Das Wichtigste in Kürze
- Beim Vollkeramiklager sind Ringe und Kugeln aus Keramik. Bei unseren ist der Käfig aus Kunststoff, Metall ist dann keins mehr drin.
- Es rostet nicht, ist unmagnetisch und leitet keinen Strom, und es kann ohne Schmierstoff laufen. Das sind die vier Gründe, aus denen man es kauft.
- Bezahlt wird das mit Tragkraft. Für ein Zirkonoxidlager der Größe 6000 nennen Anbieter eine dynamische Tragzahl von 2,9 bis 3,4 Kilonewton, SKF für das Stahllager 4,75. Ein Viertel bis ein Drittel weniger.
- Zwei Werkstoffe stehen zur Wahl. Zirkonoxid ist weiß und gegen Säure und Lauge am beständigsten, heißes Wasser und Dampf verträgt es auf Dauer schlecht. Siliziumnitrid ist schwarz, leichter und darf schneller drehen.
- Der häufigste Fehler ist der Tausch gegen Vollkeramik, ohne die Last zu prüfen. Das Lager passt maßlich genau und geht trotzdem kaputt.
Warum das so ist, steht ausführlich darunter. 10 Minuten Lesezeit.
Der Aufbau
Halten Sie ein Vollkeramiklager an einen Magneten. Nichts passiert. Legen Sie es in verdünnte Säure. Auch nichts. Genau dafür kauft man es.
Bei einem gewöhnlichen Kugellager sind Ringe und Kugeln aus Stahl. Beim Hybridlager sind nur die Kugeln aus Keramik. Beim Vollkeramiklager sind Ringe und Kugeln aus Keramik, und der Käfig besteht aus einem Hochleistungskunststoff wie PTFE oder PEEK, bei unseren Lagern immer. Metall ist dann keins mehr drin. Andere Anbieter liefern auch Käfige aus Edelstahl oder Lager ganz ohne Käfig.
Zirkonoxid ZrO₂
weiß, gegen Säure und Lauge sehr beständig
Siliziumnitrid Si₃N₄
schwarz, leichter, darf schneller drehen
Dahinter steckt eine andere Denkweise als beim Hybridlager. Ein Hybridlager kauft man für mehr: mehr Drehzahl, längere Fettstandzeit oder gegen Strom im Lager. Ein Vollkeramiklager kauft man, weil etwas nicht mehr geht. Der Stahl rostet weg, Fett ist verboten, ein Magnetfeld stört. Es ist die Antwort auf eine Umgebung, eine Steigerung ist es nicht.
Die vier Gründe, es zu kaufen
1. Es rostet nicht
Rost entsteht, wenn Eisen mit Sauerstoff und Wasser reagiert. In Keramik steckt kein Eisen, also kann sie nicht rosten. Salzwasser und verdünnte Säure greifen den Ring nicht an. Der übliche Wälzlager-Edelstahl 440C schafft das nicht, er ist rostträge und nicht rostfrei. Zirkonoxid ist dabei die beständigste der gängigen Sorten, auch gegen heiße Lauge. Siliziumnitrid wird von heißer Lauge und heißer Säure langsam angegriffen. Eine Schwäche hat aber auch Zirkonoxid: In heißem Wasser und Dampf altert es mit der Zeit, die Oberfläche wird rau und die Festigkeit sinkt.
2. Es ist unmagnetisch
Wälzlagerstahl und der übliche Edelstahl 440C sind magnetisch. Lager aus Edelstahl 316 sind fast unmagnetisch, tragen aber deutlich weniger. Keramik ist von Natur aus unmagnetisch, und das zählt überall dort, wo ein Magnetfeld im Spiel ist oder eine Messung nicht gestört werden darf.
3. Es leitet keinen Strom
Dieselbe Eigenschaft, wegen der Hybridlager in Elektromotoren eingebaut werden. Hier gilt sie für das ganze Lager und nicht nur für die Kugeln. Für die meisten Elektromotoren reicht allerdings schon ein Hybridlager: Es isoliert ebenfalls, trägt mehr und kostet weniger. Zum Mechanismus dahinter: Lagerströme im Elektromotor.
4. Es läuft ohne Fett
Diesen Grund unterschätzen die meisten, und er ist oft der eigentliche. Vollkeramik gehört zu den wenigen Wälzlagern, die dauerhaft ohne Schmierstoff laufen. Das können sonst vor allem Kugellager aus Kunststoff, und die tragen noch weniger. Möglich macht es vor allem der Käfig: Ein PTFE-Käfig gibt beim Laufen ein wenig Feststoffschmierung ab, so ähnlich wie ein Bleistift Graphit auf dem Papier hinterlässt. Last und Drehzahl müssen dafür klein bleiben.
Warum das oft der eigentliche Punkt ist: In nassen und chemisch belasteten Anlagen stirbt selten der Ring zuerst. Es stirbt das Fett, ausgewaschen, verdünnt oder von Lauge zersetzt. Ein Lager, das gar kein Fett braucht, umgeht diese ganze Kette. Ausführlich im Beitrag Wasser, Lauge und Reinigungschemie.
Was es dafür hergibt
Bis hierhin klingt Vollkeramik nach der besseren Lösung für alles. Ist sie nicht. Die vier Vorteile werden bezahlt, und zwar in vier Währungen.
| Was | Wie viel | Was das praktisch heißt |
|---|---|---|
| Tragkraft | ¼ bis ⅓ weniger | Größe 6000: 2,9 bis 3,4 statt 4,75 kN dynamisch, je nach Anbieter |
| Drehzahl | deutlich weniger | Zirkonoxid leitet Wärme gut zehnmal schlechter als Stahl |
| Stoßbelastung | empfindlich | Keramik verformt sich kaum bleibend, bei Überlast bricht sie eher |
| Preis | ein Vielfaches | je nach Größe und Werkstoff |
An der Tragkraft scheitern die meisten Anwendungen, und zwar aus einem tückischen Grund: Man merkt es beim Einbau nicht. Ein Vollkeramiklager 6000 misst 10 × 26 × 8 mm, genau wie das Stahllager. Es geht so leicht in den Sitz wie das alte, es dreht sich sauber, alles wirkt richtig. Nur trägt es ein Viertel bis ein Drittel weniger. War das Stahllager schon gut ausgelastet, geht die Rechnung nach dem Tausch nicht mehr auf, und das zeigt sich erst im Betrieb.
So sieht der klassische Fehler aus. Ein Lager rostet regelmäßig weg, jemand bestellt dieselbe Größe in Vollkeramik, und nach kurzer Zeit ist es gebrochen. Nicht wegen der Chemie. Wegen der Last. Wer auf Vollkeramik wechselt, sollte einmal nachrechnen, ob eine Nummer größer hineinpasst.
Zirkonoxid oder Siliziumnitrid?
Beide sind Vollkeramik, sie lösen aber unterschiedliche Aufgaben. Eine einzige Frage entscheidet meistens: Ist die Umgebung das Problem oder die Drehzahl?
| Zirkonoxid ZrO₂ · weiß | Siliziumnitrid Si₃N₄ · schwarz | |
|---|---|---|
| Gewicht je cm³ | rund 6,0 g | rund 3,2 g |
| Leitet Wärme ab | rund 3 W/(m·K) | rund 25 W/(m·K) |
| Stöße | verträgt leichte Stöße etwas besser | bei Stößen empfindlicher |
| Chemisch beständig | sehr gut gegen Säure und Lauge, heißes Wasser und Dampf auf Dauer schlecht | gut, heiße Lauge und Säure greifen langsam an, Flusssäure deutlich |
| Temperatur ohne Käfig | rund 400 °C | rund 800 °C |
| Drehzahl | niedrig halten | verträgt mehr |
| Nimmt man für | Chemie, Nässe, Reinigung, leichte Stöße | höhere Drehzahl, Vakuum, große Hitze ohne Kunststoffkäfig |
Zwei Zeilen erklären, warum Zirkonoxid langsam drehen sollte. Mit rund 3 Watt je Meter und Kelvin leitet es Wärme gut zehnmal schlechter als Stahl. Was im Lager an Reibungswärme entsteht, bleibt deshalb eher drin. Dazu kommt das Gewicht: Zirkonoxid ist fast doppelt so schwer wie Siliziumnitrid, seine Kugeln drücken bei hoher Drehzahl stärker auf den Außenring.
Welche Branchen Vollkeramik einsetzen
Eine Molkerei und ein Reinraum für Halbleiter haben wenig gemeinsam. In beiden läuft Vollkeramik, und dahinter steht jedes Mal einer der vier Gründe von oben.
| Wo | Was da läuft | Der Grund |
|---|---|---|
| Chemie und Pharma | Dosierpumpen, Rührwerke, Armaturen | Säure, Lauge, Lösemittel |
| Lebensmittel und Getränke | Abfüllung, Förderer, Schneidmaschinen | tägliche Reinigung, Schmierstoff möglichst vermeiden |
| Galvanik und Oberflächentechnik | Warenträger, Rührer im Bad | Elektrolyt greift Stahl an |
| Wasser und Abwasser | Tauchpumpen, Belüfter, Messtechnik | Dauernässe, oft schmierstofffrei |
| Medizintechnik | Geräte im Magnetfeld, Sterilisierbares | unmagnetisch; beim Autoklavieren den Werkstoff prüfen |
| Halbleiter und Vakuum | Handhabung im Reinraum, Pumpen | kein Schmierstoff, wenig Ausgasung |
| Messtechnik | Durchflussmesser, Waagen, Sensorik | Magnetfeld darf die Messung nicht stören |
| Schiff und Offshore | Deckstechnik, Salzwasserumgebung | Salz, dort hört Edelstahl 440C auf |
Was diese Zeilen gemeinsam haben: In keiner einzigen geht es um Leistung. Es geht jedes Mal darum, dass ein Stahllager an dieser Stelle nicht mehr funktioniert, oder dass Schmierstoff dort nichts zu suchen hat. Wo Stahl weiterläuft, gibt es keinen Grund für Vollkeramik.
Was bei Hitze und Kälte gilt
Hier lohnt ein genauer Blick ins Datenblatt, denn die Zahl darin sagt weniger, als man denkt. Ein handelsübliches Zirkonoxidlager der Größe 6000 mit PTFE-Käfig ist laut Händlerdatenblatt für −200 bis +180 °C freigegeben. Die Keramik selbst hält ohne Käfig viel mehr aus, Zirkonoxid rund 400 °C, Siliziumnitrid rund 800 °C. Die Grenze setzt der Käfig.
Wie hoch diese Grenze liegt, schwankt je nach Anbieter. Mit PEEK-Käfig sind bis etwa 250 °C möglich, so liefern wir unsere Siliziumnitridlager. Darüber braucht es einen Käfig aus Edelstahl oder ein Lager ganz ohne Käfig mit vollem Kugelsatz. Was die einzelnen Käfigwerkstoffe aushalten und wo jeder endet, steht im Beitrag Käfigwerkstoffe: PTFE, PEEK oder ganz ohne.
Vorsicht beim Einbau. Siliziumnitrid dehnt sich nur etwa ein Viertel so stark wie Stahl. Anwärmen bringt hier nichts, das Lager braucht einen leichteren Sitz. Zirkonoxid dehnt sich fast wie Stahl und ließe sich im Wärmeschrank anwärmen. Nötig ist das selten, denn es bekommt ohnehin nur ein kleines Übermaß. Ein Induktionsgerät hilft bei beiden nicht, denn Keramik leitet keinen Strom. Wie es richtig geht, steht im Beitrag Keramiklager richtig einbauen.
Wann Vollkeramik die falsche Wahl ist
- Hohe Last. Ein Viertel bis ein Drittel weniger Tragkraft ist kein Detail. Bei gut ausgelasteten Lagerstellen ist Vollkeramik ohne Größenänderung riskant.
- Hohe Drehzahl mit Zirkonoxid. Die Wärme bleibt im Bauteil. Wenn es schnell drehen soll und die Umgebung mitspielt, ist ein Hybridlager fast immer die bessere Antwort.
- Schlagende Last. Keramik hat keine Reserve durch Verformung. Wo Stöße auftreten, ist Stahl im Vorteil.
- Nur Feuchtigkeit. Für feuchte Luft und Spritzwasser genügt ein gedichtetes Edelstahllager. Das ist mit Abstand die günstigste Lösung, und sie hält.
Was Sie beim Bestellen angeben müssen
- Die Baugröße. Bezeichnung wie 6000, oder die drei Maße Innendurchmesser × Außendurchmesser × Breite.
- Den Werkstoff. Zirkonoxid oder Siliziumnitrid, siehe Tabelle oben.
- Offen oder mit Deckscheibe. Bei unseren Vollkeramiklagern ist die Deckscheibe berührungslos aus PTFE oder PEEK, sie schleift also nicht.
- Last, Drehzahl, Medium und Temperatur. Beim Vollkeramiklager ist das die Grundlage dafür, dass die Größe überhaupt passt.
Die verfügbaren Größen stehen im Vollkeramiklager-Sortiment. Was die Kürzel in den Bezeichnungen bedeuten, steht im Beitrag Typenschlüssel entschlüsselt.
Kann ich ein Vollkeramiklager unter Wasser betreiben?
Ja, das ist einer der Hauptanwendungsfälle. Das Wasser führt Wärme ab, und das hilft gerade dem Zirkonoxid. Zu klären bleiben Last und Drehzahl, beide liegen niedriger als bei einem geschmierten Stahllager. Bei heißem Wasser klären wir den Werkstoff vorher, denn Zirkonoxid kann darin auf Dauer an Festigkeit verlieren. Und die Frage, ob Partikel im Wasser sind: Sand wirkt auch für Keramik wie Schmirgel.
Ist Vollkeramik langlebiger als Stahl?
Unter gleichen, guten Bedingungen nicht. Wegen der geringeren Tragkraft meist sogar kürzer. Der Vorteil zeigt sich nur dort, wo Stahl gar nicht erst durchhält. Die Lebensdauerrechnung dazu steht im Beitrag Rechnet sich Keramik?
Braucht ein Vollkeramiklager wirklich kein Fett?
Es läuft ohne, ja. Kostenlos ist das aber nicht: Ohne Schmierfilm sinken zulässige Last und Drehzahl weiter, der Verschleiß steigt, und es wird lauter. Ein trocken laufendes Lager ist ein Verschleißteil mit planbarer Standzeit. Wo Fett erlaubt ist, sollte man es benutzen.
Hält Vollkeramik Sterilisation im Autoklaven aus?
Siliziumnitrid ja. Bei Zirkonoxid ist Vorsicht nötig: Häufiger Dampf kann den Werkstoff mit der Zeit schwächen. Zu prüfen sind außerdem der Käfig und, falls vorhanden, die Deckscheibe. PTFE und PEEK vertragen die üblichen Autoklavenbedingungen. Schildern Sie uns Temperatur, Druck und Häufigkeit, dann sagen wir Ihnen, welche Ausführung passt.
Woher die Zahlen stammen
- Tragzahl der Größe 6000: Stahl 4,75 kN laut SKF-Katalog. Zirkonoxid 3,02 kN laut Händlerdatenblatt, rund 3,4 kN laut Ortech und SMB. Eine Norm für Vollkeramik gibt es nicht.
- Dichte, Wärmeleitfähigkeit und chemische Beständigkeit von Zirkonoxid und Siliziumnitrid: Werkstofftabelle von Kyocera.
- Temperatur ohne Käfig, PEEK-Käfig bis 250 °C, Alterung von Zirkonoxid in heißem Wasser und Dampf: SMB Bearings; zur Alterung außerdem Moqbel u. a., Materials 13 (2020).
- Temperaturbereich −200 bis +180 °C mit PTFE-Käfig: Datenblatt eines Händlers für ein Vollkeramiklager der Größe 6000.
- Edelstahl 316 fast unmagnetisch, aber mit deutlich weniger Tragkraft: SMB Bearings.
- Oxidkeramik korrosionsbeständiger als Edelstahl und als Siliziumnitrid, Fluorharzkäfig, Branchen: NSK, Datenblatt zu Vollkeramiklagern auf Oxidbasis.
Die Branchentabelle ist eine Einordnung für den Regelfall, keine Freigabe. Über die Eignung entscheiden im Einzelfall Last, Drehzahl, Medium und Temperatur zusammen. Schildern Sie uns die Stelle, dann prüfen wir sie konkret.
Geschrieben von
Dieter Kijan
Inhaber von Rotaris
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