Veränderung der tribologischen Eigenschaften von Edelstahl durch Niederenergieionenstrahlbearbeitung

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1 Veränderung der tribologischen Eigenschaften von Edelstahl durch Niederenergieionenstrahlbearbeitung Frank Scholze, Darina Manova, Roman Flyunt, Horst Neumann e.v.; Permoserstr.15; Leipzig 1

2 Projekt Innovatives Gelenk für die Automobilindustrie für Oberflächenmodifizierung e.v. Leipzig Auto-Entwicklungsring Sachsen GmbH Zwickau OSTEC Oberflächen- und Schichttechnologie GmbH Klipphausen EBF Dresden GmbH Forschung, Entwicklung, Erprobung Kunststoffverarbeitung Heinz Grund Oberwiesenthal Finanziell gefördert durch SAB FKZ : 12613/2085 2

3 Kugelgelenk Gelenkgehäuse Gelenkgehäuse Gelenkschale Gelenkschale Gelenkkugel Gelenkkugel Dichtungsbalg Dichtungsbalg Patent : DE A Kugelzapfen Kugelzapfen 3

4 Bisherige Arbeiten Härte Nanohärte Probe Ionenquelle Heizer N N + T i PLM = T i T f = 1 T T Pyrometer Messung der Oberflächentemp. mit Pyrometer Regelung des Heizers (OF-Temp. = konstant) Variation der Ionenenergie Variation der PLM des Ionenstrahls Tiefenprofil von Stickstoff Nanohärte steigt mit PLM bis 30 % an PLM > 30 % Nanohärte nahezu unabhängig N 2 -Eindringtiefe ist temperaturdominiert Härtetiefe > 10µm industrierelevant 4

5 Bisherige Arbeiten - Rauheit Exemplarisch : Rauheit nimmt mit Tastverhältnis (PLM) bis 30 % deutlich zu oberhalb 30 % PLM bleibt Rauheit nahezu unverändert RMS ~ 300nm Wie wirkt sich Rauheit auf Reibungskoeffizient und Verschleiß aus? 5

6 Reibpaarungen Probe Rauheit RMS Kurzbezeichnung Zusammensetzung poliert 14 nm PA PA66 ohne Zusatz T41 59 nm PA6A380 PA66 + 6% A380 T nm PA6AlC PA66 + 6% AlC T47 T48_3 212 nm 300 nm PA6SS PA66 (1/CF/10/TF/20/BK) PA66 + 6% Schichtsilikat PA % Kohlenstofffaser + 20% PTFE T41 T48: Austenitischer Edelstahl mit NEII bei unterschiedlicher PLM N 2 -implantiert Zusätze in Pulverform oberflächenmodifiziert : - A380 (Aluminium - ISO Al-Si9Cu3Fe) - AlC (Aluminiumkarbid) - Schichtsilikat 6

7 Messmethode - Tribometer Oszillierende Linearbewegung (rotierende Scheibe --> linear) Motordrehzahl 5 Hz mittlere Geschw.9,1 cm/s maximale Geschw. 14,2 cm/s Messwerterfassung 100 Hz, 20 Messungen pro Zyklus Reibweg 100m Firma CSM Instruments Rauheit nur auf planer Stahlfläche bestimmbar --> Kunststoff am Messarm Vermeidung von Kanteneffekten --> Reibung auf Mantelfläche in tangentialer Richtung Reibungskoeffizient unabhängig von Kontaktfläche Reibgeschwindigkeit 7

8 PA6*** auf poliertem RMS ~ 14nm PA6A380 und PA6AlC nach Einlaufphase µ = 0,5 Wert --> PA6 auf PA6 PA6 und PA6SS konstant µ = 0,1 8

9 PA6*** auf RMS = 300 nm Alle PA6-Varianten gleiches Verhalten Wert steigt auf µ = 0,5 Schwankung von µ - nicht identisch mit Oszillation des Testkörpers --> Stick-Slip-Effekt (Haftreibung > Gleitreibung ) 9

10 PA66 (1/CF/10/TF20/BK) auf Gleitreibungskoeffizient nimmt ab mit zunehmender RMS 0,4 0,35 µ 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 D. Drummer : Sonderdrucke, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg RMS > RMS RMS [nm] µ adhäsion < µ adhäsion µ deformation > µ deformation 10

11 Verschleiß Verschleiß-Messung : kompliziert bei Auswertung Abrieb haftet noch an Probe --> Wägung zu ungenau fotometrische Methode geringer Kontrast Verschleiß für alle Proben : qualitativ gleich polierte Probe geringster Verschleiß Verschleiß nimmt mit RMS zu 11

12 Zusammenfassung und Ausblick Ergebnisse an planen Proben Abhängig von Reibpaarung muss Oberfläche nicht poliert werden, um geringsten Reibungskoeffizient zu erzielen Für Verschleißminmierung ist aber geringe Rauheit von Vorteil Projektion der planen Ergebnisse in sphärische Form Gestaltung der Anordnung zur N 2 -Implantation in Hohlkugelschale Vollständige Behandlung der inneren Sphäre Vermeidung von sekundären Beschichtungen Problematik - Einfallswinkel Entscheidung nach Versuch mit komplettem Kugelgelenk Kugelschale Ionenquelle N N + Beschichtung Pyrometer 12

13 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 13