Anforderungen an moderne Tribologieforschung

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1 Anforderungen an moderne Tribologieforschung Matthias Scherge

2 Systeme mit ultrakleinen Verschleißraten wear time 2 Scherge, M.; Martin, J. M.; Pöhlmann, K.; Characterization of wear debris of systems operated under low wear-rate conditions, Wear, 26 (24) 1-2,

3 Öl Oberflächenwechselwirkung Rollkontakt Anfangszustand Endzustand tribologisches Ergebnis Öl w t Verschleiß Adsorption Reaktion Schichtbildung Ermüdung Gleitkontakt Öl Intermixing Verschleiß Adsorption Reaktion w t 3

4 Analyse des Einlaufverhaltens 4 M. Scherge, K. Pöhlmann, A. Gervé, Wear Measurement using Radio-Nuclide-Technique (RNT), Wear, 254(23),

5 Einlauf: Historische Betrachtung Third body: the phantom with many names. Tribomaterial, Beilby layer, transfer layer, fragmented layer, highly deformed layer, glaze layer, white-etching layer, nanocrystal layer, mechanically mixed material, Rigney, Karthikeyan, Tribol. Lett. 39 (21)

6 Zusammenfassung Stand 26 self structuring of surface tribochemical effects 1 µm self structuring of near-surface volume Offene Fragen: Einlaufdynamik Verschleißbildung 6

7 Einlaufdynamik w Zeit 7 M Dienwiebel, K Pöhlmann, Nanoscale evolution of sliding metal surfaces during running-in Tribology Letters 27 (3),

8 Verschleißbildung Nanodelamination 8 M. Scherge et al, Characterization of wear debris of systems operated under low wear-rate conditions,., WEAR 26(26)

9 Zusammenfassung Stand 215 O C/CHx Scherhorizont Verfestigungshorizont Dritter Körper Offene Fragen -Einlaufkorridor -Einlaufbeeinflussung 9

10 Einlaufkorridor,25 Delamination Oxidation coefficient of friction,2,15,1,5 Abrasion Adhäsion steel/alsi chromium/ cast iron µ,2,4,6,8,1,12,14,16,18,2 2 initial friction power density [W/mm ] µ t t 1 M. Scherge, et al. The running-incorridoroflubricatedmetal metal contacts Wear (215), 6 64

11 Einlaufkorridor: Masterkurve System: untereutektisches AlSi - Stahl 14 wear rate,35 wear rate [nm/h] coefficient of friction,3,25,2,15,1,5 coefficient of friction,2,4,6,8,1,12,14 2 initial friction power density [W/mm ] 11 M. Scherge, et al. The running-incorridoroflubricatedmetal metal contacts Wear (215), 6 64

12 Einlaufbeeinflussung: Leistung, Chemie Überbeanspruchung Fresser P = µf n v A r µ µ EP Additive (ZnDTP) Unterbeanspruchung kein Einlauf Reibungsmodifizierer optimale Beanspruchung Einlauf Zeit Zeit 12

13 Einlaufbeeinflussung: Reibleistungsdichte Erhöhung Verringerung P = µf n v A r Schleifen Läppen 13

14 Einlaufbeeinflussung: Tribokonditionierung Durch energetisch gesteuerte Endbearbeitung können tribologische Systeme vorkonditioniert werden. Einlaufvorwegnahme erhöhte Systemstabilität kleinere Reibung längere Lebensdauer F r = τa r 14

15 Beispiel: Zahnradendbearbeitung hardened gears tribo-assisted oxidation for fine finishing improved surface topography Rz: 2.5 µm.5 µm less noise, reduced wear 15 Oobayash, K., Tribol. International (25).

16 Beispiel: Wellenbearbeitung Längs-Umfangs-Planschleifen, kraftgesteuert, v C (7,7 m/s) v ft (,35 m/s) und radialer Vorschub (1 µm) konstant, kein axialer Vorschub v F n Schneiden Reibung Wärme Quetschen Abschrecken Einfrieren von Phasen Versetzungen Risse Variation Schwefelgehalt im KSS Variation Phosphorgehalt im KSS Variation Kontaktkraft beim Schleifen Variation Kontaktzeit beim Schleifen 16

17 Mikrotopographie und Chemie nach dem Schleifen Phosphorgehalt: % 2% Konzentration [At.-%] Fe Cr O C S C S Fe O Tiefe [nm] Cr Konzentration [At.-%] O C Fe Cr O C P P Cr Fe Tiefe [nm] 17

18 Reibung und Verschleiß nach dem Einlauf Phosphorgehalt: % 2% Reibkoeffizient COF Reibkoeffizient COF Gleitgeschwindigkeit [m/s] Flächenpressung [N/mm 2 ] 1 2 Gleitgeschwindigkeit [m/s] Flächenpressung [N/mm 2 ] Verschleißgeschwindigkeit [nm/h] Wear Rate [nm/h] Gleitgeschwindigkeit [m/s] Flächenpressung [N/mm 2 ] Verschleißgeschwindigkeit [nm/h] Wear Rate [nm/h] Gleitgeschwindigkeit [m/s] Flächenpressung [N/mm 2 ] 18

19 Wear and Structure F r = τa r friction coefficient as cast friction coefficient heat treated 4 nm/h wear in mg time in hours time in hours 19 D. Linsler, T. Schlarb, T. Weingärtner, M. Scherge, Influence of subsurface microstructure on the running-in of an AlSi alloy Wear (215),

20 Zusammenfassung -Einlauf ist ein energetisch gesteuerter Prozess -die Reibleistungsdichte ist die entscheidende Größe -sowohl Über- als auch Unterbeanspruchung führen nicht zum Erfolg -der dritte Körper ist das Resultat eines optimalen Einlaufs -der dritte Körper hat eine Struktur und eine Substruktur -die Scherung ist anders lokalisiert als die Festigkeit -tribologische Hebel sind: Beanspruchung, Öl/Additiv, Endbearbeitung -Einlaufkorridore für typische Werkstoffpaarungen als Voraussetzung für die Vorhersage der Einlaufwilligkeit eines Systems 2