Innovative Lösung gegen "White Etching Cracks" Hannover Messe 2015

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1 Innovative Lösung gegen "White Etching Cracks" Hannover Messe 2015 Dr. Walter Holweger CC Oberflächentechnik - Grundlagen Tribologie Schaeffler Technologies AG & Co. KG, Herzogenaurach

2 Inhalt Wälzlager als Maschinenkomponenten im Antriebsstrang Vorgänge im Werkstoff bei der normalen Rollermüdung Auftreten von White Etching Cracks-Produkte-Materialien Was sind White Etching Cracks (WEC)? Statistik zu WEC-Wälzlagerausfällen WEC-Wälzlagerprüfstände mit Zusatzbeanspruchungen Datenerhebung im Feld- Zusammenfassung Lösungen zur Vermeidung von WEC 1

3 Wälzlager als Maschinenkomponenten im Antriebsstrang Planeten Lager Zylinderrollenlager Kegelrollenlager Rillenkugellager Planetenstufe (Verzahnung) Integrierte Lager Zylinderrollenlager Kegelrollenlager Abtriebswelle Kegelrollenlager Zylinderrollenlager Vierpunktlager Hohlwelle Kegelrollenlager Zylinderrollenlager Vierpunktlager 2

4 Wälzlager als Maschinenkomponenten im Antriebsstrang Rotor Welle Getriebe Generator Die Funktionsfähigkeit (Lebensdauer) der Wälzlager bestimmt die Anlagenverfügbarkeit. 3

5 Wälzlager als Maschinenkomponenten im Antriebsstrang Die rechnerische Ermittlung der Lebensdauer von Wälzlagern ist nach DIN ISO 281 genormt: Die Normung beruht auf den Ergebnissen von Versuchen L 10 = a (C/P) γ Lebensdauer in Millionen Umdrehungen bei 10% Ausfallwahrscheinlichkeit P Dynamisch äquivalente Beanspruchung X* F r + Y*F [1] a C Dynamische Tragzahl γ = Lagerbauart (Rollen, - Kugellager) a = Beiwert für Schmierung, Verschmutzung, etc. [1] X, Y : Katalogangaben F r : Radiale Belastung F a : Axiale Belastung Die L10 Formel ermöglicht keine Erklärung der Ermüdungsvorgänge im Werkstoff! 4

6 Vorgänge im Werkstoff bei der normalen Rollermüdung Darstellung der Werkstoffmikrostruktur durch Präparation Lager Scheibe Schliff Oberfläche Segment Bereiche unter der Oberfläche kontrastiert durch Ätzung Vorgänge im Werkstoff werden durch Ätzverfahren sichtbar gemacht. 5

7 Vorgänge im Werkstoff bei der normalen Rollermüdung Schematische Darstellung der Rollermüdung Bei mittlerer bis hoher Pressung (abhängig vom Wälzlager) führen Werkstoffveränderungen zum Ausfall. A Ausgangszustand B vielfach überrollter Zustand Entwicklung von Gefügeveränderungen C Entwicklung von flachen und steilen weissen Bändern Lager ist ausfallgefährdet Langsamer Vorgang bei mittlerer Pressung Schnell Rollrichtung Rollrichtung Rollrichtung A B ( Dunkel anätzender Bereich ) C (Weiß anätzender Bereich) 1 µm 1 µm Dunkel anätzende Zone unter der Oberfläche Geordnete flache weiss anätzende Bänder (1) (englisch: low angle bands (LAB)) und (2) steile weiss anätzende Bänder (englisch: High Angle Bands (HAB)) Die Rollermüdung erfolgt gesetzmäßig für alle Wälzlagerbauformen unter Entwicklung von geordneten flachen, steilen weißen Bändern. 6

8 Vorgänge im Werkstoff bei der normalen Rollermüdung Überrollung von nicht metallischen Einschlüssen (Stahlbegleiter (z.b. Aluminiumoxid, Mangansulfid) bei mittlerer bis hoher Pressung zur Entwicklung von weiß anätzenden Bereichen sogenannten Butterflies (BF) (Schmetterlingsflügel). Einschlüsse führen bei mittlerer bis hoher Pressung zu weiß anätzenden Strukturen (Butterflies). 7

9 Vorgänge im Werkstoff bei der normalen Rollermüdung 4000 N/mm² 3500 White Bands (WB) Ausfall infolge White Bands (WB) *) Quellen, u.a.: Schaeffler, Eigene Untersuchungen Schlicht,H: Mat.Wissenschaft und Werkstofftechnik, phz 2500 keine WB 2000 White Bands Ausfall ,0E+07 1,0E+08 1,0E+09 1,0E+10 1,0E+11 Lastwechsel N Zahl der Lastwechsel bis zum Einsetzen der Veränderungen Die Zeit bis zum Einsetzen der Veränderungen hängt bei gleicher Temperatur und gleichem Werkstoff nur von der Pressung ab. Bei niedriger Pressung und ohne Zusatzbeanspruchung fallen Wälzlager nicht oder nur nach sehr langer Zeit (hohe Zahl von Lastwechseln) aus! 8

10 Vorgänge im Werkstoff bei der normalen Rollermüdung ReliaSoft Weibull Statistik bei Wälzlagerausfällen an Prüfständen und Zuordnung zur Werkstoffermüdung 99 Probability - W eibull 90 Ausfälle durch flache und steile weisse Bänder Unreliability, F(t) Vermutlich Frühausfälle durch nicht metallische Einschlüsse Beeinflussbar durch Stahlreinheit Beeinflussbar durch Stahlzusammensetzung β=0,6 279, η=1672,3550 Laufzeit Time, (t) Schaeffler Technologies AG & Co KG Bei klassischer Wälzermüdung hat die Stahlreinheit Einfluss auf die Lebensdauer. 9

11 Auftreten von White Etching Cracks Produkte Automotive Wind Radlager Zementmühlen White Etching Crack Wälzlagerausfälle findet man in verschiedensten Anwendungen. 10

12 Auftreten von White Etching Cracks Produkte Anlagen On shore off shore Frühausfälle durch WEC deutlich vor der rechnerisch ermittelten Lebensdauer Erwartete Lebensdauer 0 5.JAHRE 20 WEC-Ausfälle können nach deutlich kürzerer Zeit vor Ablauf der nach Norm ermittelten Lebensdauer eintreten. Durch das Auftreten von White Etching Crack Schäden bei Wälzlagern wird die Anlagenverfügbarkeit von Windenergieanlagen massiv reduziert! 11

13 Auftreten von White Etching Cracks Produkte Rollenlager - Kugellager Kegelrollenlager Zylinderrollenlager Kugellager White Etching Cracks findet man bei unterschiedlichen Wälzlagerbauformen. 12

14 Auftreten von WEC Produkte Materialien 100Cr6- Martensit(SAE 52100) 100Cr6 Bainit(SAE 52100) Einsatzhärter (SAE 4320) White Etching Cracks findet man bei unterschiedlichen Wärmebehandlungen. Eigenspannungen haben keinen Einfluss auf die Bildung von WEC. 13

15 Was sind White Etching Cracks (WEC)? White Etching Cracks sind massive Materialschäden Im Gegensatz zum normalen Ausfall von Wälzlagern durch nicht metallische Einschlüsse und flache sowie steile weisse Bänder handelt es sich um ungeordnete weiß anätzende Strukturen unterhalb der überrollten Oberfläche in unterschiedlicher Tiefe die sich bis zur Oberfläche ausbreiten können. Plus White Etching Cracks treten im Gegensatz zur normalen Rollermüdung in ungeordneten Strukturen auf. 14

16 Was sind White Etching Cracks (WEC)? Ferrit weich Chemische Zusammensetzung Butterflies (BF) = nano skaliger Ferrit Carbidfrei Flache und steile weiße Bänder = Swahn, H., Becker, P.C., Orientierte weisse Vingsbo, O (1976) Strukturen Metallurg. Trans. A 7A Grabulov, A., Ziese, B., Zandbergen, H.W (2007) Scripta Materialia 57, WEC = Mischung aus ungeordneten weißen Strukturen Carbide - nanoskalig Ferrit plus Kohlenstoff - nanoskalig Kohlenstoff amorph - Carbide White Etching Cracks sind eine Mischung aus Ferrit, Kohlenstoff und Carbiden. 15

17 Statistik zu White Etching Crack Wälzlagerausfällen ReliaSoft Weibull ,000 90,000 Ausfall Wahrscheinlichkeit-Weibull Wahrscheinlichkeit-Weibull CB@90% 2-seitig [T] Folio1\Dayco 8 lang + Haas-Ref. Weibull-2P MLE SRM MED FM F=26/S=4 Datenpunkte Susp Punkte Linie Wahrscheinlichkeit Oberer VB-I Unterer VB-I Unzuverlässigkeit, F(t) 50,000 10,000 Folio1\ECO S Best of Stähle Weibull-2P MLE SRM MED FM F=33/S=0 Datenpunkte Linie Wahrscheinlichkeit Oberer VB-I Unterer VB-I 5,000 1, , , ,000 Zeit, (t) Folio1\Dayco 8 lang + Haas-Ref.: ausfallfreie β=3,7992, η=570,6468 Zeit - Schadensakkumulation Folio1\ECO S Best of Stähle: β=3,2856, η=435,9363 Laufzeit Jörg Loos Schaeffler KG :56:37 Schaeffler KG Auftreten von White Etching Cracks hängt wenig von der Werkstoffreinheit ab kann aber durch Werkstoffe beeinflusst werden. 16

18 Zusammenfassung WEC Rollermüdung White Etching Crack Schäden an Wälzlagern entsprechen nicht den Vorgängen bei der normalen Rollermüdung Zusatzbeanspruchungen können durch spezifische Prüfstandsversuche und White Etching Crack Schäden an Wälzlagern benötigen Zusatzbeanspruchungen. systematische Datenerfassung im Feld verifiziert werden. White Etching Crack Schäden sind nicht vergleichbar mit der klassischen Rollermüdung. 17

19 Innovative Lösungen gegen White Etching Cracks WEC - Wälzlagerprüfstände mit Zusatzbeanspruchungen Zusatzbeanspruchung Elektrizität Reibung Dynamik Schmierung Schmierung Prüfstands ansicht Lagerart Kugellager Axial- Zylinderrollenlager Radial- Zylinderrollenlager Kugellager Lastrichtung Radial Axial Radial Radial Elektrische Zusatzlast Reibung Dynamik Schmierung White Etching Cracks entstehen durch Kombination von Zusatzbeanspruchungen. 18

20 Datenerhebung zur Entstehungsursache Feld Daten Analyse Einfluss des Gesamtsystems auf die WEC-Neigung. Datenerhebung aus 2800 Datensätzen eines WKA-Herstellers ergab, dass bestimmte Kombinationen von Getrieben, Bremsen und Umrichter zu einer WEC- Ausfallquote von 100% führen können. Gleiche Anlage unterschiedliche Anlagenkonfiguration. Ursachen für White Etching Crack Schäden sind im Antriebsstrang (Getriebe, Bremsen, Frequenzumrichter) zu suchen Indiz für Dynamik und Elektrik als kritische Zusatzbeanspruchung. 19

21 Zusammenfassung WEC Ursachen Dynamik Schlupf Reibung Elektrische Prozesse (Reibung Streuelektrizität) Schmierung White Etching Crack Schäden mit der Folge von Lagerausfällen. White Etching Crack Schäden werden durch eine Kombination von Zusatzbeanspruchungen ausgelöst. 20

22 Lösungen zur Vermeidung von WEC Dynamik Schlupf Reibung Elektrische Prozesse (Reibung Streuelektrizität) Schmierung Konstruktive und fertigungstechnische Ausführung Anlage Schmierstoffhersteller Eine Reduktion der Zusatzbeanspruchungen kann WEC Schäden reduzieren. 21

23 Lösungen zur Vermeidung von WEC Bis zu 30 % Ohne Durotect B Abschätzung auf Basis aller im Markt befindlichen und bekannten "WECkritischen" Anwendungen. Mit Durotect B seit 9 Jahren und > Lager Weniger 0,02 % Keine Robustheit. Signifikanter Anstieg der Robustheit. White Etching Crack Schäden an Wälzlagern können unabhängig von der Zusatzbeanspruchung durch Schaeffler Durotect B Beschichtungen signifikant reduziert werden. 22

24 Kompetenz in Entwicklung und Produktion Astraios: der modernste, größte und leistungsfähigste Großlagerprüfstand der Welt. Zum erfolgreichen Produkt. 23

25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!