Das Wichtigste in Kürze
- Beim Hybridlager sind nur die Kugeln aus Keramik. Beim Vollkeramiklager sind auch die Ringe aus Keramik. Alles andere folgt daraus.
- Eine Kugel aus Siliziumnitrid wiegt rund 59 Prozent weniger als eine Stahlkugel gleicher Größe. Deshalb verträgt ein Hybridlager höhere Drehzahlen.
- Vollkeramik aus Zirkonoxid trägt weniger. Für die Größe 6000 nennen Anbieter eine dynamische Tragzahl von 2,9 bis 3,4 Kilonewton, SKF für das Stahllager 4,75. Das ist ein Viertel bis ein Drittel weniger.
- Hybrid nimmt man, wenn sich etwas bewegen soll: hohe Drehzahl, wenig Schmierung, Strom im Lager. Vollkeramik nimmt man wegen der Umgebung: Säure, Lauge, Magnetfelder.
- Der häufigste Fehler: ein Stahllager gegen Vollkeramik tauschen, ohne die Last zu prüfen. Es passt genau und geht trotzdem kaputt.
Warum das so ist, steht ausführlich darunter. 12 Minuten Lesezeit.
Der Unterschied in einem Satz
Ein Hybridlager hat Ringe aus Stahl und Kugeln aus Keramik. Ein Vollkeramiklager hat auch die Ringe aus Keramik. Das ist der ganze Unterschied. Alles Weitere ergibt sich daraus.
Dieser Beitrag stellt die beiden gegenüber. Wer erst einmal wissen möchte, was eine Bauart für sich genommen ausmacht und wo sie eingesetzt wird, findet das hier: Was ist ein Hybridlager? und Was ist ein Vollkeramiklager?
Hybridlager
Stahlringe · schwarze Keramikkugeln
Vollkeramiklager
weiße Keramik, Ringe und Kugeln
Weil die Ringe beim Hybridlager aus normalem Wälzlagerstahl sind, verhält es sich fast wie ein gewöhnliches Lager. Es trägt ähnlich viel und wird genauso eingebaut. Nur bei harten Stößen ist das reine Stahllager etwas im Vorteil, weil die steife Keramikkugel stärker auf die Laufbahn drückt. Deshalb ist Hybrid in der Industrie die häufigere Wahl.
Kurz beantwortet lautet das so. Haben Sie ein Problem mit Drehzahl, Schmierung oder Strom? Dann Hybrid. Haben Sie ein Problem mit Rost, Chemie, Temperatur oder Magnetfeldern, und die Last ist klein? Dann Vollkeramik.
Was die Keramikkugel ändert
Keramik ist leichter als Stahl. Siliziumnitrid, so heißt die schwarze Keramik, wiegt 3,24 Gramm je Kubikzentimeter. Wälzlagerstahl wiegt 7,83. Eine Kugel aus Siliziumnitrid wiegt also bei gleicher Größe rund 59 Prozent weniger.
Das klingt nebensächlich, ist aber der Kern der Sache. Beim Drehen drückt jede Kugel nach außen gegen den Außenring, so wie man im Karussell nach außen gedrückt wird. Diese Kraft heißt Fliehkraft. Sie hängt vom Gewicht der Kugel ab und von der Drehzahl. Eine leichtere Kugel drückt schwächer.
Diese Kraft trägt keine Last. Sie drückt die Kugeln nur zusätzlich an den Außenring. Das erzeugt Reibung und Wärme und belastet die Laufbahn. Hier steht sie für ein 6205, eines der meistverbauten Kugellager überhaupt:
| Drehzahl | Stahlkugel | Keramikkugel | Unterschied |
|---|---|---|---|
| 3 000 min⁻¹ | 0,6 N | 0,3 N | −59 % |
| 6 000 min⁻¹ | 2,5 N | 1,0 N | −59 % |
| 12 000 min⁻¹ | 9,8 N | 4,1 N | −59 % |
| 18 000 min⁻¹ | 22,1 N | 9,1 N | −59 % |
Bei 18 000 Umdrehungen je Minute drückt jede Stahlkugel mit rund 22 Newton nach außen, jede Keramikkugel mit rund 9 Newton. Das ist ein Grund, warum ein Hybridlager bei hoher Drehzahl kühler bleibt. Der zweite: Keramik und Stahl reiben im Kontakt weniger aneinander.
Dazu kommen drei Eigenschaften der Keramik selbst:
- Sie ist härter. Die Kugel nutzt sich kaum ab und glättet die Laufbahn mit der Zeit sogar.
- Sie leitet keinen Strom. Deshalb kann kein Strom vom Innenring zum Außenring fließen. Warum das an Elektromotoren wichtig ist, steht im Beitrag zu Lagerströmen.
- Sie verschweißt nicht mit Stahl. Wenn die Schmierung ausfällt, fressen zwei Stahlteile ineinander. Keramik und Stahl tun das nicht. Ein Hybridlager übersteht einen Schmierungsaussetzer deshalb häufiger.
Die drei Werkstoffe in Zahlen
Im Wälzlager sind zwei Keramiksorten üblich. Beide heißen umgangssprachlich Keramik, sie sind aber sehr verschieden. Diese Tabelle zeigt beide neben dem Stahl:
| Kennwert | Wälzlagerstahl | Si₃N₄ · schwarz | ZrO₂ · weiß |
|---|---|---|---|
| Gewicht je cm³ | 7,83 g | 3,24 g | rund 6,0 g |
| Härte | rund 700 HV | 1500 bis 1600 HV | rund 1200 HV |
| Steifigkeit (E-Modul) | rund 210 GPa | rund 310 GPa | rund 210 GPa |
| Dehnt sich bei Wärme | 12 · 10⁻⁶/K | rund 3 · 10⁻⁶/K | rund 10,5 · 10⁻⁶/K |
| Leitet Wärme ab | rund 33 W/(m·K) | rund 25 W/(m·K) | rund 3 W/(m·K) |
| Bei Überlast | verformt sich | kann brechen | kann brechen |
| Leitet Strom | ja | nein | nein |
| Magnetisch | ja | nein | nein |
| Rostet | ja | nein | nein |
Zwei Zeilen dieser Tabelle erklären fast alles Weitere.
Zirkonoxid leitet Wärme sehr schlecht. Mit rund 3 Watt je Meter und Kelvin leitet es gut zehnmal schlechter als Stahl. Die Wärme, die im Lager durch Reibung entsteht, bleibt also eher drin. Das ist ein Grund, warum ein Vollkeramiklager aus Zirkonoxid langsam drehen sollte. Dazu kommen die schwereren Kugeln, der Kunststoffkäfig und oft die fehlende Schmierung.
Siliziumnitrid dehnt sich bei Wärme kaum aus. Nur etwa ein Viertel so stark wie Stahl. Was das beim Einbau bedeutet, steht weiter unten in einem eigenen Kapitel.
Keramikwerte: Werkstofftabellen von Kyocera und JTEKT. Stahl: SKF und Werkstoffdatenblatt 1.3505 (100Cr6). Es gibt je Werkstoff mehrere Sorten, die Werte sind gerundet.
Wo Vollkeramik ihre Stärke hat
Sobald auch die Ringe aus Keramik sind, verschwinden die Probleme, die vom Metall kommen: Rost, Magnetismus und die Abhängigkeit vom Schmierstoff. Mit einem Käfig aus PTFE oder PEEK ist dann kein Metall mehr im Lager.
Ein Vollkeramiklager läuft in vielen Säuren und Laugen, in Salzwasser und in Reinigungsmitteln. Es kommt aber auf Stoff, Konzentration und Temperatur an, und Zirkonoxid verträgt heißes Wasser und Dampf auf Dauer schlecht. Es kann ohne Fett laufen, dann mit weniger Last und Drehzahl. Und es ist unmagnetisch. Ein Händler gibt ein Zirkonoxidlager der Größe 6000 für −200 bis +180 °C frei. Als Grenze nennt er den PTFE-Käfig, das ist das Bauteil, das die Kugeln auf Abstand hält. Die Keramik selbst verträgt viel mehr: Ohne Kunststoffkäfig nennen Anbieter für Zirkonoxid rund 400 °C, für Siliziumnitrid rund 800 °C.
Welche der beiden Keramiksorten passt, entscheidet sich meist so:
| Frage | ZrO₂ · Zirkonoxid | Si₃N₄ · Siliziumnitrid |
|---|---|---|
| Verträgt Schläge | leichte Stöße etwas besser | empfindlicher |
| Wärme im Betrieb | staut Wärme | leitet sie gut ab |
| Drehzahl | niedrig | höher als Zirkonoxid, aber unter Stahl |
| Preis | günstiger | rund doppelt so teuer |
| Passt bei | Chemie, Lebensmittel, kaltem und warmem Wasser, Magnetfeldern | höherer Drehzahl, Vakuum, großer Hitze nur ohne Kunststoffkäfig |
Kurz gesagt: Zirkonoxid ist die Wahl für nass und aggressiv, solange es langsam dreht und nicht dauerhaft heißem Wasser oder Dampf ausgesetzt ist. Siliziumnitrid ist die Wahl, wenn es schneller drehen soll, und kostet rund doppelt so viel. Mit PEEK-Käfig ist bei rund 250 °C Schluss, für mehr Hitze braucht es ein Lager ohne Kunststoffkäfig. Beide Keramiken sind spröde. Welche Stöße besser verträgt, hängt auch von der genauen Sorte ab, die Angaben der Hersteller widersprechen sich hier.
Der Punkt, den fast alle übersehen
Hier liegt der wichtigste Nachteil der Vollkeramik. Zirkonoxid ist ungefähr so steif wie Stahl, unter normaler Last verformen sich beide fast gleich. Der Unterschied zeigt sich bei zu viel Last: Stahl bekommt eine Delle, Keramik bekommt Risse. Die Anbieter setzen die Tragzahl für Zirkonoxid deshalb deutlich niedriger an als für Stahl.
Eine Norm dafür gibt es nicht, jeder Anbieter legt seine Werte selbst fest, und sie gehen weit auseinander. Für Vollkeramik aus Siliziumnitrid setzt der Hersteller JTEKT sogar dieselben Tragzahlen an wie für Stahl, andere Anbieter deutlich weniger. Für Zirkonoxid sind sich alle einig, dass es weniger ist. So sieht das nebeneinander aus:
Dynamische Tragzahl C · Größe 6000, 10 × 26 × 8 mm
Die dynamische Tragzahl C ist der Wert, mit dem man die Lebensdauer eines drehenden Lagers rechnet. Stahl und Hybrid: SKF 6000 und 6000/HC5C3. Zirkonoxid: Datenblatt eines Händlers (A) und Angabe eines Keramiklagerherstellers (B).
Bei der Drehzahl ist der Abstand noch größer. SKF gibt das Stahllager 6000 mit Deckscheiben bis 34 000 Umdrehungen je Minute frei. Der Händler gibt sein Vollkeramiklager mit Deckscheiben bis 15 000 frei, ein Keramiklagerhersteller nennt für Zirkonoxid nur 7 000. Die statische Tragzahl C0 liegt laut Händler bei 1,20 Kilonewton, beim Stahllager bei 1,96. Sie zählt, wenn das Lager steht oder langsam dreht, beim Einpressen und bei Stößen.
Der Fehler, den wir am häufigsten sehen, geht so. Ein Stahllager wird gegen ein Vollkeramiklager mit derselben Nummer getauscht, ohne die Last zu prüfen. Es passt geometrisch perfekt und geht nach kurzer Zeit kaputt. Beim Wechsel auf Vollkeramik gehört die Last nachgerechnet. Beim Wechsel auf Hybrid mit Ringen aus Wälzlagerstahl in der Regel nicht, bei Ringen aus Edelstahl schon.
Wärme: der zweite blinde Fleck
Alle Werkstoffe werden größer, wenn sie warm werden. Stahl mehr, Siliziumnitrid viel weniger, Zirkonoxid fast so viel wie Stahl. Sitzt ein Stahlring auf einer Stahlwelle, wachsen beide gleich. Sitzt ein Ring aus Siliziumnitrid darauf, nicht mehr.
Ein Beispiel: ein Lager mit 25 Millimeter Bohrung auf einer Stahlwelle. Beide werden im Betrieb um 60 Grad wärmer.
| Bauteil | Werkstoff | wird größer um |
|---|---|---|
| Welle | Stahl | 18 Tausendstel Millimeter |
| Innenring aus Stahl | Stahl | 18 Tausendstel Millimeter |
| Innenring aus Keramik | Si₃N₄ | 5 Tausendstel Millimeter |
Der Stahlring wächst also mit der Welle mit, der Ring aus Siliziumnitrid nicht. Es bleiben rund 13 Tausendstel Millimeter Unterschied. Um so viel presst die Welle den Keramikring zusätzlich auf. Zum Vergleich: Die Lagerluft eines normalen 6205 (CN) beträgt 5 bis 20 Tausendstel Millimeter. Sie kann also komplett aufgebraucht werden. Dann klemmt das Lager, wird noch wärmer, und der Effekt verstärkt sich. Ein Innenring aus Zirkonoxid wächst im selben Beispiel um rund 16 Tausendstel, zur Welle bleiben nur rund 2 Tausendstel Unterschied.
Für die Praxis heißt das Folgendes. Ein Vollkeramiklager aus Siliziumnitrid in einer Stahlmaschine, die warm wird, braucht eine abgestimmte Passung und meist mehr Lagerluft. Klären Sie das vor der Bestellung. Beim Hybridlager ist der Effekt klein: Die Ringe sind aus Stahl, nur die Kugeln wachsen weniger. Wird das ganze Lager gleichmäßig warm, gewinnt es dadurch sogar etwas Luft. Den Unterschied zwischen warmem Innenring und kühlem Außenring gleicht das aber nicht aus. Mehr dazu im Beitrag Lagerluft.
Was es kostet
Preise ändern sich, die Größenordnung bleibt. Bezogen auf ein einzelnes Lager der Baureihe 6000:
| Bauart | Preis, grob | Wofür man das zahlt |
|---|---|---|
| Stahl | 1 × | Ausgangspunkt |
| Hybrid | rund 3 × | Drehzahl, keine Stromleitung, Notlauf |
| Vollkeramik ZrO₂ | rund 6 × | kein Rost, kein Fett nötig, unmagnetisch |
| Vollkeramik Si₃N₄ | rund 12 × | dazu mehr Drehzahl als Zirkonoxid |
Diese Zahlen entscheiden wenig. Entscheidend ist, was ein Ausfall kostet. Wenn ein Lagerschaden eine Anlage einen Tag stillsetzt, ist ein Lager für 20 statt 3 Euro keine Frage. Wenn ein Stahllager seit Jahren läuft, gibt es keinen Grund zu wechseln.
Die Entscheidung in vier Fragen
- Fließt Strom über das Lager? Zum Beispiel am Frequenzumrichter. Dann reicht Hybrid. Die Keramikkugel unterbricht den Stromweg. Vollkeramik wäre zu viel des Guten.
- Darf geschmiert werden? Nein, wegen Lebensmitteln, Reinraum oder Vakuum? Dann Vollkeramik. Ja? Dann reicht meist Stahl oder Hybrid.
- Greift die Umgebung den Stahl an? Säure, Lauge, Salzwasser, Dauernässe? Dann Vollkeramik, meist Zirkonoxid. Bei leichter Feuchte reicht oft ein Hybridlager mit Edelstahlringen. Es trägt aber weniger als eines aus Wälzlagerstahl, prüfen Sie dann die Last.
- Wie hoch sind Last und Stöße? Hoch oder stoßartig? Dann Stahl oder Hybrid mit Ringen aus Wälzlagerstahl, Vollkeramik nur nach Rücksprache. Klein und gleichmäßig? Dann geht Vollkeramik.
Faustregel: Hybrid löst ein Bewegungsproblem. Vollkeramik löst ein Umgebungsproblem. Wer beides hat, braucht Vollkeramik aus Siliziumnitrid und sollte die Last vorher nachrechnen.
Häufige Rückfragen
Kann ich ein Hybridlager einfach gegen mein Stahllager tauschen?
Meistens ja. Die Maße sind gleich, die dynamische Tragzahl ist bei Ringen aus Wälzlagerstahl gleich, die Passung bleibt. Prüfen Sie die Lagerluft, weil sich Keramikkugeln bei Wärme anders verhalten, und ob Dichtung und Käfig zum alten Lager passen. Die ganze Liste steht im Beitrag Von Stahl auf Hybrid umrüsten.
Warum ist ein Vollkeramiklager leichter, obwohl Zirkonoxid nicht besonders leicht ist?
Zirkonoxid wiegt rund 6 Gramm je Kubikzentimeter. Das ist weniger als Stahl mit 7,83, aber viel mehr als Siliziumnitrid mit 3,24. Ein Vollkeramiklager 6000 aus Zirkonoxid wiegt laut Händler rund 14 Gramm, das Stahllager laut Katalog 19. Also rund ein Viertel weniger. Spürbar, aber kein Kaufgrund.
Läuft ein Vollkeramiklager wirklich ganz ohne Fett?
Ja, das ist einer der Gründe für diese Bauart. Ohne Fett gelten allerdings andere Grenzen: Die Drehzahl sinkt, die Last sinkt, und das Lager nutzt sich schneller ab als mit Schmierung. Wenn geschmiert werden darf, sollte geschmiert werden, auch bei Vollkeramik.
Reichen nicht auch Edelstahllager gegen Rost?
Oft ja, und dann sind sie günstiger. Der übliche Wälzlager-Edelstahl 440C ist allerdings rostträge und nicht rostfrei. Gegen Feuchtigkeit und milde Reiniger reicht er gut. Gegen Salz hält er nicht lange, Säure und Lauge verträgt er nur mäßig. Außerdem bleibt er magnetisch und leitet Strom. Mehr dazu im Beitrag Wasser, Lauge und Reinigungschemie.
Ist Keramik nicht zu spröde für den rauen Betrieb?
Die Sorge stimmt vor allem für Vollkeramik. Beim Hybridlager sind die Ringe aus zähem Stahl. Bei harten Stößen drückt die Keramikkugel aber etwas tiefer in die Laufbahn als eine Stahlkugel. JTEKT setzt die statische Tragzahl von Hybridlagern deshalb 15 Prozent niedriger an. Hybridlager laufen seit Jahrzehnten in Werkzeugmaschinen und Elektromotoren. Ein Vollkeramiklager verträgt Schläge dagegen schlecht.
Woher die Zahlen stammen
- Werkstoffkennwerte der Keramik: Werkstofftabellen von Kyocera und JTEKT (Katalog 208E, Ceramic und EXSEV). Stahl und Siliziumnitrid im Lager: SKF-Broschüre zu Hybridlagern. Wärmeleitung 100Cr6: Werkstoffdatenblatt 1.3505.
- Tragzahlen und Drehzahlen: SKF 6000, 6000-2Z und 6000/HC5C3. Zirkonoxid: Datenblatt eines Händlers (3,02 kN, 15 000 min⁻¹, 14 g) und Angaben eines Keramiklagerherstellers (3,41 kN, 7 000 min⁻¹). Gewicht des Stahllagers: Schaeffler TPI 165 (19 g).
- Gleiche dynamische Tragzahl für Hybridlager mit Ringen aus Wälzlagerstahl: ISO 20056-1. Statische Tragzahl von Hybridlagern 0,85-fach und Vollkeramik aus Siliziumnitrid wie Stahl: JTEKT.
- Temperatur der Keramik ohne Kunststoffkäfig, Zirkonoxid in heißem Wasser und Dampf: SMB Bearings.
- Die Fliehkräfte und die Wärmedehnung haben wir selbst gerechnet. Die Annahmen stehen jeweils in der Tabellenüberschrift beziehungsweise im Text.
Wenn Ihnen hier eine Zahl falsch vorkommt: schreiben Sie uns. Wir prüfen das und ändern es, statt es stehen zu lassen.
Geschrieben von
Dieter Kijan
Inhaber von Rotaris
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