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
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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
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Innovative Lösungen gegen White Etching Cracks
Planeten Lager
ZylinderrollenlagerKegelrollenlagerRillenkugellager
Planetenstufe (Verzahnung)
Abtriebswelle
Hohlwelle
Integrierte LagerZylinderrollenlagerKegelrollenlager
KegelrollenlagerZylinderrollenlagerVierpunktlager
KegelrollenlagerZylinderrollenlagerVierpunktlager
Wälzlager als Maschinenkomponenten im Antriebsstran g
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Innovative Lösungen gegen White Etching Cracks
Getriebe
► Die Funktionsfähigkeit (Lebensdauer) der Wälzlager bestimmt die
Anlagenverfügbarkeit.
Generator
Rotor Welle
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Innovative Lösungen gegen White Etching Cracks
► 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
Wälzlager als Maschinenkomponenten im Antriebsstran g
Vorgänge im Werkstoff bei der normalen Rollermüdung
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Innovative Lösungen gegen White Etching Cracks
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► 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
Vorgänge im Werkstoff bei der normalen Rollermüdung
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Innovative Lösungen gegen White Etching Cracks
► 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.
Vorgänge im Werkstoff bei der normalen Rollermüdung
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Innovative Lösungen gegen White Etching Cracks
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).
Vorgänge im Werkstoff bei der normalen Rollermüdung
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Innovative Lösungen gegen White Etching Cracks
► 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
Vorgänge im Werkstoff bei der normalen Rollermüdung
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Innovative Lösungen gegen White Etching Cracks
► 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
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Innovative Lösungen gegen White Etching Cracks
► White Etching Crack Wälzlagerausfälle findet man in verschiedensten
Anwendungen.
AutomotiveAutomotive WindWind RadlagerRadlager ZementmühlenZementmühlen
Auftreten von White Etching Cracks – Produkte
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Innovative Lösungen gegen White Etching Cracks
► 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
Auftreten von White Etching Cracks – Produkte
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Innovative Lösungen gegen White Etching Cracks
► White Etching Cracks findet man bei unterschiedliche n Wälzlagerbauformen.
Rollenlager - Kugellager
KugellagerZylinderrollenlagerKegelrollenlager
Auftreten von WEC – Produkte – Materialien
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Innovative Lösungen gegen White Etching Cracks
► 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) ?
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Innovative Lösungen gegen White Etching Cracks
► 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)?
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Innovative Lösungen gegen White Etching Cracks
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
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Innovative Lösungen gegen White Etching Cracks
► Auftreten von White Etching Cracks hängt wenig von d er Werkstoffreinheit abkann aber durch Werkstoffe beeinflusst werden.
ReliaSoft Weibull++ 7 - www.ReliaSoft.com
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
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Innovative Lösungen gegen White Etching Cracks
► 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
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Innovative Lösungen gegen White Etching Cracks
► 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
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Innovative Lösungen gegen White Etching Cracks
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
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Innovative Lösungen gegen White Etching Cracks
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.
Lösungen zur Vermeidung von WEC
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Innovative Lösungen gegen White Etching Cracks
► Eine Reduktion der Zusatzbeanspruchungen kann WEC S chäden reduzieren.
Dynamik Schlupf – Reibung
Elektrische Prozesse(Reibung – Streuelektrizität)
Schmierung
Konstruktive und fertigungstechnische
AusführungAnlage Schmierstoffhersteller
Schmierung
Lösungen zur Vermeidung von WEC
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Innovative Lösungen gegen White Etching Cracks
► 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.
Bis zu 30 %
Ohne Durotect ® B
Keine Robustheit.
Abschätzung auf Basis aller im Markt befindlichen und bekannten "WEC-kritischen" Anwendungen.
Kompetenz in Entwicklung und Produktion
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Innovative Lösungen gegen White Etching Cracks
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