Gleitverschleißprüfung Block-auf-Ring (Block-on-Ring, ASTM G77)

Gleitverschleiß ist der fortschreitende Materialverlust, der entsteht, wenn zwei Werkstoffe im Kontaktbereich unter Last aufeinander gleiten. Er tritt unvermeidlich in vielen Branchen auf, in denen Maschinen und Motoren laufen, darunter Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Öl & Gas und viele weitere. Eine solche Gleitbewegung verursacht an der Oberfläche starken mechanischen Verschleiß und Materialübertrag, was zu geringerer Produktionseffizienz, schlechterer Maschinenleistung oder sogar zu Schäden an der Maschine führen kann.

Am Gleitverschleiß sind oft komplexe Verschleißmechanismen an der Kontaktfläche beteiligt, etwa adhäsiver Verschleiß, Zweikörperabrasion, Dreikörperabrasion und Ermüdungsverschleiß. Das Verschleißverhalten von Werkstoffen hängt stark von den Einsatzbedingungen ab, etwa Normalkraft, Geschwindigkeit, Korrosion und Schmierung. Ein vielseitiges Tribometer, das unterschiedliche reale Einsatzbedingungen nachbilden kann, ist für die Verschleißbewertung ideal.

Die Block-auf-Ring-Prüfung (ASTM G77) ist ein weit verbreitetes Verfahren, das das Gleitverschleißverhalten von Werkstoffen unter verschiedenen simulierten Bedingungen bewertet und eine zuverlässige Rangfolge von Werkstoffpaarungen für bestimmte tribologische Anwendungen erlaubt.

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Das Gleitverschleißverhalten eines H-30-Blocks auf einem S-10-Ring wurde mit dem Tribometer von NANOVEA und dem Block-auf-Ring-Modul bewertet. Der H-30-Block besteht aus Werkzeugstahl 01 mit einer Härte von 30HRC, der S-10-Ring aus Stahl 4620 mit einer Oberflächenhärte von 58 bis 63 HRC und einem Ringdurchmesser von ~34,98 mm. Die Block-auf-Ring-Prüfungen wurden in trockener und geschmierter Umgebung durchgeführt, um den Einfluss auf das Verschleißverhalten zu untersuchen. Die Schmierungsprüfungen erfolgten in schwerem USP-Mineralöl. Die Verschleißspur wurde mit dem berührungslosen 3D-Profilometer von NANOVEA untersucht. Die Prüfparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Verschleißrate K wurde mit der Formel K = V/(F × s) bestimmt, wobei V das Verschleißvolumen, F die Normalkraft und s der Gleitweg ist.

Abb. 2 vergleicht den Reibungskoeffizienten (COF) der Block-auf-Ring-Prüfungen in trockener und geschmierter Umgebung. Der Block zeigt in trockener Umgebung deutlich mehr Reibung als in geschmierter. Der COF schwankt während der Einlaufphase in den ersten 50 Umdrehungen und erreicht für den Rest der Verschleißprüfung über 200 Umdrehungen einen konstanten Wert von ~0,8. Die in schwerem USP-Mineralöl geschmierte Block-auf-Ring-Prüfung zeigt dagegen über die gesamten 500.000 Umdrehungen einen konstant niedrigen COF von 0,09. Der Schmierstoff senkt den COF zwischen den Oberflächen erheblich, um das ~90-Fache.

Die Abbildungen 3 und 4 zeigen die optischen Aufnahmen und 2D-Querschnittsprofile der Verschleißspuren auf den Blöcken nach den trockenen und geschmierten Verschleißprüfungen. Volumen und Verschleißraten der Verschleißspuren sind in Tabelle 2 aufgeführt. Der Stahlblock weist nach der Trockenprüfung bei der niedrigeren Drehzahl von 72 rpm über 200 Umdrehungen ein großes Verschleißvolumen von 9,45 mm³ auf. Die Verschleißprüfung bei der höheren Drehzahl von 197 rpm über 500.000 Umdrehungen im Mineralöl erzeugt dagegen ein wesentlich kleineres Verschleißvolumen von 0,03 mm³.

Die Aufnahmen in Abb. 3 zeigen starken Verschleiß unter trockenen Bedingungen im Vergleich zum milden Verschleiß der geschmierten Prüfung. Hohe Wärme und starke Vibrationen während der Trockenprüfung fördern die Oxidation metallischer Partikel und führen zu starker Dreikörperabrasion. In der geschmierten Prüfung senkt das Mineralöl die Reibung und kühlt die Kontaktfläche; zudem trägt es die beim Verschleiß entstehenden abrasiven Partikel ab. Das führt zu einer deutlichen Senkung der Verschleißrate um den Faktor ~8×10⁵. Ein so großer Unterschied der Verschleißbeständigkeit in verschiedenen Umgebungen zeigt, wie wichtig eine passende Gleitverschleißsimulation unter realen Einsatzbedingungen ist.

Das Verschleißverhalten kann sich schon bei kleinen Änderungen der Prüfbedingungen drastisch ändern. Dank seiner Vielseitigkeit misst das Tribometer von NANOVEA Verschleiß unter Hochtemperatur-, Schmierungs- und Tribokorrosionsbedingungen. Die genaue Drehzahl- und Positionsregelung durch den modernen Motor erlaubt Verschleißprüfungen bei Drehzahlen von 0,001 bis 5000 rpm und macht es zum idealen Werkzeug für Forschungs- und Prüflabore, die Verschleiß unter verschiedenen tribologischen Bedingungen untersuchen.

Der Oberflächenzustand der Proben wurde mit dem berührungslosen optischen Profilometer von NANOVEA untersucht. Abb. 5 zeigt die Oberflächenmorphologie der Ringe nach den Verschleißprüfungen. Die Zylinderform ist entfernt, um die durch den Gleitverschleiß entstandene Morphologie und Rauheit besser darzustellen. Durch die Dreikörperabrasion während der trockenen Verschleißprüfung über 200 Umdrehungen wurde die Oberfläche deutlich aufgeraut. Block und Ring zeigen nach der Trockenprüfung eine Rauheit Ra von 14,1 bzw. 18,1 µm, gegenüber 5,7 und 9,1 µm nach der langen geschmierten Prüfung über 500.000 Umdrehungen bei höherer Drehzahl. Diese Prüfung zeigt, wie wichtig die richtige Schmierung des Kontakts zwischen Kolbenring und Zylinder ist. Ohne Schmierung beschädigt starker Verschleiß die Kontaktfläche schnell und führt zu einer irreversiblen Verschlechterung der Betriebsqualität bis hin zum Motorschaden.

In dieser Studie zeigen wir, wie das Tribometer von NANOVEA mit dem Block-auf-Ring-Modul nach der Norm ASTM G77 das Gleitverschleißverhalten einer Stahlpaarung bewertet. Der Schmierstoff spielt für die Verschleißeigenschaften der Werkstoffpaarung eine entscheidende Rolle. Das Mineralöl senkt die Verschleißrate des H-30-Blocks um den Faktor ~8×10⁵ und den COF um das ~90-Fache. Seine Vielseitigkeit macht das Tribometer von NANOVEA zum idealen Werkzeug, um Verschleißverhalten unter verschiedenen Schmierungs-, Hochtemperatur- und Tribokorrosionsbedingungen zu messen.

Das Tribometer von NANOVEA bietet präzise und reproduzierbare Verschleiß- und Reibungsprüfungen in ISO- und ASTM-konformen rotierenden und linearen Modi, mit optionalen Modulen für Hochtemperaturverschleiß, Schmierung und Tribokorrosion in einem vorintegrierten System. Das unerreichte Angebot von NANOVEA ist die ideale Lösung, um das gesamte Spektrum tribologischer Eigenschaften dünner oder dicker, weicher oder harter Beschichtungen, Schichten und Substrate zu bestimmen.