Critical factors for bearing failures by localized severe plastic deformation in the 100Cr6 and X30CrMoN15-1 steels

Srikakulapu, Kiranbabu; Raabe, Dierk (Thesis advisor); Svendsen, Bob (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Die Lager von Windkraftgetrieben versagen häufig aufgrund vorzeitiger Rollkontaktermüdung (RCF). Solche Ausfälle sind mit der Entstehung und Ausbreitung von Rissen unter der Oberfläche verbunden, die zu ausgedehnten Rissnetzwerken führen. Diese Risse werden als White Etching Cracks (WECs) bezeichnet. WECs sind mit lokalen Mikrostrukturveränderungen verbunden, die als White Etching Areas (WEAs) bekannt sind und sich zunächst schmetterlingsförmig um nichtmetallische Einschlüsse bilden. Später umschließen sie die sich ausbreitenden WECs. Die ausgedehnten Rissnetzwerke führen zu Abplatzungen von der Lageroberfläche, die die Lebensdauer der Lager von etwa zwanzig Jahren auf weniger als vier Jahre drastisch reduzieren. Obwohl solche RCF-Ausfälle seit mehr als einem Jahrhundert bekannt sind, sind die kritischen Faktoren, die die Rissentstehung und -ausbreitung beeinflussen, noch immer unklar und müssen systematisch untersucht werden. Die Identifizierung der entscheidenden Faktoren, die die Entstehung und Ausbreitung von WECs beeinflussen, steht im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit und hilft bei der Entwicklung von Maßnahmen zur Verhinderung von vorzeitigen RCF-Ausfällen. Zu diesem Zweck werden zwei Arten von Wälzlagerstählen untersucht: 100Cr6 Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt und X30CrMoN15-1 Stahl mit hohem Stickstoffgehalt. Die jeweiligen Wärmebehandlungen und mechanischen Belastungsmethoden werden entsprechend der Zielsetzung der einzelnen Kapitel angepasst. Die Charakterisierung der Mikrostruktur wird mit Hilfe von Rasterelektronenmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie und Atomsondentomographie durchgeführt. Es werden RCF-Belastungsbedingungen verwendet, um die Rolle der MnS-Einschlüsse bei der Auslösung von WECs zu verstehen. Während der RCF-Belastung zeigte der 100Cr6 Stahl mit kleineren Zigarren-förmigen MnS-Einschlüssen, die senkrecht zur Überrollrichtung liegen, keine Anzeichen von WECs, weder in Gegenwart noch in Abwesenheit elektrischer Ströme. Die 100Cr6-Probe, die aus einem Getriebelager einer Windkraftanlage im Industriemaßstab geschnitten wurde, wies dagegen größere Pfannkuchen-förmige Einschlüsse parallel zur Überrollrichtung auf, was zur Bildung von WEC/WEA führte. Die Verringerung der Größe und der Anzahl der Einschlüsse oder sogar deren Eliminierung bietet daher eine Möglichkeit, vorzeitige RCF-Ausfälle zu verhindern. Stahlveredelungsverfahren zur Erhöhung der Reinheit wie das Elektroschlacke-Umschmelzen verursachen jedoch erhebliche Mehrkosten für das Endprodukt (z.B. X30CrMoN15-Stahl mit hohem Stickstoffgehalt). Daher sind andere Methoden zur Verhinderung der Bildung und Ausbreitung von WEC/WEA erforderlich. Da die Bildung von WEC/WEA in Lagern durch lokalisiert starke Deformation an Rissen unterhalb der Oberfläche erfolgt, sind systematische oder sogar 'in-situ'-Untersuchungen eine Herausforderung. Daher wird die mechanische Belastung ersatzweise durch Anwendung von makroskopischer Hochdrucktorsion simuliert, um ein vergleichbares Level plastischer Verformung zu erreichen. Bei der Mikrostrukturveränderung hin zu WEA spielt die Zersetzung von Ausscheidungen eine entscheidende Rolle. Untersuchungen an weichgeglühtem 100Cr6 Stahl mit M3C-Ausscheidungen unterschiedlicher Zusammensetzung, Größe und Morphologie zeigten, dass die Größenverteilung der Ausscheidungen und die Härte der umgebenden Matrix das Ausmaß der Zersetzung erheblich beeinflussen. Andererseits zeigten Untersuchungen an durchgehärtetem X30CrMoN15-1 Wälzlagerstahl, dass Carbonitride im Vergleich zu M3C-Ausscheidungen in 100Cr6 Stahl unter gleichen Belastungsbedingungen weitaus widerstandsfähiger sind. Insgesamt gesehen sind kleine, mechanisch harte und thermodynamisch stabile Ausscheidungen (wie Karbonitride in X30CrMoN15-1) in Gegenwart einer weichen Matrix (z.B. Bainit statt Martensit) am besten geeignet, um Gefügeinstabilität und Ausscheidungszersetzung bei starker plastischer Verformung zu unterbinden.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
• Lehrstuhl für Werkstoffphysik und Institut für Metallkunde und Materialphysik [523110]