Verschleißschutz in Wälzlagern durch Vorkonditionierung der Werkstückoberflächen in der Fertigung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Bergs; Professor Dr.-Ing. Georg Jacobs
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 514060322

Wälzlager sind ein zentrales Maschinenelement zur Übertragung von Kräften bei gleichzeitiger Relativbewegung zwischen Komponenten von Maschinen und Anlagen. Die Lebensdauer und die Reduzierung von ungeplanten Stillständen wird unter anderem durch den Einsatz von Extreme Pressure (EP) und Anti Wear (AW) Additiven im Schmierstoff gewährleistet. Die Additive schützen die Oberflächen von Wälzlagern vor Verschleiß, indem sie additivinduzierte Reaktionsschichten auf der Oberfläche bilden. Diese Schichten verhindern den direkten Kontakt der metallischen Oberflächen im Reibungsregime der Mischreibung und stellen so den Verschleißschutz sicher. Aktuell eingesetzte Additive, z. B. das Zink-Dialkyldithiophosphat (ZDDP), sind ökotoxikologisch bedenklich und können aufgrund des Schwefel- und Phosphorgehalts die Lebensdauer von Komponenten negativ beeinflussen. Zudem ist eine schadensfördernde Wirkung des ZDDP auf die Schadenserscheinungen White Etching Cracks (WEC) und Graufleckigkeit bekannt. Daher ist es das Ziel, die Additivkonzentration im Schmierstoff zu verringern oder den Einsatz schädlicher Additive zu vermeiden.Vorarbeiten zeigen, dass im Betrieb der Verschleißschutz im Wälzlager auch ohne Additive im Schmierstoff gewährleistet wird, wenn die Bildung der Reaktionsschicht in einem Einlaufvorgang erfolgte. Die Additive führen zu einer initialen verschleißschützenden Reaktionsschicht und müssen die Schicht nach deren Aufbau nur noch in geringem Maße regenerieren. Die Weiterentwicklung dieses Potentials zur Reduzierung der Additivkonzentration wird im beantragten Projekt durch eine geeignete Oberflächenkonditionierung angestrebt, sodass die initiale Reaktionsschicht bereits in der Fertigung erzeugt wird.Wälzlager werden überwiegend aus Wälzlagerstahl 100Cr6 hergestellt und durch Schleifen endbearbeitet. Dabei beeinflusst das thermo-mechanisch-chemische Belastungskollektiv die innere Grenzschicht des Werkstücks. Zusätzlich können aufgrund der hohen Temperaturen chemische Reaktionen mit den Umgebungsmedien, insbesondere dem Kühlschmierstoff, hervorgerufen und Reaktionsschichten, d. h. eine äußere Grenzschicht, erzeugt werden. Inwiefern die während des Schleifens eingestellten Grenzschichten einen verschleißreduzierenden Einfluss im späteren Betrieb des Wälzlagers haben, ist unzureichend bekannt. Durch Kenntnis der Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge zwischen den Prozesseingangsgrößen beim Schleifen und der Grenzschichtbildung könnten durch eine gezielte Einstellung der initialen Grenzschichteigenschaften mittels Schleifen die Einlaufphasen von hochbelasteten Wälzlagern reduziert bzw. substituiert und Schmierstoffadditive im späteren Betrieb des Lagers eingespart werden. Das Ziel des Kooperationsprojekts ist daher die Erklärung der initialen Grenzschichtausbildung in Abhängigkeit von den Prozesseingangsgrößen beim Schleifen und deren Auswirkung auf die Schichtbildung bei verschiedenen Additivkonzentrationen sowie auf das Verschleißverhalten von Wälzlagern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Florian König