Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Gefügeveränderungen in Wälzlagern mit Rissen als Folgeschaden

In jüngerer Vergangenheit kam es vermehrt zu Ausfällen von Wälzlagern weit vor der berechneten Ermüdungslebensdauer. Das Schadensbild ist häufig durch Querrisse oder volumenhafte Ausbrüche auf der Laufbahn der Lagerinnenringe gekennzeichnet. Unter der Oberfläche der Laufbahn befindet sich i. Allg. ein Rissnetzwerk im Gefüge, mit weiß anätzenden Bereichen („White Etching Area“ - WEA). Aufgrund der Risse wird das Phänomen auch als „White Etching Crack“ (WEC) bezeichnet. In einer Vielzahl von Forschungsarbeiten wurden Faktoren (u.a. Pressung, Schlupf) abgeleitet, die das Schadensphänomen begünstigen können. Allgemeingültige Grenzwerte wurden jedoch bisher nicht bestimmt. Der Schadensmechanismus bzw. der zeitliche Ablauf ist weiterhin nicht geklärt, was die Angabe zulässiger Betriebsbedingungen von Wälzlagern in der Anwendung verhindert.

Im Forschungsvorhaben „Risse auf Lagerringen III“ sollen Grenzwerte der, im Vorgängerprojekt als maßgeblich identifizierten, verstärkenden Faktoren (Pressung, Schlupf, elektrischer Strom, atomarer Wasserstoff) bestimmt werden. Dies soll mit Hilfe von Modell- und Wälzlagerprüfständen erfolgen.

Weiterhin ist bei der Beschreibung des Bildungsmechanismus von WEA bzw. WEC derzeit noch unklar, ob es zuerst zu einer Rissbildung kommt und anschließend die weiß anätzenden Bereiche entstehen oder ob zuerst die Bildung der weiß anätzenden Bereiche und folglich die Rissbildung stattfindet. Durch die gezielte Erzeugung von WEC-Vorstufen soll der zeitliche Ablauf der Werkstoffveränderung, die zu WEA bzw. WEC führen, mittels Elektronenmikroskopie geklärt werden. Dafür soll eine online-Detektion der Gefügeumwandlungen auf Basis von Acoustic-Emission sowie die offline-Analyse mittels Barkhausenrauschen eingesetzt werden.

Durch die Erkenntnisse aus dem Forschungsvorhaben, kann die Zuverlässigkeit von Anlagen deutlich gesteigert werden, was zu einer Kostenreduktion führt. Hierdurch kann die Wettbewerbsfähigkeit von KMU nennenswert gesteigert werden.

Ergebniszusammenfassung:

Aufbauend auf dem Projekt FVA 707 II wurden die bekannten Einflüsse (Kontaktpressung, Schlupf- und Schmierungszustand, elektrische Zusatzbelastung und Wasserstoffvorbeladung) auf die Bildung von White Etching Areas und Cracks (WEA/WEC) vertiefend untersucht. Zusätzlich wurde die Eignung von laufzeitabhängigen Versuchsstopps und eines Condition-Monitoring-Systems zur Identifizierung von WEA/WEC Vorstufen festgestellt.

Am Zwei- und Vierscheibenprüfstand (ZSP & VSP) konnte bei einer teilweisen Übertragung der tribologischen Kontaktbedingungen des FE8-Referenzprüfstandes eine WEA/WEC – Bildung im Werkstoff provoziert werden. Die metallographischen Untersuchungen zeigten eine ähnliche Morphologie der WEA/WEC unabhängig vom Prüfstand. Für den ZSP wurde weitergehend festgestellt, dass die mech. Kontaktbedingungen (bspw. Schlupfrichtung in Abhängigkeit des Schmierungszustands oder das Slide-Roll-Ratio) einen Einfluss auf die WEA/WEC Bildung haben. Am VSP konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass Stromstärke, Polung und Schlupfbetrag einen Einfluss die WEA/WEC Bildung haben und darüber hinaus eine WEA/WEC - Bildung bei Vorliegen eines elektrischen Stromflusses auch ohne Schlupf möglich ist.

Der Einsatz des Condition-Monitoring-Systems am Axiallagerprüfstand (FE8) führte grundsätzlich zu einer frühzeitigten Abschaltung ohne typischen Laufbahnschaden. Eine der erzeugten Proben unterstützt die Hypothese, dass bei den untersuchten Bedingungen am Axiallagerprüfstand (FE8) die WEA den WEC auslöst.

Am Radialzylinderrollenlagerprüfstand konnten durch die Aufprägung von zweiphasigen, rein mechanischen, Lastkollektiven WEA/WEC Schäden erzeugt werden.

Im Forschungsvorhaben konnte somit das Verständnis in Hinblick auf die Einflussfaktoren Kontaktpressung, Schlupf- und Schmierungszustand, elektrische Zusatzbelastung und Wasserstoffvorbeladung sowie der Schadensentstehung gesteigert werden.

Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.