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ballcenter Wälzlagerstahl – im Kern der Kugel

Als Wälzlagerstahl wird allgemein ein anorganischer, metallischer Werkstoff mit der Nummer 1.3505 oder 100Cr6 bezeichnet. Diese Lagerstahlsorte wird aufgrund seiner stofflichen Eigenschaften am häufigsten in der Wälztechnik eingesetzt.

Mithilfe von Härte- und Wärmebehandlungsverfahren lässt sich der Wälzlagerstahl 1.3505 auf bestimmte Einsatzbereiche vorbereiten. Darunter fallen beispielsweise Mechaniken, in denen Präzisions­­­kugeln einer erhöhten Partikelüberrollung widerstehen müssen.

Expertise Wälzlagerstahl

Qualitätsmaß Klassifizierung und Normung

Aufgrund der weltweit gebräuchlichen Werkstoffkategorie des Wälzlagerstahls, bilden internationale und nationale Normungen eine Grundlage für wesentliche Qualitätsmerkmale der Lagerstahlsorte. Demnach muss eine solche Legierung ca. 1 % Kohlenstoff, ca. 1 % Mangan und ungefähr 0,5 – 2 % Chrom enthalten, weswegen Wälzlagerstähle häufig auch als Chromstahl referenziert werden.

Die Normen der internationalen ISO und europäischen EN benummern die Legierung 100Cr6 mit 683-17 und die DIN mit 17230-1980. Nach amerikanischer Bezeichnung findet man den Werkstoff unter AISI 52100. Weitere internationale Äquivalente des Lagerstahls lassen sich unter beispielsweise GCr15 oder SAE52100 finden. Grundsätzlich bezeichnen die Werkstoffnummern dasselbe Mischverhältnis bei der Herstellung von Wälzlagerstahl, nach DIN-Normung besteht jedoch keine Toleranz für Aluminium, Molybdän und Sauerstoff, dafür jedoch für einen geringen Anteil an Nickel (0,3 %).

Chemische Zusammensetzung Bestandteile von Wälzlagerstahl

Grundsätzlich fügt sich Wälzlagerstahl 1.3505/100Cr6 nach einer chemischen Zusammensetzung, die 

  • 0,93 – 1,05 % Kohlenstoff, 
  • 0,15 – 0,35 % Silizium und 
  • 0,25 – 0,45 % Mangan vorsieht. 

Weitere Bestandteile mit maximal vorgesehenem Anteil sind 

  • Phosphor (0,025 %), 
  • Schwefel (0,015 %), 
  • Chrom (0,10 %) und 
  • Kupfer (0,03 %). 

Nach ISO und EN ergänzen sich Maximalwerte bei 

  • Aluminium (0,05 %), 
  • Sauerstoff (0,0015 %) und 
  • Molybdän (0,1 %).

Vorteile und Nachteile Eigenschaften von Wälzlagerstahl

Wälzlagerstahl ist bekannt für seine gut bis sehr guten physikalischen Eigenschaften und der hohen Verfügbarkeit. Bei einer ungefähren Dichte im unbehandelten Zustand von 7,833 g/cm³ weist Wälzlagerstahl eine hohe Festigkeit gegenüber Verschleiß und Materialermüdung auf. Trotzdem ist das Material gut spanbar und lässt Wärmebehandlungen mit einer hohen Anlassstabilität zu. Im Vergleich zu einfachem Kohlenstoffstahl gestaltet sich das elektrische Schweißen mit Wälzlagerstahl jedoch deutlich schwieriger, ist aber durchaus möglich.

Sein hoher Härtegrad und seine gleichmäßige Oberfläche machen den Werkstoff 1.3505 zu einem buchstäblichen Allrounder für die industrielle Lagertechnik.
Es ist dennoch darauf zu achten, dass Wälzlagerstahl 1.3505 nur eine sehr geringe Korrosionsbeständigkeit aufweist. Für Anwendungsbereiche mit hoher korrosiver Belastung sollte der Werkstoff vor dem Einsatz dringend behandelt oder ein Alternativmaterial gewählt werden. Das Material ist außerdem fähig, Wärme und Elektrizität zu leiten und reagiert auf magnetische Impulse.

Einsatz Verwendung von Wälzlagerstahl 1.3505/100Cr6

Wälzlagerstahl wird in vielen Fertigungsindustrien, im allgemeinen Maschinenbau und für Antriebs- und Fördertechnik in Form von Präzisionskugeln und Wälzrollen in Lager- , Getriebe- und Ventileinheiten (Kugelventil) montiert. Theoretisch lassen sich mit Wälzlagerstahl 100Cr6 Kugeln mit einem Durchmesser von bis zu 30 mm optimal verarbeiten. 

Praktisch werden jedoch aufgrund der hohen Verfügbarkeit und dem günstigen Verhältnis von Preis und Leistungsmerkmalen auch Kugeln bis zu 250 mm hergestellt. Für Kugeln ab 30 – 40 mm wird üblicherweise ein weiterer Chromstahl (1.3536/100CrMo7-3) verwendet. 

Eingesetzt wird Wälzlagerstahl bei einer Gebrauchstemperatur von bis zu 150 °C. Bis zu diesem Wert bleibt der Wälzkörper maßstabil und einsatztolerant. Sollte eine Anwendung höhere Temperaturbelastungen ergeben, sind entsprechende Wärmebehandlungen bzw. Härteverfahren notwendig.

Nachbearbeitung Härteverfahren für Wälzlagerstahl 1.3505

Um Wälzlagerstahl auf eine herausfordernde Anwendung vorzubereiten, bieten sich sowohl das martensitische Umwandlungsverfahren und verschiedene Verfahren des Härtens an. Gehärtet wird Wälzlagerstahl bei ca. 830 – 870 °C in Öl oder Polymer. Entspannt wird er bei einer Temperatur von ungefähr 150 – 180 °C.

Für das gewünschte Härteverfahren muss die stoffliche Zusammensetzung der Legierung gegebenenfalls modifiziert werden. Grundsätzlich ist Wälzlagerstahl 1.3505/100Cr6 niedriglegiert. Feinere Legierungen wie Chromstahl 1.3536 bzw. 100CrMo7-3 kommen bei größeren Kugeln zum Einsatz, um neben der verbesserten Verschleißfestigkeit auch interne Spannungen auszugleichen.

Bei höher legierter Güte (100CrMnSi6-4) lässt sich durch das sogenannte Carbonitrieren eine höhere Lebensdauer während Mangelschmierung oder Partikelbelastung erreichen. Außerdem wird die Empfindlichkeit gegenüber Oberflächenverletzungen und Kontaktermüdung deutlich reduziert. Da sich durch das Einsatzhärten von Lagerstahl 100Cr6 jedoch bereits ein gutes Verhältnis von Leistungsfähigkeit zu Kosten erreichen lässt, findet das Carbonitrieren recht selten Anwendung als Härteverfahren.

Härte und Formbarkeit Wärmebehandlung von Wälzlagerstahl 100Cr6

Um den Werkstoff 1.3505/100Cr6 zu härten, legen sich entsprechende Eigenschaften des Wälzlagerstahls voraus. Während der Wärmebehandlung bleibt das Material recht stabil. Nach dem Anlassen bzw. Abschrecken (in Öl) besitzt der Wälzlagerstahl eine starke Härte, hohe Verschleißfestigkeit und eine hohe Kontaktermüdungsfestigkeit.

Für Fertigungen, die eine verringerte Festigkeit erfordern, bietet die Wärmebehandlung von Stahl auch gängige Verfahren. Ein Grund dafür könnte zum Beispiel eine schlechte Kaltverformbarkeit sein, die beim Umformen zu Werkstoffschäden führt. Denn gehärtete Lagerstähle werden spröde. Das Normalglühen wird bei ca. 870 – 900 °C erreicht und schließt sich durch die einfache Luftkühlung ab.

Ziel des Normalglühens ist es, Gefügeungleichmäßigkeiten zu beseitigen und dem Wälzlagerstahl  eine durchgängige Qualität zu geben. Zum Weichglühen wird der Wälzlagerstahl auf 750 – 800 °C erhitzt. Dadurch lässt sich sogenanntes kugeliges Zementit erzeugen und der Stahl formt sich kalt besser um, denn Härte und Festigkeit werden verringert. 

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