Full black oxidized (L4B) NU 207/C3 bearing components

Fördelar med svartoxiderade lager i vindenergiapplikationer

För att kunna generera mer energi blir vindkraftverken allt större – men det ställer också högre krav på drivlinorna.

Författare:
Kenred Stadler, programme manager Renewable Energy, SKF GmbH, Schweinfurt, Tyskland,
Bo Han, lubrication expert, SKF Global Technical Centre China, Shanghai, Kina
Victor Brizmer, senior researcher, SKF B.V., Nieuwegein, Nederländerna
Rihard Pasaribu, team leader Lubrication (fram till 2013), SKF B.V., Nieuwegein, Nederländerna

El-, gas- och vattenförsörjning Övriga produkter Forskning och teori

Sammandrag

För att motsvara de svåra driftskrav som ställs av vindkraftsindustrin använder SKF en speciell ytbehandlingsprocess – så kallad svartoxidering. Behandlingen ger lagerkomponenter ett skyddande skikt som är resistent mot kemiska angrepp och korrosion och som bidrar till att förebygga lagerskador under den kritiska inkörningsfasen.

Under drift utsätts vindturbiner för ett brett spektrum av temperaturer, vindhastigheter och belastningar [1]. Sådana driftsförhållanden, i kombination med skadlig inverkan av fasta partiklar och tribokemiska angrepp på grund av oljekemi och vattenföroreningar, kan resultera i lagerskador (fig. 1) [2] som avsevärt förkortar lagrens brukbarhetstid.

Ett av kraven för att förebygga sådana haverier är en ytstruktur som gynnar inkörningsprocessen, som är resistent mot korrosion och som är inert mot ogynnsamma kemiska reaktioner från aggressiva smörjmedel. SKF har genom sitt mångåriga engagemang i vindkraftsindustrin identifierat svartoxidering som en av många lösningar för att förbättra driftsäkerheten.

Svartoxideringsprocessen
Svartoxidering är en ytbehandling som baseras på en kemisk reaktion vid ytskiktet på komponenter i lagerstål. Komponenterna sänks ner i en alkalisk saltlösning i vatten, med en temperatur mellan cirka 130 och 150 °C. Reaktionen mellan järnet i järnlegeringen och reagenterna alstrar ett oxidskikt på lagerkomponentens ytskikt. Skiktet består av en väldefinierad blandning av FeO, Fe2O3 och resulterande Fe3O4. Ett mörkt ytskikt bildas, 1-2 μm tjockt. Den totala processen består av cirka 15 olika nedsänkningssteg. I flera av dessa går det att variera kemisk sammansättning, koncentration, temperatur, uppehållstid och vätskebeteende i behållaren [3].

Fördelar med svartoxidering
Endast de viktigaste positiva effekterna av svartoxidering inom ramen för vindkraftsindustrin sammanfattas här. De beskrivs kortfattat, indelade i tre kategorier, för att visa hur svartoxidering kan bidra till att minska de risker som följer av varje haverimekanism.

1. Minskad risk för förtida haverier
I vissa vindkraftverk kan växellagren haverera i förtid på grund av sprickor, skalning eller oregelbundna vitetsningssprickor (WEC). Vitetsning avser den förändrade mikrostruktur som uppstår när en mikrosektion poleras och etsas. Haverier kan uppstå på flera platser, som planetlager samt mellan- och högvarvsaxellager.

Haverier på grund av vitetsning diskuteras intensivt inom vindkraftsindustrin. Fenomenet undersöks av vindturbintillverkare, växeltillverkare och lager­leverantörer, liksom av universitet och oberoende institut. Många av de aktuella hypoteserna är inriktade på ytrelaterade frågor, som vätepenetrering och samverkan med inneslutningar eller rena kombinationer av spänningar och tribomekanisk utveckling vid ytan. För ytterligare information kring hypotesen om WEC-haveri som grundorsak, se [4].

Enligt pågående undersökningar och data från litteraturen kan olika mekanismer bidra till att minska risken för WEC-haverier, som till exempel:

  • minskning av utsattheten för tribologiska och kemiska angrepp [5] (”passivering”)
  • minskad vätediffusion i lagerstålet [6] (”passivering”)
  • korrosionsskydd [7]
  • stabilisering av löpbanornas mikrostruktur [8].

Svartoxidering kan bidra till att skydda lagerkomponenter från den ovan nämnda skademekanismen. Nedan refereras flera laboratorietester och undersökningar som påvisar fördelarna med svartoxidering.

1.1 Tribokemiska angrepp från smörjmedel och tillsatser
Växeloljor är utvecklade för att optimera växelns prestanda. I de flesta fall tillsätts förslitningshämmande och korrosionsinhiberande substanser till växeloljan, för att öka växelns prestanda. Tyvärr är växeloljans kemiska sammansättning inte alltid optimal för rullningslagers funktion. I kuggkontakter är den makroskopiska glidningen betydligt större (glid-/rullförhållande upp till 30 procent) än i lager (glid-/rullförhållande upp till 4 procent, beroende på lagertyp). Därför är dynamiken (bildning och avlägsnande) för reaktionsproduktskikt i växlar annorlunda än den i lager.

När lagren arbetar med gränsskikts- och blandsmörjning kan reaktioner uppstå mellan tillsatserna i växeloljan och stålytan i rullningskontakter. Kemisk energi som utvecklas under bildningen av skikt av reaktionsprodukter, tillsammans med den tribologiska energin, förändrar sannolikt den ytnära mikrostrukturen hos lagerstål [9]. Förändringen av den ytnära mikrostrukturen leder till förändring av de mekaniska egenskaperna hos ytan och följaktligen dess tribologiska prestanda (friktion, förslitning och ytutmattning). Om reaktionerna är ogynnsamma kan det uppstå betydande ytnära mikrostrukturförändringar, följt av ytinitierade mikrosprickor.

Test av växeloljorna Pasaribu och Lugt [10] har visat en positiv korrelation mellan tjockleken av oxidskikt och lagerprestanda. Detta indikerar att passivering av lagerytor fördröjer ogynnsamma reaktioner mellan växeloljor och lagerytor. Därför kan ett avsiktligt, cirka 1-2 μm tjockt oxidskikt, till exempel ett svartoxidskikt, minska risken för ogynnsamma reaktioner mellan växeloljor och lagerytor.

Verkan hos svartoxidering för att förebygga ytsprickbildning kan bedömas genom att man utsätter de svartoxiderade ytorna för gränsskiktsmorda tribologiska kontakter. Ett exempel på ett sådant test är skevande smord kula-mot-skiva. Kulan och skivan drivs oberoende av varandra. Därmed går det att ställa in ett glid-/rullförhållande som motsvarar applikationen. Fig. 2 visar resultat från tester med olja som innehåller aggressiva förslitningshämmande tillsatser. Den obehandlade stålytan uppvisar ytmikrosprickor, medan den svartoxiderade ytan inte har några ytmikrosprickor alls.

1.2 Väteförsprödning
Svartoxidering, som ”ytpassivering” kan effektivt minska penetreringen av atomärt väte och kemiska angrepp på lagerstålet. Denna egenskap utvärderades i resultaten av laboratorietester avseende låsringar och väteinträngning [11].

En specialkonstruerad testrigg för låsringar utvecklades för att undersöka väteinducerad spänningskorrosion (HISCC) i smorda kontakter [12]. Fig. 3 visar en innerring till ett cylindriskt rullager med ett utskuret segment. Ringen belastas via en skruv för att generera en definierad dragspänning vid ytan. Ytinitierade sprickor under dragspänning gynnas av väteupptag från smörjmedlet. Låsringens livslängd, definierad som tiden tills låsringen spricker vid en definierad dragbelastning, återspeglar motståndskraften mot HISCC. Kurvan i fig. 3 visar att svartoxiderade låsringar har högre livslängd än icke-belagda motsvarigheter.

Svartoxideringens motståndskraft mot väteupptag kan också utvärderas med ett elektrokemiskt väteinträngningsprov, där atomärt väte genereras genom elektrokemisk laddning. Vätet tränger igenom stålplåten och mäts genom elektrokemisk oxidation när det frigörs från den andra sidan av stålplåten. Väteinträngning genom en ytbeläggning kan utvärderas genom att jämföra det uppmätta väteinträngningsflödet (strömmen) med det från icke-belagda prover. Fig. 4 visar att stålplåtar med en svartoxiderad yta har betydligt lägre väteinträngning än icke-belagda prover. Detta beror på att atomärt väte måste joniseras (som proton) för att kunna passera genom ett oxidskikt. Så är inte fallet med diffusion i stål. Den starka interaktionen mellan joniserade väteatomer och anjoner i järnoxid ger upphov till ett svartoxidskikt, vilket fungerar som en barriär som retarderar väteinträngning [13].

1.3 Fuktkorrosionsskador (stilleståndskorrosion)
Stora temperaturgradienter gynnar kondensation av vatten från den fuktiga luften. Även om risken för vattenförorening sällan nämns direkt när det handlar om vindenergiapplikationer är det väl känt att upplöst vatten kan försämra funktionen hos förslitningshämmande tillsatser [14] och att fritt vatten gynnar korrosion och väteupptag [15] [16]. Korrosionsrisken ökar under perioder av stillestånd – när vindkraftverket är avställt för underhåll eller om det inte blåser [7].

Mikrostrukturen hos svartoxid har en viss porositet. Detta kan öka affiniteten mot beläggningsskiktet hos smörjmedlet eller konserveringstillsatser och på så sätt förbättra beständigheten mot fukt eller stilleståndskorrosion. I ett saltspraytest [17] uppvisade svartoxiderade prover betydligt högre korrosionsbeständighet än icke-belagda prover (fig. 5).

2. Svåra driftförhållanden med otillräcklig smörjning, eller ytskador

2.1 Adhesiv förslitning – smetning eller glidskador
Om rullager tillåts arbeta med för liten belastning (mindre än minimibelastning), kan det leda till betydande avvikelse från det normala förhållandet mellan innerringens och rullsatsens rotationshastigheter, vilket i sin tur leder till hög grad av glidning mellan rullkroppar och innerring [18]. För krävande tillämpningar som högvarvsaxlar i vindturbinväxlar kan drift i svag vind och ändring av belastningszon öka risken för glidning. Därför finns det stor risk för smetningsskador [19] [20].

Test utan belastning på vindturbinväxlar har visat en förbättrad skyddande verkan mot smetningsskador genom svartoxidbeläggning i högvarvsaxellager. Fig. 6 visar smetningsskador som uppstod på de icke-belagda rull- och innerrings­ytorna efter 45 minuters obelastad drift, medan svartoxiderade ringar inte visade några betydande skador efter 30 timmar.

Den skyddande mekanismen hos de svartoxiderade ytorna kan förklaras av minskad friktion efter inkörning, liksom av den förbättrade vidhäftningen av smörjmedlet mot ytan, jämfört med icke-belagda ytor.

2.2 Ytutmattning
Ytutmattning är en ytinitierad skada på ojämnhetsnivå, kopplad till bristande smörjförhållanden. Följden är hög ytfriktion och därmed traktionseffekter [21]. Fenomenet märks särskilt på kuggar, men ibland också på lager. Om skadan uppstår i lager kan ytutmattning vara mycket negativ för lagerfunktionen.

Ytutmattning är inte nödvändigtvis ett primärt feltillstånd för rullningslager, men skadetypen kan underlätta eller påskynda uppkomsten av skador av andra typer, som partikelintryckningar, ytinitierad skalning och skärning [22]. Risken för ytutmattning kan minskas på flera sätt, till exempel genom att minska ytfriktionen, omfördela de ytnära spänningarna på ett gynnsamt sätt, minska blandsmörjningstrycken eller optimera inkörningsprocessen. Ett sätt att åstadkomma detta är att använda skyddande beläggningar, som svartoxidering.

Trots det omfattande teoretiska och experimentella arbete som har utförts avseende ytutmattning i allmänhet (se till exempel litteraturen i [21]) har påverkan av beläggningar på ytutmattning hittills inte studerats tillräckligt. Därför har en serie experiment med svartoxiderade rullar genomförts [23] på en testrigg för ytutmattning under laboratorieförhållanden [14] [21]. Detta innebär styrning av glid-/rullförhållande, smörjförhållanden, temperatur, belastning och varvtal. Belastningsenheten för ytutmattningstestriggen visas schematiskt i fig. 7 (överst): en roterande rulle är i kontakt med tre skivor, alla tillverkade av härdat lagerstål. Enheten består av en liten rulle (12 mm i diameter) hämtad från ett sfäriskt rullager och tre större motgående kroppar som motsvarar innerringar till cylindriska rullager. Rullen och ringar kan bearbetas till önskad ytstruktur genom slipning och/eller honing. Materialet i de testade rullarna och de motgående kropparna är lagerstål ANSI-52100. Smörjförhållandena under testen varierade från gränsskikts- till blandsmörjning. Efter testerna kontrollerades rullarnas ytor med avseende på ytutmattning. Resultaten jämfördes för obelagda och svartoxiderade rullar, under identiska förhållanden.

De experimentella resultaten från ytutmattningstestriggen antyder ett visst skydd mot ytutmattning från svartoxidering. Detta gäller under samtliga testförhållandena [23], så som visas i fig. 7.

Vidare har en parametrisk analys av ytutmattningsmodellen [22] utförts för belagda ytor [23], inklusive inverkan av friktion och av beläggningens styvhet och tjocklek. En optimal beläggningstjocklek, som genererade minsta möjliga ytutmattningsskador, hittades. Så som framgår av både de experimentella och de teoretiska resultaten, breddar svartoxidering området för säkra förhållanden, i jämförelse med obelagda lagerstålsytor.

3. Lagertest och fälterfarenhet
Ett lagerlivslängdstest har utförts med svartoxiderade lager under svåra blandsmörjningsförhållanden. Den positiva verkan av de svartoxiderade lagren jämfört med icke-belagda lager med avseende på inkörning [24] och drift under smörjning med lågt kappatal kunde bekräftas.

Samtliga svartoxiderade lager gick igenom hela den föreskrivna testperioden utan att något haveri uppstod. Resultaten pekade på L10-livslängder 2-3 gånger högre än L10-livslängderna för obelagda lager.

Förutom ovan nämnda komponenttest och lagertestresultat bevisar praktisk erfarenhet fördelarna med svartoxidering i strävan att minska risken för förtida haverier. Rapporter från växel- och vindturbintillverkare bekräftar en klar minskning av lagerfelfrekvensen hos svartoxiderade lager, jämfört med obelagda lager [25] [26].

Vidare har noterats i [8] och [25] att en svag återuppvärmning, under anlöpnings- eller omvandlingstemperaturen, kan bidra till att optimera och förstärka mikrostrukturen utan hårdhetsförlust och följaktligen till att öka lagrets utmattningslivslängd. I enlighet med detta koncept kan svartoxidation vid en liknande temperatur bidra till att skapa gynnsamma mikroeffekter inom den yttre stålytan, vilket återspeglades av en minskning av fullbreddens halva maximumvärde (FWHM eller b/B) för XRD-toppar med > 0,1 grader.

Slutsatser
Flera positiva effekter av svartoxidering har visats genom att kombinera laboratorieundersökningar, lagertest och praktiska erfarenheter. Svartoxidering ger ett visst skydd mot tribokemiska angrepp, minskar penetreringen av väte och ökar motståndet mot fuktskador (till exempel stilleståndskorrosion). Dessutom breddar svartoxiderade lager säkerhetsmarginalen, sett till feltyper som adhesivt slitage/smetningsskador eller ytutmattning. Positiva fälterfarenheter stöder dessa upptäckter.

Sammanfattningsvis kan sägas att den svartoxideringsprocess som SKF använder erbjuder förstärkt skydd mot skador på lagerkomponenter. Svartoxiderade lager kan – förutom att användas i den ursprungliga utrustningen – användas som omedelbara utbyteskomponenter för konventionella lager i samband med underhåll av vindparker. Detta innebär att fördelarna med svartoxidering kan tillämpas på alla lagertyper som förekommer i stora växlar till vindkraftverk. SKF rekommenderar att både inner- och ytterringar samt rullkroppar svartoxideras för att nå bästa prestanda.

 

 

Referenser
[1] J.Rosinski, D.Smurthwaite, Trouble­shooting wind gearbox problems, Gearsolutions 2010
[2] K.Stadler, Så kan svartoxiderade lager kapa drift- och underhållskostnaderna för vindkraftverk, Evolution nr 4, 2013
[3] DIN 50938, Black oxide treatment of ferrous material
[4] K.Stadler, A.Stubenrauch, Förtida lagerhaverier i vindturbinväxlar, Antriebstechnisches Kolloquium Aachen, ATK 2013 och SKF Evolution nr 2, 2013
[5] W.Holweger, Interaction of rolling bearing fatigue life with new material phenomenons, VDI Kongress ”Antriebs-stränge in Windenergieanlagen” 2012
[6] H.Uyama, The mechanism of white structure flaking in rolling bearings, NREL workshop, Broomfield november 2011
[7] I.Strandell, C.Fajiers, T.Lund, Corrosion – one root cause for premature bearing failures, 37th Leeds-Lyon Symposium on Tribology, 2010
[8] J.Gegner, L.Schlier, W.Nierlich, Evidence and analysis of thermal static strain aging in the deformed surface zone of finish-machined hardened steel, PowderDiffraction 24-2009 pp45-50
[9] M.Reichelt, T.E.Weirich, J.Meyer, T.Wolf, J.Loos, P.W.Gold, M. Fajfrowski, TEM and nanomechanical studies on tribological surface modifications formed on roller bearings under controlled lubrication conditions. J. Mater. Sci. 41, 4543-4553 (2006)
[10] H.R.Pasaribu, P.M.Lugt, The Composition of Reaction Layers on Rolling Bearings Lubricated with Gear Oils and Its Correlation with Rolling Bearing Performance, Tribology Transaction, Vol. 55, 3, 351-356, 2012
[11] ASTM G38, ”Standard practice for making and using C-ring stress-corrosion test specimens” and ASTM G148, ”Standard practice for evaluation of hydrogen uptake, permeation and transport in metals by an electrochemical technique”
[12] B.Han, B.X.Zhou, R.Pasaribu, C-ring Hydrogen Induced Stress Corrosion Cracking (HISCC) – Tests in Lubricating Liquid Media, EuroCorr 2011 Proceeding
[13] R-H.Song, S-I.Pyung, R.A.Oriani, The hydrogen permeation through passivating film on iron by modulation method, Electrochemica Acta Vol 36, Nr 5/6, pp. 825-831, 1991
[14] V.Brizmer, R.Pasaribu, G.E.Morales, Micropitting Performance of Oil Additives in Lubricated Rolling Contacts, Tribology Transactions, Vol. 56, 5, pp. 739-748, 2013
[15] R.J.K.Wood, Tribology and corrosion aspects of wind turbines, Wind Energy – Challenges for Materials, Mechanics and Surface Science, IoP, London 2010
[16] D.A.Jones, Principles and Prevention of Corrosion – 2nd Ed., Page 335, ISBN: 0-13-359993-0, 1996
[17] ASTM B117-09, Standard Practice for for Operating Salt Spray (Fog) Apparatus
[18] M.Volkmuth, K.Stadler, R.Heemskerk, Slippage measurements in roller bearings, Antriebstechnisches Kolloquium ATK Aachen 2009
[19] R.Hambrecht, Anschmiererscheinungen in Wälzlagern bei Fettschmierung, PhD thesis, Erlangen 1999
[20] B.J.Scherb, J.Zech, A study on the smearing and slip behavior of radial cylindrical roller bearings, Schaeffler Group 2001
[21] G.E.Morales, K.Stadler, V.Brizmer, Understanding and preventing surface distress, Gear solutions 2012
[22] G.E.Morales-Espejel, V.Brizmer, Micropitting Modelling in Rolling-Sliding Contacts: Application to Rolling Bearings, Trib. Trans., 54, pp. 625-643, 2011
[23] V.Brizmer, A.Rychahivskyy, B.Han, Anti-Micropitting Performance of Black Oxide Coating, Word Tribology Congress, Turin 2013
[24] H.v.Lier, C.Hentschke, Untersuchungen zum Betriebsverhalten brünierter Wälzlager, VDI-Bericht Nr.2202, 2013
[25] J.Luyckx, Hammering Wear Impact Fatigue Hypothesis WEC/irWEA failure mode on roller bearings, NREL workshop, Broomfield november 2011
[26] SKFs privata korrespondens med ledande OEM inom vindkraftsindustrin

Relaterat innehåll