Entstehung von White Etching Areas und White Etching Cracks als Folge der Wälzbeanspruchung im Stahl 100Cr6

Özel, Mehmet Ozan; Mayer, Joachim; Broeckmann, Christoph

doi:37362

Entstehung von White Etching Areas und White Etching Cracks als Folge der Wälzbeanspruchung im Stahl 100Cr6 = Formation of White Etching Areas and White Etching Cracks in 100Cr6 Steel under Rolling Contact Fatigue

Özel, Mehmet Ozan^RWTH*

2018

VerantwortlichkeitsangabeMehmet Ozan Özel

ImpressumAachen : Shaker Verlag 2018

Umfang1 Online-Ressource (xvii, 158 Seiten) : Illustrationen

ISBN978-3-8440-6092-8

ReiheWerkstoffanwendungen im Maschinenbau ; 17

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Broeckmann, Christoph (Thesis advisor)^RWTH* ; Mayer, Joachim (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-06-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-227502
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/731451/files/731451.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/731451/files/731451.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau und Institut für Werkstoffkunde (418110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
100Cr6 , Wälzlagerstahl , Wälzermüdung , White Etching Areas , White ETching Cracks (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Trotz intensiver Forschungsarbeit in den vergangenen Jahrzehnten am Wälzlagerstahl 100Cr6 können Phänomene wie der frühzeitige Ausfall an Wälzlagern infolge der Bildung von White Etching Areas (WEAs) und White Etching Cracks (WECs) nicht vollständig erklärt werden. Anhand der Literatur mit sich teils widersprechenden Aussagen lässt sich darüber hinaus festhalten, dass zum jetzigen Zeitpunkt eine allgemeingültige Ursache zur Entstehung der Frühausfälle nicht vorliegt. Ferner wird übereinstimmend berichtet, dass eine der Wälzbeanspruchung überlagerte Zusatzbelastung die Schädigung und somit den frühzeitigen Ausfall von Maschinenelementen begünstigt bzw. erst ermöglicht. Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand darin, das grundlegende Verständnis für den Schadensmechanismus zu erweitern und den Einfluss relevanter Betriebsbedingungen und Einflussfaktoren, wie Hertzsche Pressung, Schlupf, elektrischer Strom und diffusibler Wasserstoff sowie ihrer Kombination, auf die Schädigung im Wälzlagerstahl 100Cr6 zu bewerten. Ausgangspunkt der experimentellen Untersuchungen stellten klassische Einstufenversuche am Vierscheibenprüfstand dar. Die Versuchsserien zur Ermittlung der Dauerfestigkeit für eine Grenzlastspielzahl von NG = 10^8 wurden bei einem der Wälzbeanspruchung überlagerten Schlupf von −26 % durchgeführt. Unter anderem diente dies dazu, die frühzeitigen Ausfälle infolge der WEA/WEC-Bildung mit den klassischen Wälzermüdungsvorgängen zu vergleichen. Darüber hinaus galt der Fokus dieser Arbeit der Überprüfung des Einflusses von diffusiblem Wasserstoff und elektrischem Stromdurchgang auf den vorzeitigen Ausfall von martensitisch gehärtetem Wälzlagerstahl 100Cr6 infolge von WEAs/WECs. In Ergänzung zu den experimentellen Arbeiten wurden Prüflinge licht- und elektronenmikroskopischen Untersuchungen unterzogen, um die schädigenden Prozesse im Werkstoff zu erfassen und zu bewerten. Um ein tiefergehendes Verständnis zur Entstehung der Gefügeveränderung infolge der Wälzbeanspruchung zu erlangen, wurden zusätzlich an Prüflingen, die zu definierten Laufzeiten vor dem erwarteten makroskopischen Schaden abgeschaltet wurden, umfangreiche Mikrostrukturuntersuchungen durchgeführt. Auf Basis von experimentellen Untersuchungen wurden Belastungskombinationen aus Hertzscher Pressung, Schlupf und diffusibler Wasserstoffgehalt bzw. elektrische Stromdichte gewählt, die zur reproduzierbaren Erzeugung von WEAs/WECs geführt haben. Mit einer systematischen Variation dieser Parameter wurden Schwellenwerte ermittelt, ab denen die Bildung von WEAs/WECs zu erwarten ist.

Despite intensive research on 100Cr6 bearing steel over the course of the last decades, it should be noted that phenomena such as the premature bearing failure due to formation of white etching areas (WEAs) and white etching cracks (WECs) can not be fully explained. Based on the literature with partly contradictory statements, it can be concluded that a general cause for the occurrence of the early failures can not be identified as of yet. In addition, it is reported consistently that WEA/WEC formation should only occur under the condition if the mechanical load during operation is superposed with additional loading and thus lead to the premature failure of these machine elements. The aim of the present work was to extend the current state of understanding of the damage mechanism and to evaluate the impact of relevant operating conditions and influencing factors such as hertzian pressure, slip, electric currents and diffusible hydrogen and their combination on the damage of the 100Cr6 bearing steel. Within this work the experimental investigations were started by running classical rolling contact fatigue tests on a four-wheel test rig. The test series were carried out to determine the endurance limit at ultimate load cycles of NG = 10^8 and a slip of −26 % superposed to the mechanical load. This allowed a comparison between the premature failure of the bearing steel due to the WEA/WEC formation and the classic rolling contact fatigue processes. Furthermore, this work was focusing on the investigation of the influence of diffusible hydrogen and electric current passage on the premature failure of martensitically hardened 100Cr6 bearing steel due to WEA/WEC formation. In particular, complementary with the experimental work, examinations using light and electron microscopy were carried out on specimens in order to detect and evaluate the damaging processes in the material. In order to obtain a deeper understanding about the initiation mechanisms of the microstructural alteration during rolling contact fatigue further comprehensive microstructural investigations were conducted at tests which where manually stopped at specified runtimes before the estimated macroscopic damage would occur. Based on the experimental work, load combinations of hertzian pressure, slip and diffusible hydrogen content or electric current density were selected, which led to the reproducible formation of WEAs/WECs. With a systematic variation of these parameters thresholds were determined by which the WEA/WEC formation is to be expected.

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