In den vergangenen vier Jahren hat SKF Studien, Untersuchungen und Forschung zum Phänomen der WEC intensiviert, um zu klären, welche Rolle WEC bei der Wälzlagerermüdung und der beschleunigten Wälzlagerermüdung (vorzeitige Ausbrüche) spielen. Während das Thema in der materialwissenschaftlichen Fachwelt noch immer diskutiert wird, weisen die Ergebnisse von SKF vor allem darauf hin, dass WEC am Ende der Versagenskette auftreten und eine natürliche Folge von Rissnetzwerken in vorzeitig ausgefallenen Lagern sind. WEC werden eher als Symptom denn als Hauptursache für Ermüdungsversagen angesehen. In diesem Beitrag wird eine mehrheitlich konsensfähige Sichtweise der SKF Experten auf vorzeitige Ausfälle und WEC dargelegt. Außerdem wird eine Definition von WEC vorgeschlagen, deren Ursachen werden diskutiert, und es wird ein System für alle Ausfallursachen vorgestellt, die zur Entstehung von WEC führen.

„White Etching Cracks“

„White Etching Cracks“ sind Risse im Gefüge von Wälzlagerstahl, die mit weiß anätzenden Bereichen („White Etching Areas“, WEA) „dekoriert“ sind. „White Etching“ bezieht sich auf das weiße Erscheinungsbild des veränderten Gefüges einer polierten und geätzten Stahlprobe. Die betroffenen Bereiche bestehen aus feinstem, nanokristallinem, karbidfreiem Ferrit bzw. Ferrit mit einer sehr feinen Verteilung der Karbide. Die WEA werden durch Amorphisierung aufgrund von Reibung an den Rissoberflächen beim Überrollen gebildet. Diese Bereiche erscheinen unter dem Mikroskop aufgrund ihrer geringen Ätzreaktion auf das Ätzmittel weiß. Die weiß anätzenden Bereiche um die Risse herum sind ca. 10 bis 50 Prozent härter als das sie umgebende, nicht betroffene Gefüge.

Ursachen für die Entstehung von „White Etching Cracks“

WEC bei Wälzlagerermüdung

Bei kleinen, hoch belasteten Lagern mit langer Gebrauchsdauer ist bekannt, dass die Lager mehrere Ermüdungsphasen durchlaufen, bis es zum Ausfall kommt („Ermüdung bei hoher Lastspielzahl“) [7]. Die erste Phase ist dabei der „Shakedown“, der zu mikroplastischen Verformungen, Kaltverfestigung und allmählichem Aufbau von Eigenspannungen führt. Beim „Shakedown“ kann auch die Lager­oberfläche mikroplastischen Verformungen ausgesetzt sein, wobei Oberflächenunebenheiten abgeflacht werden. Nach dem „Shakedown“ ist der überwiegende Teil der Lagerlebensdauer geprägt von fortschreitenden Gefügeveränderungen [8]. In dieser Phase verändert sich die Karbidverteilung aufgrund der mikroplastischen Verformungen [9][10]. Die Veränderungen im Gefüge und Rest-Austenit gehen mit einem gleichzeitigen Aufbau von Eigenspannungen einher. Im fortgeschrittenen Stadium der Wälzlagerermüdung treten sowohl dunkel anätzende Zonen („Dark Etching Regions“, DER) als auch „White Etching“, „Low-Angle Bands“ (LAB) und „High-Angle Bands“ (HAB) auf (Bild 4 links). Obwohl HAB und LAB ebenfalls weiß anätzend sind, unterscheiden sie sich optisch von der unregelmäßigen WEC-Beschaffenheit, die bei einigen Lagerfrühausfällen zu beobachten ist. Daraus lässt sich schließen, dass die unregelmäßige WEC-Beschaffenheit nicht Teil der Wälzlagerermüdung ist. Allerdings unterscheidet sich das Gefüge dieser weiß anätzenden Bereiche in seiner kristallinen Struktur nicht wesentlich von den weiß anätzenden Bereichen, die bei vorzeitigem Ausfall zu beobachten sind.

Bei mittelgroßen bis großen Lagern treten die o. g. Effekte nicht unbedingt in derselben Form auf wie bei kleinen, hoch belasteten Lagern. Wie andere mechanische Komponenten können diese Lager typischerweise durch das Versagen ihres schwächsten Glieds ausfallen (z. B. aufgrund bereits vorhandener Gefügefehler wie Einschlüsse und Poren). Wie in ISO/TR 1281-2:2008 erläutert, nimmt die Ermüdungsgrenze ab einem mittleren Lagerdurchmesser von 100 mm ab. Des Weiteren wird – im Vergleich zu kleineren Lagern – bei größeren Lagern bei gleichem Kontaktdruck ein größeres Volumen mit möglichen Schwachstellen belastet. Die in allen Lagerstählen natürlich vorkommenden Einschlüsse sind beispielsweise solche Schwachstellen [11]. Ein weiterer Einflussfaktor ist der Kontaktdruck selbst. Beim Beispiel in Bild 4, wo „Low-Angle Bands“ und „High-Angle Bands“ entstanden sind, ist der Kontaktdruck relativ hoch (> 3,2 GPa). Bei vielen mittelgroßen bis großen Lagern liegen die auftretenden Kontaktdrücke deutlich unter 3 GPa. Dies bedeutet, dass die Ermüdungsbelastung in verschiedenen Bereichen wirkt, wodurch weniger globale Schäden und mehr lokale Schäden rund um nichtmetallische Einschlüsse entstehen.

Bereits in den 1960er-Jahren wurde über WEC und dunkel anätzende Dekorationen im Zusammenhang mit Wälz­lagerermüdung berichtet [12] (siehe auch SKF Arbeiten aus den 1980er-Jahren [13]). Nachträgliche Untersuchungen von mittelgroßen bis großen vorzeitig ausgefallenen Lagern (entweder aus hochbeschleunigten Lebensdauertests (HALT) oder aus standardisierten Lagerlebensdauerversuchen) haben das Auftreten ausgedehnter, unregelmäßiger WEC-Netzwerke als natürliches Nebenprodukt von Wälzlagerermüdung bestätigt (Bild 4 rechts).

WEC bei beschleunigter Wälzlagerermüdung (vorzeitige Ausbrüche)

Der Unterschied zwischen vorzeitigen Ausbrüchen (in der Industrie häufig als WEC-Ausfälle interpretiert) und klassischer Wälzlagerermüdung kann u. U. in der Dauer liegen, die für das Auftreten der verschiedenen Symptome bis hin zu Ausbrüchen benötigt wird (Bild 5). Hinzu kommt, dass vorzeitige Ausfälle im Gegensatz zu Lebensdauertests oder zur klassischen Wälzlagerermüdung oft einhergehen mit einer Rissbildung an mehreren Stellen bzw. in mehreren Bereichen, wie aus der Lagerausfallanalyse hervorgeht.

Die Gründe für die Rissbildung bei Wälzlagerstählen können sehr unterschiedlich sein. Bei hohen Belastungen und/oder bei verringerter Festigkeit verursacht durch Umwelteinflüsse beschleunigt sich die Rissentstehung und ausbreitung (Bild 6).

Die auf die Lager einwirkenden Belastungen können unerwartet hoch sein. Hier einige Beispiele für solche Situationen:

• Kurze, hohe Belastungen können durch unvorhergesehene Dynamik oder Temperatureffekte hervorgerufen werden, die zu hohen Vorspannungen, bedingt durch strukturelle Verformungen, Kantenspannungen usw. führen.
• Strukturbelastungen im Material des Lagers, bedingt z. B. durch Formabweichungen, Schiefstellungen oder sonstige Faktoren, erhöhen die Spannung im Material [14].
• Erhöhte Belastungen im Bereich der Laufbahn können auch durch ungünstige tribologische Bedingungen, z. B. schlechte Schmierbedingungen und/oder starken Schlupf, in Kombination mit bestimmten Schmierstoffen verursacht werden [15].

Die Materialfestigkeit eines Lagers kann durch Umweltfaktoren beeinträchtigt werden, die im Verdacht stehen, Wasserstoff zu bilden [16], wie beispielsweise

• Kontaminierung des Schmierstoffs mit Wasser
• Korrosion [17] und
• elektrische Streuströme.

In solchen Fällen können bereits mittlere Belastungen zum vorzeitigen Ausfall führen.

Die festgestellten Schadenstreiber für eine beschleunigte Ermüdung, die sowohl auf höhere Belastungen als auch auf eine geringere Materialfestigkeit zurückzuführen ist, wurden durch spezielle Lagertests bei SKF verifiziert.

Sobald auch nur ansatzweise Risse entstehen (manchmal einhergehend mit dem Auftreten von lokalen dunkel anätzenden Zonen (DER)) führt ein Aneinanderreiben der Rissoberflächen [18]–[22] zum Materialtransfer von einer Seite des Risses zur anderen. Dadurch entsteht eine Rissverzweigung, auf deren Flanken sich weiß anätzende Bereiche anhäufen.

Die Bildung von weiß anätzenden Bereichen (WEA) ist auch vom Rissverlauf unter der Oberfläche abhängig, der sich auf die einwirkenden inneren Kräfte und Verformungen zurückführen lässt. Daher sind WEA häufiger in horizontal (parallel zur Laufbahn) verlaufenden Rissen zu finden. Vertikal verlaufende Teile des Risses weisen dagegen meist weniger WEA auf (Bild 7). Des Weiteren ist die Bildung von WEA abhängig vom Zwischenraum zwischen den Rissflächen, der Anzahl der Belastungszyklen sowie dem inneren Spannungszustand im Werkstoff.

Beispiele für die Bildung von WEC aufgrund höherer Belastung

Die Bilder 8, 9 und 10 zeigen zwei Beispiele für die Bildung spannungsbedingter WEC. Die in den Bildern 8 und 9 dargestellten Ergebnisse beziehen sich auf einen Lagerprüfstand, der so konzipiert wurde, dass durch Welligkeiten strukturelle Spannungen oder strukturelle Verformungen künstlich in den Lagersitz eingebracht werden. Dadurch entstehen lokale Zugspannungen im Lagerinnenring. Bei der Prüfung wird ein Zylinderrollenlager mit seinem Innenring (Bohrungsdurchmesser 220 mm) mit normaler Passung auf einer Hülse mit fünf Wellen montiert, die wiederum auf der Prüfstandswelle mit Übermaß befestigt ist. Eine solche wellenförmige Hülse, die durch Hartdrehen hergestellt wird, wird in der Nähe der Laufbahnoberfläche des Innenrings fünf Zonen mit einer Zugspannung von etwa 205 MPa induzieren. Beim Prüflager handelt es sich um ein modifiziertes zweireihiges Zylinderrollenlager, das im mittleren Teil des Innenrings mit einer Reihe von acht (statt zwei Reihen mit 24) Rollen bestückt ist, damit der Prüfstand die erforderliche Kontaktspannung aufbauen kann (Bild 8). Der Lagerwerkstoff ist Wälzlagerstahl 100Cr6 (SAE 52100). Das Lagergefüge besteht aus angelassenem Martensit mit Rest-Austenit bis zu 7 Prozent (Volumen) und einer Härte von 62 HRC.

Die Lager wurden bei einem maximalen Hertz‘schen Kontaktdruck von 1,8 GPa und einem Kappa-Wert von etwa 2 bis zum Ausfall getestet.

Nach 1.150 Stunden (dies entspricht 6,35×10⁸ Belastungszyklen) ist ein Lager, welches auf der Hülse mit fünf Wellen montiert war, mit einem sichtbaren Axialriss auf dem Innenring ausgefallen. Das zweite Lager ist nach 1.570 Stunden (dies entspricht 8,67×10⁸ Belastungszyklen) mit zwei sichtbaren Axialrissen ausgefallen. Die Lage der Axialrisse im Innenring korreliert mit den Welligkeitsmaxima der Hülse. Das heißt, die Risse entstanden aufgrund lokaler Zugspannungen verursacht durch die welligkeits­bedingte strukturelle Verformung des Innenrings.

Dabei ist anzumerken, dass vier der gleichen Lager zuvor unter den gleichen Bedingungen mit einer Standard-Wellenpassung (ohne künstlich eingeführte Welligkeit) geprüft wurden. Keines dieser Lager versagte bis zur Einstellung der Prüfung nach etwa 2.200 Stunden (dies entspricht 1,21×10⁹ Belastungszyklen), und bei der Nachanalyse wurden weder Oberflächenrisse noch weiß anätzende Risse unter der Oberfläche fest­gestellt.

Die Nachanalyse umfasst zerstörungsfreie Prüfungen (NDT) mittels Ultraschall (UST) und Farbeindringmittel, die Messung der Ringrundheit, die fraktographische Analyse und die metallographische Untersuchung unter dem Mikroskop.

An der Probe wurde ein Parallelschnitt an einem geöffneten Riss, wie in Bild 9 gezeigt, durchgeführt. Es ist zu erkennen, dass nach dem Ätzen ein Teil des Hauptrisses mittels optischer Mikroskopie weiß erscheint, und dass sich der Riss in einer Tiefe von ca. 500 µm unter der Oberfläche verzweigt hat. Bei den verzweigten Rissen handelt es sich ebenfalls um WEC, die sich parallel zur Laufbahn etwa 400 µm vom Hauptriss entfernt ausgebreitet haben. Eine Vergrößerung der verzweigten Risse (Bilder 9 b), c) und d)) unterstützt die These, dass Risse sich miteinander verbinden und vernetzte WEC unter der Oberfläche bilden. An zwei weiteren Umfangspositionen des Innenrings, im Bereich der durch die Welligkeitshülse verursachten maximalen Zugspannungen, wurden Parallelschnitte vorgenommen. Obwohl auf der jeweiligen Innenringlaufbahn keine Oberflächenrisse festgestellt wurden, fanden sich mehrere WEC unterhalb der Oberfläche. Näheres dazu in Referenz [14].

Die in Bild 10 dargestellten Ergebnisse beziehen sich auf einen Test mit Pendelrollenlagern 23024, die kurzzeitig hohen Belastungen ausgesetzt wurden.

Bei kurzzeitig hoher Belastung wird das Lager bei guten Schmierbedingungen (Kappa-Wert von etwa 3,5) ca. 15 Minuten lang einem Kontaktdruck über 3 GPa ausgesetzt.

Das Lager, das zuvor einer kurzzeitig hohen Belastung ausgesetzt war, wird anschließend in einen Radialprüfstand eingebaut. Hier werden ein moderater Kontaktdruck von etwa 1,7 GPa und ein Kappa-Wert von etwa 2 aufgebracht. Unter diesen Bedingungen liefen die Lager entweder ca. 3,3×10⁷ Lastzyklen (am Außenring) oder sind vorher ausgefallen. Bild 10 zeigt einen Umfangsschnitt und die Nitalätzung eines Außenrings. Das betreffende Lager ist nach 1,9×10⁷ Zyklen aufgrund eines Ausbruchs im belasteten Bereich des Außenrings ausgefallen.

Beispiele für die Entstehung von WEC aufgrund geringerer Materialfestigkeit

Ein Beispiel für unter der Oberfläche verlaufende WEC in einem Lager unter Wasserstoffeinfluss wurde bereits in Bild 7 gezeigt. In Referenz [22] ist eine detaillierte Nachanalyse von wasserstoffbelasteten und wasserstofffreien Schräg- und Rillenkugellagern zu finden.

Beispiele für die Entstehung von WEC unter dem Einfluss von Mischreibung und Schmierstoffen

WEC wurden in ausgefallenen Axial-Zylinderrollenlagern 81212 bei Versuchen zur Beurteilung von Schmierölen auf FE8-Prüfständen festgestellt [23]. Die Prüfbedingungen, eine Kombination aus Mischreibung und hohem kinematischen Schlupf (nicht repräsentativ für Radialrollenlager), zeigen bisher keine eindeutigen Ergebnisse. Bisher kann noch keine abschließende Aussage getroffen werden, ob WEC in FE8-Tests eher eine Folge von einer unter der Oberfläche beginnenden Ermüdung (bei der auch der Schmierstoff eine wichtige Rolle spielt) oder das Ergebnis von Wasserstoffeintritt oder einer Kombination aus beidem sind.

Es wurden Lagertests mit Stahl/Stahl-Axial-Zylinderrollenlagern 81212 durchgeführt. Der Lagerwerkstoff ist ein Standardlagerstahl nach SAE 52100, martensitisch gehärtet, mit einem Rest-Austenit­gehalt von unter 3 Prozent und einer Härte von rund 60 HRC. Diese Lager wurden bei mittleren Belastungen (max. Kontaktdruck etwa 1,9 GPa) und unter unzureichenden Schmierbedingungen (Kappa-Wert etwa 0,3) geprüft.

Es wurden verschiedene Schmieröle und Schmierölmischungen getestet. Ein typisches Ausfallerscheinungsbild ist in Bild 11 dargestellt.

Auch wenn dies hier nicht im Detail dargestellt ist, sind bei allen durchgeführten Tests meistens die Rollen und selten die Scheiben ausgefallen. Die Tests wurden entweder bis zum Ausfall (Ausbrüche) durchgeführt oder eingestellt. Bei Lagern, die durch Ausbrüche ausfielen und bei denen WEC festgestellt wurden, wird davon ausgegangen, dass sich bereits vor den Ausbrüchen weiß anätzende dekorierte Risse unter der Oberfläche gebildet hatten. Dies ist darauf zurückzuführen, dass manchmal auch bei Bauteilen ohne Ausbrüche Risse unter der Oberfläche festgestellt werden. Weitere Ausführungen dazu in Referenz [15].