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Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen bei Medienschmierung Dr. Werner Trojahn, Dr. Claus Müller, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Christian Schulte-Nölle

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Neue Werkstoffefür ungedichtete Lagerlösungen

bei Medienschmierung

Dr. Werner Trojahn, Dr. Claus Müller, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Christian Schulte-Nölle

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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

Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung

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

Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung

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

Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung6

Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen

Wälzlagerermüdung, Typische Schadensfolge

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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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Mediengeschmierte Wälzlager

Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung7

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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Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung8

Werkstoffgeneration1 und 2

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Werkstoffgeneration 1 und 2

Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung9

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

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Werkstoffgeneration 1 und 2

Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung10

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

Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung11

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

Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung12

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?

Cronidur30

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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

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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

29

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

Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung35

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

Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung

Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen

37

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

Werkstoffwoche 2015-09-14 Christian Schulte-Noelle, Schaeffler Werkstoffentwicklung

Neue Werkstoffe für ungedichtete Lagerlösungen

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Haben Sie noch Fragen?

Christian Schulte-NölleSchaeffler [email protected]/91-1638 Al

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