Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen bei...
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Neue Werkstoffefür ungedichtete Lagerlösungen
bei Medienschmierung
Dr. Werner Trojahn, Dr. Claus Müller, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Christian Schulte-Nölle
Agenda
Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung
Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
1
2
3
4
Mediengeschmierte Wälzlageranwendungen
Neue Anforderungen
Werkstoffgeneration 3 - CARNIT
Werkstoffgeneration 1 und 2
1
5 Werkstoffgeneration 3 - Cermadur
6 Zusammenfassung und Ausblick
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Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung2
MediengeschmierteWälzlager
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Mediengeschmierte Wälzlager
Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung
Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
3
Automobilteile und Lager
Produkte
Anwendungen
Mehr als 60 Branchen:
z.B. Luftfahrt,Fertigungsmaschinen,Erneuerbare Enegien, Bahn,Konsumgüter….
Jahr 2014
82.000 Mitarbeiter12,1 Mrd. € Umsatz
Schaeffler Gruppe
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Mediengeschmierte Wälzlager
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Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
4
Für einige Anwendungen wärenmediengeschmierte Wälzlager die besteLösung:
• Keine Dichtungen• Kein Schmiermittel (Öl, Fett)
• Keine Umweltgefährdung durch Öl / Fett• Keine Reibungsverluste durch Dichtungen• Niedrigere Gesamtsystemkosten
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Mediengeschmierte Wälzlager
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Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
5
1. Korrosion an denKontaktflächen
2. ÜberproportionalemVerschleiß aufgrund vonReibung, Adhäsion undAbrasion
3. Schnellerer Ermüdungaufgrund von Scherkräften
Verschleiß
KorrosionErmüdung
Wälz-lagerausfall
Medienschmierung führt anden Lagerringen zu :
Hybridwälzlager
Stahlringe
Kunststoffkäfig
Keramikwälzkörper
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Mediengeschmierte Wälzlager
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Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
Wälzlagerermüdung, Typische Schadensfolge
Fa
Po
Fr
Po -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
Po
P0: Flächenpressung(resultierende Last / Kontaktfläche)
Fa: Axiale LastFr: Radiale LastV : Überrollgeschwindigkeit
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V
Mediengeschmierte Wälzlager
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Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
Fazit: Schmierung => Reibung => Spannung => Lagerlebensdauer
geringe Vergleichsspannunghohe Vergleichsspannung
V µ
Po
Steigende Vergleichsspannung / P0TiefeunterderLaufbahn
ZunehmendeReibung µ__ < __ < __
Qu.: Zoch, H.-W., Stangner, H., 1990,Wälzlagerfestigkeit einsatzgehärteter Bauteile,HTM45 (1990), p.225
Veränderung bei schlechter SchmierungP0: FlächenpressungV : Überrollgeschwindigkeitµ : Reibung
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Werkstoffgeneration1 und 2
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Werkstoffgeneration 1 und 2
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Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
M-% C N Cr Mo SiX65Cr13 0,65 - 12,5 - -
440C 1,05 - 17 0,55 0,4
Cronidur30 0,3 0,35 15 1 0,55
Cronitect 0,2 0,35 13 - -
C-legiertGeneration 1
C-N-legiertGeneration 2
Härte > 58 HRC / 650HVRm > 2100 MPaRp0,2 > 1800 MPaσD > 750 MpaURP > OCP
GeeigneteLagerring-Werkstoffe:
VerschleißfestÜberrollfestKorrosionsbeständig
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vermeiden durch
Werkstoffgeneration 1 und 2
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Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
%Cr13
40
12Resistenz
Cronidur30440C
Mikrostruktur:Gleichmäßige Verteilungkleiner Carbonitride durchC - N –Wechselwirkung,statt grobe Karbide an denKorngrenzen
+N
Stickstoff verbessert:
- Festigkeit und Zähigkeit
- Korrosionsbeständigkeit
- Adh. Verschleißfestigkeit
- Lagerlebensdauer
Das System Stickstoff +Kohlenstoff besitzt einehöhere Löslichkeit fürInterstitionsatome alsKohlenstoff oder Stickstoffallein.
Chrom und Molybdänbleiben trotz hohemInterstitionsgehalt zu hohenAnteilen in Lösung underhöhen so dieKorrosionsbeständigkeit.
+N
Karbide binden Chrom(Korrosionsanfälligkeit steigt)
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Werkstoffgeneration 1 und 2
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Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
Elektro-Schlacke -Umschmelzen unter Druck(DESU)
Druck bis 40 bar hältStickstoff im Stahl gelöst(sonst max. 0,2% N)
Stickstoffträger Siliziumnitrid
Chargengewicht: 1 – 20 t
Ausgangsmaterial:Elektroden aus Blockguss
M-% C N Cr Mo SiCronidur30 0,3 0,35 15 1 0,55
Cronitect 0,2 0-0,35 13 - -
Cronidur30 (Durchhärter)
• Ausgangsmaterial:Nichtrostender Wälzlagerstahl
• Randaufstickung >1000°C (SolNit)• Stickstoff und Chrom bleiben in
Lösung.• Erzeugung einer einsatzgehärteten
martensitischen Randschicht. Kernbleibt zäh.
• Druckeigenspannung in derRandschicht
Cronitect (Einsatzhärter)
DESU-Anlage, Qu. ETE
C-N-legiertGeneration 2
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Werkstoffgeneration 1 und 2
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Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
Medienbeständigkeit
Medium Konz.[%] 20°C 80°C 20°C 80°C 20°C 80°C 20°C 80°C 20°C 80°C Konz. [%]0,1 - - + + + + - - - - 0,11 - - (+) - - - - - - - 118 - - - - - - - - - - 181 - - + - - - - - - - 110 - - (+) - - - - - - - 1096 (+) - + (+) - - - - - - 49
SchwefeligeSäure H2SO3
1 - - + + + + - - - - 1
5 - - + + + + - - (-) - 525 + (+) + + + + + (+) + + 2565 + (+) + + + (+) + (+) + + 651 + + + + + + + + + + 110 - - + + + + (+) + - - 1085 + - + + + (+) + - + + 855 - - + + + + - - - - 525 - - + + + (-) - - - - 255 (+) - + + + + + - + + 525 (+) - + + + + + - + - 255 (+) - + + + + + + + + 225 (+) - + + + + - - + + 20
Chloressigsäure 5 (+) - + + + - (+) - (+) - 5NatriumchloridNaCl 10 (-) (-) + + + + (-) (-) (+) (-) 10Meerwasser DIN 50905 (-) (-) + + + + (-) (-) (+) (-) DIN 50905
Chlorbleichlauge 1 n (-) +* + +* + n (-) + - 1
SalpetersäureHNO3
PhosphorsäureH3PO4
AmeisensäureHCOOH
EssigsäureCH3COOH
Citronensäure
SalzsäureHCL
StahlbezeichnungX65Cr13 X5CrNi18-10 Cronidur30 440C Cronitect(Tauchversuche)
SchwefelsäureH2SO4
Tauchtest
Beurteilung:Gravimetrisch und durchoptische Begutachtung
Schnelltest
um ungeeigneteWerkstoffefrühzeitig
ausschließen zukönnen
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Werkstoffgeneration 1 und 2
Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung13
Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
Cronitect®
Im Salzsprühnebeltest schneiden C+N legierte Stähle besser abals C legierte Stähle und überrollfeste Beschichtungen
100Cr6
Dünnschicht Verchromung
440C
Cronidur30
Salzsprühnebeltest
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Werkstoffgeneration 1 und 2
Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung14
Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
Lageranwendung
Space Shuttle Turbopumpen Hauptantrieb
Flüssiger Wasserstoff + Flüssiger Sauerstoff
440C: Auswechselung nach jedem StartCronidur30®: 10 Starts zugelassen, 100 Starts nachgewiesenKostenersparnis: Mehrere 100 Mio $
Qu.: Pratt&Whitney
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Werkstoffgeneration 1 und 2
Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung15
Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
- Kein Schmierungssystemerforderlich
- Keine Dichtungsreibung- Ökologie
Kundennutzen
Generator
Ungedichtetes PendelrollenlagerRinge und Wälzkörper aus Cronidur30~ 9 Jahre Laufzeit ohne Schaden
Lageranwendung Flusskraftwerk
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Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung16
Neue Anforderungen
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Neue Anforderungen
Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung17
Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
Anwendung:
Lagerungen für Turbinen zur Gewinnung vonStrömungsenergie aus dem Meer
§Robuste und energieeffiziente Nutzung vonMeerwasserkraft§Reibungsreduzierung durch den Wegfall
hermetischer Lagerdichtungen-> Effizienzsteigerung§Umweltgerechte Gestaltung ohne
Schmierstoffemission
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Neue Anforderungen
Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung18
Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
Ergebnisse erster Prüfstandsversuche:
Stillstandskorrosion
Lager läuft auf Prüfstand unter Last in künstl. Meerwasser.
Korrosionsmarken unter den Wälzkörpern nach > 1 TagLagerstillstand
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Neue Anforderungen
Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung19
Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
Laufbahn
Laufbahn
Spaltbreite
Zugspannung
Wälzkörper
Schadensursache
1) Aktivierung des nichtrostendenStahls durch beginnenden Verschleißder passivierenden Oxidschicht in derLaufbahn der Lagerringe
2) Kleine Spalte zwischenKeramikkugel und Stahlringlaufbahn
3) Zugspannungen am Rand derDruckellipse
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Neue Anforderungen
Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung20
Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
Strom
dichtej
Potential U
FF
Messaufbau
Fazit: Zugspannungen => Lochkorrosionspotential => Korrosionsbeständigkeit
ULK1 ULK0ULK2
ZunehmendeZugspannung σ__ < __ < __0 1 2
Cl -
σ
Wässrige NaCl-Lösung
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Neue Anforderungen
Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung21
Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
Ursache des Schadens:
Stillstandskorrosion
Entsteht unter typischenBetriebsbedingungen durchZusammenwirken von:
• Spaltkorrosion
• Zugspannungsbedingter Abfall des
Lochkorrosionspotentials
• Unterstützung der Korrosionsangriffs
durch mech. Oberflächenaktivierung
Abhilfe durch alternative Werkstoffe?
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Neue Anforderungen
Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung22
Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
Über 50 Werkstoffe, Wärmebehandlungen und Beschichtungen wurden untersucht.
Darunter waren einige neuentwickelte Versuchsschmelzen.
Aus den aussichtsreichsten Werkstoffen wurden Musterlager gefertigt und auf denMedienschmierungsprüfständen getestet.
Zwei Werkstoffe zeigen dabei hinreichend großes Potential:
1. CARNIT
2. Cermadur Alle
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Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung23
Werkstoffgeneration 3
CARNIT
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Werkstoffgeneration 3 - CARNIT
Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung
Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
24
Gefüge CARNIT, lösungsgeglüht, Beraha II
~ 580HV1
~ 300HV1
Prinzip der Kaltverfestigung, Zugversuch
Spa
nnun
g[M
Pa]
Dehnung [%]
CARNIT steht für eine Familie vonC+N-Austeniten mit hohen Gehalten anMn und Cr
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Werkstoffgeneration 3 - CARNIT
Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung25
Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
Guss Warm-umformung
Weich-bearbeitung
Kalt-umformung
Hart-bearbeitung
Guss Warm-umformung
Weich-bearbeitung
Wärme-behandlung
Hart-bearbeitung
KlassischeFertigungsrouteWälzlagerringe
FertigungsrouteCARNIT-Ringe
Wärme-behandlung
Unterschiede im Fertigungsablauf
1 2
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Werkstoffgeneration 3 - CARNIT
Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung26
Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
Simulation derKaltumformung
hoch
gering
Laufbahnhärte> 650 HV
Umformgrad
VerschleißbeständigePhase, 1500HV0,01
ÜberrollfesterkaltverfestigterAustenit,1,5mm > 650HV1
Durch dieKaltumformung
wird derAustenit
überrollfest
Durch die folgendeWärmebehandlungwird der Austenit
extremverschleißfest
Kalt-umformung
1
Randschicht-behandlung
2
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Werkstoffgeneration 3 - CARNIT
Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung27
Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
Umformgrad
hoch
gering
Härteverlauf
Härteverlaufsmessung (schematisch)
700 HV -
600 HV -
300 HV -
kaltverfestigt +wärmebehandelt
kaltverfestigt
lösungsgeglüht
1500 HV - Tiefe
Stand der Technik:NichtrostenderWälzlagerstahl
Korrosionsbeständigkeit gegen Chloride(Lochkorrosionspotential in 3,5%NaCl-,
RT, gegen Ag/AgCl-)
0,3 V
0,9 V
Keine Lochkorrosion
CARNTkaltverfestigt
CARNTkaltverfestigt,
wärmebehandelt
Eigenschaften der neuen Materiallösung§ Hohe Verschleißfestigkeit aufgrund hoher Oberflächenhärte§ Korrosionsbeständigkeit gegen Meerwasser§ Systemkosten neutral§ Keine Beeinflussung durch MagnetfelderNutzen der InnovationDurch die Verwendung des Materials CARNIT als Ringwerkstoff kann das Wälzlager schmierstofffrei,reibungsarm und dadurch umweltschonend betrieben werden.
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CARNIT in Meerwasser: Keine Korrosion aber starker Verschleiß nach wenigen Stunden
Werkstoffgeneration 3 - CARNIT
Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung
Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
28
Lagerprüfstandslauf, CARNIT (nur) kalt umgeformt
1) Grundsätzliche Eignung des CARNITals Lagerstahl nachgewiesenTest und Ölumlaufschmierung (EHD).12 Lager 1000h ohne Ausfall,2 x Lagerpittings in der Laufbahn, Ursache: Harte eingedrückte Partikel
2a) Lagertest unter Meerwasser-SpülungTest in künstl. Meerwasser nach DIN50905, 20°C bis 50°C,Ausfall aller 6 Lager aufgrund von Verschleiß
Al2O3Partikeleindrücke
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Werkstoffgeneration 3 - CARNIT
Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung
Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
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Wärmebehandelte Laufbahn: Keine Korrosion oder starker Verschleiß
Lagerprüfstandslauf, CARNIT kalt umgeformt und wärmebehandeltReferenz: Nichtrostender Martensit, Ausfall bei < 80h
2b) Eignung unter Meerwasser-Spülung nachgewiesenTest in künstl. Meerwasser, 20°-50°C, Durchläufer 1000h,
Ausfälle nur an 2 Ringen mit fertigungsbedingten Vorschädigungen
SiO-Partikel
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Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung30
Werkstoffgeneration 3
Cermadur
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Werkstoffgeneration 3 - Cermadur
Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung31
Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
Cermadur wurde unterverschiedenen Bedingungengetestet:• Lebensdauertests• Süß- und Meerwasserspülung• Mit und ohne Partikel
Cermadur:• Gesinterter Verbundwerkstoff• Verschleißbeständig: Härte > 750 HV• Korrosionsbeständig in Meerwasser
1. Prüfstandslauf in Süßwasser
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Werkstoffgeneration 3 - Cermadur
Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung32
Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
Fließrichtung
2. Feldtest im Fluss
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Werkstoffgeneration 3 - Cermadur
Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung33
Geringer Verschleißin der Laufbahn
3. Prüfstandslauf in Meerwasser
Leitungen fürTemperaturmessungen
Wassereinlass Bohrungen
Thermoelemente
Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
Künstl. Meerwasser verschmutzt mitNatursedimenten (Nordsee)
Mit und später ohne Partikelrückhaltung
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Werkstoffgeneration 3 - Cermadur
Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung34
Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
Motor
Getauchte Prüfeinheit Steuereinheit
Schwimmkörper
4. Feldtest im Meer (Nordsee)
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Werkstoffgeneration 3 - Cermadur
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Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
Ergebnisse Testläufe:
• Ziellaufzeit erreicht• Keine Korrosion• Nur sehr geringer Verschleiß• Keine Schäden erkennbar
InnenringAußenring
Ausblick:• Auslieferung an Kunden• Übertragung auf weitere
Anwendungen
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Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung36
Zusammenfassungund Ausblick
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Zusammenfassung und Ausblick
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Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
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Mediengeschmierter Betrieb von Lagern ist oft ausSicht der Anwendung vorteilhaft.
Mediengeschmierte Standardlager unterliegenjedoch Herausforderungen durchVerschleiß, Korrosion, Ermüdung.
Werkstoff-Generation 2 (C+N-legierte Stähle) wurdebereits erfolgreich für mediengeschmierte Lager
eingesetzt: Space Shuttle, Flusskraftwerk.
Werkstoff-Generation 3 (CARNIT, Cermadur) istkorrosionsbeständiger, verschleißfester und kanndaher neue mediengeschmierte Anwendungsfelder
erschließen.
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Zusammenfassung und Ausblick
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Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen
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