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White Etching Cracks

Ein Schadensphänomen auf dem Prüfstand

Risse in den Lagern z.B. von Windkraftanlagen können zu teuren Ausfällen führen. Diese Ausfälle weisen zunehmend auf das Phänomen der sogenannten White Etching Cracks (WEC) hin. Die Ursachen dieser Rissnetzwerke auf oder unterhalb von Oberflächen, die als weiße Linien sichtbar werden, erforscht man derzeit intensiv und versucht ihm mit innovativen Prüfverfahren und Materialien zu begegnen. WEC-Schäden treten zwar nur selten auf, können aber bereits nach einem bis zwei Jahren Laufzeit aufgrund der makroskopischen Schäden in der Laufbahn oder sogar durch ein Durchreißen des Ringes zu Frühausfällen führen. Der Austausch z.B. eines Getriebelagers in Offshore-Anlagen kostet mehr als eine Million Euro.

Mögliche Ursachen

Die Ursachen für die Entstehung von WEC sind noch nicht vollständig geklärt. Es gibt aber mehrere Hypothesen zu ihrer Entstehung, von denen die sogenannte Wasserstoffhypothese in der Fachwelt mittlerweile als die plausibelste angesehen wird (Konstruktionspraxis 08/2015). Sie beschreibt die folgende Kette von Ereignissen: In der Umgebung der Lager, beispielsweise im Schmieröl, befindet sich Wasserstoff in molekularer Form. Dieser kann zunächst nicht in den Stahl des Wälzlagers diffundieren. Allerdings können elektrische Felder oder chemische Prozesse den Wasserstoff in atomare Form spalten. Die Wasserstoffatome sind diffusibel, können so in den Stahl eindringen und sich an nichtmetallischen Einschlüssen oder sonstigen Fehlstellen des Materials konzentrieren.

In der Folge wird die Fließgrenze des Materials herabgesetzt. Eine weitere äußere Belastung über die Fließgrenze hinaus verursacht bei dem vorgeschädigten Material Gefügeveränderungen. Es entstehen im Vergleich zum Grundwerkstoff sehr harte Zonen mit nanokristallinem Ferrit. Diese nanokristallinen Gefügebereiche werden bei einer Nitalätzung nicht angegriffen und erscheinen im Ätzschliff weiß - weshalb sie als "White Etching Cracks" bezeichnet werden. Wenn nun von außen eine weitere Belastung auf das veränderte Material einwirkt, entstehen zwischen den harten und den weniger harten Zonen Spannungen und schließlich Risse, die sich bis zur Oberfläche ausweiten und zum Ausfall des Lagers führen können.

Prüfstandsuntersuchungen bei FUCHS

Inwieweit verhindern oder fördern bestimmte Additive und Getriebeölformulierungen das Schadensphänomen White Etching Cracks in Wälzlagern und in Verzahnungen?

Auf Grundlage dieser Fragestellung wurden von FUCHS Industriegetriebeöle und weitere Schmierstoffe auf einem speziellen, für Wälzlager konzipierten, FE8-Prüfstand untersucht. Wälzlager sind nach Information von Anwendern die Maschinenelemente, die in besonderem Maße von WEC-Schäden betroffen sind.

Zur Untersuchung des Schadensphänomens WEC wurde der FE8-Pittingtest gemäß VW-PV-1483 herangezogen. Die Prüfung erfolgte mit Axialzylinderrollenlagern mit Polyamid-Käfigen bei einer axialen Last von 60 kN und einer Drehzahl von 350 und 750 U / min, bei einer Öltemperatur von 100 °C und einem Öldurchfluss von 2 x 0,1 l / min. Im Mittelpunkt standen dabei die Bestimmung der Ermüdungslebensdauer des Lagers und des diesbezüglichen Einflusses der Ölformulierung sowie die Untersuchung auftretender WEC-Schäden auf der Zylinderlaufbahn oder Zylinderrolle.

Als Low Reference Öl wurde ein API GL4- Schaltgetriebeöl definiert, das nachweislich WEC-Schäden auf der Wälzlagerlaufbahn hervorrufen kann.

Als High Reference Öl wurden RENOLIN CLP, RENOLIN UNISYN CLP, RENOLIN UNISYN XT, RENOLIN PG und PLANTOGEAR S herangezogen.

Ergebnis

Mit den High Reference RENOLIN Industriegetriebeölen, ISO VG 100, wurde in diesem Wälzlagertest eine Laufzeit von >9 Mio. Umdrehungen erreicht, ohne dass Schäden durch WEC auftraten.

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