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Monatliches Archiv: Dezember 2020

In-Situ-Verschleißmessung bei hoher Temperatur

IN-SITU-VERSCHLEISSMESSUNG BEI HOHER TEMPERATUR

MIT TRIBOMETER

IN-SITU-VerschleißMESSUNG Tribometer für die Luft- und Raumfahrt

Vorbereitet von

Duanjie Li, PhD

EINFÜHRUNG

Der lineare variable Differenzialtransformator (LVDT) ist eine Art robuster elektrischer Transformator, der zur Messung linearer Verschiebungen verwendet wird. Er wird in einer Vielzahl industrieller Anwendungen eingesetzt, z. B. in Leistungsturbinen, Hydraulik, Automatisierung, Flugzeugen, Satelliten, Kernreaktoren und vielen anderen.

In dieser Studie stellen wir die Add-ons von LVDT und Hochtemperaturmodulen des NANOVEA vor Tribometer die es ermöglichen, die Änderung der Verschleißspurtiefe der getesteten Probe während des Verschleißprozesses bei erhöhten Temperaturen zu messen. Dies ermöglicht es Benutzern, verschiedene Phasen des Verschleißprozesses mit der Entwicklung des COF zu korrelieren, was für die Verbesserung des grundlegenden Verständnisses des Verschleißmechanismus und der tribologischen Eigenschaften der Materialien für Hochtemperaturanwendungen von entscheidender Bedeutung ist.

MESSZIEL

In dieser Studie möchten wir die Leistungsfähigkeit des NANOVEA T50 Tribometers für die In-situ-Überwachung der Entwicklung des Verschleißprozesses von Materialien bei erhöhten Temperaturen vorstellen.

Der Verschleißprozess der Aluminiumsilikatkeramik bei unterschiedlichen Temperaturen wird kontrolliert und überwacht simuliert.

NANOVEA

T50

TESTVORGANG

Das tribologische Verhalten, z. B. der Reibungskoeffizient (COF) und die Verschleißfestigkeit von Aluminiumsilikat-Keramikplatten, wurde mit dem NANOVEA Tribometer untersucht. Die Aluminiumsilikat-Keramikplatte wurde in einem Ofen von Raumtemperatur (RT) auf höhere Temperaturen (400°C und 800°C) aufgeheizt und anschließend bei diesen Temperaturen auf Verschleiß getestet. 

Zum Vergleich wurden die Verschleißtests durchgeführt, als die Probe von 800°C auf 400°C und dann auf Raumtemperatur abgekühlt war. Eine AI2O3-Kugelspitze (Ø 6 mm, Sorte 100) wurde auf die getesteten Proben aufgesetzt. Die COF, die Verschleißtiefe und die Temperatur wurden in situ überwacht.

PRÜFPARAMETER

der Pin-on-Disk-Messung

Tribometer LVDT Probe

Die Verschleißrate K wurde nach der Formel K=V/(Fxs)=A/(Fxn) ermittelt, wobei V das verschlissene Volumen, F die Normallast, s der Gleitweg, A die Querschnittsfläche der Verschleißspur und n die Anzahl der Umdrehungen ist. Die Oberflächenrauheit und die Profile der Verschleißspuren wurden mit dem NANOVEA Optical Profiler ausgewertet, und die Morphologie der Verschleißspuren wurde mit einem optischen Mikroskop untersucht.

ERGEBNISSE & DISKUSSION

Die in situ aufgezeichnete COF und Verschleißspurtiefe sind in ABBILDUNG 1 bzw. ABBILDUNG 2 dargestellt. In ABBILDUNG 1 bezeichnet "-I" den Test, der durchgeführt wurde, als die Temperatur von RT auf eine erhöhte Temperatur erhöht wurde. "-D" steht für die Temperatur, die von einer höheren Temperatur von 800°C herabgesetzt wurde.

Wie in ABBILDUNG 1 dargestellt, weisen die bei verschiedenen Temperaturen getesteten Proben während der gesamten Messungen einen vergleichbaren COF von ~0,6 auf. Ein solch hoher COF führt zu einem beschleunigten Verschleißprozess, bei dem eine erhebliche Menge an Abrieb entsteht. Die Tiefe der Verschleißspur wurde während der Verschleißtests mittels LVDT überwacht (siehe ABBILDUNG 2). Die Tests, die bei Raumtemperatur vor dem Aufheizen der Probe und nach dem Abkühlen der Probe durchgeführt wurden, zeigen, dass die Aluminiumoxid-Silikat-Keramikplatte bei RT einen fortschreitenden Verschleißprozess aufweist, wobei die Verschleißspurtiefe während des Verschleißtests allmählich auf ~170 bzw. ~150 μm ansteigt. 

Im Vergleich dazu weisen die Verschleißtests bei erhöhten Temperaturen (400°C und 800°C) ein anderes Verschleißverhalten auf - die Verschleißspurtiefe nimmt zu Beginn des Verschleißprozesses rasch zu und verlangsamt sich im weiteren Verlauf des Tests. Die Verschleißspurtiefen für Tests, die bei Temperaturen von 400°C-I, 800°C und 400°C-D durchgeführt wurden, betragen ~140, ~350 bzw. ~210 μm.

COF bei Pin-on-Desk-Tests bei verschiedenen Temperaturen

ABBILDUNG 1. Reibungskoeffizient bei Stift-auf-Scheibe-Tests bei verschiedenen Temperaturen

Verschleißspurtiefe der Aluminiumsilikat-Keramikplatte bei verschiedenen Temperaturen

ABBILDUNG 2. Entwicklung der Verschleißspurtiefe der Aluminiumsilikat-Keramikplatte bei verschiedenen Temperaturen

Die durchschnittliche Verschleißrate und die Verschleißspurtiefe der Aluminiumsilikat-Keramikplatten bei verschiedenen Temperaturen wurden mit NANOVEA Optischer Profiler, zusammengefasst in ABBILDUNG 3. Die Tiefe der Verschleißspur stimmt mit der mittels LVDT aufgezeichneten überein. Die Aluminiumoxid-Silikat-Keramikplatte weist bei 800°C eine deutlich erhöhte Verschleißrate von ~0,5 mm3/Nm auf, verglichen mit den Verschleißraten unter 0,2mm3/N bei Temperaturen unter 400°C. Die Aluminiumoxid-Silikat-Keramikplatte weist nach dem kurzen Erhitzungsprozess keine signifikant verbesserten mechanischen/tribologischen Eigenschaften auf und besitzt eine vergleichbare Verschleißrate vor und nach der Wärmebehandlung.

Aluminiumoxid-Silikatkeramik, auch bekannt als Lava und Wunderstein, ist vor der Wärmebehandlung weich und bearbeitbar. Durch einen langen Brennvorgang bei hohen Temperaturen von bis zu 1093 °C kann die Härte und Festigkeit erheblich gesteigert werden, woraufhin eine Diamantbearbeitung erforderlich ist. Diese einzigartige Eigenschaft macht Tonerdesilikatkeramik zu einem idealen Material für die Bildhauerei.

In dieser Studie zeigen wir, dass eine Wärmebehandlung bei einer niedrigeren Temperatur als der für das Brennen erforderlichen (800°C vs. 1093°C) in kurzer Zeit die mechanischen und tribologischen Eigenschaften von Aluminiumsilikatkeramik nicht verbessert, so dass ein ordnungsgemäßes Brennen ein wesentlicher Prozess für dieses Material vor seiner Verwendung in realen Anwendungen ist.

 
Verschleißrate und Verschleißspurtiefe der Probe bei verschiedenen Temperaturen 1

FIGUR 3. Verschleißrate und Verschleißspurtiefe der Probe bei verschiedenen Temperaturen

SCHLUSSFOLGERUNG

Auf der Grundlage der umfassenden tribologischen Analyse in dieser Studie zeigen wir, dass die Aluminiumoxid-Silikat-Keramikplatte einen vergleichbaren Reibungskoeffizienten bei verschiedenen Temperaturen von Raumtemperatur bis 800 °C aufweist. Allerdings zeigt sie bei 800°C eine deutlich erhöhte Verschleißrate von ~0,5 mm3/Nm, was die Bedeutung einer ordnungsgemäßen Wärmebehandlung dieser Keramik unterstreicht.

NANOVEA Tribometer sind in der Lage, die tribologischen Eigenschaften von Materialien für Anwendungen bei hohen Temperaturen bis zu 1000°C zu bewerten. Die Funktion der In-situ-COF- und Verschleißspurtiefenmessung ermöglicht es dem Anwender, verschiedene Stadien des Verschleißprozesses mit der Entwicklung der COF zu korrelieren, was für die Verbesserung des grundlegenden Verständnisses des Verschleißmechanismus und der tribologischen Eigenschaften der bei hohen Temperaturen verwendeten Materialien entscheidend ist.

NANOVEA Tribometer bieten präzise und wiederholbare Verschleiß- und Reibungstests mit ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodi, mit optionalen Modulen für Hochtemperaturverschleiß, Schmierung und Tribokorrosion in einem vorintegrierten System. Das unübertroffene Angebot von NANOVEA ist die ideale Lösung für die Bestimmung der gesamten Bandbreite tribologischer Eigenschaften von dünnen oder dicken, weichen oder harten Beschichtungen, Filmen und Substraten.

Optional sind berührungslose 3D-Profiler für die hochauflösende 3D-Darstellung von Verschleißspuren zusätzlich zu anderen Oberflächenmessungen wie z. B. der Rauheit erhältlich.

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Analyse der Fischschuppenoberfläche mit einem optischen 3D-Profiler

Analyse der Fischschuppenoberfläche mit einem optischen 3D-Profiler

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OBERFLÄCHENANALYSE VON FISCHSCHUPPEN

mit 3D OPTICAL PROFILER

Fischschuppen-Profilometer

Vorbereitet von

Andrea Nowitzki

EINFÜHRUNG

Die Morphologie, Muster und andere Merkmale einer Fischschuppe werden mit dem NANOVEA untersucht Berührungsloser optischer 3D-Profiler. Die empfindliche Beschaffenheit dieser biologischen Probe sowie ihre sehr kleinen und stark abgewinkelten Rillen unterstreichen auch die Bedeutung der berührungslosen Technik des Profilers. Die Rillen auf der Skala werden Zirkuli genannt und können untersucht werden, um das Alter des Fisches abzuschätzen und sogar Perioden mit unterschiedlichen Wachstumsraten zu unterscheiden, ähnlich den Ringen eines Baumes. Dies sind sehr wichtige Informationen für das Management wildlebender Fischbestände, um Überfischung zu verhindern.

Bedeutung der berührungslosen 3D-Profilometrie für BIOLOGISCHE STUDIEN

Im Gegensatz zu anderen Techniken wie Taster oder Interferometrie kann der berührungslose optische 3D-Profiler unter Verwendung von Axialchromatismus nahezu jede Oberfläche messen. Die Probengröße kann aufgrund der offenen Anordnung stark variieren und es ist keine Probenvorbereitung erforderlich. Merkmale im Nano- bis Makrobereich werden während einer Oberflächenprofilmessung ohne Beeinflussung durch Reflexion oder Absorption der Probe erfasst. Das Gerät bietet die Möglichkeit, hohe Oberflächenwinkel ohne Softwaremanipulation der Ergebnisse zu messen. Jedes Material kann leicht gemessen werden, egal ob es transparent, undurchsichtig, spiegelnd, diffus, poliert oder rau ist. Die Technik bietet eine ideale, umfassende und benutzerfreundliche Möglichkeit zur Maximierung von Oberflächenstudien zusammen mit den Vorteilen der kombinierten 2D- und 3D-Funktionen.

MESSZIEL

In dieser Anwendung stellen wir NANOVEA ST400 vor, einen berührungslosen 3D-Profiler mit einem Hochgeschwindigkeitssensor, der eine umfassende Analyse der Oberfläche einer Waage ermöglicht.

Mit dem Gerät wurde die gesamte Probe gescannt, zusammen mit einem höher aufgelösten Scan des mittleren Bereichs. Zum Vergleich wurde auch die äußere und innere Oberflächenrauheit des Maßstabs gemessen.

NANOVEA

ST400

3D- und 2D-Oberflächencharakterisierung von Outer Scale

Die 3D-Ansicht und die Falschfarbenansicht des äußeren Maßstabs zeigen eine komplexe Struktur, die einem Fingerabdruck oder den Ringen eines Baumes ähnelt. Dies bietet dem Benutzer ein einfaches Werkzeug, um die Oberflächenbeschaffenheit des Maßstabs aus verschiedenen Blickwinkeln direkt zu betrachten. Verschiedene andere Messungen des äußeren Maßstabs werden zusammen mit dem Vergleich der Außen- und Innenseite des Maßstabs gezeigt.

Fischschuppen-Scan 3D-Ansicht Profilometer
Fischschuppen-Scanvolumen 3D-Profilometer
Fischschuppen-Scan Stufenhöhe 3D Optischer Profiler

VERGLEICH DER OBERFLÄCHENRAUHIGKEIT

Fischschuppen-Profilometer 3D-Scannen

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Anwendung haben wir gezeigt, wie der berührungslose optische 3D-Profiler NANOVEA eine Fischschuppe auf vielfältige Weise charakterisieren kann. 

Die Außen- und Innenflächen der Schuppe lassen sich allein durch die Oberflächenrauheit leicht unterscheiden, mit Rauheitswerten von 15,92μm bzw. 1,56μm. Darüber hinaus können präzise und genaue Informationen über eine Fischschuppe durch die Analyse der Rillen oder Zirkuli auf der Außenfläche der Schuppe gewonnen werden. Der Abstand der Bänder der Zirkuli vom Mittelpunkt wurde gemessen, und auch die Höhe der Zirkuli betrug im Durchschnitt etwa 58μm. 

Die hier gezeigten Daten stellen nur einen Teil der in der Analysesoftware verfügbaren Berechnungen dar.

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