Innovative Lösung gegen White Etching Cracks Hannover...

Innovative Lösung gegen "White Etching Cracks"

Hannover Messe 2015

Dr. Walter HolwegerCC Oberflächentechnik - Grundlagen Tribologie

Schaeffler Technologies AG & Co. KG, Herzogenaurach

Inhalt

15.04.2015 Lösung gegen "White Etching Cracks", Dr. Walter Holweger, CC Oberflächentechnik - Grundlagen Tribologie1

Innovative Lösungen gegen White Etching Cracks

1

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7

Wälzlager als Maschinenkomponenten im Antriebsstrang

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

Vorgänge im Werkstoff bei der normalen Rollermüdung

Lösungen zur Vermeidung von WEC

Wälzlager als Maschinenkomponenten im Antriebsstran g



Planeten Lager

ZylinderrollenlagerKegelrollenlagerRillenkugellager

Planetenstufe (Verzahnung)

Abtriebswelle

Hohlwelle

Integrierte LagerZylinderrollenlagerKegelrollenlager

KegelrollenlagerZylinderrollenlagerVierpunktlager

KegelrollenlagerZylinderrollenlagerVierpunktlager




Getriebe

► Die Funktionsfähigkeit (Lebensdauer) der Wälzlager bestimmt die

Anlagenverfügbarkeit.

Generator

Rotor Welle



► Die L10 Formel ermöglicht keine Erklärung der Ermüd ungsvorgänge im Werkstoff!

L10 = a (C/P) γ

Lebensdauer in Millionen Umdrehungen bei 10% Ausfallwahrscheinlichkeit

P Dynamisch äquivalente BeanspruchungX* Fr + Y*Fa

[1]

C Dynamische Tragzahl

Die rechnerische Ermittlung der Lebensdauer von Wälzlagern ist nach DIN ISO 281 genormt: Die Normung beruht auf den Ergebnissen von Versuchen

γ = Lagerbauart (Rollen, - Kugellager)

a = Beiwert für Schmierung, Verschmutzung, etc.

[1] X, Y : Katalogangaben Fr : Radiale Belastung Fa : Axiale Belastung





5

► Vorgänge im Werkstoff werden durch Ätzverfahren sic htbar gemacht.

Lager Scheibe

Segment

Schliff Oberfläche

Bereiche unter der Oberflächekontrastiert durch Ätzung

Darstellung der Werkstoffmikrostruktur durch Präpar ation




► Die Rollermüdung erfolgt gesetzmäßig für alle Wälzl agerbauformen unter Entwicklung von geordneten flachen, steilen weißen Bändern.

Geordnete flache weiss anätzende Bänder (1)(englisch: low angle bands (LAB)) und

(2) steile weiss anätzende Bänder (englisch: High Angle Bands (HAB))

1 µm 1 µm

Dunkel anätzende Zoneunter der Oberfläche

Langsamer Vorgangbei mittlerer Pressung Schnell

A B ( Dunkel anätzender Bereich )

RollrichtungRollrichtungRollrichtung

C (Weiß anätzender Bereich)

A Ausgangszustand B vielfach überrollter ZustandEntwicklung von Gefügeveränderungen

C Entwicklung von flachenund steilen weissen Bändern

Lager ist ausfallgefährdet

Schematische Darstellung der RollermüdungBei mittlerer bis hoher Pressung (abhängig vom Wälzlager) führen Werkstoffveränderungen zum Ausfall.




Überrollung von nicht metallischen Einschlüssen(Stahlbegleiter (z.B. Aluminiumoxid, Mangansulfid) bei mittlerer bis hoher Pressung zur…

…Entwicklung von weiß anätzendenBereichen sogenannten Butterflies (BF)(Schmetterlingsflügel).

► Einschlüsse führen bei mittlerer bis hoher Pressung zu weiß anätzendenStrukturen (Butterflies).




► Die Zeit bis zum Einsetzen der Veränderungen hängt bei gleicher Temperatur undgleichem Werkstoff nur von der Pressung ab.

► Bei niedriger Pressung und ohne Zusatzbeanspruchung fallen Wälzlager nicht oder nur nach sehr langer Zeit (hohe Zahl von Lastwechse ln) aus!

N/mm²

1500

2000

2500

3000

3500

4000

1,0E+07 1,0E+08 1,0E+09 1,0E+10 1,0E+11

Lastwechsel N

pH

z

White Bands

keine WB

Ausfall

Ausfall infolgeWhite Bands (WB)

White Bands (WB)

N/mm²

1500

2000

2500

3000

3500

4000

1,0E+07 1,0E+08 1,0E+09 1,0E+10 1,0E+11

Lastwechsel N

pH

z

White Bands

keine WB

Ausfall

White Bands

keine WB

Ausfall

Ausfall infolgeWhite Bands (WB)

White Bands (WB) *) Quellen, u.a.: Schaeffler, Eigene UntersuchungenSchlicht,H: Mat.Wissenschaft und Werkstofftechnik, 2008

Zahl der Lastwechsel bis zum Einsetzen der

Veränderungen




► Bei klassischer Wälzermüdung hat die Stahlreinheit E influss auf die Lebensdauer.

ReliaSoft Weibull++ 7 - www.ReliaSoft.com

Probability - Weibull

β=0,6 279 , η=1672,3550

Time, ( t)

Unre

liability, F(t)

1 1000010 100 10001

5

10

50

90

99

Vermutlich Frühausfälle durch nicht metallische

Einschlüsse

Ausfälle durch flache und steile weisse Bänder

Beeinflussbar durch Stahlreinheit

Beeinflussbar durch Stahlzusammensetzung

Statistik bei Wälzlagerausfällen an Prüfständen u nd Zuordnung zur Werkstoffermüdung

Laufzeit

Schaeffler Technologies AG & Co KG

Auftreten von White Etching Cracks – Produkte



► White Etching Crack Wälzlagerausfälle findet man in verschiedensten

Anwendungen.

AutomotiveAutomotive WindWind RadlagerRadlager ZementmühlenZementmühlen




► 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 dieAnlagenverfügbarkeit von Windenergieanlagen massiv reduziert!

0 5……………………………….JAHRE…………………………………………………20

Anlagen On shore – off shore

Erwartete LebensdauerFrühausfälle durch WEC deutlich vor der rechnerisch

ermittelten Lebensdauer




► White Etching Cracks findet man bei unterschiedliche n Wälzlagerbauformen.

Rollenlager - Kugellager

KugellagerZylinderrollenlagerKegelrollenlager

Auftreten von WEC – Produkte – Materialien



► White Etching Cracks findet man bei unterschiedliche n Wärmebehandlungen.

► Eigenspannungen haben keinen Einfluss auf die Bildung v on WEC.

100Cr6- Martensit (SAE 52100) 100Cr6 – Bainit (SAE 52100)Einsatzhärter

(SAE 4320)

Was sind White Etching Cracks (WEC) ?



► White Etching Cracks treten – im Gegensatz zur normal en Rollermüdung –in ungeordneten Strukturen auf.

Plus

White Etching Cracks sindmassive Materialschäden

Im Gegensatz zum normalen Ausfallvon Wälzlagern durch nicht metallische

Einschlüsse und flache sowie steileweisse Bänder handelt es sich um

ungeordnete weiß anätzendeStrukturen

unterhalb der überrollten Oberfläche

in unterschiedlicher Tiefedie

sich bis zur Oberfläche ausbreitenkönnen.

Was sind White Etching Cracks (WEC)?



Ferrit weich

Flache und steile weiße Bänder=

Orientierte weisseStrukturen

WEC =

Mischung aus ungeordneten weißen Strukturen

Carbide - nanoskaligFerrit plus Kohlenstoff - nanoskalig

Kohlenstoff – amorph - Carbide

Butterflies (BF)=

nano skaliger Ferrit Carbidfrei

Swahn, H., Becker, P.C., Vingsbo, O (1976) Metallurg. Trans. A 7A

Grabulov, A., Ziese, B., Zandbergen, H.W(2007) Scripta Materialia 57,

Chemische Zusammensetzung

► White Etching Cracks sind eine Mischung aus Ferrit, Kohlenstoff und Carbiden.

Statistik zu White Etching Crack Wälzlagerausfällen



► Auftreten von White Etching Cracks hängt wenig von d er Werkstoffreinheit abkann aber durch Werkstoffe beeinflusst werden.

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Wahrscheinlichkeit-Weibull

Folio1\ECO S Best of Stähle: β=3,2856, η=435,9363Folio1\Dayco 8 lang + Haas-Ref.: β=3,7992, η=570,6468

Zeit, (t)

Unzu

verläss

igkeit, F(t

)

100,000 2000,0001000,0001,000

5,000

10,000

50,000

90,000

99,000Wahrscheinlichkeit-WeibullCB@90% 2-seitig [T]

Folio1\Dayco 8 lang + Haas-Ref.Weibull-2PMLE SRM MED FMF=26/S=4

DatenpunkteSusp PunkteLinie WahrscheinlichkeitOberer VB-IUnterer VB-I

Folio1\ECO S Best of StähleWeibull-2PMLE SRM MED FMF=33/S=0

DatenpunkteLinie WahrscheinlichkeitOberer VB-IUnterer VB-I

Jörg LoosSchaeffler KG30.09.200914:56:37

ausfallfreie Zeit - Schadensakkumulation

Ausfall

Schaeffler KG

Laufzeit

Zusammenfassung – WEC – Rollermüdung



► White Etching Crack Schäden sind nicht vergleichbar mit der klassischen

Rollermüdung.

White Etching Crack Schäden an Wälzlagern

entsprechen nicht

den Vorgängen bei der normalen Rollermüdung

White Etching Crack Schäden an Wälzlagernbenötigen

Zusatzbeanspruchungen.

Zusatzbeanspruchungen

können durch

spezifische Prüfstandsversuche

und

systematische Datenerfassung im Feld

verifiziert werden.

WEC - Wälzlagerprüfstände mit Zusatzbeanspruchungen



► White Etching Cracks entstehen durch Kombination von Zusatzbeanspruchungen.

Lagerart Kugellager

Lastrichtung

Elektrische Zusatzlast

Reibung

Dynamik

Schmierung

Zusatzbeanspruchung

Axial-

Zylinderrollenlager

Radial-

ZylinderrollenlagerKugellager

AxialRadial Radial Radial

ReibungElektrizität Dynamik

⃝⃝ ⃝⃝

⃝⃝ ⃝⃝

⃝⃝ ⃝⃝

⃝⃝ ⃝⃝

⃝⃝ ⃝⃝

⃝⃝ ⃝⃝

⃝⃝ ⃝⃝ ⃝⃝ ⃝⃝

Schmierung

⃝⃝ ⃝⃝

⃝⃝ ⃝⃝

Prüfstandsansicht

Schmierung

Datenerhebung zur Entstehungsursache



Gleiche Anlage – unterschiedliche Anlagenkonfigurati on.

Feld Daten Analyse – Einfluss des Gesamtsystems auf die WEC-Neigung.

► Ursachen für White Etching Crack Schäden sind im Ant riebsstrang (Getriebe, Bremsen, Frequenzumrichter) zu suchen �� Indiz für Dynamik und Elektrik als kritische Zusat zbeanspruchung.

Datenerhebung aus 2800 Datensätzeneines WKA-Herstellers ergab, dassbestimmte Kombinationen von Getrieben,Bremsen und Umrichter zu einer WEC-Ausfallquote von 100% führen können.

Zusammenfassung – WEC – Ursachen



Dynamik Schlupf – Reibung

Elektrische Prozesse(Reibung – Streuelektrizität)

White Etching Crack Schäden mit der Folge von Lagerausfällen.

Schmierung

► White Etching Crack Schäden werden durch eine Kombin ation von Zusatz-beanspruchungen ausgelöst.




► Eine Reduktion der Zusatzbeanspruchungen kann WEC S chäden reduzieren.

Dynamik Schlupf – Reibung

Elektrische Prozesse(Reibung – Streuelektrizität)

Schmierung

Konstruktive und fertigungstechnische

AusführungAnlage Schmierstoffhersteller

Schmierung




► White Etching Crack Schäden an Wälzlagern können una bhängig von der Zusatz-beanspruchung durch Schaeffler Durotect ® B Beschichtungen signifikantreduziert werden.

Mit Durotect ® B seit 9 Jahren und > 500 000 Lager Weniger

0,02 %

Signifikanter Anstieg der Robustheit.

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