumpenbau in der chemischen und petrochemischen Industrie, im Lebens- mittel-, Pharmazie- und Kosmetikbereich, in der Automotiveindustrie, der Kraftwerkstechnik oder Temperaturbehandlung, überall kommen Gleitlager aus Kohlenstoffmaterialen zum Einsatz.

GLEITLAGER

Alleine die selbstschmierenden Eigenschaften ermöglichen,

vom trockenlaufenden Lager bis hin zum hochbelasteten

hydrodynamisch geschmierten Lager, die Abdeckung eines

weiten Einsatzbereiches.

Die nachfolgende Zusammenstellung der Anwendungs-

gebiete für Kohlegleitlager erhebt keinen Anspruch auf

Vollständigkeit. Es handelt sich lediglich um eine Auswahl

von Anwendungsgebieten; daneben ergeben sich aufgrund

der einzigartigen Eigenschaften von Kohlenstoffgraphit und

Graphit laufend neue Gleitlageranwendungen.

Anwendungsgebiete Werkstoffempfehlung

Brauchwasserpumpen FH42Z2

HeizungsumwälzpumpenFH42Z2, FH42A, FH82A, FC941

Unterwassermotorpumpen Radiallager FH42Z2, FH42A, FH82A

Unterwassermotorpumpen Axiallager FH42Z5, FH82Z5, FH82A

Druckerhöhungspumpen FH42Z2, FH42A

Zahnradpumpen FH42Y3, FH42A, SiC30

ChemiepumpenFH42Z2, FH42Y3, FE45Y3, SiC30

Pumpen für Wärmeträgeröle FH42A

Pumpen für flüssige GaseFH42A, FH82A FH71ZH2, FH71A, SiC30

Kraftwerkspumpen (Hauptkühlmittelpumpen)

FH42(9)Y3

Pumpen und Aggregate (Lebensmittelindustrie)

FH42Z2, FH42Y3

Färbereimaschinen FH42, FE45Y3

Bleichmaschinen FE45Y3

Industrielle Waschanlagen FH42, FH42Z2

Galvanische Anlagen FH42, FE45Y3

Flüssigkeitszähler FH42Y3, FH42A

Treibstoffpumpen FF521, FH42A

Kühlmittelpumpen (Pkw) FF521

Anwendungsgebiete Werkstoffempfehlung

Industriebacköfen (Lebensmittelbranche) FE65

Furniertrockner FH42, FH44Z2

Trockner für Gips bzw. Gipskarton FH82, FE45Y3, FE65

Glasbehandlungsöfen FE45Y3, FE65

Transportketten für Ofenanlagen FH42

Kühlgestelle in Walzwerken FE45Y3

Leitschaufelverstellung von Turboverdichtern FE45Y3

Ventilklappen FE45Y3

Flügelzellenpumpen und Luftverdichter FH42Z2

Abgasklappen FE65

Die für den jeweiligen Anwendungsfall aufgeführten

Werkstoffe haben sich in der Praxis bewährt und sind als

Empfehlung zu verstehen. Im Einzelfall können jedoch die

Betriebsbedingungen die Verwendung eines anderen

Werkstoffes erfordern. Unsere Mitarbeiter der Anwendungs-

technik beraten Sie hierbei gerne.

Trockenlauf Nasslauf

GLEITLAGER

Charakteristische Eigenschaften

Kohlenstoff- und Graphitwerkstoffe zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:

¬ Ausgezeichnete Trockenlaufeigenschaften und Gleit-

eigenschaften, selbst in schlechtschmierenden Medien

¬ Ein niedriger Reibungskoeffizient in Paarung mit einer

Vielzahl von Gegenlaufwerkstoffen

¬ Ausgezeichnete chemische Beständigkeit

¬ Trinkwasser- und Lebensmitteltauglichkeit

05

BelastbarkeitZur Lebensdauerabschätzung bedient man sich dieser

sogenannten p*v-Werte. Die Belastung von Gleitlagern ist

gegeben durch den Gleitdruck p und die Gleitgeschwindig-

keit v. Der Gleitdruck p in N/cm² errechnet sich aus der

Auflagerkraft F und der geometrischen Abmessung des

Lagers:

wobei F = Lagerkraft (N); d = Durchmesser (cm); l = Länge (cm).

¬ Hoch und Tieftemperaturbeständigkeit

¬ Hohe Wärmeleitfähigkeit

¬ Überragendes Thermoschockverhalten

¬ Hervorragende Formbeständigkeit

¬ Hohe Ermüdungsfestigkeit

¬ Festigkeit ist nicht temperaturabhängig

Die Gleitgeschwindigkeit v in m/s errechnet sich aus der

Drehzahl der Welle:

wobei n = Drehzahl (min-1); d = Durchmesser (m)

p= (d*l)

F

v= d * ∏ * 60n

06

GLEITLAGER

Trockenlaufende Gleitlager

Der Verschleiß im Trockenlauf steigt mit der Belastung,

also höherem p und/oder höherem v. Bei nahezu gleicher

Verschleißrate ist das Produkt aus beiden Belastungsgrößen

konstant und kann als Werkstoffkenngröße dienen.

Da Gleitlager im Trockenlauf einem gewissen Verschleiß

unterliegen, wurde zur Erstellung von p*v-Wert Grenz-

lastkurven für Trockenlauf ein Verschleißgrenzwert von

0,7 µm/h festgelegt.

Zur Aufnahme dieser Diagramme wurden bei Schunk

umfangreiche Versuchsreihen auf Gleitlagerprüfständen

durchgeführt und dabei die Gleitgeschwindigkeiten und

Gleitdrücke variiert.

Daneben galten folgende Randbedingungen für die

Versuche: Abmessungen des Radiallagers ø18/12 x 10 mm;

Wellenwerkstoff nichtrostender Stahl 1.4104; Wellenober-

fläche mit einer Rautiefe von Rt ≈ 0,7 µm; Trockenlauf an

Luft bei Raumtemperatur.

Aus dem p*v-Diagramm 1 ist die Belastbarkeit von trocken-

laufenden Gleitlagern des unimprägnierten Werkstoffes

FH42 und der All-Carbon-Werkstoffe FH44Y3 und FE45Y3

zu ersehen.

Kohlenstofflager aus dem recht festen und harten Kohlen-

stoffgraphit FH42 sind im Vergleich mit den beiden anderen

Werkstoffen im Trockenlauf weniger belastbar. Aufgrund

des höheren Graphitanteils im Kohlenstoffgraphit FH44Y3,

ergibt sich für diesen Werkstoff bereits eine

wesentlich höhere Belastung bei gleicher Verschleißrate.

Der Elektrographit FE45Y3 zeigt unter den drei Werkstoffen

die höchste Belastbarkeit.

Durch unterschiedliche Imprägnierungen, wie z.B. der Kunst-

harzimprägnierung, lassen sich die Belastbarkeiten noch

erhöhen. Eine Steigerung durch eine Antimonimprägnierung

wird nur bei geringen Gleitgeschwindigkeiten (< 0,5 m/s)

erzielt. Spezielle Salzimprägnierungen hingegen führen zu

deutlichen Verbesserungen, wie p*v-Diagramm 2 zeigt.

In diesem p*v-Diagramm ist die Belastbarkeit des Elektro-

graphites FE45Y3 der des salzimprägnierten Elektro-

graphites FE65 gegenübergestellt.

Den p*v-Diagrammen ist zu entnehmen, dass das Produkt

p*v für jeden Werkstoff in einem weiten Bereich praktisch

konstant ist. Für die einzelnen Werkstoffe wurden folgende

Werte ermittelt:

FH42 p*v = 11 N/cm²*m/s

FH44Y3 p*v = 30 N/cm²*m/s

FE45Y3 p*v = 40 N/cm²*m/s

FE65 p*v = 190 N/cm²*m/s

Die Grenzlastkurven sind in den p*v-Diagrammen von

0,2 bis 1,5 bzw. 2 m/s angegeben. Bei Gleitgeschwindig-

keiten von v < 0,2 m/s sollte die für v = 0,2 m/s geltende

maximale Belastung nicht wesentlich überschritten werden.

Bei Gleitgeschwindigkeiten über 1,5 bzw. 2 m/s ist ab-

weichend von der Annahme p*v = konstant mit erhöhtem

Verschleiß zu rechnen.

Die für trockenlaufende Radiallager ermittelten Grenzlast-

kurven gelten auch für trockenlaufende Axiallager.

p-v Diagramm 1: Belastbarkeit von trockenlaufenden

Kohlelagen in Abhängigkeit von der Gleitgeschwindigkeit

p-v Diagramm 2: Belastbarkeit von trockenlaufenden

Kohlelagern in Abhängigkeit von der Gleitgeschwindig-

keit; Gegenüberstellung FE45Y3/FE65

140

120

100

80

60

40

20

0,5 1,0 1,5 2,0

FH42

FH44Y3FE45Y3

spez. BelastungN/cm2

Gleitgeschwindigkeitm/s

500

400

300

200

100

0,5 1,0 1,5 2,0

FE65

spez. BelastungN/cm2

Gleitgeschwindigkeitm/s

FE45Y3

GLEITLAGER

07

Mediengeschmierte Gleitlager

Mediengeschmierte tribologische Systeme können sehr gut

durch Stribeck-Kurven beschrieben werden. Hier wird bei

konstanter Last der resultierende Reibungswiderstand über

die ansteigende Gleitgeschwindigkeit aufgetragen. Dem

Reibungsverlauf kann man die unterschiedlichen Reibungs-

zustände zuordnen. Zu Beginn liegt im Haft- und Grenzrei-

bungsbereich Festkörper- sprich Trockenreibung vor, dann

folgt das Übergangsgebiet der Mischreibung und schließlich

liegt ab dem Reibungsminimum, dem Ausklinkpunkt, Flüs-

sigkeitsreibung vor.

In Trocken- und Mischreibungsbereichen liegt Festkörper-

reibung vor und diese generiert neben dem Anstieg der

Reibung auch Verschleiß.

Beim Einsatz von Kohlenstoffgleitlager nehmen Reibung

und Verschleiß, bereits in Gegenwart geringer Mengen von

Flüssigkeit oder auch nur Dämpfen, beträchtlich ab. Abhän-

gig von Belastung, Medium und Geometrie stellt sich dann

in Flüssigkeiten ab einer gewissen Gleitgeschwindigkeit

hydrodynamische Schmierung ein, in diesem Zustand wird

keinerlei Reibungsverschleiß generiert.

Da Kohlenstoffwerkstoffe somit ihre Vorteile gerade im

Grenz- und Mischreibungsbereich haben, wurden dort in

einem kleinen Bereich der Stribeck-Kurve, die Belastbar-

keit unterschiedlicher Werkstoffe mit Hilfe eines p*v-Wert

Diagrammes dargestellt und miteinander verglichen. Hierfür

wurde ein Grenzverschleiß von 0,1 µm/h festgelegt. Gene-

rell ist die Belastbarkeit dieser Werkstoffe natürlich wesent-

lich höher.

Stribeck-Kurve und deren Reibungsbereiche: 1 Haft- und

Grenzreibungsbereich (Festkörper/Trockenreibung) [CM1] |

2 Mischreibungsbereich | 3 Hydrodynamische Schmierung

(Flüssigkeitsreibung)

p-v Diagramm 3: Belastbarkeit in Abhängigkeit von der

Gleitgeschwindigkeit von Kohlelagern im Nasslauf

1000

800

600

400

200

0,5 1,0 1,5 2,0

FH42Z2

spez. BelastungN/cm2

Gleitgeschwindigkeitm/s

FH42A

Reibung

Gleitgeschwindigkeit

1 2 3

GLEITLAGER

08

Gegenlaufwerkstoffe

Grundsätzlich ist eine Vielzahl von Gegenlaufmaterialien geeignet. Selbst relativ weiche Metalle können, abhängig von Belastung und Kohlenstoffwerkstoff, als Laufpartner dienen.

Bewährt haben sich, auch unter höheren Belastungen,

Chromstähle (13 – 17 % Cr). Die bessere Eignung harter

Gegenlaufmaterialien hat ihre Ursache unter anderem darin,

dass die Ausbildung des Übertragungsfilms von Graphit

(Patina) auf der Gegenlauffläche mit steigender Härte

erleichtert wird. Empfohlen wird insbesondere bei hohen

Belastungen eine Härte von HRc ≥ 40.

Die besten Laufergebnisse werden bei einer Rautiefe der

Gegenlaufflächen von Rt ≤ 1 µm erzielt. Höhere Rautiefen

von bis zu Rt≈ 2 µm bewirken lediglich einen erhöhten

Verschleiß während der Einlaufphase. Zu empfehlen sind

feinstgeschliffene Wellen, eher ungeeignet sind geschlich-

tete Wellen.

Vom Einsatz nicht härtbarer, nickelhaltiger, rostfreier Stahl-

sorten als Gegenlaufmaterial ist abzuraten, wenn andere

besser geeignete Werkstoffe verwendet werden können.

Es kann sonst insbesondere bei Trockenlauf, bei unzurei-

chender Flüssigkeitsschmierung sowie stark verunreinigten

Flüssigkeiten zu unerwünschter Riefenbildung kommen.

Gut geeignete Gegenlaufwerkstoffe

¬ Chromstahl

¬ Chromstahlguss

¬ Nitrierter Stahl

¬ Grauguss

¬ Hartverchromte Werkstoffe

¬ Unlegierter Stahl

¬ Siliziumkarbid

¬ Hartmetall

¬ Sinterkeramik (Al2O3)

Bedingt verwendbare Gegenlaufwerkstoffe

¬ Chromnickelstahl

¬ Austenitisches Gusseisen

¬ Buntmetall

Ungeeignete Gegenlaufwerkstoffe

¬ Aluminium

¬ Aluminiumlegierungen

Axiallager

Metallgefasstes Gleitlager

09

GLEITLAGER

Konstruktion

Lagergestaltung

Generell werden Schunk-Gleitlager entsprechend den jeweiligen Anforderungen und den Designwünschen unserer Kunden

hergestellt. Daneben kann für Radial- und Bundlager aus Kohlenstoffwerkstoffen DIN 1850, Blatt 4 („Buchsen aus Kunst-

kohle“) herangezogen werden.

Neben der keramikgerechten Konstruktion sind geometrisch

einige allgemeine Richtlinien zu beachten.

Bei einfach zylindrischen Radiallagern können folgende

Proportionen als Richtwerte dienen:

Geschmierte Lager können daneben noch mit Spiral- oder

Längsnuten ausgeführt werden, um die Schmiermittel-

versorgung im Lagerspalt sicherzustellen und Medium durch

den Lagerspalt zu pumpen.

Bei Axiallagern sollte im jeweiligen Anwendungsfall geprüft

werden, ob nicht die Einbringung der Schmiernuten im

Gegenläufer sinnvoller erscheint. Prinzipiell sind jedoch

auch hier nahezu alle Nutgeometrien möglich.

Für Bundlager sollten folgende Dimensionen eingehalten

werden:

Ø IT 8

f x 45°d 2 d 1

f x 45°

1

s

s

I= d1 bis d2

Imax= 2 x d2

S= 0,1 bis 0,2 x d1

Smin= 3 mm

u

S

b

u=<1/2 s

b=<1/2 s

Insbesondere bei eingepressten oder

eingeschrumpften Lagern (siehe Kapi-

tel „Einbau“) sollte, einen eventuellen

Bund und/oder Überstand betreffend,

von dieser Richtlinie nicht abgewichen

werden.

GLEITLAGER

10

Einbau

Beim Einbau der Gleitlager sind die, verglichen mit Metallen

und Kunststoffen, niedrigen Temperaturausdehnungs-

koeffizienten der Kohlenstoff- und Graphitwerkstoffe zu

beachten.

Auch sollte Kohlenstoffkeramik nicht auf Zug beansprucht

und somit möglichst nicht freitragend eingebaut werden.

Um beiden Besonderheiten der Werkstoffe Rechnung zu

tragen, können die Gleitlager in metallische Fassungen

eingepresst oder geschrumpft werden.

Gerade beim Einpressen oder Schrumpfen von Bundlagern

sollte sich an die Richtlinie zu den Proportionen gehalten

werden. Andernfalls kommt es durch den nicht gefassten

Überstand zu Spannungsspitzen im Material die schnell zum

Versagen führen können.

Nach dem Fügen steht der Kohlenstoffwerkstoff unter

Druckspannung, was die optimale Belastungsart darstellt

und das Lager entsprechend schützt.

Einpressen

Zum Kalteinpressen von Kohlenstoffgleitlagern wird ein

Presssitz von H7/s6 empfohlen. Dieser ist je nach Fassungs-

material bis zu Temperaturen von 120 °C anwendbar.

Eine Fase oder ein Kantenbruch an der Fassung von 15 –

30° vereinfacht den Fügeprozess deutlich.

Im Falle höherer Überschneidungen sollten Kohlenstoffgleit-

lager nicht kalteingepresst werden, da es beim Fügen sonst

zum Abscheren von Material kommen kann.

Einschrumpfen

Das Einschrumpfen direkt in die Gehäuse oder in Metallfas-

sungen hat sich als die beste Befestigungsart für Kohlen-

stofflager unter hohen mechanischen Belastungen oder bei

Einsatztemperaturen über 120 °C herausgestellt.

Die Schrumpfpassungen werden abhängig von den jeweili-

gen Temperaturausdehnungskoeffizienten und der späteren

Betriebstemperatur ausgelegt. Hierbei wird in der Regel die

ISO 286-2 bis zu einer Überschneidung H7/zb8 verwendet.

Beim Einschrumpfen im Hause Schunk werden die metal-

lischen Fassungen im Ofen soweit erwärmt, dass sich die

kalten Lagerbuchsen ohne zusätzlichen Kraftaufwand in die

Aufnahmebohrungen einführen lassen.

Abhängig von den Wandstärkenverhältnissen und der

Elastizitätsmoduln, verengt sich durch das Übermaß der

Schrumpfpassung die Lagerbohrung der Buchse und der

Außendurchmesser der Fassung wird größer. Werden enge

Toleranzen am Fertigteil benötigt, ist nach dem Einschrump-

fen eine entsprechende Nachbearbeitung erforderlich.

Hierbei kann die Lagerbuchse auch auf sehr geringe Wand-

stärken ausgedreht werden, die ohne die Unterstützung der

Fassung nicht möglich wären.

Das Lagerspiel

Auch bei der Festlegung des Lagerspiels müssen die

unterschiedlichen Temperaturaus-dehnungskoeffizienten

berücksichtigt werden. Bei zu eng gewähltem Spiel kann es

zum Festsitzen der Wellen bei Betriebstemperatur kommen.

Deshalb wird zwischen dem Kaltspiel bei Raumtemperatur

und dem Warmspiel bei Betriebstemperatur unterschieden.

Im Falle eingeschrumpfter Kohlenstoffgleitlager, die unter

ausreichender Vorspannung stehen, muss keine Differenzie-

rung zwischen Kalt- und Warmspiel gemacht werden. Hier

wird sich die Lagerbuchse bei Erwärmung etwa entspre-

chend dem Temperaturausdehnungskoeffizienten der

metallischen Fassung ausdehnen.

Für das Lagerspiel bei Betriebstemperatur empfehlen wir im

Trockenlauf 0,3 bis 0,5 % des Wellendurchmessers und für

geschmierte Lager 0,1 bis 0,3 % des Wellendurchmessers.

Raumtemperatur Betriebstemperatur

Lager

Spie

l

Welle

ø d w

ø d L

ø d w

ø d L

Spie

l

Kaltspiel bei Raumtemperatur= Warmspiel bei Betriebstem-

peratur +∆dW – ∆dL

Hierbei ist näherungsweise:

∆dW – ∆dL = (α Welle – α Lager) * d * ∆T

Wobei:

α Welle= Temperaturausdehnungskoeffizient der Welle

α Lager= Temperaturausdehnungskoeffizient des

Gleitlagers

∆T= Temperaturdifferenz (Betriebstemperatur –

Raumtemperatur) in K

d= Nenndurchmesser des Lagerspalts

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