title: The formation of White Etching Cracks under various conditions in an electrical environment
title: Die Bildung von White Etching Cracks unter verschiedenen Bedingungen in einer elektrischen Umgebung
Creators: name: Zürcher, Manuel
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2025
Subjects: subject: Tribology
subject: White Etching Cracks
subject: Bearing
subject: Lubrication

description: The formation of the structural change “White Etching Cracks” in through and case-hardened bearing steel alloys has been an important research point in the field of tribology for many years. From an industrial point of view, White Etching Cracks cause early bearing failures and thus high repair costs. The root cause investigations include chemical, mechanical, and electrical causes. These individual aspects are often considered separately and not in combination. This work has set itself the goal of researching the influences in combination with the help of a specially designed bearing test rig to create a holistic view. The test rig used enables the test bearings to be subjected to an additional electrical load. As a result, tests can be done both with and without electrification of the bearings to investigate the influence of electricity in a focused manner. The mechanical influences pressure and rotational speed of the bearings were also part of the investigations. Due to the possibility of a controllable pump, the influence of the oil volume flow on the formation of White Etching Cracks was also considered. In connection with the volume flow, the lubricant distribution in the bearing was examined due to the optical accessibility of one of the ball bearings. The influence of the chemistry was carried out by tests with a total of six lubricating oils with different additive combinations. The additive Zinc dialkyldithiophosphate has proven to be necessary in the tests to generate White Etching Cracks under the conditions used. Additional electrical loading of the ball bearings is necessary to create the structural change in this setup. The additional electrical load is well below the current level currently classified as critical. A reduction in the mechanical load, rotational speed or pressure has resulted in the bearing failure occurring later or not at all. All tests have in common that when using lubricating oils and operating conditions that lead to White Etching Cracks, an electrically insulating layer builds up in the rolling contact. The structure of this layer is directly dependent on the additives used and the operating parameters. In addition, the running-in time, temperature, and volume flow also have a strong influence on the formation of this insulating tribofilm. For a more detailed investigation of the White Etching Cracks, two additional sensors were installed in the test rig in this work. A high-frequency-impulse-measurement sensor and an electrostatic sensor. With the help of the high-frequency-impulse-measurement sensor, it is possible to detect bearing failure on this test rig at an early stage. The electrostatic sensor enables a more precise observation and monitoring of the bearings in the event of an additional electrical load. With the electrostatic sensor, the development of the insulating layer can be tracked. Overall, the investigations show that both chemical and mechanical parameters can promote or prevent the formation of White Etching Cracks. In addition, it can be deduced from the tests that the chemical reaction paths in the rolling contact develop differently under electrical load than without electricity. The results contribute to a better understanding of the tribological effects in bearings in an electrical environment and show possibilities for the development of lubricants for the use in electric motors and turbines.
description: Die Entstehung der Gefügeveränderung „White Etching Cracks“ in durch- und einsatzgehärteten Wälzlagerstählen ist seit vielen Jahren ein wichtiger Forschungspunkt auf dem Gebiet der Tribologie. In der Industrie führen White Etching Cracks zu frühzeitigen Wälzlagerausfällen und damit zu hohen Reparaturkosten. Die Ursachenforschung umfasst chemische, mechanische und elektrische Ursachen. Diese Einzelaspekte werden häufig separat und nicht in Kombination betrachtet. Diese Arbeit hat sich zum Ziel gesetzt die Einflüsse mit Hilfe eines speziell konzipierten Prüfstandes zu erforschen, um eine ganzheitliche Betrachtung zu erstellen. Der verwendete Prüfstand ermöglicht eine zusätzliche elektrische Belastung der Prüflager. Dadurch konnten Versuche sowohl mit als auch ohne Elektrifizierung der Lager durchgeführt werden, um den Einfluss von Elektrizität gezielt zu untersuchen. Auch die mechanischen Einflüsse von Pressung und Drehzahl der Lager sind Gegenstand der Untersuchungen. Aufgrund der Möglichkeit einer steuerbaren Pumpe wurde auch der Einfluss des Ölvolumenstroms auf die Entstehung von White Etching Cracks berücksichtigt. Im Zusammenhang mit dem Volumenstrom wurde durch die optische Zugänglichkeit eines der Kugellager die Schmierstoffverteilung im Lager untersucht. Der Einfluss der Chemie wurde durch Versuche mit insgesamt sechs Schmierölen mit unterschiedlichen Additivkombinationen durchgeführt. Das Additiv Zinkdialkyldithiophosphat hat sich in den Tests als notwendig erwiesen, um unter den verwendeten Bedingungen White Etching Cracks zu erzeugen. Um die Strukturänderung in diesem Aufbau herbeizuführen, ist eine zusätzliche elektrische Belastung der Wälzlager erforderlich. Die Stromstärke der zusätzlichen elektrischen Belastung liegt deutlich unter dem derzeit als kritisch eingestuften Wert. Eine Reduzierung der Drehzahl oder der Pressung hat dazu geführt, dass der Lagerausfall später oder gar nicht auftrat. Allen Versuchen war gemeinsam, dass sich bei Verwendung von Schmierölen und Betriebsbedingungen, die zu White Etching Cracks führen, im Wälzkontakt eine elektrisch isolierende Schicht aufbaut. Der Aufbau dieser Schicht ist direkt von den verwendeten Additiven und den Betriebsparametern abhängig. Darüber hinaus haben auch die Einlaufzeit, die Temperatur und der Volumenstrom einen starken Einfluss auf die Ausbildung dieses isolierenden Tribofilms. Zur genaueren Untersuchung der White Etching Cracks wurden in dieser Arbeit zwei zusätzliche Sensoren in den Prüfstand eingebaut. Ein Hochfrequenz-Impulsmesssensor und ein elektrostatischer Sensor. Mit Hilfe des Hochfrequenz-Impulsmesssensors ist es auf diesem Prüfstand möglich, Wälzlagerausfälle frühzeitig zu erkennen. Der elektrostatische Sensor ermöglicht eine genauere Beobachtung und Überwachung der Wälzlager bei zusätzlicher elektrischer Belastung. Mit dem elektrostatischen Sensor kann der Aufbau der Isolierschicht genau verfolgt werden. Insgesamt zeigen die Untersuchungen, dass sowohl chemische wie auch mechanische Parameter die Bildung von White Etching Cracks begünstigen oder verhindern können. Zudem kann aus den Versuchen abgeleitet werden, dass sich die chemischen Reaktionswege im Wälzkontakt unter elektrischer Belastung anders ausbilden als ohne Elektrizität. Die Ergebnisse tragen insgesamt zu einem besseren Verständnis der tribologischen Effekte in Wälzlagern in einer elektrischen Umgebung bei. Zudem werden Möglichkeiten für die Entwicklung von Schmierstoffen für die Verwendung in Elektromotoren und Turbinen aufgezeigt.