Transferprojekt T01 – Sonderforschungsbereich 1153

Motivation und Zielsetzung

Die Sicherstellung der Zuverlässigkeit von Windenergieanlagen (WEA) und die Verringerung von Wartungsintervallen sind große Hebel zur Senkung der Stromentstehungskosten. Mit zunehmender Weiterentwicklung von WEA nehmen die Dimensionen der einzelnen Komponenten zu, wodurch z. B. die Wälzlager der Anlagen immer anspruchsvolleren Betriebsbedingungen ausgesetzt sind, welche die Lebensdauer negativ beeinflussen. Mit einer Erhöhung der Zuverlässigkeit durch eine angepasste Fertigung der hochbeanspruchten Lagerbereiche steigt auch deren Ressourceneffizienz. Um dieses Ziel zu erreichen, werden die Lager im Rahmen dieses Transferprojektes erstmals in hybrider Bauweise ausgelegt. Hierzu wird auf Stahlrohlinge mit ausreichenden statischen Festigkeitseigenschaften durch Plasma-Pulver-Auftragschweißen (PPA) ein hochwertiger Stahl mit sehr guter Wälzfestigkeit aufgebracht, als Lauffläche ausgewalzt, vergütet und geschliffen. Da das Wälzen eine Randschichtbeanspruchung ist, können die tieferen, weniger stark belasteten Lagerbereiche aus einem Stahl niedrigerer Festigkeit bestehen. Der große Vorteil des Ansatzes ist es, dass ein Großwälzlager nun eine Ermüdungswiderstand gegenüber Wälzbeanspruchung erreichen kann, wie sie nur die aktuell leistungsfähigsten Lagerstähle erreichen können.

Aktuelle Arbeiten und Ausblick

Ermüdungsschäden bei Wälzlagern sind stark lokalisierte Schäden, weshalb sie nur zu einem sehr geringen Teil aus Hochleistungswerkstoff bestehen müssen. Das PPA-Schweißen bietet zudem die Möglichkeit des “In-Situ”-Legierens, um die maßgeschneiderten Auftragwerkstoffe auf dem Substrat gradiert herzustellen. Hierfür wird eine Pulvermischung genutzt, die aus dem Basiswerkstoff 100Cr6 besteht und mit Elementen wie z. B. Nb, Ta, Zr oder V mit einer angestrebten Konzentration von ca. 1 Gew% legiert wird. Der nachfolgende Warm- oder Halbwarmumformprozess wird dann genutzt, um gezielt homogen verteilte Sondercarbide (Carbo-Nitride, Nitride) im nm-Bereich durch versetzungsinduzierte dynamische Ausscheidung zu erzeugen. Neben verbesserten mechanischen Eigenschaften bilden diese fein verteilten Partikel hoch aufnahmefähige „Wasserstofffallen“ (irreversible Haftstellen) innerhalb der Mikrostruktur. Nach dem jetzigen wissenschaftlichen Erkenntnisstand ist Wasserstoff im Stahl ein möglicher Schädigungsmechanismus, der frühe Ausfälle von Wälzlagern in Verbindung mit White Etching Cracks (WEC) hervorruft. Bei Lagerdimensionen von bis zu mehreren Metern Durchmesser wird damit die Wirtschaftlichkeit gegenüber dem Lager aus durchgängig hochwertigem Wälzlagerstahl gesteigert und gleichzeitig die Zuverlässigkeit erhöht. Der Ansatz basiert auf Arbeiten, welche im Rahmen des SFB 1153 in Zusammenarbeit mit dem IMKT sowie dem IW durchgeführt werden. Im Rahmen dieses Transferprojektes sollen zusammen mit den Firmen OSCAR PLT GmbH und SKF GmbH hybride Schichten mittels PPA-Schweißen auf Lager aufgeschweißt und zur Anwendungsreife gebracht werden. Abbildung 1 zeigt die geplante Zusammenarbeit der Projektpartner aus Industrie und Forschung.