Das Wichtigste in Kürze
- Der Käfig hält die Kugeln auseinander. Ohne ihn reiben benachbarte Kugeln gegeneinander, und zwar mit Oberflächen, die in entgegengesetzte Richtungen laufen.
- Polyamid endet bei 120 °C, mit Ölen, die Hochdruckzusätze enthalten, schon bei 100. Darüber altert es schnell, und das sieht man ihm von außen nicht an.
- PEEK ist der Käfig für Hitze und Drehzahl, PTFE der für Chemie. Beides zusammen gibt es nicht, deshalb führen wir beide.
- Ein Lager ohne Käfig trägt rund ein Fünftel mehr, läuft aber nur einen Bruchteil so schnell. Für langsame, schwere Stellen ist das die richtige Wahl.
- Ein Siliziumnitridlager ohne Käfig übersteht 800 °C. Mit Kunststoffkäfig ist bei 250 Schluss. Der Käfig ist bei Keramik fast immer die Grenze, nicht die Ringe.
Warum das so ist, steht ausführlich darunter. 12 Minuten Lesezeit.
Das Teil, das niemand ansieht
Ein Vollkeramiklager aus Siliziumnitrid übersteht 800 Grad. Die Ringe, die Kugeln, alles aus Keramik, nichts davon nimmt bei dieser Temperatur Schaden. Trotzdem steht im Datenblatt eine Grenze von 250 Grad. Der Grund sitzt zwischen den Kugeln und ist aus Kunststoff.
Der Käfig ist das Bauteil, über das beim Lagerkauf am wenigsten geredet wird. Dabei setzt er in den meisten Fällen die Grenzen, an die ein Lager stößt. Wie heiß es werden darf. Wie schnell es drehen darf. Welche Flüssigkeiten es aushält. Ringe und Kugeln halten fast immer mehr aus als das, was sie auseinanderhält.
Was der Käfig tut
Alle Kugeln rollen auf derselben Bahn, also drehen sie alle in dieselbe Richtung. Stellen Sie sich zwei davon nebeneinander vor. Dort, wo sie sich berühren würden, läuft die Oberfläche der einen Kugel nach unten und die der anderen nach oben. Das ist kein Rollen mehr. Das ist Gleiten, bei voller Drehzahl, ohne dass jemand es gewollt hätte.
ohne Käfig
Oberflächen laufen gegeneinander
mit Käfig
Steg hält Abstand, nichts reibt
Deshalb hat ein Lager mit Käfig weniger Reibung, läuft kühler und darf schneller drehen. Ein Lager ohne Käfig, vollkugelig genannt, hat dafür Platz für mehr Kugeln. Mehr Kugeln tragen mehr Last. Die Rechnung ist ein Tausch: Bei Keramiklagern etwa ein Fünftel mehr Tragfähigkeit gegen einen großen Teil der zulässigen Drehzahl. Ein Wälzlagerhersteller gibt für vollrollige Lager an, die Reibung sei mindestens doppelt so hoch wie mit Käfig.
Vollkugelig lohnt sich dort, wo es langsam und schwer zugeht. Ein Schwenklager, eine Rolle, die gelegentlich unter hoher Last läuft. Für alles, was schnell dreht, ist es die falsche Wahl. Für Vollkeramik bei hoher Temperatur ist es oft die einzige, weil dann kein Kunststoffkäfig mehr mithält. Zwischen 250 und 500 Grad gibt es noch Käfige aus Edelstahl, darüber nur noch vollkugelig.
Sechs Werkstoffe, sechs Grenzen
Jeder Käfigwerkstoff hat eine Eigenschaft, für die man ihn nimmt, und eine, die ihn begrenzt. Die Tabelle nennt die Dauertemperatur, so wie Wälzlagerhersteller und Keramiklageranbieter sie angeben. Wo sie sich nicht einig sind, steht die Spanne, und darunter steht, warum.
| Werkstoff | Dauertemperatur | Drehzahl | Wenn das Fett fehlt | Chemie und Wasser |
|---|---|---|---|---|
| Stahlblech | wie das Lager selbst | mittel bis hoch, im Katalog wie Polyamid | verschleißt als Erstes, ist weicher als die Ringe | rostet, außer in Edelstahl |
| Messing, massiv | 150 bis 250 °C | sehr hoch, mit Öl | verschleißt, wenn das Öl ausbleibt | Ammoniak nur massiv, nie als gepresstes Blech |
| Polyamid PA66, glasfaserverstärkt | 120 °C, mit EP-Ölen 100 °C | hoch, leicht und leise | gut, gleitet und läuft eine Weile weiter | nimmt Wasser auf, altert in scharfen Ölen |
| PEEK | 150 bis 250 °C | sehr hoch | sehr gut, gleitet von sich aus | fast alles, auch Ammoniak und Kältemittel |
| PTFE | 180 bis 260 °C | niedrig | sehr gut, das glatteste Material der Liste | praktisch alles |
| ohne Käfig, vollkugelig | nur die Ringe zählen | ein Bruchteil | schlecht, Kugel reibt an Kugel | nur die Ringe zählen |
Die Spannen bei Messing, PEEK und PTFE sind keine Nachlässigkeit. Sie kommen daher, dass die Hersteller verschiedene Dinge messen. Der eine nennt die Temperatur, bei der der Werkstoff weich wird. Der andere nennt die, bei der der Käfig unter Fliehkraft noch seine Form hält, und die liegt bei hoher Drehzahl deutlich tiefer. Die großen Hersteller geben für PEEK in ihren Spindellagern 150 Grad an, im normalen Katalog 200, die Anbieter von Keramiklagern 250, ein Werkstoffdatenblatt 260. Alle haben recht, für ihren Fall. Bei Messing ist es dasselbe Bild: 250 Grad im Katalog, 150 im Spindellager.
Was bei uns drin ist und warum
Drei Käfige, drei Gründe.
Hybridlager
Stahl oder Edelstahl
Die Ringe sind aus Stahl, also darf es der Käfig auch sein. Er verträgt dieselbe Temperatur wie das Lager, ihm macht kein Öl etwas aus, und er kostet wenig. Für die meisten Einsätze in der Industrie ist das die richtige Wahl, und deshalb ist sie bei uns Standard. Im Edelstahllager ist auch der Käfig aus Edelstahl, sonst wäre er das erste, was rostet.
Vollkeramik Si₃N₄
PEEK
Siliziumnitrid nimmt man, wenn es heiß wird oder schnell dreht. Beides verlangt vom Käfig Festigkeit, und die hat PEEK: rund viermal so fest wie PTFE, kaum Kriechen unter Last, bis 250 Grad. Dazu hält es Öle, Kältemittel und Ammoniak aus. Der Käfig soll das Lager nicht ausbremsen, das es umgibt.
Vollkeramik ZrO₂
PTFE
Zirkonoxid sitzt meistens dort, wo Chemie im Spiel ist: Reinigungsmittel, Säuren, Laugen, Salzwasser. PTFE ist gegen nahezu alles beständig, was in einem Betrieb vorkommt, und nimmt kein Wasser auf. Dafür ist es weich und für hohe Drehzahlen nicht gemacht. In der Anwendung, für die man ein Zirkonoxidlager kauft, stört das selten.
PTFE oder PEEK: der ehrliche Vergleich
Wer ein Vollkeramiklager sucht, steht früher oder später vor dieser Frage. Die kurze Antwort: PEEK ist der bessere Käfig, PTFE der beständigere Werkstoff. Was Sie brauchen, hängt davon ab, was das Lager umgibt.
PTFE kriecht. Unter dauerhafter Last gibt der Werkstoff langsam nach, die Fachleute nennen das Kaltfluss. Ein PTFE-Käfig verformt sich mit der Zeit, und bei hoher Drehzahl drückt ihn die Fliehkraft nach außen. Dafür ist PTFE gegen praktisch jede Chemikalie unempfindlich, die in einer Produktion vorkommt, und es hat einen der niedrigsten Reibwerte aller festen Werkstoffe. Wo das Lager trocken laufen muss, weil Fett verboten ist, ist das ein echter Vorteil.
PEEK ist fest, steif und hält seine Form. Ein Lagerhersteller gibt an, dass ein Hybridlager mit seinem PEEK-Käfig eine mindestens 60 Prozent höhere Grenzdrehzahl erreicht als dasselbe Lager mit Messingkäfig. Ein Teil davon ist der Werkstoff, ein Teil die Form der Taschen. PEEK hält Ölzusätze, Kältemittel und Ammoniak aus. Gegen die aggressivsten Chemikalien kommt es allerdings nicht an PTFE heran. Und unter etwa minus 70 Grad geben die Lagerhersteller PEEK-Käfige nicht mehr frei, PTFE-Käfige gibt es bis minus 190.
Wenn Sie nicht wissen, welchen Sie brauchen, ist die Antwort fast immer PEEK. PTFE nehmen Sie, wenn Sie genau sagen können, welche Chemikalie das Lager sehen wird, und PEEK dagegen nicht beständig ist. Das ist seltener, als die Kataloge vermuten lassen.
Polyamid: die 120-Grad-Falle
Bei Rillenkugellagern ist Stahlblech der Standardkäfig. Der häufigste Kunststoffkäfig ist glasfaserverstärktes Polyamid, bei Zylinderrollenlagern vieler Hersteller sogar der Standard. Er ist leicht, leise, günstig und hat gute Notlaufeigenschaften, wenn das Fett knapp wird. Für die allermeisten Anwendungen ist er eine gute Wahl. Bis 120 Grad.
Darüber passieren zwei Dinge. Das eine ist sofort da und geht mit der Wärme wieder weg. Ein Hersteller schreibt, dass glasfaserverstärktes Polyamid oberhalb von 120 Grad weniger als die Hälfte seiner Steifigkeit behält. Der Käfig wird weich, solange er heiß ist. Das andere bleibt. Der Werkstoff altert, und das sieht man ihm von außen nicht an. Derselbe Hersteller nennt die Lebenserwartung bei 240 Grad mit milden Schmierstoffen: zehn Stunden. Unter 100 Grad sei sie mehr als tausendmal so hoch. Dazwischen liegt eine Kurve, die mit jeder Temperaturstufe steiler wird.
Der zweite Punkt ist weniger bekannt und trifft öfter. Öle mit Hochdruckzusätzen, im Katalog EP-Öle genannt, greifen Polyamid an. Getriebeöle, Hypoidöle, manche Syntheseöle. Ein Hersteller setzt die Grenze dann bei 100 Grad, ein anderer schreibt, die Käfiglebensdauer könne in scharfen Ölen um den Faktor zehn sinken. Wer ein Polyamidlager in ein Getriebe setzt, das warm wird, sollte wissen, was drin ist.
Gealtertes Polyamid ist spröde. Ein gealterter Polyamidkäfig bricht bei einem Stoß, der ihm neu nichts ausgemacht hätte. Das Lager läuft danach noch eine Weile, aber die Kugeln laufen aufeinander auf, und dann wird es laut.
Hybridlager haben bei uns einen Stahlkäfig, unter anderem deshalb. Wer ein Polyamidlager bei hoher Temperatur oder in scharfem Öl ersetzt, bekommt mit dem Hybridlager zwei Dinge auf einmal. Die Keramikkugel, und einen Käfig, dem das Öl gleichgültig ist.
Messing und die Sache mit dem Ammoniak
Massive Messingkäfige sind die Wahl für Schwingung, Stöße und hohe Drehzahl mit Ölschmierung. Sie sind teuer, dafür fast unzerstörbar. Fast. In Kälteanlagen mit Ammoniak bekommt Messing Spannungsrisse, und zwar dort, wo es unter Spannung steht. Ein Käfig, der aus Blech gepresst wurde, trägt diese Spannung vom Umformen in sich und ist deshalb tabu. Der massive, gedrehte Käfig ist weitgehend frei davon. Ein großer Hersteller schreibt heute, in Ammoniakverdichter gehörten massive Messingkäfige oder Stahlkäfige, und schließt die gepressten ausdrücklich aus. Ältere Unterlagen desselben Herstellers verbieten Messing pauschal. Polyamid gibt er in Ammoniak nur bis 70 Grad frei. Wer eine Ammoniakanlage betreibt, lässt sich den Käfig vom Lagerhersteller bestätigen und nimmt im Zweifel PEEK oder Stahl.
Wann ein besserer Käfig nichts bringt
- Wenn das Fett die Grenze ist. Ein PEEK-Käfig hält 250 Grad, ein normales Lithiumfett rund die Hälfte, 110 bis 130 Grad. Wer den Käfig aufrüstet und das Fett lässt, hat nichts gewonnen. Über 150 Grad gehört das Schmiermittel zuerst auf den Tisch.
- Wenn die Ringe früher aufgeben. Ein normales Stahllager ist bis 120 Grad maßstabilisiert, manche Ausführungen bis 150. Darüber verändern die Ringe langsam ihr Maß, und ab etwa 150 Grad sinken auch Härte und Tragzahl. Ein Käfig für 250 Grad ändert daran nichts.
- Wenn Sie den Käfig gar nicht brauchen. Langsam, schwer, gelegentlich: Dann ist vollkugelig die bessere und günstigere Lösung.
- Wenn die eigentliche Ursache woanders liegt. Ein gebrochener Käfig ist meistens eine Folge, kein Anfang. Schiefstellung, Mangelschmierung, Schmutz, Überdrehzahl, Schwingungen oder ein Stoß bringen ihn um. Ein festerer Käfig hält dann länger durch, löst aber das Problem nicht.
Was ein gebrochener Käfig verrät
Wenn ein Lager ausfällt und der Käfig in Stücken ist, lohnt sich ein Blick auf die Bruchstellen. Sind die Stege gleichmäßig abgerieben, war zu wenig Fett da oder Schmutz drin. Ist der Käfig an einer Seite verschlissen, an der anderen nicht, standen die Ringe schief zueinander. Ist er gebrochen, ohne dass vorher etwas abgerieben war, waren es Stöße oder Schwingungen. Überdrehzahl zeigt sich zuerst als Verschleiß in den Taschen. Bei Kunststoffkäfigen kommt eine Ursache dazu, die Stahl nicht kennt: schlichte Überhitzung. Und oft bleibt die Ursache offen, das schreiben die Hersteller selbst.
Wie man die anderen Schadensbilder liest, steht im Beitrag Lagerschaden bestimmen.
Kann ich den Käfig in einem Lager tauschen lassen?
In der Praxis nicht. Ein genieteter Blechkäfig lässt sich nicht zerstörungsfrei ausbauen. Ein Schnappkäfig aus Kunststoff schon, aber die Hersteller liefern keine Ersatzkäfige, und einen Werkstoffwechsel bietet niemand an. Sie bestellen das Lager mit dem Käfig, den Sie brauchen. Bei uns steht der Käfigwerkstoff bei jedem Artikel im Klartext.
Woran erkenne ich, welcher Käfig in meinem alten Lager ist?
Am Nachsetzzeichen, wenn eines dasteht. TN9 und TVP stehen für Polyamid, M oder MA für Messing, J für Stahlblech. Fehlt ein Zeichen, ist es meistens Stahlblech. Bei Vollkeramiklagern steht der Käfig oft nicht auf dem Ring, dann hilft nur die Farbe. PTFE ist weiß und weich, naturfarbenes PEEK beige bis hellbraun und hart. Gefüllte PEEK-Käfige, wie sie in Spindellagern sitzen, sind schwarz.
Reicht ein Stahlkäfig für hohe Drehzahlen?
Für das, was in der Industrie üblich ist, ja. Die Kataloge nennen für ein Rillenkugellager mit Stahlblechkäfig dieselbe Grenzdrehzahl wie mit Polyamidkäfig. Bei einem 6205 sind das um die 20 000 Umdrehungen je Minute. Das liegt weit über dem, was ein normaler Motor verlangt. Erst bei Werkzeugspindeln und Turbomaschinen entscheidet der Käfigwerkstoff über die Drehzahl, und dort nimmt man PEEK oder massives Messing.
Warum hat das Zirkonoxidlager keinen PEEK-Käfig, wenn PEEK doch besser ist?
Weil Zirkonoxid dort eingesetzt wird, wo Chemie das Problem ist, und dort ist PTFE der sicherere Werkstoff. Wer ein Zirkonoxidlager mit PEEK-Käfig braucht, etwa weil es schneller drehen soll, kann das anfragen. Wir beschaffen es.
Woher die Angaben stammen
- Aufgabe des Käfigs, vollrollige Lager mit mindestens doppelter Reibung, Käfigführung: technische Information eines Wälzlagerherstellers zu Käfigen, sowie Wälzlagerkatalog eines weiteren Herstellers.
- Tragfähigkeit und Drehzahl vollkugeliger Keramiklager (rund 20 Prozent mehr Tragzahl, 70 bis 90 Prozent weniger Drehzahl): Produktangaben eines Keramiklagerherstellers.
- Polyamid 120 °C, mit EP-Ölen 100 °C: technische Information eines Wälzlagerherstellers zu Käfigen. Steifigkeit über 120 °C unter die Hälfte, Lebenserwartung bei 240 °C zehn Stunden, Faktor zehn in scharfen Ölen: Fachartikel eines zweiten Herstellers zu Polymerkäfigen.
- PEEK: Datenblätter der Werkstoffhersteller (Dauergebrauch 240 bis 260 °C), Angaben von fünf Lagerherstellern zwischen 150 und 260 °C je nach Bauart und Drehzahl, Spindellager 150 °C, Katalog 200 °C, Keramiklageranbieter 250 °C. Mindestens 60 Prozent höhere Grenzdrehzahl gegenüber Messing: Broschüre eines Wälzlagerherstellers zu Hybridlagern. Untergrenze −70 °C: Broschüre desselben Herstellers zu PEEK-Käfigen.
- PTFE: Kaltfluss und Härte aus dem Handbuch des Werkstoffherstellers, Dauertemperatur 180 bis 260 °C je nach Anbieter, Untergrenze −190 °C. Zugfestigkeit PTFE rund 22 bis 31 MPa gegen PEEK rund 98 bis 116 MPa: Werkstoffdatenblätter.
- Messing bis 250 °C im Katalog, 150 °C im Spindellager: Kataloge zweier Wälzlagerhersteller. Messing und Ammoniak, massiv freigegeben, gepresst nicht, Polyamid bis 70 °C: Katalog und Fachartikel eines Wälzlagerherstellers zu Verdichterlagern.
- Maßstabilisierung der Ringe, 120 °C als Standard und 150 °C als nächste Stufe, Härte und Tragzahl darüber: Wärmebehandlungshinweise zweier Wälzlagerhersteller nach DIN 623.
- Edelstahlkäfige bis 500 °C und vollkugelige Siliziumnitridlager bis 800 °C: Angaben zweier Keramiklageranbieter.
- Ursachen von Käfigschäden: Schadenskunde zweier Wälzlagerhersteller, DIN ISO 15243.
Die Temperaturangaben sind Dauerwerte der Hersteller und gelten für den Käfig allein. Ob ein Lager sie erreicht, entscheidet meistens das Schmiermittel. Bei Vollkeramik ohne Fett gilt die Grenze des Käfigs, bei allem anderen die des Fetts.
Geschrieben von
Dieter Kijan
Inhaber von Rotaris
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