"Notched Ball Test" für Keramikkugeln

Mit dem "Notched Ball Test" des steirischen Materialwissenschafters Dipl.-Ing. Stefan Strobl lässt sich die Oberflächenqualität keramischer Kugeln prüfen. Die Methode bildet die Basis der ÖNORM M 6341 zur Bestimmung der Festigkeit von Wälzlagerkugeln aus Keramik. Diese erlaubt den Vergleich und die Charakterisierung von Materialien und gewährleistet bei der Herstellung der Proben auch die Integrität der keramischen Oberfläche. 

Keramikkugel
Credit: ISFK / Stefan Strobl

Keramische Werkstoffe sind auf dem Vormarsch. Dank ausgezeichneter Eigenschaften wie großer Härte, geringer Dichte, elektrischer Isolation und einer sehr guten Beständigkeit gegen Korrosion, Verschleiß und hohe Temperaturen kommen sie mittlerweile bei Anwendungen zum Einsatz, die früher nur mit Metallen möglich waren.

Bauteile für hohe Beanspruchungen

Bedeutende Einsatzgebiete für Strukturkeramiken sind Anwendungen mit hohen Temperaturen. Dazu zählen etwa Gasturbinen mit Drehzahlen von mehreren tausend Umdrehungen pro Minute und – aufgrund des steigenden Wirkungsgrades – zunehmend Verbrennungsmotoren.

Keramische Werkstoffe halten sehr hohen Beanspruchungen ohne Verzug oder Ermüdung stand und bieten sich deshalb für die Verwendung in Lagern und Dichtungen an. Auch für den Einsatz in Pumpen oder in Getrieben, wo die Bauteile Korrosion oder Verschleiß ausgesetzt sind, eignen sich widerstandsfähige Strukturkeramiken optimal.

Den unbestreitbaren Vorteilen von Keramiken stehen die höheren Herstellungskosten, die Sprödigkeit und das Phänomen des plötzlichen Materialversagens gegenüber. Da Keramik ein relativ junger Werkstoff ist, ist noch nicht jedes Verhalten in jeder Umgebung bekannt. Umso wichtiger ist deshalb die Qualitätskontrolle des Werkstoffs und der Oberflächengüte.

Die mechanischen Eigenschaften von Keramik lassen sich nur statistisch beschreiben und und müssen unbedingt am tatsächlichen Bauteil überprüft werden, da Parameter wie etwa die Festigkeit deutlich von der konkreten Oberflächenqualität abhängen.

Kerbkugelversuch erlaubt Qualitätskontrolle

Stefan Strobl
Credit: Andreas Schöberl/KLEINE ZEITUNG

Dieses Problem hat der Diplomingenieur Stefan Strobl mit einer neuartigen Prüfmethode gelöst. In seiner Dissertation am Institut für Struktur- und Funktionskeramik (ISFK) an der Montanuniversität Leoben hat der Werkstoffwissenschaftler ein neues Verfahren zur Prüfung von keramischen Kugeln entwickelt, die unter anderem in Lagern von Formel-1-Rennwagen und großen Windkraftanlagen zum Einsatz kommen.

"Mit dem 'Notched Ball Test' – zu deutsch Kerbkugelversuch – lässt sich die Festigkeit von Originaloberflächen selbst an kleinen Bauteilen mit hoher Genauigkeit messen. Die Prüfung lässt sich einfach durchführen und auch einfach auswerten", sagt Strobl.

Die Keramikkugel wird in der Äquatorebene zu rund 80 Prozent des Durchmessers eingeschnitten. Über zwei Stempel wird an den Polen eine Kraft eingeleitet, das Zusammendrücken der Kerbe führt zu Zugspannungen am Äquator der Kugeloberfläche. Aus der Bruchkraft und der Geometrie der Kugel kann die Zugfestigkeit des Materials ermittelt werden.

Da für die Herstellung und Prüfung der Proben keine speziellen Einspannvorrichtungen notwendig sind, ist die Versuchsanordnung sehr einfach. Im Gegensatz zum genormten Festigkeitstest in 4-Punkt-Biegung wird die Originaloberfläche geprüft. Die rasche und flexible Probenfertigung ermöglicht die Prüfung größerer Stichproben.

Neue ÖNORM M 6341 zur Bestimmung der Festigkeit

Die in der Dissertation entwickelten Grundlagen dienen als Basis für die vor Kurzem publizierte ÖNORM M 6341 "Wälzlager – Wälzlagerkugeln aus Keramik – Bestimmung der Festigkeit – Kerbkugelversuch". Das Regelwerk beschreibt den "Notched Ball Test" zur Bestimmung der Festigkeit für Wälzlagerkugeln aus Keramik, vorzugsweise aus Siliziumnitrid mit Durchmessern von 3 mm bis 50 mm.

Um die Etablierung im internationalen Umfeld – etwa der International Organization for Standardization (ISO) – zu erleichtern, wurde die Norm auf Deutsch und Englisch publiziert.

Hilfsmittel zur Materialspezifikation

Für Dr. Gerwin Preisinger, der beim Wälzlagerhersteller SKF in Steyr für die Entwicklung von Hybridlagern und den dafür benötigten keramischen Wälzkörpern verantwortlich ist und der Strobls Dissertation als Industriepartner begleitet und finanziert hat, ist die Veröffentlichung als ÖNORM eine äußerst positive Entwicklung.

"Wälzkörper aus 'technischer Keramik' haben immense Vorteile gegenüber jenen aus Stahl: Sie ermöglichen eine geringere Lagerreibung, höhere Drehzahlen, sind weniger anfällig für Verschmutzung und bieten eine längere Lebensdauer. Die Formulierung eines eigenen Standards zur Qualitätskontrolle hilft, den Werkstoff Keramik in Wälzlageranwendungen noch besser zu etablieren. Denn der 'Notched Ball Test' kann auf dieser Basis als Werkzeug zur Materialspezifikation zwischen Lieferanten und Kunden herangezogen werden", so der Experte.

Wachstumsmarkt Hybridlager

In der Praxis kommen meist Hybridlager zum Einsatz. Dabei werden die Kugeln aus Keramik und die Präzisionsringe aus Stahl hergestellt. Aufgrund des vernachlässigbaren Abriebs erlaubt diese Kombination die Herstellung völlig abgekapselter Bauteile mit Fettschmierung.

Derartige Lösungen sind etwa bei autonomen Systemen wie Tiefseepumpen ohne eigene Versorgungsleitungen gefragt. Die bestechenden Eigenschaften der Werkstoffkombination Stahl-Keramik überzeugen: Der Markt für Hybridlager weist seit 2000 jährlich zweistellige Wachstumsraten auf. 

Und es bieten sich noch weitere Anwendungsmöglichkeiten, etwa bei Bohrern, die schnell beschleunigen und stoppen müssen, bei Supraleitern, im Tieftemperaturbereich oder bei In-vivo Anwendungen in der Medizintechnik.

Ein Grund mehr, größten Wert auf die Materialqualität zu legen. Mit dem "Notched Ball Test" und der ÖNORM M 6341 liegen die erforderlichen Tools zur Qualitätssicherung vor. Ihre Geschichte zeigt, wie die Arbeit österreichischer Forschung zu innovativen und international anwendbaren Produkten führen kann – mit Hilfe von Normen.

Autor: Herbert Hirner

Bibliographie

ÖNORM M 6341 Wälzlager – Wälzlagerkugeln aus Keramik – Bestimmung der Festigkeit –Kerbkugelversuch