White etching areas und white etching cracks in 100Cr6 und X30CrMoN15-1

Steinweg, Florian; Mayer, Joachim; Broeckmann, Christoph

doi:10.18154/RWTH-2024-09728

White etching areas und white etching cracks in 100Cr6 und X30CrMoN15-1 = White etching areas and white etching cracks in 100Cr6 and X30CrMoN15-1

Steinweg, Florian^RWTH*

2024

VerantwortlichkeitsangabeFlorian Steinweg

ImpressumDüren : Shaker Verlag 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-8440-9614-9

ReiheWerkstoffanwendungen im Maschinenbau ; 30

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Druckausgabe: 2024. - Auch 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
2024-02-23

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-09728
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/995123/files/995123.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau (418110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Wälzermüdung (frei) ; high nitrogen steel (frei) ; rolling contact fatigue (frei) ; white etching areas (frei) ; white etching cracks (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Entstehungsmechanismen von White Etching Areas (WEA) und White Etching Cracks (WEC) sind bisher nur teilweise verstanden. Zudem scheint keine Einflussgröße allein für WEA/WEC verantwortlich zu sein. Ziel dieser Arbeit war es daher, die grundlegenden Mechanismen, die zu WEA/WEC führen, zu untersuchen. Dazu erfolgte eine Bewertung der folgenden Einflussgrößen: Kontaktparameter, Schmierstoffformulierung, elektrischer Stromfluss und diffusibler Wasserstoff. Grundlage bildeten Vierscheibenprüfstandversuche mit Prüfkörpern aus 100Cr6 und X30CrMoN15-1 sowie metallographische und röntgenographische Untersuchungen. Die Untersuchungen ergaben, dass eine ausreichende Konzentration von, zuvor künstlich eingebrachtem, atomarem Wasserstoff in 100Cr6 bei Wälzbeanspruchung zu WEA/WEC führt. Die Kontaktparameter Hertzsche Pressung und Schlupf beeinflussen dabei die Schadensentwicklung, nicht aber die grundsätzliche Entstehung. Ein elektrischer Stromfluss ist auch ohne vorheriges Beaufschlagen der Proben mit Wasserstoff bei Wälzbeanspruchung hinreichend, um WEA/WEC-Schäden zu erzeugen. Dabei beeinflusst die Stromflussrichtung die Überrollungszahl und die Reaktionsschichten, wobei anodische Prüfkörper tendenziell früher versagen. Eine zusätzliche Schlupfbeanspruchung führt ebenfalls zu einem früheren WEA/WEC-Versagen. Des Weiteren wurde gezeigt, dass ein Schmierstoff mit Zinkdialkyldithiophosphat und überbasischem Kalziumsulfonat unter Grenzschmierung WEA/WEC verursachen kann, während ein bariumhaltiger Schmierstoff klassische Wälzermüdungsschäden hervorruft. Dabei legen die Ergebnisse nahe, dass unter den tribologischen Kontaktbedingungen atomarer Wasserstoff eine untergeordnete Rolle spielt und vielmehr das Vorliegen ungeschützter Metalloberflächen im Kontakt für die WEA/WEC-Bildung kritisch sind. Die WEA/WEC-Netzwerke und das WEA-Volumen werden mit zunehmender Versuchslaufzeit größer. Zunächst bilden sich lokale WEA/WEC in Form einer Substruktur, die sich im Laufe der Zeit vernetzen und schließlich großflächige WEA/WEC-Netzwerke bilden. Die erste WEA-Bildung wird dabei auf einen lokalen Deformationsprozess zurückgeführt, bei dem sich die (Fe, Cr)3C-Karbide zersetzen. Erstmals wurde die Bildung von WEA bei künstlich mit Wasserstoff beladenen Prüfkörpern aus X30CrMoN15-1 experimentell nachgewiesen. Diese WEA bestehen aus nanoferritischen Körnern und ähneln den nanokristallinen WEA in 100Cr6. Im Gegensatz zu den (Fe, Cr)3C-Karbiden des 100Cr6 zersetzen sich die M2(C, N)- und M23C6-Ausscheidungen des X30CrMoN15-1 während der WEA-Bildung nicht vollständig und unterliegen einem plastischen Deformationsprozess innerhalb der WEA.

The formation mechanisms of white etching areas (WEA) and white etching cracks (WEC) are only partially understood. Furthermore, no single factor seems solely responsible for WEA/WEC. Therefore, the aim of this work was to investigate the underlying mechanisms that lead to WEA/WEC. To achieve the intended objective, an assessment of the following influencing factors was carried out: contact parameters, lubricant formulation, electrical current flow, and diffusible hydrogen. The basis for this investigation were four-disc test-rig experiments with specimens made of 100Cr6 and X30CrMoN15-1. In addition, metallographic and X-ray diffraction analyses were performed. The investigations showed that a sufficient concentration of, previously artificially introduced, atomic hydrogen in 100Cr6 leads to WEA/WEC when subjected to rolling contact stresses. The contact parameters Hertzian pressure and slip influence the damage pattern but not the formation of WEA/WEC. An electrical current flow is also sufficient to generate WEA/WEC damage under rolling contact stresses, even without hydrogen pre-charging of the specimens. The current flow direction influences the contact cycles and the reaction layers, with anodic specimens tending to fail earlier. Additional slip also leads to an earlier WEA/WEC failure. It was shown that a lubricant containing zinc dialkyldithiophosphate and over-based calcium sulfonate can cause WEA/WEC under boundary lubrication conditions, while a barium-containing lubricant causes classic rolling contact fatigue damage. The results suggest that atomic hydrogen plays a minor role under the tribological contact conditions and that unprotected metal surfaces in contact are critical for WEA/WEC formation. The WEA/WEC networks and the WEA volume increase with increasing test duration. Initially, local WEA/WEC develop in the form of a substructure, which interconnect over time to form large-scale WEA/WEC networks. The first WEA formation is attributed to a local deformation process in which the (Fe, Cr)3C carbides decompose. For the first time, the formation of WEA was experimentally verified in test specimens made of X30CrMoN15-1 artificially loaded with hydrogen. These WEA consist of nanoferritic grains and resemble the nanocrystalline WEA in 100Cr6. However, in contrast to the (Fe, Cr)3C carbides in 100Cr6, the M2(C, N) and M23C6 precipitates in X30CrMoN15-1 do not entirely decompose during WEA formation and undergo a plastic deformation process within the WEA.

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