Keramische lagers
De "harde" realiteit

Keramische materialen hebben de eigenschap hard en slijtvast te zijn. Daarbij hebben zij elektrisch isolerende eigenschappen en zijn zij chemisch inert in zeer belastende omstandigheden. Dit alles samen met het feit dat ze maar heel weinig smering nodig hebben, maakt keramiek uiterst geschikt voor lagertoepassingen.

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Al sinds zijn ontstaan ontdekt de mens allerlei nieuwigheden en verlegt hij zijn grenzen, maar nooit beschouwt hij dit als het eindpunt. Grenzen die gisteren gelegd zijn, wil men vandaag terug breken. Zoals bij het wielrennen een baansprinter telkens het uurrecord tracht te verbeteren, zo streeft men in de motion controle steeds naar hogere snelheden en belastbaarheden van installaties en onderdelen. Dit alles is slechts mogelijk bij progressieve verbetering in duurzaamheidseigenschappen.
Ook op het gebied van lagers breken ontwikkelingsingenieurs al jaren het hoofd om de stijgende snelheids- en belastingseisen van motoren, assen e.d. beter te kunnen volgen. Met keramische lagers kan men nu van een doorbraak spreken. Door hun superieure eigenschappen en de enorme prijsval die zij hebben gekend, vinden de keramieken meer en meer hun weg in lagertoepassingen.

Het materiaal
Keramiek is een alom gebruikt materiaal met toepassingen in allerhande industriegebieden, van de elektronica tot de chemische en procesindustrie. Gedefinieerd als anorganisch, niet-metallisch (uitgezonderd glas) materiaal, worden ze gevormd tijdens een sinteringproces waarbij keramisch poeder tijdens een verwarmingsproces in zijn uiteindelijke vorm wordt gebracht. De meest voorkomende keramieksoort voor lagers is silicium nitride, Si3Ni4. Dit heeft een zeer grote hardheid en een grote slijtvastheid. Het heeft een grote weerstand tegen vervormingen bij hoge temperaturen en een kleine dichtheid vergeleken met staal. Deze eigenschappen zorgen er ook voor dat het lager veel beter centrifugaal krachten kan opvangen dan de normale stalen lagers.
Silicium nitride heeft ook de eigenschap elektrisch isolerend te zijn en chemisch inert in agressieve omgevingen.

Proces
Er bestaan vrij nieuwe processen voor het maken van keramische lagers. Zo worden met behulp van een magnetisch veld de keramische kogels gepolijst tot een bolvormigheid van 0,15 tot 0,25 micron en een oppervlakteruwheid Ra van 4nm. Door dit nieuwe proces kunnen de kogels in twintig uur gepolijst worden, terwijl dat bij de conventionele processen meerdere weken in beslag kan nemen. Tevens maakt dit nieuwe proces geen gebruik van diamanten en kunnen alle mogelijke maten van kogels gefabriceerd worden.

Uitvoeringen
In de keramische lagers zijn drie vormen te onderscheiden. De volledig keramische lagers, de hybride keramische lagers en de "single ball" hybride lagers, met op een aantal details na allen met dezelfde voordelen. De keuze dient dan ook bepaald te worden door de toepassing.

Volledig keramische lagers
Van een volledig keramische lager spreken we wanneer de ringen en de kogels gemaakt zijn van silicium nitride. Dit lager loopt zeer gemakkelijk rond en heeft het voordeel zeer licht te zijn en gebruikt te kunnen worden bij zeer hoge snelheden. Daarbij zijn zij corrosiebestendig, niet magnetisch en bestendig tegen temperaturen tot 1000°C.
Hun toepassingsgebied ligt dan ook meestal in machines die opereren onder zeer barre omstandigheden en waar speciale eisen gesteld worden aan de lagers, zoals in de voedings-, de metaalverwerkende of de chemische industrie. Het feit dat ze zeer flexibel zijn op het gebied van smering opent een volledige waaier van mogelijkheden. Ze mogen gesmeerd worden door alle gekende smeermiddelen, gaande van petroleum tot zuur of zelfs yoghurt.

Hybride lagers
Bij de hybride lagers zijn de kogels van Si3Ni4 terwijl de ringen vervaardigd zijn van staal. Dit resulteert in een slijtvaste lager die eveneens elektrisch isolerend is. Door het gebruik van de lichtere kogels komt het lager ook aanzienlijk minder onder druk te staan en is er een opmerkelijke lawaai- en vibratiereductie. Vergeleken met volledig stalen lagers moet men de levensduur van de hybride lagers ongeveer met een factor 10 vermenigvuldigen en kan de as-rotatiesnelheid verdubbeld worden. De hybride lager is bestand tegen temperaturen tot 500°C mits ze voorzien zijn van een speciale stalen ring. Een duidelijk voordeel van dit lager is dat ze direct zonder enige aanpassing kunnen gebruikt worden als vervanger van de normale stalen ring.
Door hun uitmuntende prestaties bij hoge snelheden, kunnen zij worden toegepast op assen van gereedschapsmachines en zijn zij excellent voor handgereedschappen en elektrische motoren waar hoge snelheden en elektrische isolatie van groot belang zijn. Pompontwerpen daarentegen genieten dan weer van het voordeel dat het hybride-lager zeer tolerant is op het gebied van slechte smering.
Ook de tandarts kan genieten van de voordelen van de keramische lagers, want de conventionele lagers in zijn boormachientjes die het normaal zwaar te verduren krijgen tijdens sterilisatie, gaan nu door het gebruik van keramiek tot 10 keer langer mee. En in de sportwereld kent het hybride lager een groeiend succes in het in-line skating en in het wielrennen.

"Single ball" Hybride lagers
Met de "single ball" hybride lager spreken we over een gepatenteerd ontwerp van SKF. In dit lager is één van de kogels een keramische kogel, en alle andere zijn de normale metalen kogels. Zoals dat geldt voor de andere twee soorten lagers is deze lager zeer slijtvast. De enkele keramische kogel houdt het kogelloopvlak vrij van binnendringend vuil in stoffige en vuile omgevingen en beperkt tevens de kostprijs van het lager. Vooral de mechanische overbrengingen in auto’s en in industriële installaties en de machines gebruikt in de mijnbouw, die meestal functioneren in een zeer agressieve omgeving, kunnen van de voordelen van de "single-ball" hybride lager genieten.

Stroomisolerende functie
Het is reeds lang gekend dat lagers door elektrocorrosie beschadigd worden. Deze schade kan ontstaan wanneer in elektrische machines door spanningsverschillen stroom door het lager loopt. Het fenomeen komt trouwens frequenter voor door de stijgende vermogens van elektromotoren in combinatie met thyristor- en transistorregelingen. Ook al is de motor optimaal gewikkeld, toch is het bij aanzienlijke vermogens bijna onvermijdbaar dat er spanningsverschillen optreden. Tot de risicogroep behoren de tractiemotoren, zwaardere elektromotoren, generatoren en wiellagers van elektrisch aangedreven treinstellen. Zelfs bij het lassen aan een stilstaande machine kan door het fout plaatsen van de aardklem van het lasapparaat schade aan de lagers berokkend worden. In het verleden loste men dit probleem op door het gebruik van lagers met koolstof sleepringen, maar die verloren vaak hun functie door hun grote slijtage. De oplossing werd gevonden in het gebruiken van keramiek.
Voor deze toepassingen maakt men ook dikwijls gebruik van keramisch gecoate lagers, vaak te herkennen aan hun matgrijze kleur. Deze wordt door middel van plasmaspuiten op het lager aangebracht en zorgt ervoor dat een minimale doorslagspanning van 500V bereikt wordt. De afmetingen en specificaties / prestaties zijn identiek aan die van de normale standaardlagers. En de vraag of ze zonder enige verandering een standaardlager kunnen vervangen, kunnen we bevestigend beantwoorden.

Toch een aantal beperkingen
Niettegenstaande het grote aantal voordelen zijn er toch een aantal nadelen of beperkingen aan het gebruik van keramische lagers. Zo zijn ze allergisch aan zuiver water. Het zuiver water blijkt een interactie aan te gaan met de keramiek, die hierdoor aangetast geraakt en sneller sporen van slijtage gaat vertonen. Door de grote hardheid van de keramische kogels is het contactoppervlak tussen de kogels en het loopvlak ook kleiner, waardoor er ongeveer 15% meer belasting optreedt. Deze belasting zorgt bijvoorbeeld bij hybride lagers voor een sneller opkomende materiaalmoeheid van de stalen loopringen. Niettegenstaande dit, is het in 90% van de gevallen de smering die de levensduur van een lager bepaalt en dit is een van de stokpaardjes van de keramische lagers.

De toekomst
Men verwacht dat de markt van de keramische lagers verder zal uitbreiden naarmate de prijzen zullen dalen. Deze prijsreductie tracht men trouwens al te verwezenlijken door het fabricageproces te versnellen.
Tot op heden zaten de keramische lagers nog in de kleinere diameterformaten (1/16 tot 1/4"), maar men is druk bezig het gamma uit te breiden naar de grotere diameterformaten (tot 11/2"), hetgeen weer een heel aantal gebieden opent. Nochtans bestaat het maken van grotere lagers er niet eenvoudig in de kogels te vergroten, maar gaan de afkoelingsaspecten van de kogels een grote rol spelen. Tevens moeten de fabrikanten werken aan het ontwikkelen van een niet-destructieve proef die ervoor moet zorgen dat geen enkele defecte kogel de fabriek verlaat.

Xavier De Buysscher

Paliers céramiques
La "dure" réalité

Les matériaux céramiques présentent la propriété d’être durs et résistants à l’usure. De plus, ils ont des propriétés électriques isolantes et sont chimiquement inertes lorsque soumis à des conditions très contraignantes. Tout ceci, associé au fait qu’ils ne nécessitent que très peu de graissage, rend ces matériaux extrêmement indiqués pour des applications de palier.

Dès sa naissance, l’homme découvre toutes sortes de nouveautés et repousse ses limites, en ne considérant jamais qu’elles sont définitives et absolues. Des frontières qui existaient hier sont abattues aujourd’hui. A l’instar du cycliste et du coureur qui tentent à chaque fois d’améliorer leur record, on essaie continuellement en «motion control» d’atteindre de plus hautes vitesses et de plus importantes capacités de charge des installations et éléments. Ceci n’est cependant possible que moyennant une amélioration progressive des propriétés de résistance et de durabilité des matériaux mis en jeu. En ce qui concerne les paliers, des ingénieurs n’épargnent pas leur peine pour pouvoir suivre l’augmentation continue des critères de vitesse et de charge des moteurs, arbres, etc. En ce sens, on peut maintenant parler d’une percée à propos des paliers céramiques. Grâce à leurs propriétés supérieures et à la spectaculaire diminution de leur prix de revient, les céramiques ont de plus en plus frayé leur chemin vers les applications de palier.

Le matériau
La céramique est un matériau universellement utilisé et elle se retrouve dans nombre d’applications dans tous les domaines de l’industrie, depuis l’électronique jusqu’à l’industrie chimique en passant par l’industrie de transformation. Défini comme un matériau inorganique et non métallique (à l’exception du verre), elle se forme durant un processus de concrétion pendant lequel de la poudre céramique est amenée dans sa forme ultime lors d’un processus de réchauffement. La céramique la plus couramment utilisée pour les paliers est le nitrure de silicium, Si3Ni4. Elle présente une très grande dureté ainsi qu’une grande résistance à l’usure. Elle résiste brillamment aux déformations sous haute température et sa densité est faible comparée à celle de l’acier. Ces propriétés permettent au palier de reprendre les forces centrifuges bien mieux que les paliers normaux. Le nitrure de silicium présente aussi la caractéristique d’être électriquement isolant et d’être chimiquement inerte dans un environnement agressif.

Processus
Il existe d’assez neufs processus de fabrication des paliers céramiques. A l’aide d’un champ magnétique, les billes de céramique sont polies jusqu’à obtenir une sphéricité comprise entre 0,15 et 0,25 micron et une rugosité de surface Ra de 4nm. Grâce à ce nouveau processus, les billes peuvent être polies en vingt heures, alors que cette opération exigeait plusieurs semaines avec l’ancien processus. De plus, le nouveau processus n’utilise pas de diamants et permet de fabriquer tous les formats de billes possibles.

Exécutions
Trois formes de paliers céramiques sont présents sur le marché; les paliers entièrement en céramique, les paliers céramiques hybrides et les paliers hybrides "single ball", qui présentent, à quelques détails près, les mêmes avantages. Le choix de l’un ou l’autre d’entre eux sera basé sur l’application que l’on veut en faire.

Paliers entièrement en céramique
Un palier appartient à cette catégorie lorsque ses bagues et ses billes sont en nitrure de silicium. Ces paliers permettent une rotation très aisée et présentent l’avantage d’être très légers et de pouvoir être utilisés à de très grandes vitesses. De plus, ils sont résistants à la corrosion, non magnétiques et peuvent supporter des températures jusqu’à 1000°C. Leur domaine d’application se situe dans des machines qui opèrent dans des conditions très rigoureuses sous lesquelles les paliers doivent répondre à des exigences spéciales, comme c’est par exemple le cas dans les industries chimique, alimentaire ou de transformation des métaux. Leur grande souplesse sur le plan du graissage leur ouvre un large éventail de possibilités. Ils peuvent être graissés à l’aide de tous les lubrifiants connus, allant du pétrole à l’acide en passant même par le yoghourt.

Paliers hybrides
Dans les paliers hybrides, les billes sont faites de Si3Ni4 tandis que les bagues sont en acier. Cette combinaison donne un palier résistant à l’usure, qui est également électriquement isolant. Grâce à l’utilisation de billes plus légères, le palier est également soumis à des contraintes considérablement plus faibles, et le niveau de bruit et de vibrations est remarquablement réduit. En comparaison avec les paliers complètement en acier, la durée de vie des paliers hybrides est à peu près multipliée par un facteur 10, et la vitesse de rotation d’arbre peut être doublée. Le palier hybride résiste à des températures de 500°C pour autant qu’il soit pourvu d’une bague en acier spécial. Un avantage évident de ce palier est qu’il peut être utilisé directement comme substitut de la bague d’acier normale et ce, sans devoir subir la moindre adaptation. Du fait de leurs excellentes performances aux grandes vitesses, ils peuvent supporter les arbres des machines-outils et sont particulièrement indiqués pour être utilisés dans l’outillage à main et dans les moteurs électriques où les hautes vitesses et l’isolation électrique revêtent une importance primordiale. Dans le domaine des pompes, le palier hybride est très prisé dans la mesure où il n’est pas très exigeant pour ce qui concerne le graissage. Le dentiste aussi peut profiter des avantages des paliers céramiques car les paliers conventionnels de leurs petites fraises supportent mal la stérilisation et en subissent des dégradations; lorsqu’ils sont faits de céramique, ces paliers voient leur durée de vie multipliée par 10. Le palier hybride est aussi très apprécié dans les patins «in-line» et dans le cyclisme.

Paliers hybrides "Single ball"
Le palier hybride "single ball" est un projet breveté SKF. Dans ce palier, une des billes est une bille de céramique, alors que toutes les autres sont de classiques billes de métal. Comme dans le cas des deux autres types de palier, ce palier résiste très bien à l’usure. L’unique bille en céramique maintient la surface de roulement des billes libre d’impuretés et de salissures en provenance de l’extérieur, ce qui est particulièrement appréciable dans des environnements sales et poussiéreux et limite à la longue le prix de revient du palier. Ce sont surtout les transmissions mécaniques des voitures et des installations industrielles, ainsi que les machines utilisées dans les mines opérant dans des environnements très agressifs, qui profitent pleinement des avantages offerts par le palier hybride "single-ball".

Fonction d’isolation du courant
On sait depuis longtemps que les paliers subissent des dégradations par électroérosion. Ceci se produit dans les machines électriques par suite de l’existence de tensions induites qui y engendrent des courants. Ce phénomène devient de plus en plus fréquent par suite de l’accroissement de la puissance des moteurs électriques en combinaison avec des systèmes de régulation à transistors et thyristors. Même si toutes les précautions voulues ont été prises lors du bobinage du moteur, des puissances considérables entraînent immanquablement la présence de ces tensions induites préjudiciables. Appartiennent à ce groupe à risque les moteurs de traction, les gros moteurs électriques, les générateurs et les paliers de roue des rames des trains électriques. Des dégâts de cette nature peuvent même être causés à un palier lors d’une opération de soudure à une machine si la pince de mise à la masse du poste de soudure n’a pas été judicieusement placée. Dans le passé, on résolvait ce problème en utilisant des paliers à bagues collectrices en carbone, mais ils perdaient souvent leur fonction par suite de grande usure. La solution trouvée fut d’utiliser la céramique. Pour ces applications, on fait également fréquemment appel à des paliers à revêtement céramique, facilement reconnaissables à leur couleur gris mat. Cette couche protectrice de céramique est apposée sur le palier par pulvérisation de plasma, et confère à l’élément une tension disruptive de claquage d’au moins 500V. Les dimensions et spécifications / performances sont identiques à celles des paliers standard normaux. Et l’on peut répondre de façon affirmative à la question de savoir s’ils peuvent remplacer un palier standard sans autre forme de modification ou d’adaptation.

Quand même certaines limitations…
Malgré leurs nombreux avantages, les paliers céramiques présentent certains inconvénients et limites d’utilisation. Ils sont ainsi allergiques à l’eau pure. L’eau pure semble y entamer une réaction avec la céramique, qui en est attaquée et présente alors rapidement des traces d’usure. Du fait de la grande dureté des billes de céramique, la surface de contact entre les billes et le chemin de roulement est réduite, ce qui provoque une sollicitation accrue de 15 %. Cette contrainte entraîne, par exemple dans le cas des paliers hybrides, l’apparition plus rapide d’une fatigue du matériau formant les bagues de roulement en acier. Néanmoins, c’est dans 90 % des cas le graissage qui détermine la durée de vie d’un palier, ce qui constitue un des chevaux de bataille des paliers céramiques.

L’avenir

On s’attend à ce que le marché des paliers céramiques s’étende dans une mesure qui est en relation directe avec la baisse de leurs prix. On essaie d’ailleurs d’obtenir cette réduction des prix en accélérant leur processus de fabrication. Jusqu’à ce jour, les paliers céramiques existaient uniquement dans les plus petits formats de diamètre (1/16 à 1/4"), mais on essaie actuellement d’étendre la gamme aux formats de diamètre plus conséquents (jusqu’à 11/2"), ce qui ouvre un grand nombre de perspectives. La fabrication de paliers plus grands n’exige pas seulement de produire des billes plus grosses, mais également de résoudre les problèmes que cela va poser en terme d’évacuation de chaleur. Les constructeurs travaillent simultanément au développement de tests non destructifs qui leur permettront d’éviter de laisser passer la moindre bille défectueuse.

Ing. Xavier De Buysscher