Ermüdungsdauer weit übertroffen

Dieser Beitrag basiert auf einem Vortrag von Dipl.-Ing. Oswald Bayer, Leiter Produktentwicklung bei FAG Aircraft/Super Precision Bearings Division GmbH, Schweinfurt

Die Erkenntnisse zum Hochgeschwindigkeitszerspanen, High Speed Cutting, führen zu Forderungen nach Spindelleistungen und Drehzahlen.

Für den Einsatz von Wälzlagern z.B. in Fluggasturbinen gehen Grundsatzversuche weit über die geforderten Drehzahlbereiche hinaus. Die eigentliche Herausforderung besteht darin, den zu einem sicheren Wälzlagerbetrieb notwendigen Aufwand auf ein wirtschaftlich sinnvolles Maß zu reduzieren.

Die Belastung findet in einem eng begrenzten Bereich innerhalb des Wälzlagers statt, nämlich an der Kontaktstelle zwischen Wälzkörpern und Laufbahnen auf den Ringen. Dort spielen sich die Wechselwirkungen zwischen Material- und Schmierstoffbeanspruchung ab. Das gesamte Gebilde stellt ein tribologisches System dar, in dem Beachtliches vorgeht. So entstehen beispielsweise Kontaktpressungen, die etwa zehntausendmal höher liegen als in einem Pkw-Reifen. Dabei sind die Kontaktpartner im günstigsten Fall durch einen Schmierfilm von nur 1 µm Dicke voneinander getrennt. All dies spiegelt eine schon fast nicht mehr vorstellbare Leistungsdichte wider.

Die Ansatzpunkte für Forschung und Entwicklung liegen demnach in folgenden Komponenten:

Zu den bekannten Werkstoffen ist mit Cronidur 30 von FAG ein interessanter Wälzlagerstahl hinzugekommen. Bei der Werkstoffpaarung ist vor allem an Hybridlager zu denken.

Die Unterstützung des Schmierfilms durch eine verbesserte Oberflächenstruktur ist Ziel neuer Fertigungsverfahren. Ferner wurde bei der Entwicklung von Fetten und Ölen unter besonderer Beachtung von Umweltgesichtspunkten als wichtiger Bestandteil der FAG Forschung mit eingeschlossen; mit dem Ergebnis des neuen Schmierfetts Arcanol L75, das speziell für Cronidur 30 entwickelt wurde. Dieser neue Stahl zeichnet sich grundsätzlich durch eine konstant hohe Qualität aus.

Die FAG in Schweinfurt hat in Zusammenarbeit mit der Universität Bochum und der Vereinigten Energie- und Schmiedetechnik Essen den neuen Wälzlagerstahl Cronidur 30 entwickelt. Hintergrund für diese Entwicklung waren Anwendungen in Luft- und Raumfahrt, bei denen vielfach Korrosion die Ursache für Lagerausfälle ist. Mit Cronidur 30 wurde nun ein Werkstoff geschaffen, der gegen Korrosion nahezu unanfällig ist. Dieser Wälzlagerstahl wird zum Beispiel in den Lagern der Haupttriebwerke des Space-Shuttle eingesetzt. Auch in den Kugelrollspindeln zur Landeklappenverstellung in Flugzeugen ist er anzutreffen. Im Zusammenspiel mit Keramikwälzkörpern verläuft der Einsatz dieses Hochleistungswerkstoffes in diesen Anwendungsfällen bislang überaus erfolgreich. Diese positiven Ergebnisse machen diese Stahlentwicklung gerade auch für die Werkzeugmaschinenindustrie höchst interessant. Bei diesem Wälzlagerstahl handelt es sich um einen martensitisch durchhärtenden Stahl, der aber auch induktiv randschichthärtbar ist.

Bei seiner Herstellung wird Cronidur 30 standardmäßig unter Druck umgeschmolzen. Dies ist notwendig, um den hohen Stickstoffanteil zu erhalten. Dieses Verfahren hat besondere Auswirkungen auf Eigenschaften und Gefügeausbildung des Werkstoffes. Auch die anderen Bestandteile wie Molybdän spielen hier eine Rolle. Die erzielbare Härte ist trotz des niedrigeren Kohlenstoffanteils gleich. Das Fehlen des Kohlenstoffes wird durch den Stickstoff ausgeglichen. In der FAG Standardwärmebehandlung ist Cronidur 30 bis zu deutlich höheren Temperaturen einsetzbar. Die hervorragenden Werte von Biegewechselfestigkeit und Bruchdehnung ergeben eine hohe Bauteilfestigkeit, was zum Beispiel für Flansche erforderlich ist. Sie wirken sich aber auch im Mikrobereich der Hertz’schen Flächenpressung positiv aus. So ist dieser Wälzlagerstahl wesentlich unempfindlicher bei plastischen Verformungen und bei Fremdkörpereindrücken. Das Herausbrechen von Partikeln aus der Oberfläche ist damit wesentlich schwieriger und seltener.

Die Dauerfestigkeit von Wälzlagerstahl ist allgemein bekannt und wird bei der Auslegung der Lagerungen genutzt. Ein Grenzwert ist dabei die Hertz’sche Flächenpressung. Diese Eigenschaft muß auch von einem neuen Werkstoff für Hochleistungslager erfüllt werden. Bei einem Vergleich der Materialermüdungsdauer für drei Stoffe unter Voll-EHD-Bedingungen bei einer Flächenpressung von 2800 mpa hat folgendes ergeben: In den Vergleich wurde der Werkstoff M50 mit einbezogen, da er zuweilen von anderer Seite für Spindellager empfohlen wird. Hierbei handelt es sich um einen Werkstoff mit hoher Warmfestigkeit, der vorwiegend in Triebwerkslagerungen eingesetzt wird. Die rechnerische Ermüdungslebensdauer von 50 h wurde von allen Werkstoffen übertroffen. Die Versuche mit Cronidur 30 Lagern wurden nach der 80-fachen Laufzeit ohne einen Lagerausfall abgebrochen. Bei diesem hohen Faktor kann man praktisch von Dauerfestigkeit bei dieser Flächenpressung ausgehen.

Die Versuche zeigen also, daß Cronidur 30 ebenfalls dauerfest ist, die zulässige Flächenpressung höher liegt als beim 100Cr6 und dass M50 keine Verbesserung im Normaltemperaturbereich gegenüber 100Cr6 bringt. Die zulässige höhere Flächenpressung bedeutet bei gegebenen Systemen eine signifikant höhere Sicherheit gegenüber unvorhergesehenen Betriebsbedingungen und erlaubt bei Neuauslegungen den Ansatz höherer Belastungsgrenzen. Eine um 25% höhere Flächenpressung kommt einer Steigerung der Kugelbelastung um 40 % gleich. Für Verbesserungen im oberflächennahen Bereich ist das Verhalten unter Mischreibungsbedingungen von erheblicher Bedeutung. Mischreibung tritt auf, wenn die Geschwindigkeit so niedrig ist, daß sich ein Schmierfilm physikalisch nicht aufbaut oder bei Schmierstoffmangel an den Kontaktstellen. Das Bild oben zeigt Ergebnisse von Lebensdaueruntersuchungen im Mischreibungsgebiet. Während die Lager aus 100Cr6 Flächenpressung von 25000 Mpa die rechnerische Ermüdungslebensdauer nur geringfügig übertrafen, liefen die Lager aus Cronidur 30 ca. 10 mal länger.

Ausführliche Informationen

Wälzlagerstahl Cronidur 30

KEM 506

Schmierfett Arcanol L75

KEM 507

Internet

Hierin liegt der eigentliche Ausgangspunkt für Forschung, Entwicklung und innovative Produkte innerhalb der FAG Aircraft/Super Precision.

Hochgenauigkeitslager werden ganz überwiegend von der Werkzeugmaschinenindustrie nachgefragt. Ihre Forderungen konzentrieren sich im Wesentlichen auf:

n höhere Drehzahlen der Spindeln

n zuverlässigere Lagerungen

n reibungsärmere Aus-führungen

– kostengünstige, wirtschaft-liche Systemlösungen