Werkstoffbearbeitung Oberflächenlösungen für die Windkraftenergie

Autor / Redakteur: Dr. Jürgen Crummenauer, Annette Norin* / Jan Vollmuth

Die häufigste Ursache für Störungen der Windkraftanlagen liegt im Verschleiß und der Ermüdung von Bauteilen wie z.B. Getriebezahnräder, solche Ausfälle haben in der Regel einen längeren Anlagenstillstand zur Folge. Hier können entsprechenden Oberflächenlösungen die Ausfallzeiten reduzieren.

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(Bild: Sulzer Metco)

Die Anforderungen, die an Windanlagen gestellt werden, sind aufgrund ihrer Lage und den unterschiedlichen Witterungsverhältnissen sehr verschieden. Besonders bei Offshore-Anlagen spielt der Schutz vor Korrosion durch Salz und Feuchtigkeit eine große Rolle.

Da sich Windkraftanlagen in den letzten Jahren zudem sowohl in ihrer Leistungsfähigkeit, als auch in ihrer Größe stark weiterentwickelt haben, wird neben dem Bau neuer Anlagen auch das Repowering eine große Rolle spielen. Hierbei werden ältere Anlagen durch neuere, leistungsstärkere ersetzt. Neben geringen Ausfallzeiten, steigenden Leistungs- und Effizienzanforderungen müssen Windräder enormen Belastungen durch äußere Einflüsse, sowie häufig wechselnden Kräften, standhalten.

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Der Antriebsstrang ist höchsten Belastungen ausgesetzt

Vor allem der Antriebsstrang der Windkraftanlagen ist höchsten Belastungen ausgesetzt. Somit sind sie zugleich besonders wartungs- und reparaturanfällig. Die Ausfallzeiten sind bei Schäden im Antriebsstrang und Getriebe besonders hoch, wie Daten des Fraunhofer Institutes zeigen. Um die Wirtschaftlichkeit der Anlagen zu maximieren gilt es Stillstandzeiten sowie Wartungsaufwand zu verringern. Die häufigste Ursache für Störungen der Windkraftanlagen liegt im Verschleiß und der Ermüdung von Bauteilen wie z.B. Getriebezahnräder, solche Ausfälle haben in der Regel einen längeren Anlagenstillstand zur Folge.

Die verwendeten Werkstoffe müssen enormen Belastungen, variierenden Kräften, höchsten Stoßimpulsen und Verdrehungen standhalten. Häufig kommen Getriebe zum Einsatz, die die Drehzahl und das Drehmoment zwischen dem Rotor und dem Generator verändern.

Enorm hohe Verschleiß- und Dauerfestigkeit von Stahl nötig

Hier wird beispielsweise eine vergleichsweise langsame Rotordrehzahl (im Bereich von 6 min-1 bis 20 min-1) in eine hohe Generatordrehzahl zwischen 900 min-1 bis 2000 min-1 umgesetzt, um einen guten Wirkungsgrad bei der Energiegewinnung zu erzielen. Auf die gesamte Laufzeit einer modernen Windenergieanlage entspricht dies einer Getriebeleistung von etwa 144 Mio. Umdrehungen der Rotorwelle oder 15 Mrd. Umdrehungen der Generatorwelle. Um diese hohe Leistung zuverlässig gewährleisten zu können, ist eine enorm hohe Verschleiß- und Dauerfestigkeit des Stahls nötig. Zudem ist eine hohe Zähigkeit und Schwingungsfestigkeit des Materials Voraussetzung um den starken Beanspruchungen standzuhalten.

Bei Zahnrädern müssen beispielsweise die Flanken vor Verschleiß und Grübchenbildung geschützt werden. Beim Eingreifen der Zähne werden große Flächenpressungen auf die Zähne ausgeübt. Ein plastisches Verformen muss durch eine duktile Randzone verhindert werden. Ebenso müssen die Flanken aufgrund der Reibung dem Verschleiß und der Ermüdung standhalten.

Mit Oberflächenlösungen zu weniger Ausfallzeiten

Sulzer Metaplas, eine Tochter der Sulzer Metco, setzt seine Oberflächentechnologien bereits mit Erfolg im Bereich der Bremsvorrichtungen (Belaghalter, Kolben, Scheiben und Sattel), Ventilteilen, Hydraulikkomponenten, sowie für Zahnrädern ein. Zum Einsatz kommen, je nach Beanspruchung die Dünnschichten der PVD- (Physical Vapor Deposition) oder PACVD-Technologien (Plasma-Assisted Chemical Vapor Deposition) oder Wärmebehandlungen, wie das Einsatzhärten oder Nitrieren.

  • Einsatzhärten

Das Einsatzhärten - Aufkohlen, Härten, Anlassen - wird angewandt, wenn zum einen hohe Härten in der Randzone und zum anderen Zähigkeit, sowie ein elastischer Kern verlangt werden.

Antriebswellen erfordern aufgrund der hohen Torsions- und Schlagbelastungen eine duktile Randzone und einen zähen Kern.

Einsatzgehärtete oder auch induktionsgehärtete Zahnräder und Antriebswellen erfüllen die Anforderungen an Oberflächenhärte, Randhärte und Duktilität bei zähem Kern, so dass sie dem Verschleiß und den hohen spezifischen Drücken standhalten können, die ihnen beim Einsatz in Windturbinen abverlangt werden.

Da das Einsatzhärten bei hohen Temperaturen von 950°C bis 1050°C ausgeführt wird, ist beim Härten und Anlassen mit Verzug zu rechnen. Gängige Aufkohlungstiefen liegen zwischen 0,1 und 4,0 mm. Aufgrund der großen Einsatzhärte ist ein Nacharbeiten der Zähne bei Verzug kein Problem obgleich dieses Nacharbeiten bzw. Nachschleifen wiederum einen Verlust der Einsatzhärte bedeutet. Wellen und große Zahnräder müssen nach dem Einsatzhärten meist gerichtet werden.

Eigenschaften des Einsatzhärtens:

  • Oberflächenhärte Einsatzstähle: 45 bis 64 HRC
  • Einsatzhärtetiefe Eht: max. 4 mm
  • Nacharbeit (Schleifen Richten) wegen Verzug notwendig.

Nitrieren

Eine hervorragende Alternative zum Einsatzhärten insbesondere bei großen Zahnrädern und Zahnkränzen bietet das Plasmanitrieren mittels E.IONIT-Verfahren.

Der Grund dafür ist die niedrige Temperatur von 400 °C bis 550 °C beim Nitrieren, die Verzug an den Bauteilen vermeidet. Üblicherweise liegt beim Nitrieren die Behandlungstemperatur ca. 30 °C unterhalb der Anlasstemperatur des verwendeten Werkstoffs. Dadurch wird Verzug vermieden. Ist Verzug in Gefahr, z.B. bei passgenauen Bauteilen, kann die Behandlung weit unterhalb von 500 °C gewählt werden. Durch Aufstickung der Randzone werden mit diesem Verfahren höhere Randhärten als beim Einsatzhärten erzielt.

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Allerdings ist die nitrierte Randzone mit maximal 0,8 mm Tiefe geringer als im Fall des Einsatzhärtens. Dagegen ist nach dem Plasmanitrieren eine Nacharbeit nicht mehr notwendig. Durch die Behandlung wird zudem beim E.IONIT Prozess eine dünne, sehr duktile Verbindungsschicht aufgebaut, die sehr hart ist und vor Grübchenbildung und Verschleiß schützt.

Fressneigung kann vollständig beseitigt werden

Bei hochchromhaltigen, rost- und säurebeständigen Stählen kann durch eine Niedertemperaturbehandlung zudem die Fressneigung vollständig beseitigt werden, ohne dass die Korrosionsbeständigkeit verlorengeht. Durch den Einbau von Stickstoff wird zudem die Lochfrasskorrosion unterdrückt.

Durch die E.IONIT Behandlung werden Stähle in ihrer Dauerfestigkeit und Torsionsfestigkeit auf höchstem Niveau eingestellt. Zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Windkraftanlagen sind dies entscheidende Werkstoffkenngrößen, die mitunter auch durch die Auswahl geeigneter Stähle mit der entsprechenden Nitrierbehandlung zu der gewünschten Leistungssteigerung bei längeren Standzeiten führen.

Eigenschaften und Vorteile von E.IONIT:

  • Verbindungsschichtdicke: 3 µm bis 5 µm
  • Oberflächenhärte (Vergütungsstähle, Einsatzstähle, Nitrierstähle) OH: 600–1200 HV (vom Werkstoff abhängig)
  • Nitrierhärtetiefe Nht: max. 0,8 mm
  • Erhöhung der Dauerfestigkeit
  • Erhöhung der Torsionsfestigkeit
  • Gute Verschleiß- und Gleiteigenschaften

E.IONIT OX

Neben dem Nitrieren bietet die Sulzer Metaplas auch Nitrocarburierverfahren an. Bei diesem Verfahren wird bei Temperaturen zwischen 500 °C und 570 °C neben Stickstoff auch Kohlenstoff in die Randzone eingebaut. Der E.IONIT-OX-Prozess wird dann angewandt, wenn neben guten Reib- und Gleiteigenschaften, sehr gute Verschleißeigenschaften und zudem ein hervorragender Korrosionsschutz gefordert ist.

Das E.IONIT-OX-Verfahren ist eine Kombination aus Nitrieren, Gasnitrocarburieren, Plasmaaktivierung und Oxidation, welches sich seit über 15 Jahren fest in der Automobilindustrie etabliert hat. Er ist vor allem für den Schutz in Salzwasser bzw. mariner Umgebung ausgelegt.

Bei dem Verfahren sind Kosteneinsparungen durch Substitution von teuren Werkstoffen möglich. So können beispielsweise deutlich günstigere Vergütungsstähle an Stelle von rostfreien Stählen eingesetzt werden. Das Verfahren veredelt konventionelle Stähle mit all ihren Vorteilen der Dehnbarkeit und Zähigkeit zu Hochleistungswerkstoffen. Die gewünschten Eigenschaften wie Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Schwingungsfestigkeit und Dauerfestigkeit werden dort eingestellt, wo sie später im Einsatz abgerufen werden, nämlich in den Randzonen und an der Oberfläche der Bauteile.

Umweltverträgliche Alternative zur Hartverchromung

Der umweltfreundliche Prozess erweist sich außerdem als umweltverträgliche Alternative zur Hartverchromung und ist für die Anwendung von hydraulischen Bauteilen, wie zum Beispiel Kolbenstangen und Getriebeteilen, hervorragend geeignet. In maritimer Umgebung bietet das E.IONIT-OX-Verfahren einen weitaus besseren Korrosionsschutz als hartverchromte Oberflächen.

Eigenschaften und Vorteile von E.IONIT OX:

  • Verbindungsschichtdicke: 12–28 µm
  • Oberflächenhärte Vergütungsstähle: 550 bis 600 HV (vom Werkstoff abhängig)
  • Temperaturbeständigkeit: 600°C
  • sehr guter Korrosionsschutz in maritimer Umgebung

E.CARBON WCH

Amorphe Kohlenstoffschichten, wie E.CARBON WCH, vereinen wesentliche Vorteile für den Gebrauch in Windkraftanlagen. Neben einer geringen Adhäsion zeigen sie einen ausgezeichneten Verschleißwiderstand. Daher sind E.CARBON-WCH-Schichten ideal für den Schutz von Bauteilen geeignet, die starkem tribologischen Verschleiß oder Tribooxidation ausgesetzt sind.

(Bild: Sulzer Metco)

Die Vorteile der E.CARBON-WCH-Schichten beruhen auf mehreren ineinander greifenden Mechanismen, die mit der speziellen Nanostruktur der Beschichtung zusammenhängen. Die Struktur besteht aus einer Chrom-Haftschicht mit einer Wolframkarbid-Stützschicht und einer funktionalen WC/C-Multilagen-Schicht mit anpassbarer Schichtdicke. Während des Trockenlaufs wird die Schicht vom beschichteten Bauteil auf das gegenüberliegende unbeschichtete Bauteil übertragen. Dies führt zu einer glatten Oberfläche beider Teile, gleichzeitig ist ein geringerer Bedarf an Schmiermitteln möglich.

Gleichbleibende Temperatur beim Beschichten

Während des Beschichtungsprozesses wird die Temperatur zur Beschichtung von gehärtetem Stahl bei ca. 200°C gehalten.

Zur Abscheidung dieser DLC-Schichten (Diamond-Like Carbon) wird das PVD-Sputter-Verfahren angewandt. Beim Sputter-Verfahren wird ein Target mit hochenergetischen Ionen beschossen, wodurch Atome gelöst werden. Die Grundwerkstoffe werden aus der festen Phase in die Gasphase überführt. Anschließend werden die Metallpartikel ionisiert. Die Beschichtung wird durch das Kondensieren hauptsächlich metallischer Materialien in Verbindung mit Gasen, wie Stickstoff, erzeugt. Die Härte der entstehenden Schichten liegt zwischen 10 und 40 GPa.

Eigenschaften von E.CARBON WCH:

  • E.CARBON WCH: Typische Schichtdicke: 1 μm bis 5 μm, Härte: 1000 HV bis 1200 HV
  • E.CARBON WCHmod: Typische Schichtdicke: 1 μm bis 5 μm, Härte: 1200 HV bis 1500 HV
  • Reibungskoeffizient (trocken): 0,15

Untersuchungen der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) zur Flanken- und Fußtragfähigkeit WCH-beschichteter Verzahnungen, bestehend aus WCH-beschichteten trowalisiertem Ritzel und unbeschichtetem geschliffenen Rad, zeigten eine deutliche Erhöhung der Fresstragfähigkeit um mindestens den Faktor 2,8 im Vergleich zu unbeschichteten Verzahnungen. Die Graufleckentragfähigkeit konnte mindestens um den Faktor 1,4 erhöht werden.

Auch die Notlaufeigenschaften konnten enorm gesteigert werden. So konnten bei unbeschichteten Verzahnungen eine Notlaufzeit von 30 Minuten nachgewiesen werden, während die beschichteten Zahnräder Notlaufzeiten von mehr als 14 Stunden erreichten. Die Zahnfußdauerfestigkeit und das Verschleißverhalten konnten dank der WCH-Beschichtung gesteigert werden. [1]

Beschichtete Zahnräder aus 16MnCr5, zeigten nach der WCH-Behandlung mit vorheriger Einsatzhärtung eine Lebensdauersteigerung um den Faktor 2-3 gegenüber unbehandelten Bauteilen. Gleichzeitig können Grübchenbildung und Zahnbruch verhindert werden. Typische Anwendungsgebiete für eine E.CARBON WCH-Beschichtung liegen bei hydraulischen und pneumatischen Bauteilen, sowie bei Getriebeteilen.

Übersicht Ergebnisse E.CARBON WCH auf 16MnCr5:

  • Grübchentragfähigkeit

Das Zeitfestigkeitsgebiet der beschichteten Variante zeigte eine Lebensdauersteigerung um den Faktor 2 bis 3 gegenüber der unbeschichteten Variante.

Dauerfestigkeit: unbeschichtet: sHlim=1300 N/mm2; beschichtet sHlim=1650 N/mm2

  • Graufleckentragfähigkeit

Unbeschichtet: niedrig

Beschichtet: hoch

  • Fresstragfähigkeit

Unbeschichtet: Ausfall-Kraftstufe 3, TRi=35Nm

Beschichtet: Ausfall-Kraftstufe 12, TRi=535Nm

  • Verschleißwiderstand

Unbeschichtet: Verschleißkategorie mittel

Beschichtet: Verschleißkategorie niedrig

PVD-Schichten für die Herstellung von Zahnrädern: M. Power

Neben den PVD-Sputter-Verfahren kommen auch PVD-Lichtbogen bzw. Arc-Verfahren zum Einsatz. Bei den physikalischen Gasphasenabscheidungsverfahren (PVD) werden die aufzutragenden Grundstoffe vom festen in den Gaszustand überführt und anschließend im Sputter-Verfahren mittels kinetischer Energie oder mittels Wärmeenergie im Lichtbogenverfahren ionisiert.

Die so abgeschiedenen PVD-Schichten kommen mit großem Erfolg bei der Produktion von Zahnrädern, zur Beschichtung von Zerspanungswerkzeugen, zum Einsatz.

Die Leistungssteigerung bei Windkrafträdern führt zu steigenden Rotordurchmessern, sinkender Drehzahl und hohen Momenten. Gleichzeitig steigen die Belastungen an die Oberfläche der Verzahnung. Die Anforderungen an die gefertigten Windkraftgetriebe gehen mit einem steigenden Kostendruck einher. Ein laufruhiges System soll die Lebensdauer erhöhen, Wartungskosten und Ausfallzeiten reduzieren und das Gesamtsystem effizienter machen.

Neue Materialien müssen zum Einsatz kommen, um diesen erhöhten Anforderungen gerecht zu werden. Wie zum Beispiel ADI (bainitisches Gusseisen mit Kugelgraphit), ein Gusswerkstoff mit den Eigenschaften von Stahl, jedoch wesentlich leichter. Diese Werkstoffe benötigen Werkzeugeigenschaften wie höchste Härte, beste Temperaturbeständigkeit sowie geringe Gleitreibung an der Oberfläche. Eigenschaften, die unsere Beschichtungen haben und auf modernen Werkzeugsystemen zum Einsatz kommen.

Abwälzfräser werden an den Zähnen stark beansprucht

Bei der Fertigung von Zahnrädern unterliegen Abwälzfräser an den Zähnen hohen Beanspruchungen. Dank einer Beschichtung der Oberfläche lassen sich kurze Bearbeitungszeiten durch hohe Schnittgeschwindigkeiten realisieren – mit zugleich hohen Standzeiten. Mit großem Erfolg kommt hierbei die M.POWER-Schicht zum Einsatz.

Die auf Titansilizium basierende Schicht M.POWER reduziert den Verschleiß und die Reibung an der beschichteten Schneide – insbesondere bei hohen Schnittgeschwindigkeiten und in der Trockenbearbeitung. Verschiedene Schichtarchitekturen stehen zur Auswahl und erlauben die effiziente Bearbeitung zahlreicher Materialien.

(Bild: Sulzer Metco)

Die besonders glatte Schicht zeichnet sich durch einen hohen Verschleißwiderstand und eine Härte von bis zu 3600 HV (Vickershärte) aus. Die geringe Tendenz zur Aufbauschneidbildung und eine Oxidationsbeständigkeit bis 1150 °C belegen ihre hohe Oberflächenqualität. Gleichzeitig zeigt sich eine sehr hohe Reduzierung der Klebeneigung an der Schneidkante dank reduzierter Oberflächenrauhigkeit. Die hohe Temperaturbeständigkeit wirkt sich besonders auf die Trockenbearbeitung sehr positiv aus.

Die Kombi-Behandlung

Auch die Kombination von Plasmanitrieren mit anschließender Beschichtung, durch PVD oder PACVD, vereint weitere Vorteile. Stähle, die Anteile an speziellen Legierungselementen (Chrom, Aluminium, Vanadium, Molybdän) enthalten, erzielen hohe Oberflächenhärten und eine exzellente Basis für die nachfolgende Beschichtung. Durch die relativ tiefen Behandlungstemperaturen beim Beschichten, wie auch beim Plasmanitrieren, bleiben die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffkerns, wie Zähigkeit und Rissunempfindlichkeit, unverändert.

Mit der Kombibehandlung wird die Tragfähigkeit der Oberfläche entscheidend verbessert. Auf ideale Weise werden durch die Kombination der Verfahren die positiven Nitriereigenschaften, wie die Erhöhung der Schwingfestigkeit, Warmfestigkeit und Torsionsfestigkeit, mit den positiven Reib- und Gleiteigenschaften der reibarmen DLC-Schichten zusammengeführt.

Im Bereich der Dünnfilmtechnologie verfügt Sulzer Metco weltweit über Servicecenter für die Lohnbehandlung von Werkzeugen und Komponenten. Neben Dienstleistungen zur Oberflächenverbesserung für unterschiedliche Industrie- und Anwendungsbereiche liefert der eigene Anlagenbau innovative Neu- und Weiterentwicklungen durch seine Forschungs- und Entwicklungsarbeit. Eine Besonderheit stellt die Lohnbehandlung von Lang- und Großteilen dar. Die maximalen Abmessungen für großvolumige Teile sind: 1800 mm Länge und 1500 mm Durchmesser auch lange Bauteile mit einer Länge bis zu 4500 mm und 600 mm Durchmesser können behandelt werden. (jv)

Literatur:

[1] Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (2008). Einfluss moderner Oberflächenbeschichtungen (PVD) auf die Flanken- und Fußtragfähigkeit einsatzgehärteter Stirnräder. Deutschland.

* Dr. Jürgen Crummenauer und Annette Norin sind Mitarbeiter von Sulzer Metco.

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