DE102009035111B4

DE102009035111B4 - Windkraftanlage mit einem Wälzlagerbauteil

Info

Publication number: DE102009035111B4
Application number: DE102009035111.6A
Authority: DE
Inventors: Dr. rer. nat. Holweger Walter; Dr. Loos Jörg; Dr. Trojahn Werner
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-07-29
Filing date: 2009-07-29
Publication date: 2022-11-03
Anticipated expiration: 2029-07-30
Also published as: DE102009035111A1

Abstract

Windkraftanlage mit einem Wälzlagerbauteil aus Stahl in einer schwingungsbeanspruchten Lageranordnung, mit folgender Zusammensetzung (in Gew.-%) zumindest in einer Randschicht des Wälzlagerbauteils:- 0,10 % bis 0,50 % Kohlenstoff,- mindestens 10 % Chrom,- maximal 0,008 % Schwefel,- mindestens 0,2 % Silizium,- 0,1 % bis 0,8 % Stickstoff, wobei der Stickstoff zu mindestens 80 % im Stahl gelöst ist, wobei auf das Wälzlagerbauteil eine, einer statischen Belastung überlagerte, im Vergleich zu dieser das Wälzlagerbauteil stärker beanspruchende Schwingungsbeanspruchung wirkt, und wobei der Stahl im ESU- oder DESU-Verfahren oder im VAR-Verfahren umgeschmolzen ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem Wälzlagerbauteil.
Hintergrund der Erfindung
Aus der DE 39 01470 C1 ist ein korrosionsbeständiger Kaltarbeitsstahl bekannt, welcher unter anderem zur Verwendung in Kugellagern vorgesehen ist. Der Kaltarbeitsstahl soll ein besonders gutes Korrosionsverhalten in Verbindung mit Zähigkeits- und Festigkeitswerten von über 1000 N/mm² aufweisen.
Aus der DE 197 57 027 B4 ist ein Kugellager für hohe Drehzahlen bekannt, dessen Laufringe aus dem Werkstoff X30CrMoN15-1 hergestellt sind. Dieses Kugellager ist insbesondere als Spindellager verwendbar.
Weitere Wälzlagerstähle, welche sich durch gute Korrosionseigenschaften auszeichnen sollen, sind beispielsweise aus der DE 42 12 966 C2 sowie aus der EP 15 74 592 A1 bekannt.
Die DE 100 12 350 A1 beschreibt ein Wälzlager mit einem feststehenden Laufring aus Stahl, der 0,35 bis 0,55 Gew.-% C, 11,0 bis 17,0 Gew.-% Cr, 0,05 bis weniger als 0,2 Gew.-% N und als Rest Fe und unvermeidliche Komponenten enthält. Zudem beträgt eine Summe der C- und N-Gehalte 0,45 bis 0,65 Gew.-% oder weniger.
Die EP 04 11 931 A1 offenbart eine Stahlzusammensetzung zur Einsatzhärtung mit 0,05 bis 0,1 Gew.-% C, maximal 0,05 Gew.-% N, maximal 1,5 Gew.-% Mn, maximal 1 Gew,-% Si, 11 bis 15 Gew.-% Cr, 1 bis 3 Gew.-% Mo, 1,5 bis 3,5 Gew.-% Ni, 3 bis 8 Gew.-% Co, 0,1 bis 1 Gew.-% V, maximal 0,010 Gew.-% P, maximal 0,005 Gew.-% S, und Rest Fe.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage mit einem Wälzlagerbauteil anzugeben, welche insbesondere für eine Verwendung unter Schwingungsbeanspruchung geeignet ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Windkraftanlage mit einem Wälzlagerbauteil in einer schwingungsbeanspruchten Lageranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Wälzlagerbauteil, das heißt ein Lagerring, ein Wälzkörperkäfig oder ein Wälzkörper, ist aus einem Stahl gefertigt, der zumindest in der Randschicht des Wälzlagerbauteils folgende Zusammensetzung (in Gew.-%) aufweist:

- 0,10 % bis 0,50 % Kohlenstoff,
- mindestens 10 % Chrom,
- maximal 0,008 % Schwefel,
- mindestens 0,2 % Silizium,
- 0,1 % bis 0,8 % Stickstoff,

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass es Einsatzbedingungen für Wälzlager gibt, unter denen die Lebensdauer der Wälzlager kürzer ist, als es nach den verschiedenen, auf die Wälzlagerbauteile einwirkenden mechanischen Belastungen nach gängigen Lebensdauerermittlungen zu erwarten wäre. In solchen Fällen spielen insbesondere auf die Wälzlagerbauteile einwirkende Schwingungen eine Rolle. Die durch Schwingungen induzierten Wechselspannungen in einem Wälzlagerbauteil führen zusammen mit der Beanspruchung des Wälzlagerbauteils aus der Überrollung zu einer mehrachsig wirkenden Vergleichsspannung. Hierdurch kann die lokale Dauerfestigkeit an einzelnen Stellen überschritten werden, so dass Versetzungen im Metallgitter induziert werden, die sich in im Vergleich zum umgebenden Gefüge schwächeren Gleitebenen ausbreiten und an einem Hindernis wie einer Korngrenze oder einer Martensitnadel aufgestaut werden. Bei hinreichend großer Anzahl an Versetzungen entsteht ein Riss, welcher bei fortgesetzter Beanspruchung, insbesondere Schwingungsbeanspruchung, ausbreitungsfähig ist, so dass es letztlich zu einem Ausbrechen von Material in einem randnahen Bereich des Wälzlagerbauteils kommt.
Der vorstehend erläuterte Schadensmechanismus wird unter anderem durch den Gehalt an Schwefel beeinflusst. Bei einer Begrenzung des Schwefelgehalts auf maximal 0,008 Gew.-% treten nur kleine Sulfide und damit kleine Kerbfaktoren auf. Hieraus resultiert eine nur geringe Spannungsüberhöhung und damit damit selbst bei einer Kombination aus Überroll- und Schwingungsbeanspruchung höchstens eine kleine Anzahl von Versetzungen im Gefüge des Wälzlagerbauteils. Entsprechend verzögert sich ein unter ungünstigen Betriebsbedingungen rissauslösender Aufstau. Weiter sind jedoch auch Versetzungsquellen im Stahl wie Oxide, Titancarbonitride, Carbide und Korngrenzen zu berücksichtigen.
Eine besondere Bedeutung hat hierbei die Verteilung von gelöstem Kohlenstoff im Stahl. Typischerweise liegt gelöster Kohlenstoff geklustert, das heißt mit ungleichmäßiger Konzentration, im Volumen des Bauteils vor, wobei in Bereichen niedriger Kohlenstoffkonzentration die Festigkeit herabgesetzt und damit die Versetzungsbewegung erleichtert ist.
Gelöster Stickstoff wirkt mit gelöstem Kohlenstoff derart zusammen, dass die Nahordnung der Atome verbessert wird, wodurch die Ausprägung der Klusterung, auch als Seigerung bezeichnet, reduziert wird, insbesondere die schwächeren Bereiche im Volumen des Bauteils deutlich gestärkt werden. Auf diese Weise werden Versetzungsbewegungen effektiv unterbunden.
Eine wesentliche Voraussetzung hierfür ist, dass sowohl ein ausreichender Anteil des Kohlenstoffs als auch ein ausreichender Anteil des Stickstoffs gelöst vorliegen. Bei herkömmlichen carbonitrierten Randschichten ist dies beispielsweise nicht gegeben.
Ein ausreichender Gehalt an gelöstem Stickstoff wird mit Hilfe eines ausreichenden Chromgehalts erreicht. Die Stickstofflöslichkeit ist eine Funktion des Stickstoff-Partialdrucks, der Temperatur und des Chromgehalts. Es hat sich gezeigt, dass ein Chromgehalt von 10 Gew.-% ausreichend ist, um genügend Stickstoffatome in Lösung zu halten.
Die Bildung und Ausbreitung von Rissen im Wälzlagerbauteil unter mehrachsiger, insbesondere schwingender, Belastung, wird auch durch den Siliziumgehalt des Stahls, aus welchem das Wälzlagerbauteil gefertigt ist, beeinflusst. Da Silizium ein wesentlich größeres Atom als Eisen oder Chrom ist, verzerrt es das Metallgitter und behindert es Versetzungsbewegungen. Ein zusätzlicher gewünschter Effekt des Siliziumgehalts in Höhe von mindestens 0,2 % ist durch die Senkung der Aktivität des Kohlenstoffs gegeben, womit der Ausscheidung von Karbiden entgegengewirkt wird.
Der Stahl, aus welchem das Wälzlagerbauteil gefertigt ist, ist erfindungsgemäß entweder im ESU-Verfahren (Elektro-Schlacke-Umschmelzung), im DESU-Verfahren (ESU-Verfahren unter Druck) oder im VAR-Verfahren (Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzung) umgeschmolzen. Das Umschmelzen verkleinert alle Gefügebestandteile und damit auch versetzungsauslösende Einschlüsse.
Bevorzugt wird das Wälzlagerbauteil unter Betriebsbedingungen verwendet, unter denen auf das Wälzlagerbauteil zusätzlich zu einer statischen Belastung eine Schwingungsbeanspruchung wirkt, welche das Wälzlagerbauteil im Dauerbetrieb stärker als die statische Belastung beansprucht, das heißt eher als Ausfallursache in Betracht kommt.
Als besonders hoch beanspruchbar hat sich das Wälzlagerbauteil unter Umgebungsbedingungen herausgestellt, unter denen, insbesondere bei gleichzeitiger Schwingungsbeanspruchung, Wasserstoff auf die Bauteiloberfläche einwirkt. Grundsätzlich erleichtert Wasserstoff in der Randschicht des Stahls die Versetzungsbewegung. Diesem Effekt wirkt Chrom in der vorgesehenen Konzentration in der Randschicht des Wälzlagerbauteils entgegen, indem zum einen durch Reaktion mit Sauerstoff ein Oxidfilm gebildet wird und zum anderen zusammen mit dem eingelagerten Stickstoff eine hohe Dichtheit der Randschicht erreicht wird. Die Unempfindlichkeit des Wälzlagerbauteils gegenüber Wasserstoff verbessert auch die Verträglichkeit unter Last gegenüber gängigen Schmierstoffen, welche auf Kohlenwasserstoffbasis hergestellt sind.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines gemäß der Erfindung einsetzbaren Wälzlagers anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
Figurenliste

1 ein Wälzlager in einer schematischen Schnittdarstellung, und
2 in einem Diagramm den Spannungsverlauf sowie den Anteil an gelöstem Stickstoff über dem Querschnitt eines Bauteils des Wälzlagers nach 1.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
In 1 ist in grober Vereinfachung ausschnittsweise ein Wälzlager 1 dargestellt, hinsichtlich dessen prinzipieller Funktion auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen wird.
Zwischen einem Außenring 2 und einem Innenring 3 rollen Wälzkörper 4 ab, wobei das die genannten Wälzlagerbauteile 2,3,4 umfassende Wälzlager 1 als Radiallager, als Axiallager oder in einer sonstigen an sich bekannten Wälzlagerbauform realisiert sein kann. Auf den Wälzkörper 2, beispielsweise eine Kugel, eine Kugelrolle, eine Zylinderrolle, eine Tonnenrolle, eine Nadel oder eine Kegelrolle, wird über den Außenring 2 eine Gesamtkraft Fges eingeleitet, welche sich aus einer statischen Beanspruchung und einer Schwingungsbeanspruchung zusammensetzt. Unter einer statischen Beanspruchung wird hierbei jede Beanspruchung verstanden, welche mit einer im Vergleich zur Eigenfrequenz des beanspruchten Bauteils höchstens geringen Frequenz auftritt.
Zumindest eines der Wälzlagerbauteile 2,3,4, vorzugsweise jedes der Wälzlagerbauteile 2,3,4, weist Eigenschaften auf, die der Merkmalskombination nach Anspruch 1 entsprechen und im Folgenden anhand des in 2 wiedergegebenen Diagramms weiter erläutert sind.
In dem Diagramm sind in einer ersten Kurve K1 der Verlauf der mechanischen Spannung σ über einen Teil des Querschnitts des Wälzlagerbauteils 2,3,4 und in einer zweiten Kurve K2 der Gehalt N_g an gelöstem Stickstoff, bezogen auf den gesamten Gehalt an Stickstoff, ebenfalls über den Querschnitt des Wälzlagerbauteils 2,3,4, dargestellt. Die Abszisse zeigt in einem linearen Maßstab, ausgehend vom Punkt „0“, das heißt der Oberfläche des Wälzlagerbauteils 2,3,4, den Abstand von der Werkstückoberfläche an. Die linke Skala bezieht sich auf die Kurve K1, die rechte Skala auf die Kurve K2. Die Tiefe im Wälzlagerbauteil 2,3,4, in der die maximale mechanische Spannung σ_max auftritt, ist mit D_σmax bezeichnet. Das Dreifache der Tiefe D_σmax maximaler Spannung ist definitionsgemäß die Dicke D_R der Randschicht des Wälzlagerbauteils 2,3,4.
Zumindest bis zur Dicke D_R der Randschicht weist das Wälzlagerbauteil 2,3,4 die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf. Weiter im Inneren des Wälzlagerbauteils 2,3,4 kann der Gehalt N_g an gelöstem Stickstoff, wie in 2 symbolisiert dargestellt, unter 80% des Gesamtgehalts an Stickstoff im entsprechenden Querschnittsbereich sinken. Abweichend hiervon kann jedoch auch ein konstanter Anteil N_g an gelöstem Stickstoff in jedem Querschnittsbereich des Wälzlagerbauteils 2,3,4 gegeben sein.
Die Oberflächenhärte des Wälzlagerbauteils 2,3,4 beträgt mindestens 58 HRC, wobei die Härte zum Kern hin abfallen kann. Das Wälzlagerbauteil 2,3,4 ist erfindungsgemäß in einer Windkraftanlage eingesetzt, ist aber auch zur Verwendung in einem Getriebe oder in einem Schraubenkompressor geeignet.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlager
2: Außenring
3: Innenring
4: Wälzkörper
σ: Spannung
σmax: Maximalspannung
Dσmax: Tiefe maximaler Spannung
DR: Randschichtdicke
Fges: Gesamtkraft
K1: Spannungsverlauf
K2: Verlauf des Gehalts an gelöstem Stickstoff
Ng: Gehalt an gelöstem Stickstoff

Claims

Windkraftanlage mit einem Wälzlagerbauteil aus Stahl in einer schwingungsbeanspruchten Lageranordnung, mit folgender Zusammensetzung (in Gew.-%) zumindest in einer Randschicht des Wälzlagerbauteils: - 0,10 % bis 0,50 % Kohlenstoff, - mindestens 10 % Chrom, - maximal 0,008 % Schwefel, - mindestens 0,2 % Silizium, - 0,1 % bis 0,8 % Stickstoff, wobei der Stickstoff zu mindestens 80 % im Stahl gelöst ist, wobei auf das Wälzlagerbauteil eine, einer statischen Belastung überlagerte, im Vergleich zu dieser das Wälzlagerbauteil stärker beanspruchende Schwingungsbeanspruchung wirkt, und wobei der Stahl im ESU- oder DESU-Verfahren oder im VAR-Verfahren umgeschmolzen ist.
Windkraftanlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Oberflächenhärte des Wälzlagerbauteils von mindestens 58 HRC.
Windkraftanlage nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine zum Kern des Wälzlagerbauteils hin abfallende Härte.