Graufleckigkeit – ein bisher ungeklärtes Phänomen

Das sollten Sie wissen

Graufleckigkeit tritt als Verschleißerscheinung an den Oberflächen metallischer Bauteile auf, die permanent unter hoher Belastung stehen. Betroffen sind vor allem Zahnräder in Getrieben und die gleitenden Nockenwellen und Stößel in Ventilen. Schäden dieser Art treten nur selten in den Getrieben von Kraftfahrzeugen auf, sondern hauptsächlich in industriellen Anlagen wie Mühlenantrieben, Walzwerken und Windenergie-Anlagen.

Wie lässt sich Graufleckigkeit erkennen?

Mit bloßem Auge betrachtet, weisen die beschädigten Teile ein mattgraues Erscheinungsbild auf. Erst unter einer starken Vergrößerung wird erkennbar, dass viele winzig kleine Poren und Ausbrüche ursächlich für die graue Farbe sind. Bei Zahnrädern entsteht unter permanent hoher Belastung eine Gleit- und Mischreibung an den sich berührenden Flächen. Dadurch werden diese plastisch verformt, mikroskopisch kleine Risse treten auf. Diese können sich zu tieferen Rissen und im Anschluss zu größeren Ausbrüchen entwickeln. Ein Phänomen, das auch als Pitting bezeichnet wird. Mit der Zeit kann Graufleckigkeit die Flankenform von Zahnrädern negativ beeinflussen und sowohl die Verzahnungsdynamik als auch das Geräuschverhalten in den Getrieben verändern.

Ursachen für Schäden durch Graufleckigkeit

Graufleckigkeit kann verschiedene Ursachen haben. Sie tritt vor allem dann auf, wenn Bauteile wie Zahnräder dauerhaft stark belastet werden und eine hohe Gleitgeschwindigkeit bei gleichzeitig geringer Schmierfilmdicke vorliegt. Die geringe Schmierfilmdicke ergibt sich häufig daraus, dass der Schmierstoff zu hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Ein weiterer Grund kann eine ungünstige Geometrie der Zahnräder sein, durch die es zu starken Belastungen an einzelnen Stellen auf der Zahnflanke kommt. Auch die Beschaffenheit der Oberfläche spielt eine Rolle. Ist diese sehr rau, führt eine zu dünne Schmierfilmdicke zu stetigem Kontakt des Metalls und damit zu Reibungsschäden.

Entscheidend ist ebenfalls die Wahl des Schmierstoffs, denn die Zahnradgeometrie, die Drehzahlen und die Belastung werden durch die Anforderungen der jeweiligen Getriebekonstruktion bestimmt. Eine zu niedrige Viskosität zum Beispiel bewirkt zu geringe Schmierfilmdicken. Außerdem können bestimmte Zusätze im Öl die Korrosion und damit die Tendenz zur Bildung von Graufleckigkeit fördern. Heute werden Hochleistungsschmieröle anhand eines Standardtests geprüft, ob sie zur Vermeidung von Graufleckigkeit geeignet sind.

Es gibt allerdings noch eine andere Theorie für die Entstehung von Graufleckigkeit. Beim Autohersteller Mercedes-Benz traten in den 1970er und 1980er Jahren Verschleißerscheinungen an Zahnradkonstruktionen der Hinterachsen auf. Nach verschiedenen metallografischen Tests im hauseigenen Labor kamen die Ingenieure zu dem Schluss, dass der Schmierfilm durch Schwingungen mit ungewöhnlich hohen Eigenfrequenzen der Bauteile zerstört wurde und in der Folge zu Fressschäden an den Zahnradflanken führte. Für die Wälzlager in Windkraftwerken könnte diese Erklärung auch zutreffen. Dies würde bedeuten, dass der Verschleiß nicht durch äußere Belastungen, sondern durch eine dynamische Beanspruchung im Inneren der Getriebeteile verursacht wird.

Getriebe von Windkraftanlagen sind besonders betroffen

Graufleckigkeit ist seit vielen Jahren bei Zahnradgetrieben bekannt. Besonders häufig tritt sie an Windrädern auf und stellt damit ein großes Problem für die Betreiber dar.  Einerseits kann sie sich nachhaltig auf die Windkraftwerk Leistung auswirken, andererseits kostet ein Getriebeschaden auf Grund von Graufleckigkeit schnell eine sechsstellige Summe. Ungeklärt ist vor allem, wer für derartige Schäden haftet.

Im Jahr 2007 gründete der Bundesverband Windenergie (BWE) einen Arbeitskreis, bestehend aus Sachverständigen, Betreibern, technischen Betriebsführern von Windkraftanlagen und Juristen, um die Entstehung und die Auswirkungen von Graufleckigkeit, sowie entsprechende Gegenmaßnahmen zu ergründen. Es dauerte vier Jahre, bis die Kommission 2011 ihren Abschlussbericht vorlegte. Das Fazit: Es bleibt auch weiterhin ungeklärt, wer für Schäden durch Graufleckigkeit haftbar gemacht werden kann. Die Hersteller von Getrieben sehen das Problem als normale Verschleißerscheinung, die von Garantien ausgeschlossen ist. Der Prozess der Graufleckenbildung läuft sehr langsam ab und führt in der Regel erst dann zu Getriebeausfällen, wenn die Gewährleistungsfrist abgelaufen ist. Bis heute ist gerichtlich nicht geklärt, wer für Schäden aufkommen muss.

Es herrscht weiterhin Klärungsbedarf

Solange die Ursachen nicht geklärt sind, wird es keine endgültige Entscheidung darüber geben, wer für Schäden an den Getrieben von Windkraftanlagen aufkommen muss. Hochleistungswindräder mit mehr als einem Megawatt Leistung, die ständig an ihrem Limit laufen, sind besonders betroffen. Das Problem der Graufleckigkeit kann mit herkömmlichen Schmierstoffen und verbesserten Oberflächenstrukturen nur zum Teil eingedämmt werden: Je älter die Anlage, desto schwieriger ist eine zufriedenstellende Lösung. Von daher bleibt es weiterhin offen, ob das Phänomen Graufleckigkeit überhaupt als regresspflichtiger Schaden Anerkennung finden wird. Der Arbeitskreis des BWE hat in seinem Bericht deshalb auch kein abschließendes Urteil gefällt. Bisher fehlen ausreichend Erfahrungen über die Dauerfestigkeit großer Windkraftanlagen und die Auswirkungen dynamischer Kräfte wie wechselnde Winde, Vorstau oder Turmschatten auf die Antriebswellen.

Am allerbesten ist es also, neue Windkraftanlagen durch innovative Nanotribologie von vornherein vor Graufleckigkeit zu schützen und die gefürchteten Pittings als Folgeschäden von Anfang an auszuschließen. Dies ist allerdings auch durch die hochwertigsten-Schmierstoffe nicht zu erreichen, da auch diese über kurz oder lang den Reibungsverschleiß nur mindern, aber nicht völlig ausschließen können. Ein weitaus wirkungsvoller Ansatz ist es, direkt an den Oberflächen anzusetzen und diese metallkeramisch zu beschichten, so dass Reibkräfte weitgehend vermieden werden. Die Oberflächen-Keramisierung erfolgt durch die Anwendung des Ölzusatzes DuraGear® W100. Dieser wird im laufenden Betrieb dem Schmierstoff zugesetzt, nutzt ihn als Transportmittel zu Reibstellen und lagert dort durch einen chemischen Prozess an den Metalloberflächen Silikate ein und veredelt diese so zu metallkeramischen Oberflächen.

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