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Kategorie: Lineare Tribologie

 

Verschleißtest der PTFE-Beschichtung

VERSCHLEISSTEST DER PTFE-BESCHICHTUNG

MIT TRIBOMETER UND MECHANISCHEM TESTER

Vorbereitet von

DUANJIE LI, PhD

EINFÜHRUNG

Polytetrafluorethylen (PTFE), allgemein bekannt als Teflon, ist ein Polymer mit einem außergewöhnlich niedrigen Reibungskoeffizienten (COF) und einer hervorragenden Verschleißfestigkeit, abhängig von den angewendeten Belastungen. PTFE weist eine hervorragende chemische Inertheit, einen hohen Schmelzpunkt von 327 °C (620 °F) auf und behält eine hohe Festigkeit, Zähigkeit und Selbstschmierung bei niedrigen Temperaturen bei. Die außergewöhnliche Verschleißfestigkeit von PTFE-Beschichtungen macht sie in einer Vielzahl industrieller Anwendungen sehr gefragt, beispielsweise in der Automobilindustrie, in der Luft- und Raumfahrt, in der Medizintechnik und insbesondere bei Kochgeschirr.

WICHTIGKEIT DER QUANTITATIVEN BEWERTUNG VON PTFE-BESCHICHTUNGEN

Die Kombination aus einem extrem niedrigen Reibungskoeffizienten (COF), ausgezeichneter Verschleißfestigkeit und außergewöhnlicher chemischer Inertheit bei hohen Temperaturen macht PTFE zur idealen Wahl für Antihaft-Pfannenbeschichtungen. Um seine mechanischen Prozesse während der Forschung und Entwicklung weiter zu verbessern und eine optimale Kontrolle über Fehlfunktionsvermeidungs- und Sicherheitsmaßnahmen im Qualitätskontrollprozess sicherzustellen, ist es von entscheidender Bedeutung, über eine zuverlässige Technik zur Mengenbewertung der tribomechanischen Prozesse von PTFE-Beschichtungen zu verfügen. Um die beabsichtigte Leistung sicherzustellen, ist eine genaue Kontrolle der Oberflächenreibung, des Verschleißes und der Haftung der Beschichtungen unerlässlich.

MESSZIEL

In dieser Anwendung wird der Verschleißprozess einer PTFE-Beschichtung für eine Antihaftpfanne mit dem NANOVEA Tribometer im linearen Hin- und Herbewegungsmodus simuliert.

NANOVEA T50

Kompaktes Tribometer mit freiem Gewicht

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Darüber hinaus wurde mit dem NANOVEA Mechanical Tester ein Mikrokratzhaftungstest durchgeführt, um die kritische Belastung des Haftungsfehlers der PTFE-Beschichtung zu bestimmen.

NANOVEA PB1000

Mechanischer Tester mit großer Plattform

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TESTVORGANG

ABNUTZUNGSTEST

LINEARER HIN- UND HERGESTELLTER VERSCHLEIß MIT EINEM TRIBOMETER

Das tribologische Verhalten der PTFE-Beschichtungsprobe, einschließlich des Reibungskoeffizienten (COF) und der Verschleißfestigkeit, wurde mit dem NANOVEA bewertet Tribometer im linearen Hin- und Herbewegungsmodus. Für die Beschichtung wurde eine Kugelspitze aus Edelstahl 440 mit einem Durchmesser von 3 mm (Klasse 100) verwendet. Der COF wurde während des PTFE-Beschichtungsverschleißtests kontinuierlich überwacht.

 

Die Verschleißrate K wurde mit der Formel K=V/(F×s)=A/(F×n) berechnet, wobei V das verschlissene Volumen, F die Normallast, s die Gleitstrecke und A ist die Querschnittsfläche der Verschleißspur und n ist die Anzahl der Hübe. Die Verschleißspurprofile wurden mit dem NANOVEA bewertet Optisches Profilometerund die Morphologie der Verschleißspuren wurde mit einem optischen Mikroskop untersucht.

PARAMETER DER VERSCHLEISSPRÜFUNG

LOAD 30 N
TESTDAUER 5 Minuten
GLEITGESCHWINDIGKEIT 80 U/min
AMPLITUDE DER SPUR 8 mm
REVOLUTIONEN 300
KUGEL-DIAMETER 3 mm
KUGELMATERIAL Edelstahl 440
SCHMIERMITTEL Keiner
ATMOSPHÄRE Luft
TEMPERATUR 230 °C (RT)
FEUCHTIGKEIT 43%

TESTVORGANG

SCRATCH TEST

Mikrokratz-Haftungstest mit mechanischem Tester

Die Messung der PTFE-Kratzhaftung wurde mit dem NANOVEA durchgeführt Mechanischer Tester mit einem 1200 Rockwell C Diamantstift (200 μm Radius) im Micro Scratch Tester-Modus.

 

Um die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse sicherzustellen, wurden drei Tests unter identischen Testbedingungen durchgeführt.

SCRATCH-TEST-PARAMETER

LADUNGSTYP Progressiv
ANFANGSLADUNG 0,01 mN
ENDLADUNG 20 mN
LADUNGSVERFAHREN 40 mN/min
SCRATCH LENGTH 3 mm
KREUZGESCHWINDIGKEIT, dx/dt 6,0 mm/min
EINDRINGKÖRPERGEOMETRIE 120o Rockwell C
INDENTER MATERIAL (Spitze) Diamant
RADIUS DER EINDRINGKÖRPERSPITZE 200 μm

ERGEBNISSE & DISKUSSION

LINEARER HIN- UND HERGESTELLTER VERSCHLEIß MIT EINEM TRIBOMETER

Der in situ aufgezeichnete COF ist in ABBILDUNG 1 dargestellt. Die Testprobe wies während der ersten 130 Umdrehungen einen COF von ~0,18 auf, was auf die geringe Klebrigkeit von PTFE zurückzuführen ist. Allerdings kam es zu einem plötzlichen Anstieg des COF auf ~1, sobald die Beschichtung durchbrach und das darunter liegende Substrat freilegte. Im Anschluss an die linearen Hin- und Herbewegungstests wurde das Verschleißspurprofil mit dem NANOVEA gemessen Berührungsloses optisches Profilometer, wie in ABBILDUNG 2 dargestellt. Aus den erhaltenen Daten wurde die entsprechende Verschleißrate mit ~2,78 × 10-3 mm3/Nm berechnet, während die Tiefe der Verschleißspur mit 44,94 µm ermittelt wurde.

Testaufbau für den PTFE-Beschichtungsverschleiß auf dem NANOVEA T50 Tribometer.

ABBILDUNG 1: COF-Entwicklung während des PTFE-Beschichtungsverschleißtests.

ABBILDUNG 2: Profilextraktion der Verschleißspur PTFE.

PTFE Vor dem Durchbruch

Max COF 0.217
Min COF 0.125
Durchschnittlicher COF 0.177

PTFE Nach Durchbruch

Max COF 0.217
Min COF 0.125
Durchschnittlicher COF 0.177

TABELLE 1: COF vor und nach Durchbruch beim Verschleißtest.

ERGEBNISSE & DISKUSSION

Mikrokratz-Haftungstest mit mechanischem Tester

Die Haftung der PTFE-Beschichtung auf dem Untergrund wird mittels Kratztests mit einem 200 µm Diamantstift gemessen. Die mikroskopische Aufnahme ist in ABBILDUNG 3 und ABBILDUNG 4 dargestellt. Die Entwicklung des COF und der Eindringtiefe ist in ABBILDUNG 5 dargestellt. Die Ergebnisse des Kratztests für die PTFE-Beschichtung sind in TABELLE 4 zusammengefasst. Mit zunehmender Belastung des Diamantstifts drang dieser zunehmend in die Beschichtung ein. was zu einer Erhöhung des COF führt. Bei Erreichen einer Belastung von ~8,5 N erfolgte der Durchbruch der Beschichtung und die Freilegung des Substrats unter hohem Druck, was zu einem hohen COF von ~0,3 führte. Der in TABELLE 2 gezeigte niedrige St Dev zeigt die Wiederholbarkeit des mit dem NANOVEA Mechanical Tester durchgeführten Kratztests für die PTFE-Beschichtung.

ABBILDUNG 3: Mikroaufnahme des vollständigen Kratzers auf PTFE (10X).

ABBILDUNG 4: Mikroaufnahme des vollständigen Kratzers auf PTFE (10X).

ABBILDUNG 5: Reibungsdiagramm, das die Linie des kritischen Versagenspunkts für PTFE zeigt.

SCRATCH Fehlerpunkt [N] Reibungskraft [N] COF
1 0.335 0.124 0.285
2 0.337 0.207 0.310
3 0.380 0.229 0.295
Durchschnitt 8.52 2.47 0.297
St. Dev 0.17 0.16 0.012

TABELLE 2: Zusammenfassung der kritischen Belastung, der Reibungskraft und des COF während des Kratztests.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Studie haben wir eine Simulation des Verschleißprozesses einer PTFE-Beschichtung für Antihaftpfannen mit dem NANOVEA T50 Tribometer im linearen Hin- und Herbewegungsmodus durchgeführt. Die PTFE-Beschichtung wies einen niedrigen COF von ~0,18 auf, der Durchbruch der Beschichtung erfolgte bei etwa 130 Umdrehungen. Die quantitative Bewertung der Haftung der PTFE-Beschichtung auf dem Metallsubstrat wurde mit dem NANOVEA Mechanical Tester durchgeführt, der die kritische Belastung für das Versagen der Beschichtungshaftung in diesem Test auf ~8,5 N feststellte.

 

Die NANOVEA-Tribometer bieten präzise und wiederholbare Verschleiß- und Reibungstestfunktionen im ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodus. Sie bieten optionale Module für Hochtemperaturverschleiß, Schmierung und Tribokorrosion, alle integriert in einem einzigen System. Diese Vielseitigkeit ermöglicht es Benutzern, reale Anwendungsumgebungen genauer zu simulieren und ein besseres Verständnis für die Verschleißmechanismen und tribologischen Eigenschaften verschiedener Materialien zu erlangen.

 

Die mechanischen Tester von NANOVEA bieten Nano-, Mikro- und Makromodule, die jeweils ISO- und ASTM-konforme Eindring-, Kratz- und Verschleißtestmodi umfassen und so die umfassendste und benutzerfreundlichste Palette an Testfunktionen bieten, die in einem einzigen System verfügbar sind.

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Polymerriemenverschleiß und Reibung mit einem Tribometer

POLYMER-GURTE

Abnutzung und Reibung mit einem TRIBOMETER

Vorbereitet von

DUANJIE LI, PhD

EINFÜHRUNG

Riemenantriebe übertragen Leistung und verfolgen die Relativbewegung zwischen zwei oder mehr rotierenden Wellen. Als einfache und kostengünstige Lösung mit minimalem Wartungsaufwand sind Riemenantriebe in einer Vielzahl von Anwendungen weit verbreitet, z. B. bei Bügelsägen, Sägewerken, Dreschmaschinen, Silogebläsen und Förderanlagen. Riemenantriebe können die Maschinen vor Überlast schützen sowie Schwingungen dämpfen und isolieren.

BEDEUTUNG DER VERSCHLEISSBEWERTUNG FÜR RIEMENANTRIEBE

Reibung und Verschleiß sind für die Riemen in einer riemengetriebenen Maschine unvermeidlich. Eine ausreichende Reibung sorgt für eine effektive Kraftübertragung ohne Schlupf, aber eine übermäßige Reibung kann den Riemen schnell verschleißen. Während des Betriebs des Riemenantriebs treten verschiedene Arten von Verschleiß auf, wie Ermüdung, Abrieb und Reibung. Um die Lebensdauer des Riemens zu verlängern und die Kosten und den Zeitaufwand für die Reparatur und den Austausch des Riemens zu senken, ist eine zuverlässige Bewertung des Verschleißverhaltens der Riemen wünschenswert, um die Lebensdauer des Riemens, die Produktionseffizienz und die Anwendungsleistung zu verbessern. Die genaue Messung des Reibungskoeffizienten und der Verschleißrate des Riemens erleichtert die Forschung und Entwicklung sowie die Qualitätskontrolle der Riemenproduktion.

Pneumatisches Tribometer für hohe Belastungen

MESSZIEL

In dieser Studie haben wir das Verschleißverhalten von Riemen mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen simuliert und verglichen, um die Leistungsfähigkeit des Systems zu demonstrieren. NANOVEA T2000 Tribometer bei der kontrollierten und überwachten Simulation des Verschleißprozesses des Riemens.

NANOVEA

T2000

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PRÜFVERFAHREN

Der Reibungskoeffizient (COF) und die Verschleißfestigkeit von zwei Riemen mit unterschiedlicher Oberflächenrauheit und -struktur wurden mit dem NANOVEA Hohe Belastung Tribometer unter Verwendung des linear hin- und hergehenden Verschleißmoduls. Als Gegenmaterial wurde eine Kugel aus Stahl 440 (10 mm Durchmesser) verwendet. Die Oberflächenrauheit und die Verschleißspur wurden mit einem integrierten Prüfgerät untersucht Berührungsloses 3D-Profilometer. Die Verschleißrate, Kwurde anhand der folgenden Formel bewertet K=Vl(Fxs), wobei V ist das abgenutzte Volumen, F ist die Normalbelastung und s ist die Gleitstrecke.

 

Bitte beachten Sie, dass in dieser Studie eine glatte 440er Stahlkugel als Beispiel verwendet wurde. Jedes feste Material mit unterschiedlichen Formen und Oberflächenbeschaffenheiten kann mit Hilfe spezieller Vorrichtungen verwendet werden, um die tatsächliche Anwendungssituation zu simulieren.

ERGEBNISSE & DISKUSSION

Der strukturierte Gürtel und der glatte Gürtel haben eine Oberflächenrauhigkeit Ra von 33,5 bzw. 8,7 um, wie aus den analysierten Oberflächenprofilen hervorgeht, die mit einer NANOVEA Berührungsloser optischer 3D-Profiler. Der COF und die Verschleißrate der beiden getesteten Riemen wurden bei 10 N bzw. 100 N gemessen, um das Verschleißverhalten der Riemen bei unterschiedlichen Belastungen zu vergleichen.

ABBILDUNG 1 zeigt die Entwicklung des COF der Riemen während der Verschleißtests. Die Riemen mit unterschiedlichen Texturen weisen ein deutlich unterschiedliches Verschleißverhalten auf. Interessanterweise erreicht der strukturierte Riemen nach der Einlaufphase, in der der COF allmählich ansteigt, einen niedrigeren COF von ~0,5 in beiden Tests, die mit einer Last von 10 N und 100 N durchgeführt wurden. Im Vergleich dazu weist der glatte Riemen, der mit einer Last von 10 N getestet wurde, einen deutlich höheren COF von ~1,4 auf, wenn der COF stabil wird, und bleibt für den Rest des Tests über diesem Wert. Der mit einer Belastung von 100 N getestete Glattriemen wurde durch die Stahlkugel 440 schnell verschlissen und bildete eine große Verschleißspur. Der Test wurde daher bei 220 Umdrehungen abgebrochen.

ABBILDUNG 1: Entwicklung des COF der Riemen bei unterschiedlichen Belastungen.

ABBILDUNG 2 vergleicht die 3D-Verschleißspurenbilder nach den Tests mit 100 N. Das berührungslose 3D-Profilometer NANOVEA bietet ein Werkzeug zur Analyse der detaillierten Morphologie der Verschleißspuren, das weitere Einblicke in das grundlegende Verständnis des Verschleißmechanismus ermöglicht.

TABELLE 1: Ergebnis der Analyse der Verschleißspuren.

ABBILDUNG 2:  3D-Ansicht der beiden Bänder
nach den Tests bei 100 N.

Das 3D-Verschleißspurprofil ermöglicht eine direkte und genaue Bestimmung des von der fortschrittlichen Analysesoftware berechneten Verschleißspurvolumens, wie in TABELLE 1 dargestellt. Bei einem Verschleißtest mit 220 Umdrehungen weist der Glattriemen eine viel größere und tiefere Verschleißspur mit einem Volumen von 75,7 mm3 auf, während das Verschleißvolumen des Strukturriemens nach einem Verschleißtest mit 600 Umdrehungen 14,0 mm3 beträgt. Die deutlich höhere Reibung des Glattriemens an der Stahlkugel führt zu einer 15-fach höheren Verschleißrate im Vergleich zum strukturierten Riemen.

 

Ein solch drastischer Unterschied der COF zwischen dem strukturierten und dem glatten Gürtel hängt möglicherweise mit der Größe der Kontaktfläche zwischen dem Gürtel und der Stahlkugel zusammen, was auch zu ihrem unterschiedlichen Verschleißverhalten führt. ABBILDUNG 3 zeigt die Verschleißspuren der beiden Riemen unter dem Lichtmikroskop. Die Untersuchung der Verschleißspuren stimmt mit der Beobachtung der COF-Entwicklung überein: Der strukturierte Gurt, der einen niedrigen COF von ~0,5 aufweist, zeigt nach dem Verschleißtest bei einer Belastung von 10 N keine Anzeichen von Verschleiß. Der glatte Gurt zeigt eine kleine Verschleißspur bei 10 N. Die Verschleißtests bei 100 N erzeugen sowohl auf dem strukturierten als auch auf dem glatten Gurt wesentlich größere Verschleißspuren, und die Verschleißrate wird anhand von 3D-Profilen berechnet, wie im folgenden Abschnitt erläutert wird.

ABBILDUNG 3:  Abnutzungsspuren unter dem Lichtmikroskop.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Studie haben wir die Fähigkeit des NANOVEA T2000 Tribometers aufgezeigt, den Reibungskoeffizienten und die Verschleißrate von Riemen kontrolliert und quantitativ zu bestimmen. Die Oberflächentextur spielt eine entscheidende Rolle für die Reibung und den Verschleißwiderstand der Riemen während ihres Einsatzes. Der strukturierte Riemen weist einen stabilen Reibungskoeffizienten von ~0,5 auf und besitzt eine lange Lebensdauer, was zu einem geringeren Zeit- und Kostenaufwand für die Reparatur oder den Austausch von Werkzeugen führt. Die übermäßige Reibung des glatten Riemens an der Stahlkugel führt dagegen zu einer schnellen Abnutzung des Riemens. Außerdem ist die Belastung des Riemens ein entscheidender Faktor für seine Lebensdauer. Eine Überlastung erzeugt eine sehr hohe Reibung, die zu einem beschleunigten Verschleiß des Riemens führt.

Das NANOVEA T2000 Tribometer bietet 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. NANOVEAs unmatched ist die ideale Lösung für die Bestimmung der gesamten Bandbreite tribologischer Eigenschaften von dünnen oder dicken, weichen oder harten Beschichtungen, Filmen und Substraten.

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Kolbenverschleißprüfung

Kolbenverschleißprüfung

Verwendung eines Tribometers

Vorbereitet von

FRANK LIU

EINFÜHRUNG

Der Reibungsverlust macht bei einem Dieselmotor etwa 10% der gesamten Energie im Kraftstoff aus.[1]. 40-55% der Reibungsverluste gehen auf das Konto des Antriebszylindersystems. Der Energieverlust durch Reibung kann durch ein besseres Verständnis der tribologischen Wechselwirkungen im System des Antriebszylinders verringert werden.

Ein erheblicher Teil der Reibungsverluste in einem Triebwerkzylinder stammt aus dem Kontakt zwischen Kolbenschaft und Zylinderlaufbuchse. Die Wechselwirkung zwischen Kolbenschaft, Schmiermittel und Zylindergrenzflächen ist aufgrund der ständigen Veränderungen von Kraft, Temperatur und Geschwindigkeit in einem realen Motor recht komplex. Die Optimierung jedes einzelnen Faktors ist der Schlüssel zum Erreichen einer optimalen Motorleistung. Diese Studie konzentriert sich auf die Nachbildung der Mechanismen, die die Reibungskräfte und den Verschleiß an den Grenzflächen zwischen Kolbenschaft, Schmiermittel und Zylinderlaufbuchse (P-L-C) verursachen.

 Schematische Darstellung des Antriebszylindersystems und der Schnittstellen Kolbenschaft-Schmiermittel-Zylinderlaufbuchse.

[1] Bai, Dongfang. Modellierung der Kolbenhemdschmierung in Verbrennungsmotoren. Diss. MIT, 2012

BEDEUTUNG DER PRÜFUNG VON KOLBEN MIT TRIBOMETERN

Motoröl ist ein Schmiermittel, das speziell für seine Anwendung entwickelt wurde. Zusätzlich zum Grundöl werden Additive wie Reinigungsmittel, Dispergiermittel, Viskositätsverbesserer (VI), Verschleißschutz-/Friktionsschutzmittel und Korrosionsinhibitoren zugesetzt, um die Leistung des Öls zu verbessern. Diese Additive wirken sich darauf aus, wie sich das Öl unter verschiedenen Betriebsbedingungen verhält. Das Verhalten des Öls wirkt sich auf die P-L-C-Grenzflächen aus und bestimmt, ob erheblicher Verschleiß durch Metall-Metall-Kontakt oder hydrodynamische Schmierung (sehr geringer Verschleiß) auftritt.

Es ist schwierig, die P-L-C-Schnittstellen zu verstehen, ohne den Bereich von externen Variablen zu isolieren. Es ist praktischer, das Ereignis unter Bedingungen zu simulieren, die für die reale Anwendung repräsentativ sind. Die Website NANOVEA Tribometer ist dafür ideal. Ausgestattet mit mehreren Kraftsensoren, einem Tiefensensor, einem Tropfen-für-Tropfen-Schmierstoffmodul und einem linearen Hubtisch NANOVEA T2000 ist in der Lage, die Vorgänge in einem Motorblock genau nachzubilden und wertvolle Daten zum besseren Verständnis der P-L-C-Schnittstellen zu gewinnen.

Flüssigkeitsmodul auf dem Tribometer NANOVEA T2000

Das Drop-by-Drop-Modul ist für diese Studie von entscheidender Bedeutung. Da sich Kolben sehr schnell bewegen können (über 3000 U/min), ist es schwierig, durch Eintauchen der Probe einen dünnen Schmierstofffilm zu erzeugen. Um dieses Problem zu beheben, ist das Drop-by-Drop-Modul in der Lage, eine konstante Menge an Schmiermittel auf die Oberfläche des Kolbenschafts aufzutragen.

Die Verwendung von frischem Schmierstoff beseitigt auch die Gefahr, dass gelöste Verschleißverunreinigungen die Eigenschaften des Schmierstoffs beeinträchtigen.

Pneumatisches Tribometer für hohe Belastungen

NANOVEA T2000

Tribometer für hohe Belastungen

MESSZIEL

In diesem Bericht werden die Schnittstellen zwischen Kolbenschaft, Schmiermittel und Zylinderlaufbuchse untersucht. Die Schnittstellen werden durch die Durchführung eines linearen Hin- und Herverschleißtests mit einem Drop-by-Drop-Schmierstoffmodul nachgebildet.

Der Schmierstoff wird bei Raumtemperatur und unter erwärmten Bedingungen aufgetragen, um Kaltstart- und optimale Betriebsbedingungen zu vergleichen. Die COF und die Verschleißrate werden beobachtet, um besser zu verstehen, wie sich die Schnittstellen in realen Anwendungen verhalten.

PRÜFPARAMETER

für tribologische Prüfungen an Kolben

LOAD ............................ 100 N

TESTDAUER ............................ 30 min

SPEED ............................ 2000 Umdrehungen pro Minute

AMPLITUDE ............................ 10 mm

GESAMTE ENTFERNUNG ............................ 1200 m

SKIRT-BESCHICHTUNG ............................ Molybdän-Graphit

PIN-MATERIAL ............................ Aluminiumlegierung 5052

PIN-DIAMETER ............................ 10 mm

SCHMIERMITTEL ............................ Motoröl (10W-30)

ANSCHLUSS. DURCHFLUSSRATE ............................ 60 mL/min

TEMPERATUR ............................ Raumtemperatur & 90°C

ERGEBNISSE DER LINEAREN HIN- UND HERBEWEGUNGSTESTS

In diesem Versuch wurde A5052 als Gegenmaterial verwendet. Während Motorblöcke normalerweise aus gegossenem Aluminium wie A356 hergestellt werden, hat A5052 für diesen Simulationsversuch ähnliche mechanische Eigenschaften wie A356 [2].

Unter den Testbedingungen wurde ein erheblicher Verschleiß
am Kolbenschaft bei Raumtemperatur beobachtet
im Vergleich zu 90°C. Die tiefen Kratzer auf den Proben deuten darauf hin, dass es während des Tests häufig zu einem Kontakt zwischen dem statischen Material und dem Kolbenschaft kommt. Die hohe Viskosität bei Raumtemperatur kann das Öl daran hindern, die Lücken an den Grenzflächen vollständig zu füllen und einen Metall-Metall-Kontakt herzustellen. Bei höherer Temperatur wird das Öl dünner und kann zwischen Bolzen und Kolben fließen. Infolgedessen wird bei höheren Temperaturen ein deutlich geringerer Verschleiß beobachtet. ABBILDUNG 5 zeigt, dass eine Seite der Verschleißnarbe deutlich weniger abgenutzt ist als die andere Seite. Dies ist höchstwahrscheinlich auf die Lage des Ölaustritts zurückzuführen. Die Dicke des Schmierfilms war auf einer Seite dicker als auf der anderen, was zu ungleichmäßigem Verschleiß führte.

 

 

[2] "5052-Aluminium vs. 356.0-Aluminium". MakeItFrom.com, makeitfrom.com/compare/5052-O-Aluminium/A356.0-SG70B-A13560-Cast-Aluminium

Der COF von linearen Tribologietests mit Hin- und Herbewegung kann in einen hohen und einen niedrigen Durchgang unterteilt werden. Der hohe Durchlauf bezieht sich auf die Bewegung der Probe in Vorwärts- oder positiver Richtung und der niedrige Durchlauf auf die Bewegung der Probe in Rückwärts- oder negativer Richtung. Der durchschnittliche COF für das RT-Öl lag in beiden Richtungen unter 0,1. Der durchschnittliche COF zwischen den Durchgängen betrug 0,072 und 0,080. Der durchschnittliche COF des 90°C-Öls wurde zwischen den Durchgängen unterschiedlich festgestellt. Es wurden durchschnittliche COF-Werte von 0,167 und 0,09 festgestellt. Der Unterschied im COF ist ein weiterer Beweis dafür, dass das Öl nur eine Seite des Stifts richtig benetzen konnte. Ein hoher COF-Wert wurde erreicht, wenn sich aufgrund der hydrodynamischen Schmierung ein dicker Film zwischen dem Bolzen und dem Kolbenschaft bildete. Ein niedrigerer COF wird in der anderen Richtung beobachtet, wenn eine Mischschmierung auftritt. Weitere Informationen über hydrodynamische Schmierung und Mischschmierung finden Sie in unserem Anwendungshinweis auf Stribeck-Kurven.

Tabelle 1: Ergebnisse der geschmierten Verschleißprüfung an Kolben.

ABBILDUNG 1: COF-Diagramme für den Ölverschleißtest bei Raumtemperatur A Rohprofil B Hochpass C Tiefpass.

ABBILDUNG 2: COF-Diagramme für den 90°C-Verschleißöltest A Rohprofil B Hochpass C Tiefpass.

ABBILDUNG 3: Optisches Bild der Verschleißnarbe aus dem RT-Motorölverschleißtest.

ABBILDUNG 4: Volumen einer Lochanalyse der Verschleißnarbe aus dem RT-Motorölverschleißtest.

ABBILDUNG 5: Profilometrischer Scan der Verschleißnarbe aus dem RT-Motorölverschleißtest.

ABBILDUNG 6: Optisches Bild einer Verschleißnarbe aus einem 90°C-Motorölverschleißtest

ABBILDUNG 7: Volumen einer Lochanalyse der Verschleißnarbe aus dem 90°C-Motorölverschleißtest.

ABBILDUNG 8: Profilometrischer Scan der Verschleißnarbe aus dem 90°C-Motorölverschleißtest.

SCHLUSSFOLGERUNG

An einem Kolben mit geschmierter linearer Hin- und Herbewegung wurde ein Verschleißtest durchgeführt, um die Vorgänge in einer
Motor im realen Betrieb. Die Schnittstellen zwischen Kolbenschaft, Schmiermittel und Zylinderlaufbuchse sind für den Betrieb eines Motors von entscheidender Bedeutung. Die Schmierstoffdicke an der Schnittstelle ist für den Energieverlust durch Reibung oder Verschleiß zwischen Kolbenschaft und Zylinderlaufbuchse verantwortlich. Um den Motor zu optimieren, muss die Schichtdicke so dünn wie möglich sein, ohne dass sich Kolbenschaft und Zylinderlaufbuchse berühren. Die Herausforderung besteht jedoch darin, wie sich Temperatur-, Geschwindigkeits- und Kraftänderungen auf die P-L-C-Grenzflächen auswirken.

Mit seinem breiten Belastungs- (bis zu 2000 N) und Drehzahlbereich (bis zu 15000 U/min) ist das NANOVEA T2000 Tribometer in der Lage, verschiedene in einem Motor mögliche Bedingungen zu simulieren. Mögliche zukünftige Studien zu diesem Thema beinhalten, wie sich die P-L-C-Grenzflächen unter verschiedenen konstanten Lasten, oszillierenden Lasten, Schmiermitteltemperaturen, Drehzahlen und Schmiermittelauftragsmethoden verhalten. Diese Parameter können mit dem NANOVEA T2000 Tribometer leicht eingestellt werden, um ein vollständiges Verständnis der Mechanismen der Grenzflächen zwischen Kolbenschaft, Schmierstoff und Zylinderlaufbuchse zu erhalten.

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Reibverschleißprüfung Tribologie

Bewertung des Reibungsverschleißes

BEWERTUNG VON REIBUNGSVERSCHLEISS

Bewertung des Reibungsverschleißes in der Luftfahrt

Autor:

Duanjie Li, PhD

Überarbeitet von

Jocelyn Esparza

Bewertung des Reibungsverschleißes im Bergbau und in der Metallurgie

EINFÜHRUNG

Reibung ist "ein spezieller Verschleißprozess, der an der Kontaktfläche zwischen zwei Werkstoffen auftritt, die unter Belastung stehen und durch Schwingungen oder andere Kräfte einer geringen Relativbewegung ausgesetzt sind". Wenn Maschinen in Betrieb sind, treten zwangsläufig Schwingungen in Verbindungen auf, die verschraubt oder verstiftet sind, zwischen Bauteilen, die sich nicht bewegen sollen, und in schwingenden Kupplungen und Lagern. Die Amplitude solcher relativen Gleitbewegungen liegt oft in der Größenordnung von Mikrometern bis Millimetern. Solche sich wiederholenden Bewegungen mit geringer Amplitude führen zu schwerwiegendem lokalem mechanischem Verschleiß und Materialübertrag an der Oberfläche, was zu einer verringerten Produktionseffizienz und Maschinenleistung oder sogar zu Schäden an der Maschine führen kann.

Bedeutung der quantitativen
Bewertung des Reibungsverschleißes

Beim Reibverschleiß treten häufig mehrere komplexe Verschleißmechanismen an der Kontaktfläche auf, darunter Zweikörperabrieb, Adhäsion und/oder Reibermüdungsverschleiß. Um den Reibverschleißmechanismus zu verstehen und das beste Material für den Reibverschleißschutz auszuwählen, ist eine zuverlässige und quantitative Bewertung des Reibverschleißes erforderlich. Das Reibverschleißverhalten wird maßgeblich von der Arbeitsumgebung wie Verschiebungsamplitude, normaler Belastung, Korrosion, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Schmierung beeinflusst. Ein vielseitiges Tribometer das die verschiedenen realistischen Arbeitsbedingungen simulieren kann, ist ideal für die Bewertung des Reibverschleißes.

Steven R. Lampman, ASM-Handbuch: Band 19: Ermüdung und Bruch
http://www.machinerylubrication.com/Read/693/fretting-wear

MESSZIEL

In dieser Studie haben wir das Abnutzungsverhalten einer Probe aus Edelstahl SS304 bei verschiedenen Schwinggeschwindigkeiten und Temperaturen untersucht, um die Fähigkeit von NANOVEA T50 Tribometer zur kontrollierten und überwachten Simulation des Reibungsverschleißprozesses von Metall.

NANOVEA

T50

TESTBEDINGUNGEN

Die Fretting-Verschleißfestigkeit einer Probe aus Edelstahl SS304 wurde bewertet durch NANOVEA Tribometer mit linearem Hubkolben-Verschleißmodul. Als Gegenmaterial wurde eine WC-Kugel (6 mm Durchmesser) verwendet. Die Verschleißspur wurde mit einem NANOVEA Berührungsloses 3D-Profiliergerät. 

Der Fretting-Test wurde bei Raumtemperatur (RT) und 200 °C, um die Auswirkung der hohen Temperatur auf die Verschleißfestigkeit der SS304-Probe zu untersuchen. Eine Heizplatte auf dem Probentisch erwärmte die Probe während des Reibungstests auf 200 °C. Die Verschleißrate, Kwurde anhand der folgenden Formel bewertet K=V/(F×s), wobei V ist das abgenutzte Volumen, F ist die Normallast, und s ist die Gleitstrecke.

Bitte beachten Sie, dass eine WC-Kugel als Gegenmaterial in dieser Studie als Beispiel verwendet wurde. Jedes feste Material mit unterschiedlicher Form und Oberflächenbeschaffenheit kann mit einer kundenspezifischen Vorrichtung verwendet werden, um die tatsächliche Anwendungssituation zu simulieren.

PRÜFPARAMETER

der Verschleißmessungen

ERGEBNISSE & DISKUSSION

Das 3D-Verschleißspurprofil ermöglicht die direkte und genaue Bestimmung des Volumenverlustes der Verschleißspur, der durch die NANOVEA Software zur Analyse von Bergen. 

Der Pendelverschleißtest bei einer niedrigen Drehzahl von 100 U/min und Raumtemperatur zeigt eine kleine Verschleißspur von 0,014 mm³. Im Vergleich dazu erzeugt der bei einer hohen Drehzahl von 1000 U/min durchgeführte Fretting-Verschleißtest eine wesentlich größere Verschleißspur mit einem Volumen von 0,12 mm³. Dieser beschleunigte Verschleißprozess kann auf die hohe Hitze und die starken Vibrationen während des Fretting-Verschleißtests zurückgeführt werden, die die Oxidation der metallischen Ablagerungen fördern und zu einem starken Dreikörperabrieb führen. Der Fretting-Verschleißtest bei einer erhöhten Temperatur von 200 °C bildet eine größere Verschleißspur von 0,27 mm³.

Die Abnutzungsprüfung bei 1000 U/min hat eine Abnutzungsrate von 1,5×10-4 mm³/Nm, das ist fast das Neunfache im Vergleich zu einem Pendelverschleißtest bei 100 U/min. Der Fretting-Verschleißtest bei erhöhter Temperatur beschleunigt die Verschleißrate weiter auf 3,4×10-4 mm³/Nm. Ein solch signifikanter Unterschied in der bei verschiedenen Geschwindigkeiten und Temperaturen gemessenen Verschleißfestigkeit zeigt, wie wichtig eine angemessene Simulation des Reibungsverschleißes für realistische Anwendungen ist.

Das Verschleißverhalten kann sich drastisch ändern, wenn kleine Änderungen der Prüfbedingungen in das Tribosystem eingeführt werden. Die Vielseitigkeit des NANOVEA Das Tribometer ermöglicht die Messung des Verschleißes unter verschiedenen Bedingungen, einschließlich hoher Temperatur, Schmierung, Korrosion und anderen. Dank der präzisen Geschwindigkeits- und Positionssteuerung durch den fortschrittlichen Motor kann der Benutzer den Verschleißtest bei Geschwindigkeiten von 0,001 bis 5000 U/min durchführen, was es zu einem idealen Werkzeug für Forschungs-/Testlabors macht, um den Reibungsverschleiß unter verschiedenen tribologischen Bedingungen zu untersuchen.

Abnutzungsspuren bei verschiedenen Bedingungen

unter dem Lichtmikroskop

Fretting-Verschleißspuren bei verschiedenen Bedingungen unter dem Lichtmikroskop

3D WEAR TRACKs PROFILE

mehr Einblick in das grundlegende Verständnis zu geben
des Fretting-Verschleißmechanismus

3d-Verschleißspurprofile - Fretting

ERGEBNISZUSAMMENFASSUNG DER VERSCHLEISSSPUREN

gemessen mit verschiedenen Testparametern

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Studie haben wir die Fähigkeit der NANOVEA Tribometer zur kontrollierten und quantitativen Bewertung des Reibungsverschleißverhaltens einer Probe aus Edelstahl SS304. 

Die Prüfgeschwindigkeit und die Temperatur spielen eine entscheidende Rolle für die Abnutzungsbeständigkeit der Werkstoffe durch Reiben. Die hohe Hitze und die starken Vibrationen während der Reibung führten zu einem erheblich beschleunigten Verschleiß der SS304-Probe um fast das Neunfache. Die erhöhte Temperatur von 200 °C erhöhte sich die Verschleißrate weiter auf 3,4×10-4 mm3/Nm. 

Die Vielseitigkeit des NANOVEA Tribometer ist ein ideales Werkzeug für die Messung von Reibungsverschleiß unter verschiedenen Bedingungen, einschließlich hoher Temperatur, Schmierung, Korrosion und anderen.

NANOVEA Tribometer bieten präzise und wiederholbare Verschleiß- und Reibungstests mit ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodi, wobei optionale Module für Hochtemperaturverschleiß, Schmierung und Tribokorrosion in einem vorintegrierten System erhältlich sind. Unser unübertroffenes Angebot ist eine ideale Lösung für die Bestimmung der gesamten Bandbreite tribologischer Eigenschaften von dünnen oder dicken, weichen oder harten Beschichtungen, Filmen und Substraten.

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Kugellager: Studie zur Verschleißfestigkeit bei hoher Krafteinwirkung



EINFÜHRUNG

Ein Kugellager verwendet Kugeln, um die Rotationsreibung zu reduzieren und radiale und axiale Belastungen zu unterstützen. Die rollenden Kugeln zwischen den Lagerringen erzeugen einen viel niedrigeren Reibungskoeffizienten (COF) im Vergleich zu zwei gegeneinander gleitenden flachen Oberflächen. Kugellager sind häufig hohen Kontaktspannungen, Verschleiß und extremen Umweltbedingungen wie hohen Temperaturen ausgesetzt. Daher ist die Verschleißfestigkeit der Kugeln unter hohen Belastungen und extremen Umgebungsbedingungen von entscheidender Bedeutung für die Verlängerung der Lebensdauer des Kugellagers, um Kosten und Zeit für Reparaturen und Austausch zu reduzieren.
Kugellager sind in fast allen Anwendungen zu finden, in denen bewegliche Teile beteiligt sind. Sie werden häufig in der Transportindustrie wie der Luft- und Raumfahrt und im Automobilbereich sowie in der Spielzeugindustrie eingesetzt, die Artikel wie Fidget Spinner und Skateboards herstellt.

BEWERTUNG DES KUGELLAGERVERSCHLEISSES BEI HOHEN BELASTUNGEN

Kugellager können aus einer umfangreichen Liste von Materialien hergestellt werden. Zu den häufig verwendeten Materialien gehören Metalle wie Edelstahl und Chromstahl oder Keramiken wie Wolframkarbid (WC) und Siliziumnitrid (Si3n4). Um sicherzustellen, dass die hergestellten Kugellager die erforderliche Verschleißfestigkeit aufweisen, die für die jeweiligen Einsatzbedingungen ideal ist, sind zuverlässige tribologische Untersuchungen unter hohen Belastungen erforderlich. Tribologische Tests helfen dabei, das Verschleißverhalten verschiedener Kugellager auf kontrollierte und überwachte Weise zu quantifizieren und gegenüberzustellen, um den besten Kandidaten für die Zielanwendung auszuwählen.

MESSZIEL

In dieser Studie stellen wir einen Nanovea vor Tribometer als ideales Hilfsmittel zum Vergleich der Verschleißfestigkeit verschiedener Kugellager unter hoher Belastung.

Abbildung 1: Aufbau des Lagertests.

PRÜFVERFAHREN

Der Reibungskoeffizient COF und die Verschleißfestigkeit der Kugellager aus verschiedenen Materialien wurden mit einem Nanovea-Tribometer bewertet. Als Gegenmaterial wurde Schleifpapier der Körnung P100 verwendet. Die Verschleißspuren der Kugellager wurden mittels a untersucht Nanovea 3D Non-Contact Profiler nach Abschluss der Verschleißtests. Die Testparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Verschleißrate, Kwurde anhand der folgenden Formel bewertet K=V/(F×s), wobei V ist das abgenutzte Volumen, F ist die Normalbelastung und s ist die Gleitstrecke. Ballabnutzungsnarben wurden bewertet von a Nanovea 3D-Berührungsloser Profiler zur Gewährleistung einer präzisen Messung des Verschleißvolumens.
Die automatisierte motorisierte radiale Positionierungsfunktion ermöglicht es dem Tribometer, den Radius der Verschleißspur während der Dauer eines Tests zu verringern. Dieser Testmodus wird Spiraltest genannt und stellt sicher, dass das Kugellager immer auf einer neuen Oberfläche des Schleifpapiers gleitet (Abbildung 2). Es verbessert die Wiederholbarkeit der Verschleißfestigkeitsprüfung der Kugel erheblich. Der fortschrittliche 20-Bit-Encoder für die interne Geschwindigkeitssteuerung und der 16-Bit-Encoder für die externe Positionssteuerung liefern präzise Echtzeit-Geschwindigkeits- und Positionsinformationen und ermöglichen eine kontinuierliche Anpassung der Drehzahl, um eine konstante lineare Gleitgeschwindigkeit am Kontakt zu erreichen.
Bitte beachten Sie, dass in dieser Studie Schleifpapier der Körnung P100 verwendet wurde, um das Verschleißverhalten zwischen verschiedenen Kugelmaterialien zu vereinfachen, und dass es durch jede andere Materialoberfläche ersetzt werden kann. Jedes feste Material kann ersetzt werden, um die Leistung einer Vielzahl von Materialkupplungen unter tatsächlichen Anwendungsbedingungen, beispielsweise in Flüssigkeiten oder Schmiermitteln, zu simulieren.

Abbildung 2: Darstellung der Spiraldurchgänge für das Kugellager auf dem Schleifpapier.
Tabelle 1: Prüfparameter der Verschleißmessungen.

 

ERGEBNISSE & DISKUSSION

Die Verschleißrate ist ein entscheidender Faktor für die Lebensdauer des Kugellagers, während ein niedriger COF wünschenswert ist, um die Leistung und Effizienz des Lagers zu verbessern. Abbildung 3 vergleicht die Entwicklung des COF für verschiedene Kugellager im Vergleich zum Sandpapier während der Tests. Die Cr-Stahlkugel weist während des Verschleißtests einen erhöhten COF von ~0,4 auf, verglichen mit ~0,32 und ~0,28 für SS440- und Al2O3-Kugellager. Andererseits weist die WC-Kugel während des gesamten Verschleißtests einen konstanten COF von ~0,2 auf. Während jedes Tests sind beobachtbare COF-Schwankungen zu beobachten, die auf Vibrationen zurückzuführen sind, die durch die Gleitbewegung der Kugellager auf der rauen Sandpapieroberfläche verursacht werden.

 

Abbildung 3: Entwicklung des COF während der Verschleißtests.

Abbildung 4 und Abbildung 5 vergleichen die Verschleißspuren der Kugellager, nachdem sie mit einem optischen Mikroskop bzw. einem berührungslosen optischen Profilmessgerät von Nanovea gemessen wurden, und Tabelle 2 fasst die Ergebnisse der Verschleißspuranalyse zusammen. Der Nanovea 3D-Profiler ermittelt präzise das Verschleißvolumen der Kugellager und ermöglicht so die Berechnung und den Vergleich der Verschleißraten verschiedener Kugellager. Es ist zu beobachten, dass die Cr-Stahl- und SS440-Kugeln nach den Verschleißtests im Vergleich zu den Keramikkugeln, also Al2O3 und WC, viel größere abgeflachte Verschleißnarben aufweisen. Die Kugeln aus Cr-Stahl und SS440 weisen vergleichbare Verschleißraten von 3,7×10-3 bzw. 3,2×10-3 m3/N·m auf. Im Vergleich dazu zeigt die Al2O3-Kugel eine erhöhte Verschleißfestigkeit mit einer Verschleißrate von 7,2×10-4 m3/N·m. Die WC-Kugel weist im flachen Verschleißbahnbereich kaum kleinere Kratzer auf, was zu einer deutlich reduzierten Verschleißrate von 3,3×10-6 mm3/N·m führt.

Abbildung 4: Verschleißnarben der Kugellager nach den Tests.

Abbildung 5: 3D-Morphologie der Verschleißnarben an den Kugellagern.

Tabelle 2: Verschleißnarbenanalyse der Kugellager.

Abbildung 6 zeigt Mikroskopbilder der Verschleißspuren, die durch die vier Kugellager auf dem Schleifpapier entstehen. Es ist offensichtlich, dass die WC-Kugel die stärkste Verschleißspur erzeugte (fast alle Sandpartikel auf ihrem Weg entfernte) und die beste Verschleißfestigkeit besitzt. Im Vergleich dazu hinterließen die Kugeln aus Cr-Stahl und SS440 eine große Menge Metallabrieb auf der Verschleißspur des Schleifpapiers.
Diese Beobachtungen verdeutlichen erneut die Bedeutung des Nutzens eines Spiraltests. Es stellt sicher, dass das Kugellager immer auf einer neuen Oberfläche des Schleifpapiers gleitet, was die Wiederholbarkeit einer Verschleißfestigkeitsprüfung deutlich verbessert.

Abbildung 6: Verschleißspuren auf dem Schleifpapier an verschiedenen Kugellagern.

SCHLUSSFOLGERUNG

Die Verschleißfestigkeit der Kugellager unter hohem Druck spielt eine entscheidende Rolle für ihre Betriebsleistung. Die Keramikkugellager verfügen über eine deutlich verbesserte Verschleißfestigkeit unter hohen Belastungsbedingungen und reduzieren den Zeit- und Kostenaufwand für die Reparatur oder den Austausch von Lagern. In dieser Studie weist das WC-Kugellager im Vergleich zu Stahllagern eine wesentlich höhere Verschleißfestigkeit auf, was es zu einem idealen Kandidaten für Lageranwendungen macht, bei denen starker Verschleiß auftritt.
Ein Nanovea-Tribometer ist mit einem hohen Drehmoment für Lasten bis zu 2000 N und einem präzisen und kontrollierten Motor für Drehzahlen von 0,01 bis 15.000 U/min ausgestattet. Es bietet wiederholbare Verschleiß- und Reibungstests mit ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodi, wobei optionale Hochtemperatur-Verschleiß- und Schmiermodule in einem vorintegrierten System verfügbar sind. Dieser unübertroffene Bereich ermöglicht es Benutzern, verschiedene schwere Arbeitsumgebungen der Kugellager zu simulieren, einschließlich hoher Beanspruchung, Verschleiß und hoher Temperatur usw. Es fungiert auch als ideales Werkzeug zur quantitativen Bewertung des tribologischen Verhaltens hochwertiger verschleißfester Materialien unter hohen Belastungen.
Ein berührungsloser 3D-Profiler von Nanovea liefert präzise Verschleißvolumenmessungen und fungiert als Werkzeug zur Analyse der detaillierten Morphologie der Verschleißspuren, was zusätzliche Einblicke in das grundlegende Verständnis der Verschleißmechanismen liefert.

Vorbereitet von
Duanjie Li, PhD, Jonathan Thomas und Pierre Leroux

Bewertung der Abnutzung und des Kratzens von oberflächenbehandeltem Kupferdraht

Bedeutung der Bewertung von Verschleiß und Kratzern bei Kupferdraht

Kupfer wird seit der Erfindung des Elektromagneten und des Telegrafen seit langem für die elektrische Verdrahtung verwendet. Kupferdrähte werden dank ihrer Korrosionsbeständigkeit, ihrer Lötbarkeit und ihrer Leistungsfähigkeit bei hohen Temperaturen von bis zu 150 °C in einer Vielzahl elektronischer Geräte wie Schalttafeln, Messgeräten, Computern, Geschäftsmaschinen und Haushaltsgeräten eingesetzt. Ungefähr die Hälfte des gesamten geförderten Kupfers wird für die Herstellung von elektrischen Drähten und Kabeln verwendet.

Die Oberflächenqualität von Kupferdrähten ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Anwendung. Mikrodefekte in Drähten können zu übermäßigem Verschleiß, Rissentstehung und -ausbreitung, verminderter Leitfähigkeit und unzureichender Lötbarkeit führen. Eine ordnungsgemäße Oberflächenbehandlung von Kupferdrähten beseitigt die beim Drahtziehen entstandenen Oberflächenfehler und verbessert die Korrosions-, Kratz- und Verschleißfestigkeit. Viele Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt mit Kupferdrähten erfordern ein kontrolliertes Verhalten, um unerwartete Ausfälle zu vermeiden. Um die Verschleiß- und Kratzfestigkeit der Kupferdrahtoberfläche richtig zu bewerten, sind quantifizierbare und zuverlässige Messungen erforderlich.

 
 

 

Messung Zielsetzung

In dieser Anwendung simulieren wir einen kontrollierten Verschleißprozess verschiedener Kupferdrahtoberflächenbehandlungen. Kratztests misst die Last, die erforderlich ist, um einen Ausfall der behandelten Oberflächenschicht zu verursachen. Diese Studie stellt den Nanovea vor Tribometer und Mechanischer Tester als ideale Werkzeuge zur Bewertung und Qualitätskontrolle elektrischer Leitungen.

 

 

Testverfahren und -abläufe

Der Reibungskoeffizient (COF) und die Verschleißfestigkeit von zwei verschiedenen Oberflächenbehandlungen auf Kupferdrähten (Draht A und Draht B) wurden mit dem Nanovea-Tribometer unter Verwendung eines linear hin- und hergehenden Verschleißmoduls bewertet. Als Gegenmaterial kommt bei dieser Anwendung eine Al₂O₃-Kugel (6 mm Durchmesser) zum Einsatz. Die Verschleißspur wurde mit Nanovea untersucht Berührungsloses 3D-Profilometer. Die Testparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Eine glatte Al₂O₃-Kugel als Gegenmaterial wurde in dieser Studie als Beispiel verwendet. Jedes feste Material mit unterschiedlicher Form und Oberflächenbeschaffenheit kann mit einer kundenspezifischen Vorrichtung aufgebracht werden, um die tatsächliche Anwendungssituation zu simulieren.

 

 

Mit dem mechanischen Prüfgerät von Nanovea, das mit einer Rockwell-C-Diamantnadel (Radius 100 μm) ausgestattet ist, wurden Kratztests mit progressiver Belastung an den beschichteten Drähten im Mikrokratzmodus durchgeführt. Die Parameter des Kratztests und die Geometrie der Spitze sind in Tabelle 2 aufgeführt.
 

 

 

 

Ergebnisse und Diskussion

Abnutzung von Kupferdraht:

Abbildung 2 zeigt die COF-Entwicklung der Kupferdrähte während der Verschleißtests. Draht A zeigt während des gesamten Verschleißtests einen stabilen COF von ~0,4, während Draht B in den ersten 100 Umdrehungen einen COF von ~0,35 aufweist, der dann schrittweise auf ~0,4 ansteigt.

 

Abbildung 3 vergleicht die Verschleißspuren der Kupferdrähte nach den Tests. Das berührungslose 3D-Profilometer von Nanovea bietet eine hervorragende Analyse der detaillierten Morphologie der Verschleißspuren. Es ermöglicht eine direkte und genaue Bestimmung des Volumens der Verschleißspuren, indem es ein grundlegendes Verständnis für den Verschleißmechanismus liefert. Die Oberfläche von Draht B weist nach einem Verschleißtest mit 600 Umdrehungen erhebliche Verschleißspurenschäden auf. Die 3D-Ansicht des Profilometers zeigt, dass die oberflächenbehandelte Schicht von Draht B vollständig entfernt wurde, was den Verschleißprozess erheblich beschleunigte. Dies hinterließ eine abgeflachte Verschleißspur auf Draht B, wo das Kupfersubstrat freiliegt. Dies kann zu einer erheblich verkürzten Lebensdauer von elektrischen Geräten führen, in denen Draht B verwendet wird. Im Vergleich dazu weist Draht A einen relativ geringen Verschleiß auf, der sich in einer flachen Verschleißspur auf der Oberfläche zeigt. Die oberflächenbehandelte Schicht auf Draht A ließ sich nicht wie die Schicht auf Draht B unter denselben Bedingungen abtragen.

Kratzfestigkeit der Kupferdrahtoberfläche:

Abbildung 4 zeigt die Kratzspuren auf den Drähten nach der Prüfung. Die Schutzschicht von Draht A weist eine sehr gute Kratzfestigkeit auf. Sie delaminiert bei einer Belastung von ~12,6 N. Im Vergleich dazu versagt die Schutzschicht von Draht B bei einer Belastung von ~1,0 N. Ein solch signifikanter Unterschied in der Kratzfestigkeit dieser Drähte trägt zu ihrer Verschleißleistung bei, wobei Draht A eine wesentlich höhere Verschleißfestigkeit aufweist. Die Entwicklung der Normalkraft, des COF und der Tiefe während der Kratztests, die in Abb. 5 dargestellt sind, geben weitere Einblicke in das Versagen der Beschichtung während der Tests.

Schlussfolgerung

In dieser kontrollierten Studie stellten wir das Tribometer von Nanovea vor, das eine quantitative Bewertung der Verschleißfestigkeit von oberflächenbehandelten Kupferdrähten durchführt, und den mechanischen Tester von Nanovea, der eine zuverlässige Beurteilung der Kratzfestigkeit von Kupferdrähten ermöglicht. Die Oberflächenbehandlung von Drähten spielt eine entscheidende Rolle für die tribomechanischen Eigenschaften während ihrer Lebensdauer. Durch die richtige Oberflächenbehandlung von Drähten wird die Verschleiß- und Kratzfestigkeit erheblich verbessert, was für die Leistung und Lebensdauer elektrischer Drähte in rauen Umgebungen von entscheidender Bedeutung ist.

Das Tribometer von Nanovea bietet präzise und wiederholbare Verschleiß- und Reibungstests im ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodus, mit optionalen Modulen für Hochtemperaturverschleiß, Schmierung und Tribokorrosion, die in einem vorintegrierten System verfügbar sind. Das unübertroffene Sortiment von Nanovea ist eine ideale Lösung zur Bestimmung des gesamten Spektrums tribologischer Eigenschaften dünner oder dicker, weicher oder harter Beschichtungen, Filme und Substrate.

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Einfluss von Luftfeuchtigkeit auf die Tribologie von DLC-Beschichtungen

Bedeutung der Abnutzungsbewertung von DLC bei Luftfeuchtigkeit

Beschichtungen aus diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) verfügen über verbesserte tribologische Eigenschaften, nämlich eine hervorragende Verschleißfestigkeit und einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten (COF). DLC-Beschichtungen verleihen Diamanteigenschaften, wenn sie auf verschiedenen Materialien abgeschieden werden. Aufgrund ihrer günstigen tribomechanischen Eigenschaften sind DLC-Beschichtungen in verschiedenen industriellen Anwendungen bevorzugt, beispielsweise für Teile in der Luft- und Raumfahrt, Rasierklingen, Metallschneidewerkzeuge, Lager, Motorradmotoren und medizinische Implantate.

DLC-Beschichtungen weisen unter Hochvakuum und trockenen Bedingungen einen sehr niedrigen COF (unter 0,1) gegenüber Stahlkugeln auf12. DLC-Beschichtungen reagieren jedoch empfindlich auf Veränderungen der Umweltbedingungen, insbesondere der relativen Luftfeuchtigkeit (RH).3. Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit und Sauerstoffkonzentration können zu einem erheblichen Anstieg der COF führen4. Zuverlässige Verschleißbewertung bei kontrollierter Luftfeuchtigkeit simuliert realistische Umgebungsbedingungen von DLC-Beschichtungen für tribologische Anwendungen. Benutzer wählen durch einen entsprechenden Vergleich die besten DLC-Beschichtungen für ihre Zielanwendungen aus
des DLC-Verschleißverhaltens bei unterschiedlicher Luftfeuchtigkeit.



Messung Zielsetzung

Diese Studie stellt den Nanovea vor Tribometer Ausgestattet mit einem Feuchtigkeitsregler ist das ideale Werkzeug zur Untersuchung des Verschleißverhaltens von DLC-Beschichtungen bei verschiedenen relativen Luftfeuchtigkeiten.

 

 



Testverfahren

Reibung und Verschleißfestigkeit von DLC-Beschichtungen wurden mit dem Nanovea Tribometer bewertet. Die Testparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Ein an der Tribokammer angebrachter Feuchtigkeitsregler regelte die relative Luftfeuchtigkeit (RH) präzise mit einer Genauigkeit von ±1%. Verschleißspuren auf DLC-Beschichtungen und Verschleißnarben auf SiN-Kugeln wurden nach Tests mit einem optischen Mikroskop untersucht.

Hinweis: Jedes feste Kugelmaterial kann verwendet werden, um die Leistung verschiedener Materialkopplungen unter Umgebungsbedingungen wie Schmiermittel oder hohen Temperaturen zu simulieren.







Ergebnisse und Diskussion

DLC-Beschichtungen sind aufgrund ihrer geringen Reibung und überlegenen Verschleißfestigkeit hervorragend für tribologische Anwendungen geeignet. Die Reibung der DLC-Beschichtung zeigt ein feuchtigkeitsabhängiges Verhalten, wie in Abbildung 2 dargestellt. Die DLC-Beschichtung zeigt einen sehr niedrigen COF von ~0,05 während des gesamten Verschleißtests unter relativ trockenen Bedingungen (10% RH). Die DLC-Beschichtung weist während des Tests einen konstanten COF von ~0,1 auf, wenn die RH auf 30% ansteigt. Die erste Einlaufphase der COF wird in den ersten 2000 Umdrehungen beobachtet, wenn die relative Luftfeuchtigkeit über 50% steigt. Die DLC-Beschichtung zeigt eine maximale COF von ~0,20, ~0,26 und ~0,33 bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50, 70 bzw. 90%. Nach der Einlaufphase bleibt der COF der DLC-Beschichtung konstant bei ~0,11, 0,13 und 0,20 bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50, 70 bzw. 90%.

 



In Abbildung 3 werden die Verschleißspuren der SiN-Kugel und in Abbildung 4 die Verschleißspuren der DLC-Beschichtung nach den Verschleißtests verglichen. Der Durchmesser der Verschleißnarbe war kleiner, wenn die DLC-Beschichtung einer Umgebung mit geringer Luftfeuchtigkeit ausgesetzt war. Während des wiederholten Gleitvorgangs an der Kontaktfläche sammelt sich eine DLC-Schicht auf der SiN-Kugeloberfläche an. In dieser Phase gleitet die DLC-Beschichtung gegen ihre eigene Transferschicht, die als effizientes Schmiermittel die Relativbewegung erleichtert und den durch Scherverformung verursachten weiteren Massenverlust eindämmt. In der Verschleißnarbe der SiN-Kugel wird in Umgebungen mit niedriger Luftfeuchtigkeit (z. B. 10% und 30%) ein Übertragungsfilm beobachtet, der zu einem verlangsamten Verschleißprozess der Kugel führt. Dieser Verschleißprozess spiegelt sich in der Morphologie der Verschleißspur der DLC-Beschichtung wider, wie in Abbildung 4 dargestellt. Die DLC-Beschichtung weist in trockenen Umgebungen eine kleinere Verschleißspur auf, was auf die Bildung eines stabilen DLC-Übertragungsfilms an der Kontaktfläche zurückzuführen ist, der die Reibung und die Verschleißrate erheblich verringert.


 


Schlussfolgerung




Luftfeuchtigkeit spielt eine entscheidende Rolle für die tribologische Leistung von DLC-Beschichtungen. Die DLC-Beschichtung verfügt über eine deutlich verbesserte Verschleißfestigkeit und eine überlegen niedrige Reibung unter trockenen Bedingungen aufgrund der Bildung einer stabilen Graphitschicht, die auf das gleitende Gegenstück (in dieser Studie eine SiN-Kugel) übertragen wird. Die DLC-Beschichtung gleitet auf ihrer eigenen Übertragungsschicht, die als effizientes Schmiermittel fungiert, um die Relativbewegung zu erleichtern und weiteren Massenverlust durch Scherverformung einzudämmen. Mit zunehmender relativer Luftfeuchtigkeit wird auf der SiN-Kugel kein Film beobachtet, was zu einer erhöhten Verschleißrate der SiN-Kugel und der DLC-Beschichtung führt.

Das Nanovea Tribometer bietet wiederholbare Verschleiß- und Reibungstests im ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodus, wobei optionale Feuchtigkeitsmodule in einem vorintegrierten System verfügbar sind. Es ermöglicht Benutzern die Simulation der Arbeitsumgebung bei unterschiedlicher Luftfeuchtigkeit und bietet Benutzern ein ideales Werkzeug zur quantitativen Bewertung des tribologischen Verhaltens von Materialien unter verschiedenen Arbeitsbedingungen.



Erfahren Sie mehr über das Nanovea Tribometer und den Laborservice

1 C. Donnet, Surf. Coat. Technol. 100-101 (1998) 180.

2 K. Miyoshi, B. Pohlchuck, K.W. Street, J.S. Zabinski, J.H. Sanders, A.A. Voevodin, R.L.C. Wu, Wear 225-229 (1999) 65.

3 R. Gilmore, R. Hauert, Surf. Coat. Technol. 133-134 (2000) 437.

4 R. Memming, H.J. Tolle, P.E. Wierenga, Thin Solid Coatings 143 (1986) 31


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Vergleich der Abriebfestigkeit von Denim

Einführung

Die Form und Funktion eines Stoffes wird durch seine Qualität und Haltbarkeit bestimmt. Durch den täglichen Gebrauch von Stoffen kommt es zu Abnutzungserscheinungen, wie z. B. Knötchenbildung, Ausfransen und Verfärbung des Materials. Eine minderwertige Stoffqualität bei Kleidung führt oft zu Unzufriedenheit beim Verbraucher und schadet der Marke.

Der Versuch, die mechanischen Eigenschaften von Geweben zu quantifizieren, kann viele Herausforderungen mit sich bringen. Die Garnstruktur und sogar die Fabrik, in der es hergestellt wurde, können zu einer schlechten Reproduzierbarkeit der Testergebnisse führen. Dies erschwert den Vergleich von Testergebnissen aus verschiedenen Labors. Die Messung des Verschleißverhaltens von Stoffen ist für die Hersteller, Verteiler und Einzelhändler in der Textilproduktionskette von entscheidender Bedeutung. Eine gut kontrollierte und reproduzierbare Messung der Verschleißfestigkeit ist entscheidend für eine zuverlässige Qualitätskontrolle des Gewebes.

Klicken Sie hier, um den vollständigen Anwendungshinweis zu lesen!

Rotativer oder linearer Verschleiß & COF? (Eine umfassende Studie unter Verwendung des Nanovea Tribometers)

Unter Verschleiß versteht man den Prozess der Abtragung und Verformung von Material auf einer Oberfläche infolge der mechanischen Einwirkung der gegenüberliegenden Oberfläche. Es wird durch eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst, darunter unidirektionales Gleiten, Rollen, Geschwindigkeit, Temperatur und viele andere. Das Studium des Verschleißes, der Tribologie, umfasst viele Disziplinen, von Physik und Chemie bis hin zu Maschinenbau und Materialwissenschaften. Die komplexe Natur des Verschleißes erfordert isolierte Studien zu spezifischen Verschleißmechanismen oder -prozessen, wie z. B. adhäsiver Verschleiß, abrasiver Verschleiß, Oberflächenermüdung, Reibverschleiß und erosiver Verschleiß. Bei „industrieller Abnutzung“ handelt es sich jedoch häufig um mehrere Verschleißmechanismen, die synergetisch wirken.

Lineare hin- und hergehende und rotative Verschleißtests (Stift auf Scheibe) sind zwei weit verbreitete ASTM-konforme Aufbauten zur Messung des Gleitverschleißverhaltens von Materialien. Da der Verschleißratenwert einer Verschleißtestmethode häufig zur Vorhersage der relativen Rangfolge von Materialkombinationen verwendet wird, ist es äußerst wichtig, die Wiederholbarkeit der mit verschiedenen Testaufbauten gemessenen Verschleißrate zu bestätigen. Dadurch können Benutzer den in der Literatur angegebenen Verschleißratenwert sorgfältig berücksichtigen, was für das Verständnis der tribologischen Eigenschaften von Materialien von entscheidender Bedeutung ist.

Mehr lesen!

Bewertung von Bremsbelägen mit Tribologie


Wichtigkeit der Bewertung der Bremsbelagleistung

Bremsbeläge sind Verbundwerkstoffe, d. h. ein Material, das aus mehreren Bestandteilen besteht und eine Vielzahl von Sicherheitsanforderungen erfüllen muss. Ideale Bremsbeläge haben einen hohen Reibungskoeffizienten (COF), eine geringe Verschleißrate, minimale Geräuschentwicklung und bleiben auch unter wechselnden Bedingungen zuverlässig. Um sicherzustellen, dass die Qualität der Bremsbeläge den Anforderungen entspricht, können mit Hilfe von tribologischen Tests kritische Spezifikationen ermittelt werden.


Die Zuverlässigkeit von Bremsbelägen ist von großer Bedeutung; die Sicherheit der Fahrgäste darf niemals vernachlässigt werden. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Betriebsbedingungen zu reproduzieren und mögliche Fehlerstellen zu identifizieren.
Mit dem Nanovea TribometerDabei wird eine konstante Last zwischen einem Stift, einer Kugel oder einer Fläche und einem sich ständig bewegenden Gegenmaterial ausgeübt. Die Reibung zwischen den beiden Materialien wird mit einer steifen Wägezelle erfasst, was die Erfassung von Materialeigenschaften bei unterschiedlichen Belastungen und Geschwindigkeiten ermöglicht und in Umgebungen mit hohen Temperaturen, Korrosion oder Flüssigkeiten getestet wird.



Messung Zielsetzung

In dieser Studie wurde der Reibungskoeffizient der Bremsbeläge unter einer kontinuierlich ansteigenden Umgebungstemperatur von Raumtemperatur bis 700°C untersucht. Die Umgebungstemperatur wurde in-situ erhöht, bis ein spürbares Versagen des Bremsbelags beobachtet wurde. Ein Thermoelement wurde auf der Rückseite des Stifts angebracht, um die Temperatur in der Nähe der Gleitfläche zu messen.



Testverfahren und -abläufe




Ergebnisse und Diskussion

Diese Studie konzentriert sich hauptsächlich auf die Temperatur, bei der Bremsbeläge zu versagen beginnen. Die ermittelten COF entsprechen nicht den realen Werten; das Material der Stifte ist nicht dasselbe wie das der Bremsscheiben. Außerdem ist zu beachten, dass es sich bei den erfassten Temperaturdaten um die Temperatur des Stifts und nicht um die Temperatur der Gleitfläche handelt

 








Zu Beginn des Tests (Raumtemperatur) ergab der COF zwischen dem SS440C-Stift und dem Bremsbelag einen konstanten Wert von etwa 0,2. Mit steigender Temperatur nahm der COF stetig zu und erreichte bei 350°C einen Spitzenwert von 0,26. Nach 390°C beginnt der COF schnell zu sinken. Bei 450°C beginnt der COF wieder auf 0,2 anzusteigen, sinkt aber kurz darauf auf einen Wert von 0,05.


Die Temperatur, bei der die Bremsbeläge durchweg versagten, wurde bei Temperaturen über 500°C ermittelt. Jenseits dieser Temperatur war der COF nicht mehr in der Lage, den Ausgangswert von 0,2 beizubehalten.



Schlussfolgerung




Die Bremsbeläge haben bei einer Temperatur von über 500°C durchweg versagt. Ihr COF von 0,2 steigt langsam auf einen Wert von 0,26 an, bevor er am Ende des Tests (580°C) auf 0,05 sinkt. Der Unterschied zwischen 0,05 und 0,2 ist ein Faktor von 4. Das bedeutet, dass die Normalkraft bei 580°C viermal so hoch sein muss wie bei Raumtemperatur, um die gleiche Bremskraft zu erreichen!


Das Nanovea Tribometer ist zwar nicht Teil dieser Studie, kann aber auch Tests durchführen, um eine andere wichtige Eigenschaft von Bremsbelägen zu beobachten: die Verschleißrate. Durch den Einsatz unserer berührungslosen 3D-Profilometer kann das Volumen der Verschleißspur ermittelt werden, um zu berechnen, wie schnell sich die Proben abnutzen. Verschleißtests können mit dem Nanovea Tribometer unter verschiedenen Testbedingungen und Umgebungen durchgeführt werden, um die Betriebsbedingungen bestmöglich zu simulieren.

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