Cookies auf der SKF Webseite

Mithilfe von Cookies stellen wir sicher, dass Sie unsere Webseiten und -anwendungen optimal nutzen können. Wenn Sie ohne Änderung Ihrer Browser-Einstellungen fortfahren, gehen wir davon aus, dass Sie der Nutzung von Cookies zustimmen. Natürlich können Sie Ihre Browser-Einstellungen bezüglich Cookies jederzeit ändern.

Ursachen für die Entstehung von „White Etching Cracks" (WEC)

Bei der Analyse von Lagerausfällen lässt sich die Entstehung von „White Etching Cracks" (WEC) sowohl auf Wälzlagerermüdung als auch auf eine beschleunigte Wälzlagerermüdung zurückführen.
Bei Lagern mit vorzeitiger Schälung fördern die zwei folgenden Parameter eine Wälzlagerermüdung:


Unerwartet hohe Belastungen
Die auf die Lager einwirkenden Belastungen können unerwartet hoch sein. Kurze, hohe Belastungen können durch unvorhergesehene Dynamik oder Temperatureffekte hervorgerufen werden, die zu hohen Vorspannungen, bedingt durch strukturelle Verformungen, führen. Strukturbelastungen im Material des Lagers, bedingt z.B. durch Formabweichungen, Schiefstellungen oder sonstige Faktoren, erhöhen die Spannung im Material. Erhöhte Belastungen im Bereich der Laufbahn können auch durch ungünstige tribologische Bedingungen, z.B. Kantenspannungen, schlechte Schmierbedingungen und/oder starken Schlupf in Kombination mit bestimmten Schmierstoffen, verursacht werden.

Unerwartet geringe Festigkeit
Die Materialfestigkeit eines Lagers kann durch Umweltfaktoren beeinträchtigt werden, die im Verdacht stehen, z.B. Wasserstoff zu bilden. Die Kontaminierung des Schmierstoffs mit Wasser, Korrosion und elektrische Streuströme u.Ä. können dazu führen. In solchen Fällen können bereits mittlere Belastungen zum vorzeitigen Ausfall führen (Bild 1).


Trotz anhaltender Diskussion unter Experten weisen viele Ergebnisse verstärkt darauf hin, dass WEC an das Ende der Ausfallkette zu platzieren sind, als eine natürliche Folge innerhalb des Entstehungsprozesses von Rissnetzwerken in ausgefallenen Lagern.


Wälzlagerermüdung

Bei kleinen, hochbelasteten Lagern und langer Lebensdauer (sehr hohe Lastspielzahlen) ist bekannt, dass die Lager mehrere Ermüdungsphasen durchlaufen, bis es zum Ausfall kommt.

Die erste Phase ist dabei der „Shakedown", der zu mikroplastischen Verformungen, Kaltverfestigung und allmählichem Aufbau von Eigenspannungen führt. Beim „Shakedown" kann auch die Oberfläche des Lagers mikroplastischen Verformungen ausgesetzt sein, wobei Oberflächenunebenheiten abgeflacht werden.

Nach dem „Shakedown" ist der überwiegende Teil der Lagerlebensdauer geprägt von fortschreitenden Veränderungen im Mikrogefüge. In dieser Phase verändert sich die Karbidverteilung aufgrund der mikroplastischen Verformungen. Die Veränderungen im Mikrogefüge und Restaustenit geht mit einem gleichzeitigen Aufbau von Eigenspannungen einher.

Im fortgeschrittenen Stadium der Wälzlagerermüdung treten sowohl „Dark Etching Regions" (DER) als auch White Etching, High-Angle Bands (HAB) und Low-Angle Bands (LAB) auf (Bild 2). Obwohl HAB und LAB ebenfalls weiß anätzend sind, unterscheiden sie sich optisch von der unregelmäßigen WEC-Beschaffenheit, welche bei einigen Lagerfrühausfällen zu beobachten ist. Daraus folgt gelegentlich die Interpretation, dass unregelmäßige WEC-Beschaffenheit nicht Teil der Wälzlagerermüdung ist. Allerdings unterscheidet sich das Mikrogefüge dieser weiß anätzenden Bereiche in seiner kristallinen Struktur nicht wesentlich von den weiß anätzenden Bereichen, die bei vorzeitigem Ausfall zu beobachten sind.

Bei mittleren bis großen Lagern treten die o.g. Effekte nicht unbedingt in derselben Form auf wie bei kleinen, hochbelasteten Lagern. Wie andere mechanische Komponenten können diese Lager typischerweise durch das Versagen ihres schwächsten Gliedes ausfallen (z.B. aufgrund von Einschlüssen und Porositäten). Wie in ISO/TR 1281-2:2008 erläutert, nimmt die Ermüdungsgrenze ab einem mittleren Lagerdurchmesser von 100 mm ab. Des Weiteren, im Vergleich zu kleineren wird bei größeren Lagern bei gleichem Kontaktdruck ein größeres Volumen mit möglichen Schwachstellen belastet. Die in allen Lagerstählen natürlich vorkommenden Einschlüsse sind beispielsweise solche Schwachstellen.

Bereits in den 1960er Jahren wurde über WEC im Zusammenhang mit Wälzlagerermüdung berichtet (siehe auch SKF Arbeiten aus den 1980er Jahren, Bild 3a). Nachträgliche Untersuchungen von mittleren und großen ausgefallenen Lagern (entweder aus hochbeschleunigten Lebensdauertests (HALT) oder aus standardisierten Lagerlebensdauerversuchen) haben das Auftreten unregelmäßiger WEC-Netzwerke als natürliches Nebenprodukt von Wälzlagerermüdung bestätigt (Bild 3b).

Beschleunigte Wälzlagerermüdung (vorzeitige Schälung) – Erkenntnisse über die Schadenstreiber

Der Unterschied zwischen vorzeitiger Schälung (in der Industrie häufig als WEC-Ausfälle interpretiert) und Lager mit Wälzlagerermüdung kann u.U. in der Dauer liegen, die für das Auftreten der verschiedenen Symptome bis hin zur Schälung benötigt wird. Hinzu kommt noch, dass vorzeitige Ausfälle im Gegensatz zu Lebensdauertests oder 'normaler' Wälzlagerermüdung oft einhergehen mit einer Rissbildung an mehreren Stellen bzw. in mehreren Bereichen (Bild 4).


Die Gründe für Rissbildung bei Wälzlagerstählen können sehr unterschiedlich sein. Bei hohen Belastungen und/oder bei verringerter Festigkeit verursacht durch Umwelteinflüsse, wie z.B. das Eindringen von Wasserstoff in den Stahl, beschleunigt sich die Rissentstehung und -ausbreitung (Abb. 1). Sobald auch nur ansatzweise Risse entstehen (manchmal einhergehend mit dem Auftreten von lokalen dunkel anätzenden Zonen, DER), führt ein Aufeinanderreiben der Rissoberflächen aneinander zum Materialtransfer von einer Seite des Risses zur anderen. Dadurch entsteht eine Rissverzweigung, auf deren Flanken sich weiß anätzende Bereiche anhäufen.

Die Bildung von „White Etching Areas" (WEAs) ist auch von der Rissorientierung unterhalb der Oberfläche, den einwirkenden internen Kräften und Verformungen abhängig. Daher sind WEA häufiger in horizontal orientierten Rissen (parallel zur Laufbahn) zu finden. Vertikal orientierte Teile des Risses weisen dagegen meist weniger WEA auf. Des Weiteren ist die Bildung von WEA abhängig vom Zwischenraum zwischen den Rissflächen, der Anzahl der Belastungszyklen sowie dem internen Spannungszustand im Material. (Bild 5)




Tests zur Erzeugung vorzeitiger Lagerausfälle und WEC

Forschungen zu vorzeitigem Lagerausfall und WEC wurden mit einer Reihe von externen Forschungspartnern einschließlich den SKF University Technology Centers durchgeführt. Untersucht wurden Lager im praktischen Einsatz. Zudem wurden Lagerlebensdauertests und WEC-Tests durchgeführt. Obwohl noch weiterer Forschungsbedarf besteht, kann man feststellen, dass WEC unter folgenden Testbedingungen reproduziert und im Rahmen der nachfolgend genannten Bedingungen getestet werden können:

  • in Lagerlebensdauertests von mittleren bis großen Lagern (Wälzlagerermüdung)
  • in Lagertests mit Ringen, die höheren Zugspannungen als normal ausgesetzt sind
  • in Lagertests mit kurzzeitig hohen Belastungen
  • in Lagertests mit durch Wasser kontaminierten Schmierstoffen (Bild 6)
  • in Lagertests mit Mischreibung und hohem kinematischen Schlupf unter Verwendung spezifischer Schmierstoffe (Bild 7)
  • in Lagertests mit Wasserstoffbeladung
  • in Lagertests mit Strom (Stromschäden)

 Fazit

  • Jeder vorzeitige Lagerausfall ist ein Fall für sich: Es gibt keine allgemeingültige Ursache, und jeder Ausfall muss individuell analysiert werden.
  • Allerdings gibt es Gegenmaßnahmen, mit denen die Lagerleistung in betroffenen Anwendungen erheblich erhöht werden kann.

SKF logo