Das Wichtigste in Kürze
- Zwei Werkstoffe sind üblich. Siliziumnitrid ist schwarz, leicht und sehr hart. Zirkonoxid ist weiß, schwerer und gegen viele Säuren und Laugen beständiger. Heißes Wasser und Dampf verträgt es auf Dauer schlecht.
- Kugeln werden nicht nur in Lagern verbaut. Sie sitzen in Rückschlagventilen, Dosierpumpen, Durchflussmessern und Einspritzanlagen.
- Die Güteklasse, also G5, G10 oder G20, legt fest, wie genau die Kugel ist. G5 ist typisch für schnelle Präzisionslager. Für ein Ventil reicht meist G10 oder G20.
- Zum Bestellen genügen drei Angaben: Durchmesser, Werkstoff, Stückzahl. Die Güteklasse steht beim Artikel. Zollmaße wie 1/8″ sind gängig und stehen als Millimeterwert im Katalog.
- Die häufigste Frage: einfach die Stahlkugeln im vorhandenen Lager gegen Keramik tauschen? Das geht meist schief. Warum, steht weiter unten.
Warum das so ist, steht ausführlich darunter. 9 Minuten Lesezeit.
Was eine Keramikkugel ist
Nehmen Sie eine in die Hand. Eine Kugel aus Siliziumnitrid wiegt weniger als die Hälfte einer gleich großen Stahlkugel, eine aus Zirkonoxid ist nur etwa ein Viertel leichter als Stahl. Kälter als Stahl fühlen sich beide nicht an, Zirkonoxid wirkt sogar spürbar wärmer, weil es Wärme schlecht leitet. Die Oberfläche ist so glatt poliert, dass die Kugel kaum zu greifen ist. Gekauft wird sie aber wegen anderer Eigenschaften: Sie ist sehr hart, rostet nicht, ist unmagnetisch und leitet keinen Strom.
Gegossen oder gedreht wird sie nicht. Sie wird aus einem Pulver gepresst, gesintert, oft unter hohem Gasdruck nachverdichtet, und danach geschliffen und poliert, so lange, bis sie genau genug ist. Diese letzte Stufe entscheidet über die Güteklasse. Den Preis bestimmen Güteklasse, Werkstoff, Größe und Menge zusammen.
Siliziumnitrid Si₃N₄
schwarz, leicht, sehr hart
Zirkonoxid ZrO₂
weiß, schwerer, gegen Säure und Lauge beständiger
Die zwei Werkstoffe im Vergleich
Beides Keramik, und trotzdem grundverschieden im Verhalten. Die Wahl fällt fast immer über eine einzige Frage: Bewegt sich die Kugel schnell, oder steht sie in etwas Aggressivem?
| Si₃N₄ · schwarz | ZrO₂ · weiß | |
|---|---|---|
| Gewicht je cm³ | 3,24 g | rund 6,0 g |
| Zum Vergleich: Stahl | 7,83 g | |
| Steifigkeit (E-Modul) | rund 300 GPa | rund 200 GPa |
| Leitet Wärme ab | rund 25 W/(m·K) | rund 3 W/(m·K) |
| Chemisch beständig | gut, empfindlich gegen Flusssäure und heiße Laugen | sehr gut, empfindlich gegen heißes Wasser und Dampf |
| Magnetisch | nein | nein |
| Leitet Strom | nein | nein |
| Nimmt man für | Drehzahl, Hitze, Wälzkörper im Lager | Chemie, kaltes Wasser, Ventile |
Als Faustregel: Soll sich die Kugel schnell drehen, nehmen Sie Siliziumnitrid. Es ist leicht und hart und erzeugt im Lager weniger Reibung und damit weniger Wärme. Soll sie dicht halten oder in Chemie stehen, nehmen Sie meist Zirkonoxid. Es ist gegen viele Säuren und Laugen beständiger und gibt unter Last etwas mehr nach, das hilft bei kleinen Schlägen. Die vollständige Werkstofftabelle mit Stahl daneben steht im Beitrag Hybrid oder Vollkeramik.
Wofür Keramikkugeln eingesetzt werden
Die meisten denken bei Keramikkugeln an Lager. Verständlich, nur ist das nicht der einzige Fall.
Als Wälzkörper im Lager
Im Hybridlager ersetzen Keramikkugeln die Stahlkugeln, die Ringe bleiben aus Stahl. Im Vollkeramiklager sind auch die Ringe aus Keramik, der Käfig ist meist aus Kunststoff. Wer ein fertiges Lager sucht, kauft es als Lager und nicht als Einzelteile.
Als Dichtkugel in Ventilen
In einem Rückschlagventil liegt eine Kugel auf einem Sitz und lässt Flüssigkeit nur in eine Richtung durch. Bei jedem Takt hebt sie ab und setzt wieder auf. Eine Dosierpumpe schafft bis zu etwa drei Hübe je Sekunde, tagein, tagaus. Hier sitzen oft Keramikkugeln aus Zirkonoxid, Siliziumnitrid oder Rubin. Zirkonoxid passt gut: hart genug, um nicht einzulaufen, und gegen viele Medien beständig. In Chemie und Getränketechnik ist so eine Kugel ein Verschleißteil, das mit dem Ventilsatz getauscht wird.
In Messgeräten
In Schwebekörper-Durchflussmessern hebt die Strömung eine Kugel an. Ihre Höhe zeigt den Durchfluss. Die Kugel muss dafür schwerer sein als das Medium, und sie darf sich nicht verändern. Keramik rostet nicht und verschleißt kaum, das ist hier der Vorteil.
In Spindeln, Pumpen und Einspritzanlagen
Spindellager, Turbolader, Dentalbohrer, Vakuumpumpen und Verdichter: Wo Wälzkörper schnell laufen oder wenig geschmiert werden, wird oft Siliziumnitrid eingesetzt. In Einspritzanlagen für Dieselmotoren sitzen Kugeln aus Siliziumnitrid auch als Rückschlagkugel.
| Wo die Kugel sitzt | Was sie dort tut | Meist |
|---|---|---|
| Hybridlager | Wälzkörper | Si₃N₄ |
| Vollkeramiklager | Wälzkörper | ZrO₂ oder Si₃N₄ |
| Rückschlagventil, Dosierpumpe | dichtet gegen einen Sitz | ZrO₂ oder Si₃N₄ |
| Schwebekörper-Durchflussmesser | wird von der Strömung angehoben, zeigt den Durchfluss | ZrO₂ oder Si₃N₄ |
| Spindel, Vakuumpumpe, Verdichter | Wälzkörper bei hoher Drehzahl | Si₃N₄ |
| Einspritzanlage | Rückschlagkugel | Si₃N₄ |
| Prüf- und Messtechnik | Tastkugel, Referenzkugel | meist Rubin, für Sonderfälle Si₃N₄ oder ZrO₂ |
Güteklassen: G5, G10, G20
G5 klingt nach Schulnote. Ist es nicht. Die Güteklasse legt mehrere Toleranzen zusammen fest: wie weit die Kugel von der perfekten Kugelform abweichen darf, wie stark ihr Durchmesser schwankt, wie rau die Oberfläche sein darf und wie gleich die Kugeln eines Loses sind. Kleiner heißt genauer.
| Klasse | Abweichung von der Kugelform | Rauheit Ra höchstens | Typisch für |
|---|---|---|---|
| G5 | 0,13 µm | 0,014 µm | schnelle Präzisionslager, Messtechnik |
| G10 | 0,25 µm | 0,020 µm | Präzisionslager, Maschinenbau, dichte Ventile |
| G20 | 0,5 µm | 0,032 µm | Ventile, Pumpen, einfache Anwendungen |
Zur Einordnung: Ein menschliches Haar ist rund 70 Mikrometer dick. Eine Kugel der Klasse G5 darf also um etwa ein fünfhundertstel Haardurchmesser von der Kugelform abweichen.
Sparen Sie an der richtigen Stelle. Eine bessere Güteklasse kostet mehr. Sie lohnt sich dort, wo es auf Genauigkeit ankommt: in schnellen Lagern, in der Messtechnik und bei Ventilen, die sehr dicht sein müssen. Für ein normales Rückschlagventil reicht meist G10 oder G20. Und G5 ist nicht überall die Untergrenze im Lager: Viele Präzisionslager arbeiten mit G10, einfache Lager mit noch gröberen Klassen.
Wie diese Klassen genormt sind, was die Zahl hinter dem G bedeutet und was die Sorte ist, steht ausführlich im Beitrag Kugelgüte G5 bis G100.
Kann man die Kugeln im Lager tauschen?
Die Frage kommt oft, meist aus dem Fahrrad- oder Modellbaubereich. Der Gedanke ist ja auch naheliegend: Lager aufhebeln, Stahlkugeln raus, Keramikkugeln rein, fertig ist das Hybridlager für einen Bruchteil des Preises. Meistens geht es schief. Drei Gründe.
- Keramik drückt anders auf die Laufbahn. Die Keramikkugel ist härter und steifer als Stahl. Die Berührfläche zur Laufbahn wird kleiner, der Druck darauf steigt. Bei hoher Last leidet zuerst die Stahllaufbahn. Keramik dehnt sich bei Wärme außerdem viel weniger aus, dadurch ändert sich die Lagerluft.
- Das Öffnen beschädigt das Lager. Dichtscheiben und Käfig überstehen den Ausbau selten unbeschadet. Was danach wieder zusammengesetzt wird, ist kein Neuteil mehr.
- Die Kugeln müssen zueinander passen. Die Kugeln eines Lagers stammen aus einem eng sortierten Los. Schon ein paar Kugeln aus einer anderen Sortierung verteilen die Last ungleich und ändern die Lagerluft.
Sinnvoll ist es in zwei Fällen. Wenn Sie eine eigene Baugruppe konstruieren, in der die Laufbahnen von vornherein auf Keramik ausgelegt sind. Oder wenn Sie einzelne Kugeln als Ersatzteil in einem Ventil oder Messgerät brauchen. Für ein fertiges Wälzlager kaufen Sie besser das fertige Hybridlager. Es kostet weniger als der Ärger.
Was Sie beim Bestellen angeben müssen
Keine Zeichnung nötig, kein Datenblatt. Drei Angaben genügen, die Güteklasse steht beim Artikel dabei.
- Der Durchmesser in Millimeter. Von 1 bis 15 mm führen wir die gängigen Maße.
- Der Werkstoff: Siliziumnitrid oder Zirkonoxid. Die Güteklasse hängt bei uns davon ab: Siliziumnitrid gibt es von 1 bis 12 mm in G5 und in 15 mm in G10, Zirkonoxid von 1 bis 12 mm in G10 und in 15 mm in G20.
- Die Stückzahl. Keine Mindestbestellmenge, auch eine einzelne Kugel geht.
Noch etwas zu Zollmaßen. Zollkugeln sind weit verbreitet, auch in metrischen Normlagern: Ein 608 hat sieben Kugeln mit 5/32″, also 3,969 mm. Bei uns stehen Zollkugeln als Millimeterwert im Katalog, weil danach gemessen wird: 1/8″ sind 3,175 mm, 1/4″ sind 6,35 mm, 3/8″ sind 9,525 mm. Wer nach der Zollangabe sucht, findet die Kugel trotzdem, denn die Suche kennt beide Schreibweisen.
Die verfügbaren Maße und Güteklassen stehen im Keramikkugeln-Sortiment. Maße darüber hinaus liefern wir auf Anfrage.
Welche Kugel brauche ich für ein Rückschlagventil?
In den meisten Fällen Zirkonoxid. Bei uns hat es bis 12 mm die Güteklasse G10, in 15 mm G20. Für ein normales Rückschlagventil reicht beides. Die Kugel setzt sich bei jedem Hub neu auf den Sitz, oft etwas verdreht, und dichtet nur gut, wenn sie rund genug ist. Muss das Ventil sehr dicht sein, fragen Sie nach einer besseren Klasse. Der Durchmesser richtet sich nach dem Sitz und nicht nach dem Vorgängerteil. Messen Sie nach, wenn Sie unsicher sind.
Sind Keramikkugeln zerbrechlich?
Im normalen Betrieb nein. Keramik ist aber spröde, und Härte schützt nicht vor Bruch. Bei einem Schlag oder starker Überlast kann eine Kugel ohne sichtbare Verformung brechen. Im Dauerbetrieb eines Lagers kündigt sich Verschleiß dagegen an: Wie bei Stahl platzen kleine Stücke aus der Oberfläche. Lassen Sie Kugeln nicht auf harten Boden fallen und setzen Sie sie nicht mit dem Hammer ein. Welcher der beiden Werkstoffe Schläge besser verträgt, hängt von der Sorte ab.
Halten Keramikkugeln Säure und Lauge aus?
Zirkonoxid hält vielen Säuren und Laugen gut stand, auch warm. Heißes Wasser und Dampf können es aber mit der Zeit schädigen: Die Oberfläche wird rau, die Festigkeit sinkt. Flusssäure und heiße, konzentrierte Schwefelsäure greifen es ebenfalls an. Siliziumnitrid ist gegen Flusssäure und heiße Laugen empfindlicher. Wenn Sie Medium, Konzentration und Temperatur nennen, sagen wir Ihnen, welcher der beiden Werkstoffe passt. Zum Thema: Wasser, Lauge und Reinigungschemie.
Wie viele Kugeln brauche ich für ein Lager?
Das hängt von der Baugröße ab und lässt sich nicht allgemein sagen. Ein 608 hat sieben Kugeln, ein 6205 neun. Wichtiger ist die Antwort oben: Für ein Wälzlager lohnt sich der Umbau in aller Regel nicht. Wenn Sie eine eigene Baugruppe bestücken, sagen Sie uns Laufkreisdurchmesser und Kugelzahl, dann rechnen wir mit.
Woher die Zahlen stammen
- Dichte, Steifigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Chemietests: Werkstofftabelle von Kyocera. Dichte Siliziumnitrid 3,24 g/cm³: Niterra Materials (früher Toshiba Materials), Sorte TSN-03NH. Stahl: SKF.
- Zirkonoxid in heißem Wasser und Dampf: SMB Bearings sowie Swab (1991) und Lughi und Sergo (2010) zur Alterung von Zirkonoxid.
- Güteklassen G5, G10 und G20 mit Formabweichung und Rauheit: DIN 5401:2002-08, für Siliziumnitrid ISO 3290-2:2014.
- Einsatzfelder Spindeln, Turbolader, Dentalbohrer und Dosierpumpen: Tsubaki Nakashima. Vakuumpumpen, Verdichter und Durchflussmesser: RGP Balls. Rückschlagkugel für Einspritzanlagen: Niterra. Tastkugeln aus Rubin: Renishaw.
- Hubfrequenz von Dosierpumpen bis 200 je Minute: ProMinent-Katalog.
- Zollmaße: 1/8″ = 3,175 mm, 1/4″ = 6,35 mm, 3/8″ = 9,525 mm, umgerechnet mit 25,4 mm je Zoll.
Die Zuordnung Werkstoff zu Anwendung ist eine Einordnung für den Regelfall, keine Freigabe. Medium, Temperatur und Belastung entscheiden im Einzelfall.
Geschrieben von
Dieter Kijan
Inhaber von Rotaris
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