Einfluss der Beanspruchungszustände in Wälzlagern auf das Schadensbild White Etching Cracks (WEC)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Eine Reihe von möglichen Parametern, die zu vorzeitigen Ausfällen im Zusammenhang mit der WEC-Bildung führen, wurden detailliert untersucht. Neben Experimenten an Lagerprüfständen und Labor-Ermüdungsprüfständen im Druck-/Torsionsmodus standen Simulationen und analytische Untersuchungen im Mittelpunkt dieser Arbeiten. Die Ergebnisse zeigen, dass einige Mechanismen die WEC-Bildung verstärken können, aber die Übertragung auf andere Testbedingungen nicht unbedingt zur Ausbildung von WECs führt. Aus einigen Untersuchungen geht hervor, dass die Temperatur ein kritischer Parameter ist. Dies gilt sowohl für Prüfstandsversuche als auch für Laborversuche mit Druck-Torsion, bei denen eine höhere Temperatur zu mehr, aber kürzeren Rissen führte. In den FE8-Testläufen wurde ein kritisches Temperaturfenster erkannt, das zu WECs führt. Zu den FE8-Tests wurden mechanischen Studien in Form einer Simulation der Kontaktbedingungen auf dem Tribofilm und ToF-SIMS-Analysen durchgeführt: Diese lassen vermuten, dass an der Rissentstehung temperaturempfindliche, lückenhafte Triboschichten mit Oberflächendefekten beteiligt sind, die möglicherweise zu einem Wasserstoffeintritt führen können. Die Übertragung der Kontaktbedingungen aus den FE8-Tests auf radial belastete Zylinderrollenlager mit absichtlichem, erhöhtem Querschlupf führte zu Oberflächenfehlern, nicht aber zum Auftreten von WECs. Zur Überprüfung des in den Experimenten erzeugten zusätzlichen Reibenergieeintrags durch Querschlupf wurden Mehrkörpersimulationen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die in den Kontakt eingebrachte Reibungsenergie in Kombination mit der Kontaktregenerationszeit wesentlich geringer als bei FE8-Tests ist. Hier wären leistungsfähigere Prüfstände erforderlich und es müssen weitere Forschungsarbeiten durchgeführt werden, um die Entstehung von WECs aufgrund von Querschlupf zu untersuchen. WECs wurden an der Technischen Universität Kaiserslautern in Druck-/Spannungs-untersuchungen induziert, bei denen die Spannungen eines Walzkontaktes synthetisiert wurden. Die weiß anätzenden Flächen mit nanokristalliner Struktur können sich als Nebeneffekt der vorangegangenen Rissbildung durch mechanische Spannungen entwickeln. Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit der kürzlich abgeschlossenen Arbeit von F. Manieri am Imperial College. Alle hier berichteten experimentellen Ergebnisse basieren auf Versuchen unter Einsatz eines WEC-kritischen Öls mit Metallsulfonaten und ZDDP. Die Torsionszug-Laborproben wurden während der Tests ebenfalls in diesen Schmierstoff eingetaucht. Abgesehen von den FE8-Tests mit Zylinderrollenlagern, bei denen andere Öle nicht zu frühen Ausfällen mit WEC-Netzen geführt haben, ist noch nicht bekannt, ob die Schmierstoffchemie in den anderen Versuchen entscheidend war. Die Temperaturempfindlichkeit deutet jedoch in diese Richtung. Sollte die Schmierstoffchemie entscheidenden Einfluss haben, besteht nach wie vor eine Unsicherheit, ob die Chemie direkt am Mechanismus der WEC-Bildung beteiligt ist oder ob es eine indirekte Wirkung gibt. Diese könnte in einer Veränderung der Integrität von Triboschichten und der Oberflächentopographie sowie der daraus resultierenden Schubspannungen liegen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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White Etching Cracks - neue Ansätze in der Ursachenforschung. White Etching Cracks - new approaches to causal research. 11. VDI-Fachtagung Gleit- und Wälzlagerungen 2015; Schweinfurt; S. 273 – 284; ISBN: 978-3-18-092257-7
Averbeck, S.; Wiesker, S.; Smirnov, A.; Poll, G.
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A study of white etching crack formation by compressiontorsion experiments. In: Frattura ed integrità strutturale 38 (2016), Nr. 2, S. 12 – 18
Averbeck, S.; Kerscher, E.
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Space-resolved micro-tribological investigations of boundary layers on bearing surfaces. Proceedings, 17th Nordic Symposium on Tribology (NORDTRIB), Aulanko, 2016
Pape, F.; Moebes, G.; Poll, G.
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Untersuchung der unter tribologischer Belastung auf Laufflächen von Axialzylinderrollenlagern gebildeten tribologischen Grenzschichten mit Hilfe von mikrotribologischen Verfahren und der Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometrie (ToF-SIMS). In: Tagungsband, Getlub Kongress, 09.-10.03.2016, Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V., S. 168-181
Lipinski, D.; Muhmann, C.; Arlinghaus, H. F.; Möbes, G.; Pape, F.; Poll, G.
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Boundary layers on bearing raceways subject to operating conditions with high risk of white etching cracks related premature rolling contact fatigue. In: Bearing World Journal 2 (2017), S. 59-70
Lipinsky, D.; Muhmann, C.; Pape, F.; Möbes, G.; Poll, G.: Arlinghaus, H. F.
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Critical plane analysis of multiaxial fatigue experiments leading to White Etching Crack formation. In: Journal of Physics: Conference Series 843 (2017)
Averbeck, S.; Kerscher, E.
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Influence of multiaxial fatigue loading conditions on white etching crack formation. In: Engineering Fracture Mechanics 174 (2017), S. 180 – 195
Averbeck, S.; Kerscher, E.
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Investigation of the temperature influence on the formation of boundary layers on bearings, In: Tribologie und Schmierungstechnik, 64 (2017), Nr. 5, S. 39 – 46
Pape, F.; Möbes, G.; Lipinsky, D.; Muhmann, C.; Arlinghaus H. F.; Poll, G.
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Tribological research on the development of White Etching Cracks (WECs). In: Forschung im Ingenieurwesen 82 (2018), Nr. 4, S. 341 – 352. ISSN: 0015-7899
Pape, F.; Terwey, T.; Wiesker, S.; Averbeck, S.; Muhmann, C.; Lipinsky, D.; Arlinghaus, H. F.; Kerscher, E.; Sauer, B.; Poll, G.
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Tribological research on the emergence of White Etching Cracks (WECs). 59. Tribologie-Fachtagung, 2018, Göttingen; S. 29/01 – 29/04; ISBN: 978-3-9817451-3-9
Pape, F.; Terwey, T.; Wiesker, S.; Averbeck, S.; Muhmann, C.; Lipinsky, D.; Arlinghaus, H. F.; Kerscher, E.; Sauer, B.; Poll, G.
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ZDDP Containing Tribofilms Generated under Sliding Micro Contact and Bearing Test Rig Conditions. In: Materials Performance and Characterization, 7 (2018), Nr. 3, 22 pages
Pape, F.; Muhmann, C.; Pahl, D.; Lipinsky, D.; Arlinghaus, H. F.; Poll, G.
