TY - THES

T1 - Entwicklung eines Vergütungsstahls für den Einsatz in Großwälzlagern für Windkraftanlagen

AU - Lechner, Clemens

N1 - gesperrt bis 11-11-2025

PY - 2020

Y1 - 2020

N2 - Der weltweite Ausbau der Windenergiegewinnung führt zu immer größeren und leistungsfähigeren Windkraftanlagen. Mit diesen wachsen auch die in ihnen verbauten Wälzlager. Wälzlagerstähle haben im Einsatz hohe Härte aufzuweisen und zusätzliche Anforderungen an die Zähigkeit zu erfüllen. Da für zukünftige Baugrößen die Durchhärtbarkeit von in Wälzlagern bewährten Vergütungsstählen nicht mehr ausreicht, müssen neue Legierungskonzepte untersucht werden. Diese Arbeit stellt ein Teilprojekt einer größeren Untersuchung dar und hat das Ziel, vorgeschlagene Werkstoffkonzepte zu validieren. Die Kriterien, die es zu erfüllen galt, waren eine Oberflächenhärte von 58 HRC sowie im Bauteilinneren eine Kerbschlagarbeit von 27 J bei -40°C bei einer Härte von 42 HRC. Für zwei durch Buderus Edelstahl vorgeschlagene Werkstoffkonzepte (9966 MOD und 300M MOD) wurde Probenmaterial über einen Vakuum-Induktionsschmelzprozess (VIM-Prozess) erschmolzen und auf die Zielanforderungen hin untersucht. Als Referenzwerkstoff wurde die aktuell für Windkraft-Wälzlager verwendete Sorte 7228 verwendet. Es wurden Parameter für die Wärmebehandlung definiert und das Probenmaterial sowie der Referenzwerkstoff bei verschiedenen Anlassstufen durch Härtemessungen, Zugversuche und Kerbschlagbiegeversuche untersucht. Ergänzend wurden metallographische Untersuchungen sowie ein Jominy-Stirnabschreckversuch durchgeführt. Die gegebenen Anforderungen konnten für das Werkstoffkonzept 9966 MOD erreicht werden. Dieses erreichte im Jominy-Stirnabschreckversuch eine maximale Härte von 58,2 HRC und konnte für zwei Anlasstemperaturen die Forderung von 27 J Kerbschlagarbeit bei -40°C erfüllen. 9966 MOD konnte zudem die für Wälzlagerstähle üblichen Anforderungen an die ehemalige Austenitkorngröße sowie die metallurgische Reinheit erfüllen. Das zweite Werkstoffkonzept 300M MOD zeigte zwar hohe Härte und Anlassbeständigkeit, aber nicht die geforderte Kerbschlagarbeit. In beiden Konzepten wurde auf die Zugabe von Vanadium verzichtet, um die Zähigkeit zu steigern. Lediglich bei 9966 MOD konnte der gewünschte Effekt erzielt werden. Der Referenzwerkstoff 7228 zeigte nach 300M MOD die zweithöchste Härte sowie Anlassbeständigkeit, jedoch zu geringe Zähigkeit.

AB - Der weltweite Ausbau der Windenergiegewinnung führt zu immer größeren und leistungsfähigeren Windkraftanlagen. Mit diesen wachsen auch die in ihnen verbauten Wälzlager. Wälzlagerstähle haben im Einsatz hohe Härte aufzuweisen und zusätzliche Anforderungen an die Zähigkeit zu erfüllen. Da für zukünftige Baugrößen die Durchhärtbarkeit von in Wälzlagern bewährten Vergütungsstählen nicht mehr ausreicht, müssen neue Legierungskonzepte untersucht werden. Diese Arbeit stellt ein Teilprojekt einer größeren Untersuchung dar und hat das Ziel, vorgeschlagene Werkstoffkonzepte zu validieren. Die Kriterien, die es zu erfüllen galt, waren eine Oberflächenhärte von 58 HRC sowie im Bauteilinneren eine Kerbschlagarbeit von 27 J bei -40°C bei einer Härte von 42 HRC. Für zwei durch Buderus Edelstahl vorgeschlagene Werkstoffkonzepte (9966 MOD und 300M MOD) wurde Probenmaterial über einen Vakuum-Induktionsschmelzprozess (VIM-Prozess) erschmolzen und auf die Zielanforderungen hin untersucht. Als Referenzwerkstoff wurde die aktuell für Windkraft-Wälzlager verwendete Sorte 7228 verwendet. Es wurden Parameter für die Wärmebehandlung definiert und das Probenmaterial sowie der Referenzwerkstoff bei verschiedenen Anlassstufen durch Härtemessungen, Zugversuche und Kerbschlagbiegeversuche untersucht. Ergänzend wurden metallographische Untersuchungen sowie ein Jominy-Stirnabschreckversuch durchgeführt. Die gegebenen Anforderungen konnten für das Werkstoffkonzept 9966 MOD erreicht werden. Dieses erreichte im Jominy-Stirnabschreckversuch eine maximale Härte von 58,2 HRC und konnte für zwei Anlasstemperaturen die Forderung von 27 J Kerbschlagarbeit bei -40°C erfüllen. 9966 MOD konnte zudem die für Wälzlagerstähle üblichen Anforderungen an die ehemalige Austenitkorngröße sowie die metallurgische Reinheit erfüllen. Das zweite Werkstoffkonzept 300M MOD zeigte zwar hohe Härte und Anlassbeständigkeit, aber nicht die geforderte Kerbschlagarbeit. In beiden Konzepten wurde auf die Zugabe von Vanadium verzichtet, um die Zähigkeit zu steigern. Lediglich bei 9966 MOD konnte der gewünschte Effekt erzielt werden. Der Referenzwerkstoff 7228 zeigte nach 300M MOD die zweithöchste Härte sowie Anlassbeständigkeit, jedoch zu geringe Zähigkeit.

KW - Windkraft

KW - Wälzlager

KW - Rollkontaktermüdung

KW - wind energy

KW - bearings

KW - rolling contact fatigue

M3 - Masterarbeit

ER -