DE102016209695A1

DE102016209695A1 - Wälzlager mit einer Beschichtung

Info

Publication number: DE102016209695A1
Application number: DE102016209695.8A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Kruhöffer; Toni Blaß; Bertram Haag
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-06-02
Filing date: 2016-06-02
Publication date: 2017-12-07
Also published as: CN109196241A; US20190128327A1; WO2017206981A1; EP3464919A1; US10670076B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager (1), insbesondere für eine Windkraftanlage, umfassend einen Innenring (2), einen Außenring (3) sowie radial oder axial zwischen dem Innenring (2) und dem Außenring (3) angeordnete Wälzkörper (4), wobei zumindest teilweise am Innenring (2) und/oder am Außenring (3) und/oder an den Wälzkörpern (4) eine Beschichtung (5) zur Vermeidung von White Etching Cracks ausgebildet ist, wobei die Beschichtung (5) überwiegend aus Wolfram ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur zumindest teilweisen Beschichtung des zuvor genannten Wälzlagers.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager, insbesondere für eine Windkraftanlage, umfassend einen Innenring, einen Außenring sowie radial oder axial zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnete Wälzkörper. Das Anwendungsgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf Windkraftanlagen. Weitere Anwendungsgebiete für das Wälzlager sind aber auch denkbar. Beispiele dafür sind Kraftfahrzeug- oder Industrieanwendungen.
Ein Phänomen, das die Zuverlässigkeit von Wälzlager negativ beeinflusst, sind die weiß anätzenden Risse, in der – auch deutschsprachigen – Fachwelt überwiegend White Etching Cracks (WECs) genannt. White Etching Cracks sind Veränderungen des Gefüges im Werkstoff, die sich unterhalb der Lageroberfläche bilden. Diese können sich unter Einfluss verschiedener äußerer Belastungen bis zur Oberfläche ausbreiten. Dadurch kann es zur Bildung von Grübchen oder Schälungen bis hin zu einem Durchreißen des Innen- oder Außenrings und somit zu einem vorzeitigen Ausfall des betroffenen Lagers kommen. White Etching Cracks treten sowohl in durchgehärteten als auch in einsatzgehärteten Wälzlagern auf. Die Ursachen für die Entstehung von White Etching Cracks sind noch nicht vollständig geklärt. Jedoch bilden nach heutigem Wissensstand Zusatzbeanspruchungen in Form von Dynamik und/oder Mischreibung und/oder Elektrik die Voraussetzung für die Entstehung von White Etching Cracks. Insbesondere wird als Grundursache für die Entstehung von White Etching Cracks die verstärkte Wasserstoffaufnahme in die Randschicht des Werkstoffs im Wälzkontakt angesehen. Die Wasserstoffbildung und Aufnahme wird durch die Zusatzbeanspruchung, beispielsweise durch hohe Reibbeanspruchung der Wälzflächen und/oder durch elektrische Zusatzlasten hervorgerufen. Derartige White Etching Cracks sind beispielsweise in der Druckschrift EP 2 573 195 A1 beschrieben.
Die EP 2 573 195 A1 schlägt zur Erhöhung der Robustheit gegen White Etching Cracks eines Wälzlagers vor, eine Verbindungsschicht auf der Lagerfläche des Wälzlagers vorzusehen. Die Verbindungsschicht hat hierbei eine geringere Fließspannung als das übrige Material des Wälzlagers. Dies erfolgt dadurch, dass das Wälzlager mit einer bestimmten Temperatur in einer bestimmten Zeit erhitzt wird und die Lagerfläche mit einem chemischen Zusatz in Kontakt gebracht wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Wälzlager weiterzuentwickeln, und insbesondere die Widerstandsfähigkeit des Wälzlagers gegenüber White Etching Cracks zu erhöhen.
Das erfindungsgemäße Wälzlager ist vorzugsweise für eine Windkraftanlage vorgesehen und umfasst einen Innenring, einen Außenring sowie radial oder axial zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnete Wälzkörper, wobei zumindest teilweise am Innenring und/oder am Außenring und/oder an den Wälzkörpern eine Beschichtung zur Vermeidung von White Etching Cracks ausgebildet ist, wobei die Beschichtung überwiegend aus Wolfram ausgebildet ist. Mit anderen Worten besteht die Beschichtung im Wesentlich aus reinem Wolfram oder aus einer Wolframlegierung. Sofern die Beschichtung aus einer Wolframlegierung gebildet ist, ist Wolfram gegenüber den anderen Legierungselementen am stärksten in der Legierungszusammensetzung vertreten.
Die Beschichtung aus überwiegend Wolfram passiviert zum einen die Oberfläche und verhindert insbesondere die Entstehung von diffusiblem Wasserstoff. Weiterhin wird durch eine Barrierewirkung des Wolframs die Diffusion von Wasserstoff in die Oberfläche des Innenrings und/oder des Außenrings und/oder der Wälzkörper verhindert oder zumindest stark eingeschränkt. Ferner kann durch die Beschichtung aus Wolfram die Oberflächenfestigkeit und Überrollfestigkeit des Innenrings und/oder des Außenrings und/oder der Wälzkörper erhöht werden.
Die Beschichtung ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gasdicht ausgebildet und weist keine offene Porosität auf. Ein gegebenenfalls vorhandenes geschlossenes Porenvolumen der Beschichtung ist vorzugsweise kleiner oder gleich 5 Vol-% des Gesamtvolumens der Beschichtung ausgebildet.
Vorzugsweise liegt eine Schichtdicke der Beschichtung im Bereich von 0,5µm bis 30µm. Besonders bevorzugt liegt die Schichtdicke der Beschichtung im Bereich von 0,5µm bis 15µm.
Sofern die Beschichtung aus einer Wolframlegierung gebildet ist, umfasst diese Wolframlegierung bevorzugt mindestens ein Legierungselement aus der Gruppe umfassend Titan, Zirkonium, Molybdän, Hafnium, Kobalt, Nickel, Kupfer, Eisen, Vanadium, Kohlenstoff.
Vorzugsweise liegt ein Wolframanteil der Beschichtung im Bereich von 50 Massen-% bis 100 Massen-%. Besonders bevorzugt liegt der Wolframanteil der Beschichtung im Bereich von 75 Massen-% bis 100 Massen-%. Insbesondere liegt der Wolframanteil der Beschichtung im Bereich von 85 Massen-% bis 100 Massen-%.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der Innenring und/oder der Außenring und/oder die Wälzkörper einer Wärmebehandlung unterzogen, d.h. bevor die Beschichtung darauf aufgebracht worden ist. Insbesondere sind der Innenring und/oder der Außenring und/oder die Wälzkörper durchgehärtet, einsatzgehärtet oder carbonitriert. Beim Carbonitrieren wird überwiegend Kohlenstoff, aber auch Stickstoff in die Randschicht des Innenrings und/oder des Außenrings und/oder der Wälzkörper eindiffundiert und dadurch die Randhärtung erhöht, sowie das Randgefüge gezielt verändert.
Als Grundmaterial für den Innenring und/oder den Außenring und/oder die Wälzkörper wird bevorzugt ein Wälzlagerstahl eingesetzt, welcher insbesondere durchgehärtet oder thermisch randschichtgehärtet oder thermochemisch randschichtgehärtet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Beschichtung funktionsrelevant an einer Laufbahn und/oder an einem Bord des Außenrings und/oder des Innenrings ausgebildet. Eine gezielt partielle Beschichtung des Innenrings und/oder des Außenrings kann vorzugsweise durch ein Abdecken der nicht zu beschichtenden Flächen am Innenring und/oder Außenring ermöglicht werden. Alternativ ist es auch denkbar die gesamte Oberfläche des Innenrings und/oder des Außenrings und/oder der Wälzkörper zu beschichten.
Gemäß eines erfindungsgemäßen Verfahrens werden der Innenring und/oder der Außenring und/oder die Wälzkörper zunächst wärmebehandelt und danach zur Vermeidung von White Etching Cracks zumindest teilweise beschichtet, wobei die Beschichtung überwiegend aus Wolfram ausgebildet wird.
Eine mechanische Nachbearbeitung der gebildeten Beschichtung erfolgt vorzugsweise nicht. Sofern eine Einlaufphase des erfindungsgemäßen Wälzlagers als Glättungsphase zur Glättung der Beschichtung eingesetzt werden kann, hat es sich bewährt, wenn die Beschichtung eine mittlere Rauheit Ra < 4 µm aufweist. Sofern eine Einlaufphase des erfindungsgemäßen Wälzlagers nicht als Glättungsphase zur Glättung der Beschichtung eingesetzt werden kann und auch keine mechanische Nachbearbeitung der Beschichtung erfolgen soll, dann hat es sich bewährt, dass die Beschichtung eine mittlere Rauheit Ra < 0,3 µm aufweist.
Die Härte der gebildeten Beschichtung liegt vorzugsweise unterhalb von 1000HV, insbesondere im Bereich von 300 HV bis 800 HV. So kann die Härte der Beschichtung vor Überrollung durch die Wälzkörper im Wälzlager unterhalb 600HV liegen. Nach Überrollung der Beschichtung durch die Wälzkörper des Wälzlagers kann die Härte der Beschichtung noch unterhalb 800HV liegen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Beschichtung durch eine ionische Flüssigkeit gebildet. Ionische Flüssigkeiten sind Salze, die einen Schmelzpunkt unterhalb von 100°C (unter Normalbedingungen) haben. Eine ionische Flüssigkeit besteht aus Kationen und Anionen. Als Kationen sind eine Vielzahl an verschiedenen organischen Ionen vorgesehen, beispielsweise Imidazolium, Pyridinium, Tetraalkylammonium und Tetraalkylphosphonium-. Als Anionen sind dagegen Halogenide, Nitrate aber auch größere organische Anionen vorgesehen.
Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Beschichtung durch ein Plasmabeschichtungsverfahren gebildet. Bei thermischen Plasmabeschichtungsverfahren wird ein Beschichtungswerkstoff durch die Erzeugung einer hohen Temperatur von mehreren tausend Grad Celsius ionisiert und damit in den Plasmazustand überführt. Dazu wird vorzugsweise ein elektrischer Lichtbogen verwendet. Durch die hohe thermische Energie lässt sich vorzugsweise pulverförmiges Wolfram verdampfen, um den Dampf als dünne Schicht auf die Oberfläche des Innenrings und/oder des Außenrings und/oder der Wälzkörper abzuscheiden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Beschichtung durch ein PVD- oder CVD-Verfahren gebildet. Mit anderen Worten wird die Beschichtung nach einem Verfahren gemäß PVD (Physical Vapour Deposition) oder CVD (Chemical Vapour Deposition) aufgebracht. Im PVD-Verfahren werden beispielsweise durch Sputtern Partikeln aus einem Targetmaterial herausgelöst und in einem Plasma auf die Oberfläche des Innenrings und/oder des Außenrings und/oder der Wälzkörper transportiert. Bei dem CVD-Verfahren erfolgt die Schichtabscheidung an der erhitzten Oberfläche des Innenrings und/oder des Außenrings und/oder der Wälzkörper aufgrund einer chemischen Reaktion aus einer Gasphase.
Aber auch eine Kombination der vorgenannten Verfahren (hier: Bildung der Beschichtung durch ionische Flüssigkeit; Bildung der Beschichtung durch Plasmabeschichtung; Bildung der Beschichtung durch PVD-Verfahren; Bildung der Beschichtung durch CVD-Verfahren) zur Bildung der Beschichtung ist möglich. So kann die Beschichtung aus mindestens zwei Teilschichten zusammengesetzt sein, die je nach Anwendungsort mittels unterschiedlicher Abscheideverfahren aufeinander und/oder nebeneinander ausgebildet sind. Dies kann in Abhängigkeit von verwendeten Beschichtungsmaterial Vorteile hinsichtlich der angestrebten Gasdichtheit der Beschichtung, deren Haftung am zu beschichtenden Grundmaterial sowie deren Rauheit bereitstellen.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der beiden Figuren näher dargestellt. Hierbei zeigt
1 eine schematische Perspektivdarstellung eines erfindungsgemäßen Wälzlagers, und
2 eine schematische Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Wälzlagers gemäß 1.
Gemäß 1 weist ein erfindungsgemäßes Wälzlager 1 für eine – hier nicht dargestellte – Windkraftanlage einen Innenring 2, einen Außenring 3 sowie radial zwischen dem Innenring 2 und dem Außenring 3 angeordnete Wälzkörper 4 auf. Die Wälzkörper 4 werden durch einen Kä6 geführt. Das Wälzlager 1 ist – hier exemplarisch – als Rillenkugellager ausgebildet. Somit sind die Wälzkörper 4 als Kugeln ausgebildet. Es kann sich hier aber ganz generell um ein Kugellager, Zylinderrollenlager, Nadellager, Tonnen- oder Pendelrollenlager, Toroidalrollenlager usw. handeln.
Gemäß 2 ist teilweise am Innenring 2 sowie teilweise am Außenring 3 jeweils eine Beschichtung 5 zur Vermeidung von White Etching Cracks ausgebildet, wobei die Beschichtung 5 überwiegend aus Wolfram ausgebildet ist. Eine Schichtdicke der Beschichtung 5 beträgt 5µm. Ferner beträgt ein Wolframanteil der Beschichtung 5 hier 90% bis 100%. Insbesondere ist die Beschichtung 5 nur an einer Innenumfangsfläche des Außenrings 3 und an einer Außenumfangsfläche des Innenrings 2 ausgebildet. Ferner weisen der Innenring 2, der Außenring 3 und die Wälzkörper 4 eine Wärmebehandlung auf, die vor dem Aufbringen der Beschichtung 5 durchgeführt wurde.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel. Weitere Ausführungsbeispiele oder Weiterbildungsmöglichkeiten der Erfindung gehen insbesondere aus den Ansprüchen und der Beschreibung hervor. Beispielsweise können der Innenring 2 und der Außenring 3 eine vollständige Beschichtung 5 aus überwiegend Wolfram aufweisen. Ferner ist es auch denkbar, die Wälzkörper 4 mit der Beschichtung 5 aus überwiegend Wolfram zu beschichten. Des Weiteren kann die Beschichtung 5 auch eine andere Schichtdicke oder einen Wolframanteil im Bereich von 50 Massen-% bis kleiner 100 Massen-% aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlager
2: Innenring
3: Außenring
4: Wälzkörper
5: Beschichtung
6: Käfig

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2573195 A1 [0002, 0003]

Claims

Wälzlager (1), insbesondere für eine Windkraftanlage, umfassend einen Innenring (2), einen Außenring (3) sowie radial oder axial zwischen dem Innenring (2) und dem Außenring (3) angeordnete Wälzkörper (4), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest teilweise am Innenring (2) und/oder am Außenring (3) und/oder an den Wälzkörpern (4) eine Beschichtung (5) zur Vermeidung von White Etching Cracks ausgebildet ist, wobei die Beschichtung (5) überwiegend aus Wolfram ausgebildet ist.
Wälzlager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtdicke der Beschichtung (5) im Bereich von 0,5µm bis 30µm liegt.
Wälzlager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wolframanteil der Beschichtung (5) im Bereich von 50 Massen-% bis 100 Massen-% liegt.
Wälzlager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (2) und/oder der Außenring (3) und/oder die Wälzkörper (4) eine Wärmebehandlung aufweisen.
Wälzlager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (5) gasdicht ausgebildet ist.
Verwendung eines Wälzlagers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einer Windkraftanlage.
Verfahren zur zumindest teilweisen Beschichtung eines Wälzlagers (1), insbesondere eines Innenrings (2) und/oder eines Außenrings (3) und/oder von Wälzkörpern (4) des Wälzlagers (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Innenring (2) und/oder der Außenring (3) und/oder die Wälzkörper (4) zunächst wärmebehandelt und danach zur Vermeidung von White Etching Cracks zumindest teilweise beschichtet werden, wobei die Beschichtung (5) überwiegend aus Wolfram ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (5) zumindest teilweise durch eine ionische Flüssigkeit gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (5) zumindest teilweise durch ein Plasmabeschichtungsverfahren gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (5) zumindest teilweise durch ein PVD- oder CVD-Verfahren gebildet wird.