DE 
EN 
ES 
FR 
IT 
ZH 
JA 
PT 
TR 
KO 
PL 
AR Kategorie: Tribologische Prüfung
Bewertung des Reibungsverschleißes
BEWERTUNG VON REIBUNGSVERSCHLEISS
Autor:
Duanjie Li, PhD
Überarbeitet von
Jocelyn Esparza
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
3D WEAR TRACKs PROFILE
mehr Einblick in das grundlegende Verständnis zu geben
des Fretting-Verschleißmechanismus
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.
UND NUN ZU IHRER BEWERBUNG
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
Block-On-Ring-Verschleißtest
BEDEUTUNG DER BEWERTUNG DES BLOCK-AUF-RING-VERSCHLEISSES
Gleitverschleiß ist der fortschreitende Materialverlust, der dadurch entsteht, dass zwei Werkstoffe unter Belastung an der Kontaktfläche gegeneinander gleiten. Er tritt unweigerlich in einer Vielzahl von Branchen auf, in denen Maschinen und Motoren in Betrieb sind, darunter die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrt, die Öl- und Gasindustrie und viele andere. Eine solche Gleitbewegung führt zu ernsthaftem mechanischem Verschleiß und Materialtransfer an der Oberfläche, was zu einer verringerten Produktionseffizienz, Maschinenleistung oder sogar zu Schäden an der Maschine führen kann.
Beim Gleitverschleiß treten häufig komplexe Verschleißmechanismen an der Kontaktfläche auf, wie z. B. Adhäsionsverschleiß, Zweikörperabrieb, Dreikörperabrieb und Ermüdungsverschleiß. Das Verschleißverhalten von Werkstoffen wird maßgeblich von der Arbeitsumgebung wie Normalbelastung, Geschwindigkeit, Korrosion und Schmierung beeinflusst. Ein vielseitiges Tribometer die verschiedene realistische Arbeitsbedingungen simulieren können, sind ideal für die Verschleißbewertung.
Der Block-on-Ring-Test (ASTM G77) ist eine weit verbreitete Technik, die das Gleitverschleißverhalten von Materialien unter verschiedenen simulierten Bedingungen bewertet und eine zuverlässige Einstufung von Materialpaaren für bestimmte tribologische Anwendungen ermöglicht.
Der Block-on-Ring-Test (ASTM G77) ist eine weit verbreitete Technik, die das Gleitverschleißverhalten von Materialien unter verschiedenen simulierten Bedingungen bewertet und eine zuverlässige Einstufung von Materialpaaren für bestimmte tribologische Anwendungen ermöglicht.
MESSZIEL
In dieser Anwendung misst der Nanovea Mechanical Tester die YS- und UTS-Werte von Proben aus rostfreiem Stahl SS304 und Aluminiumlegierung Al6061. Die Proben wurden aufgrund ihrer allgemein anerkannten YS- und UTS-Werte ausgewählt, die die Zuverlässigkeit der Eindringmethoden von Nanovea belegen.
Das Gleitverschleißverhalten eines H-30-Blocks auf einem S-10-Ring wurde mit dem Tribometer von Nanovea unter Verwendung des Block-on-Ring-Moduls bewertet. Der H-30-Block besteht aus 01-Werkzeugstahl mit einer Härte von 30 HRC, während der S-10-Ring aus Stahl des Typs 4620 mit einer Oberflächenhärte von 58 bis 63 HRC und einem Ringdurchmesser von ~34,98 mm besteht. Um die Auswirkung auf das Verschleißverhalten zu untersuchen, wurden Block-on-Ring-Tests in trockenen und geschmierten Umgebungen durchgeführt. Schmierungstests wurden in USP-Schwermineralöl durchgeführt. Die Verschleißspur wurde mit Nanovea untersucht Berührungsloses 3D-Profilometer. Die Testparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Verschleißrate (K) wurde anhand der Formel K=V/(F×s) bewertet, wobei V das abgenutzte Volumen, F die normale Belastung und s die Gleitstrecke ist.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
Abbildung 2 vergleicht den Reibungskoeffizienten (COF) der Block-auf-Ring-Tests in trockenen und geschmierten Umgebungen. Der Block hat in einer trockenen Umgebung deutlich mehr Reibung als in einer geschmierten Umgebung. COF
schwankt während der Einlaufphase in den ersten 50 Umdrehungen und erreicht für den Rest des 200-Umdrehungen-Verschleißtests einen konstanten COF von ~0,8. Im Vergleich dazu zeigt der Block-on-Ring-Test, der mit der USP-Schwermineralölschmierung durchgeführt wurde, einen konstant niedrigen COF von 0,09 während des gesamten Verschleißtests mit 500.000 Umdrehungen. Das Schmiermittel reduziert den COF zwischen den Oberflächen deutlich um das ~90-fache.
Die Abbildungen 3 und 4 zeigen die optischen Bilder und 2D-Querschnittsprofile der Verschleißnarben auf den Blöcken nach trockenen und geschmierten Verschleißtests. Das Volumen der Verschleißspuren und die Verschleißraten sind in Tabelle 2 aufgeführt. Der Stahlblock nach dem Trockenverschleißtest bei einer niedrigeren Drehzahl von 72 U/min für 200 Umdrehungen weist ein großes Verschleißspurenvolumen von 9,45 mm˙ auf. Im Vergleich dazu erzeugt der Verschleißtest, der bei einer höheren Drehzahl von 197 U/min für 500.000 Umdrehungen im Mineralölschmierstoff durchgeführt wird, ein wesentlich kleineres Verschleißspurvolumen von 0,03 mm˙.
Die Bilder in Abbildung 3 zeigen, dass bei den Tests unter trockenen Bedingungen ein starker Verschleiß auftritt, verglichen mit dem geringen Verschleiß bei den Tests mit geschmiertem Verschleiß. Die hohe Hitze und die starken Vibrationen, die während des Trockenverschleißtests erzeugt werden, fördern die Oxidation der metallischen Ablagerungen, was zu einem starken Dreikörperabrieb führt. Bei der geschmierten Prüfung reduziert das Mineralöl die Reibung und kühlt die Kontaktfläche, während es gleichzeitig die beim Verschleiß entstehenden Abriebpartikel abtransportiert. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung der Verschleißrate um einen Faktor von ~8×10ˆ. Ein solch erheblicher Unterschied in der Verschleißfestigkeit in unterschiedlichen Umgebungen zeigt, wie wichtig eine korrekte Simulation des Gleitverschleißes unter realistischen Betriebsbedingungen ist.
Das Verschleißverhalten kann sich drastisch ändern, wenn kleine Änderungen der Testbedingungen eingeführt werden. Die Vielseitigkeit des Tribometers von Nanovea ermöglicht Verschleißmessungen bei hohen Temperaturen, bei Schmierung und unter Tribokorrosionsbedingungen. Dank der präzisen Geschwindigkeits- und Positionssteuerung durch den fortschrittlichen Motor können Verschleißtests bei Geschwindigkeiten von 0,001 bis 5000 U/min durchgeführt werden, was es zu einem idealen Werkzeug für Forschungs-/Testlabors macht, um den Verschleiß unter verschiedenen tribologischen Bedingungen zu untersuchen.
Der Oberflächenzustand der Proben wurde mit dem berührungslosen optischen Proÿlometer von Nanovea untersucht. Abbildung 5 zeigt die Oberflächenmorphologie der Ringe nach den Verschleißtests. Die Zylinderform ist entfernt, um die Oberflächenmorphologie und -rauheit, die durch den Gleitverschleißprozess entstanden ist, besser darstellen zu können. Während des Trockenverschleißtests mit 200 Umdrehungen kam es zu einer deutlichen Aufrauung der Oberfläche durch den Dreikörperabrieb. Der Block und der Ring weisen nach dem Trockenverschleißtest eine Rauheit Ra von 14,1 bzw. 18,1 µm auf, verglichen mit 5,7 und 9,1 µm beim Langzeitverschleißtest mit Schmierung und 500.000 Umdrehungen bei einer höheren Drehzahl. Dieser Test zeigt, wie wichtig die richtige Schmierung des Kolbenring-Zylinder-Kontakts ist. Starker Verschleiß beschädigt ohne Schmierung schnell die Kontaktfläche und führt zu einer irreversiblen Verschlechterung der Betriebsqualität und sogar zum Ausfall des Motors.
SCHLUSSFOLGERUNG
In dieser Studie zeigen wir, wie das Tribometer von Nanovea zur Bewertung des Gleitverschleißverhaltens eines Stahl-Metall-Paares mithilfe des Block-on-Ring-Moduls nach dem ASTM G77-Standard verwendet wird. Der Schmierstoff spielt eine entscheidende Rolle für die Verschleißeigenschaften des Werkstoffpaares. Das Mineralöl reduziert die Verschleißrate des H-30-Blocks um den Faktor ~8×10ˆ und den COF um das ~90-fache. Die Vielseitigkeit des Tribometers von Nanovea macht es zu einem idealen Werkzeug zur Messung des Verschleißverhaltens unter verschiedenen Schmier-, Hochtemperatur- und Tribokorrosionsbedingungen.
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.
UND NUN ZU IHRER BEWERBUNG
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.
UND NUN ZU IHRER BEWERBUNG
Dynamische Belastung Tribologie
Dynamische Belastung Tribologie
Einführung
Verschleiß findet in praktisch jedem Industriesektor statt und verursacht Kosten in Höhe von ~0,75% des BIP1. Die Tribologieforschung ist von entscheidender Bedeutung für die Verbesserung der Produktionseffizienz und der Anwendungsleistung sowie für die Erhaltung von Material, Energie und Umwelt. Vibrationen und Schwingungen treten bei einer Vielzahl von tribologischen Anwendungen unvermeidlich auf. Übermäßige externe Vibrationen beschleunigen den Verschleißprozess und verringern die Betriebsleistung, was zu katastrophalen Ausfällen der mechanischen Teile führt.
Herkömmliche Totlasttribometer bringen normale Lasten durch Massengewichte auf. Eine solche Belastungstechnik schränkt nicht nur die Belastungsmöglichkeiten auf eine konstante Last ein, sondern erzeugt auch starke unkontrollierte Schwingungen bei hohen Lasten und Geschwindigkeiten, was zu begrenzten und uneinheitlichen Bewertungen des Verschleißverhaltens führt. Eine zuverlässige Bewertung der Auswirkungen kontrollierter Schwingungen auf das Verschleißverhalten von Werkstoffen ist für Forschung und Entwicklung sowie für die Qualitätskontrolle in verschiedenen industriellen Anwendungen wünschenswert.
Die bahnbrechende Hochlast von Nanovea Tribometer verfügt über eine maximale Tragfähigkeit von 2000 N mit einem dynamischen Lastkontrollsystem. Das fortschrittliche pneumatische Druckluft-Ladesystem ermöglicht es Benutzern, das tribologische Verhalten eines Materials unter hohen normalen Belastungen zu bewerten, mit dem Vorteil, unerwünschte Vibrationen zu dämpfen, die während des Verschleißprozesses entstehen. Daher wird die Last direkt gemessen, ohne dass Pufferfedern wie bei älteren Konstruktionen erforderlich sind. Ein oszillierendes Belastungsmodul mit parallelem Elektromagneten erzeugt eine gut kontrollierte Schwingung mit der gewünschten Amplitude von bis zu 20 N und einer Frequenz von bis zu 150 Hz.
Die Reibung wird mit hoher Genauigkeit direkt anhand der auf den oberen Halter ausgeübten Seitenkraft gemessen. Die Verschiebung wird vor Ort überwacht und gibt Aufschluss über die Entwicklung des Verschleißverhaltens der Testproben. Der Verschleißtest unter kontrollierter Schwingungsbelastung kann auch in Korrosions-, Hochtemperatur-, Feuchtigkeits- und Schmierumgebungen durchgeführt werden, um die realen Arbeitsbedingungen für tribologische Anwendungen zu simulieren. Ein integrierter Hochgeschwindigkeitsmotor berührungsloses Profilometer Misst automatisch die Morphologie der Verschleißspur und das Verschleißvolumen in wenigen Sekunden.
Messung Zielsetzung
In dieser Studie zeigen wir die Leistungsfähigkeit des Nanovea T2000 Dynamic Load Tribometers bei der Untersuchung des tribologischen Verhaltens verschiedener Beschichtungs- und Metallproben unter kontrollierten Schwingungsbelastungen.
Testverfahren
Das tribologische Verhalten, z.B. der Reibungskoeffizient (COF) und die Verschleißfestigkeit einer 300 µm dicken verschleißfesten Beschichtung wurde mit dem Nanovea T2000 Tribometer und einem konventionellen Totlasttribometer unter Verwendung eines Stift-Scheibe-Aufbaus nach ASTM G992 bewertet und verglichen.
Separate Cu- und TiN-beschichtete Proben gegen eine 6 mm große Al₂O₃-Kugel unter kontrollierter Oszillation wurden im Dynamic Load Tribology Mode des Nanovea T2000 Tribometers bewertet.
Die Prüfparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Das integrierte 3D-Profilometer mit Zeilensensor tastet die Verschleißspur nach den Tests automatisch ab und liefert in Sekundenschnelle die genaueste Messung des Verschleißvolumens.
Ergebnisse und Diskussion
Pneumatisches Ladesystem vs. Totlastsystem
Das tribologische Verhalten einer verschleißfesten Beschichtung unter Verwendung des Nanovea T2000 Tribometers wird mit einem herkömmlichen Totlasttribometer (DL) verglichen. Die Entwicklung des COF der Beschichtung ist in Abb. 2 dargestellt. Wir stellen fest, dass die Beschichtung einen vergleichbaren COF-Wert von ~0,6 während des Verschleißtests aufweist. Die 20 Querschnittsprofile an verschiedenen Stellen der Verschleißspur in Abb. 3 zeigen jedoch, dass die Beschichtung unter dem Totlastsystem einen viel stärkeren Verschleiß erfährt.
Durch den Verschleißprozess des Totlastsystems bei hoher Belastung und Geschwindigkeit wurden intensive Vibrationen erzeugt. Der massive, konzentrierte Druck an der Kontaktfläche in Verbindung mit einer hohen Gleitgeschwindigkeit erzeugt erhebliche Gewichts- und Strukturschwingungen, die zu einem beschleunigten Verschleiß führen. Beim herkömmlichen Totlasttribometer wird die Belastung durch Massengewichte aufgebracht. Diese Methode ist bei niedrigeren Kontaktbelastungen unter milden Verschleißbedingungen zuverlässig; unter aggressiven Verschleißbedingungen bei höheren Belastungen und Geschwindigkeiten führen die erheblichen Vibrationen jedoch dazu, dass die Gewichte wiederholt ausschlagen, was zu einer ungleichmäßigen Verschleißspur und damit zu einer unzuverlässigen tribologischen Bewertung führt. Die berechnete Verschleißrate beträgt 8,0±2,4 x 10-4 mm3/N m, was eine hohe Verschleißrate und große Standardabweichung bedeutet.
Das Nanovea T2000 Tribometer ist mit einem dynamischen Kontroll-Ladesystem ausgestattet, um die Schwingungen zu dämpfen. Die normale Last wird mit Druckluft aufgebracht, wodurch unerwünschte Schwingungen während des Verschleißprozesses minimiert werden. Darüber hinaus sorgt die aktive Belastungssteuerung im geschlossenen Regelkreis dafür, dass während des gesamten Verschleißtests eine konstante Last aufgebracht wird und der Taststift der Tiefenänderung der Verschleißspur folgt. Wie in Abb. 3a zu sehen ist, wird ein deutlich gleichmäßigeres Profil der Verschleißspur gemessen, was zu einer niedrigen Verschleißrate von 3,4±0,5 x 10-4 mm3/N m führt.
Die in Abb. 4 gezeigte Analyse der Verschleißspur bestätigt, dass der Verschleißtest, der mit dem pneumatischen Druckluftsystem des Nanovea T2000 Tribometers durchgeführt wird, eine glattere und gleichmäßigere Verschleißspur im Vergleich zu einem konventionellen Totlasttribometer erzeugt. Darüber hinaus misst das Nanovea T2000 Tribometer die Verschiebung des Tastereinsatzes während des Verschleißprozesses, was einen weiteren Einblick in den Verlauf des Verschleißverhaltens in situ ermöglicht.
Kontrollierte Oszillation bei Abnutzung der Cu-Probe
Mit dem parallel oszillierenden Belastungs-Elektromagnetmodul des Nanovea T2000 Tribometers können die Auswirkungen von kontrollierten Amplituden- und Frequenzschwingungen auf das Verschleißverhalten von Materialien untersucht werden. Die COF der Cu-Proben wird in situ aufgezeichnet, wie in Abb. 6 dargestellt. Die Cu-Probe weist während der ersten Messung mit 330 Umdrehungen eine konstante COF von ~0,3 auf, was auf die Bildung eines stabilen Kontakts an der Grenzfläche und eine relativ glatte Verschleißspur hinweist. Im weiteren Verlauf des Verschleißtests deutet die Variation des COF auf eine Veränderung des Verschleißmechanismus hin. Im Vergleich dazu zeigen die Verschleißtests unter einer amplitudengesteuerten Oszillation von 5 N bei 50 N ein anderes Verschleißverhalten: Die COF steigt zu Beginn des Verschleißprozesses sofort an und zeigt während des gesamten Verschleißtests erhebliche Schwankungen. Dieses Verhalten der COF deutet darauf hin, dass die aufgezwungene Oszillation in der Normallast eine Rolle für den instabilen Gleitzustand am Kontakt spielt.
Abb. 7 vergleicht die mit dem integrierten berührungslosen optischen Profilometer gemessene Morphologie der Verschleißspur. Es ist zu beobachten, dass die Cu-Probe unter einer kontrollierten Schwingungsamplitude von 5 N eine viel größere Verschleißspur mit einem Volumen von 1,35 x 109 µm3 aufweist, verglichen mit 5,03 x 108 µm3 ohne auferlegte Schwingung. Die kontrollierte Oszillation beschleunigt die Verschleißrate signifikant um einen Faktor von ~2,7, was die kritische Wirkung der Oszillation auf das Verschleißverhalten zeigt.
Kontrollierte Oszillation bei der Abnutzung der TiN-Beschichtung
Die COF und die Verschleißspuren der TiN-Beschichtungsprobe sind in Abb. 8 dargestellt. Die TiN-Beschichtung weist ein deutlich unterschiedliches Verschleißverhalten unter Oszillation auf, wie die Entwicklung der COF während der Tests zeigt. Die TiN-Beschichtung zeigt nach der Einlaufphase zu Beginn des Verschleißtests einen konstanten COF von ~0,3, was auf den stabilen Gleitkontakt an der Schnittstelle zwischen der TiN-Beschichtung und der Al₂O₃-Kugel zurückzuführen ist. Wenn jedoch die TiN-Beschichtung zu versagen beginnt, dringt die Al₂O₃-Kugel durch die Beschichtung und gleitet gegen das frische Stahlsubstrat darunter. Gleichzeitig entsteht in der Verschleißspur eine beträchtliche Menge harter TiN-Beschichtungsreste, wodurch aus einem stabilen Zweikörper-Gleitverschleiß ein Dreikörper-Abriebverschleiß wird. Eine solche Änderung der Materialpaarungseigenschaften führt zu größeren Schwankungen bei der Entwicklung der COF. Die aufgezwungene Oszillation von 5 N und 10 N beschleunigt das Versagen der TiN-Beschichtung von ~400 Umdrehungen auf unter 100 Umdrehungen. Die größeren Verschleißspuren auf den TiN-Beschichtungsproben nach den Verschleißtests unter der kontrollierten Oszillation stehen im Einklang mit einer solchen Änderung der COF.
Schlussfolgerung
Das fortschrittliche pneumatische Belastungssystem des Nanovea T2000 Tribometers besitzt einen intrinsischen Vorteil als ein natürlich schneller Schwingungsdämpfer im Vergleich zu traditionellen Totlastsystemen. Dieser technologische Vorteil pneumatischer Systeme gilt auch im Vergleich zu lastgesteuerten Systemen, die eine Kombination aus Servomotoren und Federn zur Aufbringung der Last verwenden. Die Technologie gewährleistet eine zuverlässige und besser kontrollierte Verschleißbewertung bei hohen Belastungen, wie in dieser Studie gezeigt wurde. Darüber hinaus kann das aktive Lastsystem mit geschlossenem Regelkreis die normale Last während der Verschleißtests auf einen gewünschten Wert ändern, um reale Anwendungen in Bremssystemen zu simulieren.
Anstelle der Beeinflussung durch unkontrollierte Schwingungsbedingungen während der Tests haben wir gezeigt, dass das Nanovea T2000 Dynamic-Load Tribometer es dem Benutzer ermöglicht, das tribologische Verhalten von Materialien unter verschiedenen kontrollierten Schwingungsbedingungen quantitativ zu bewerten. Schwingungen spielen eine wichtige Rolle für das Verschleißverhalten von Metall- und Keramikbeschichtungsproben.
Das parallele elektromagnetische Schwingungsbelastungsmodul liefert präzise kontrollierte Schwingungen mit festgelegten Amplituden und Frequenzen, so dass der Benutzer den Verschleißprozess unter realen Bedingungen simulieren kann, bei denen Umgebungsschwingungen oft ein wichtiger Faktor sind. Bei Vorhandensein von aufgezwungenen Schwingungen während des Verschleißes zeigen sowohl die Cu- als auch die TiN-Beschichtungsproben eine deutlich erhöhte Verschleißrate. Die Entwicklung des Reibungskoeffizienten und die in situ gemessene Tasterauslenkung sind wichtige Indikatoren für die Leistung des Materials während der tribologischen Anwendungen. Das integrierte berührungslose 3D-Profilometer bietet ein Werkzeug zur präzisen Messung des Verschleißvolumens und zur sekundenschnellen Analyse der detaillierten Morphologie der Verschleißspuren, was zu einem besseren Verständnis des Verschleißmechanismus führt.
Das T2000 ist mit einem selbstabgestimmten, hochwertigen und drehmomentstarken Motor mit einem internen 20-Bit-Drehzahl- und einem externen 16-Bit-Positionsgeber ausgestattet. Er ermöglicht dem Tribometer einen unübertroffenen Drehzahlbereich von 0,01 bis 5000 U/min, der sich schrittweise oder kontinuierlich ändern kann. Im Gegensatz zu Systemen, die einen unten angebrachten Drehmomentsensor verwenden, nutzt das Nanovea-Tribometer eine oben angebrachte hochpräzise Kraftmesszelle, um die Reibungskräfte genau und separat zu messen.
Nanovea Tribometer bietet präzise und wiederholbare Verschleiß- und Reibungstests mit ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodi (einschließlich 4-Kugel-, Anlaufscheiben- und Block-auf-Ring-Tests), mit optionalen Hochtemperatur-Verschleiß-, Schmier- und Tribokorrosionsmodulen in einem vorintegrierten System. Die unübertroffene Bandbreite des Nanovea T2000 ist eine ideale Lösung für die Bestimmung des gesamten Spektrums tribologischer Eigenschaften von dünnen oder dicken, weichen oder harten Beschichtungen, Filmen und Substraten.
UND NUN ZU IHRER BEWERBUNG
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
UND NUN ZU IHRER BEWERBUNG
Bewertung der Reibung bei extrem niedrigen Geschwindigkeiten
Die Bedeutung der Reibungsbewertung bei niedrigen Geschwindigkeiten
Reibung ist die Kraft, die der Relativbewegung von aneinander gleitenden festen Oberflächen entgegenwirkt. Bei der Relativbewegung dieser beiden Kontaktflächen wandelt die Reibung an der Grenzfläche die kinetische Energie in Wärme um. Ein solcher Prozess kann auch zu Materialverschleiß und damit zu einer Leistungsverschlechterung der verwendeten Teile führen.
Aufgrund seines großen Dehnungsverhältnisses, seiner hohen Elastizität sowie seiner hervorragenden Wasserdichtigkeit und Verschleißfestigkeit wird Gummi in einer Vielzahl von Anwendungen und Produkten eingesetzt, bei denen Reibung eine wichtige Rolle spielt, z. B. in Autoreifen, Scheibenwischerblättern, Schuhsohlen und vielen anderen. Je nach Art und Anforderung dieser Anwendungen wird entweder eine hohe oder eine niedrige Reibung gegenüber verschiedenen Materialien gewünscht. Folglich ist eine kontrollierte und zuverlässige Messung der Reibung von Gummi auf verschiedenen Oberflächen von entscheidender Bedeutung.
Messung Zielsetzung
Der Reibungskoeffizient (COF) von Gummi gegenüber verschiedenen Materialien wird mit dem Nanovea kontrolliert und überwacht Tribometer. In dieser Studie möchten wir die Fähigkeit des Nanovea Tribometers zur Messung des COF verschiedener Materialien bei extrem niedrigen Geschwindigkeiten demonstrieren.
Ergebnisse und Diskussion
Der Reibungskoeffizient (COF) von Gummikugeln (Ø 6 mm, RubberMill) auf drei Materialien (Edelstahl SS 316, Cu 110 und optional Acryl) wurde mit dem Nanovea Tribometer bewertet. Die getesteten Metallproben wurden vor der Messung mechanisch auf eine spiegelglatte Oberfläche poliert. Durch die leichte Verformung des Gummiballs unter der aufgebrachten Normallast entstand ein Flächenkontakt, der auch dazu beiträgt, die Auswirkungen von Unebenheiten oder Inhomogenitäten der Probenoberfläche auf die COF-Messungen zu verringern. Die Prüfparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Die COF eines Gummiballs gegen verschiedene Materialien bei vier verschiedenen Geschwindigkeiten ist in Abbildung 2 dargestellt. 2 dargestellt, und die von der Software automatisch berechneten durchschnittlichen COFs werden in Abbildung 3 zusammengefasst und verglichen. Interessant ist, dass die Metallproben (SS 316 und Cu 110) deutlich höhere COFs aufweisen, wenn die Drehgeschwindigkeit von einem sehr niedrigen Wert von 0,01 U/min auf 5 U/min ansteigt - der COF-Wert des Paares Gummi/SSS 316 steigt von 0,29 auf 0,8 und von 0,65 auf 1,1 für das Paar Gummi/Cu 110. Diese Feststellung stimmt mit den von mehreren Labors berichteten Ergebnissen überein. Wie von Grosch vorgeschlagen4 Die Reibung von Gummi wird hauptsächlich durch zwei Mechanismen bestimmt: (1) die Adhäsion zwischen Gummi und dem anderen Material und (2) die Energieverluste durch die Verformung des Gummis aufgrund von Oberflächenunebenheiten. Schallamach5 beobachtete Ablösungswellen von Gummi vom Gegenmaterial an der Schnittstelle zwischen weichen Gummikugeln und einer harten Oberfläche. Die Kraft, mit der sich Gummi von der Substratoberfläche ablöst, und die Geschwindigkeit der Ablösewellen können die unterschiedliche Reibung bei verschiedenen Geschwindigkeiten während des Tests erklären.
Im Vergleich dazu weist das Gummi-Acrylat-Materialpaar bei verschiedenen Drehzahlen einen hohen COF-Wert auf. Der COF-Wert steigt leicht von ~ 1,02 auf ~ 1,09, wenn die Drehzahl von 0,01 U/min auf 5 U/min ansteigt. Dieser hohe COF-Wert ist möglicherweise auf eine stärkere lokale chemische Bindung an der Kontaktfläche zurückzuführen, die sich während der Tests bildet.
Schlussfolgerung
In dieser Studie zeigen wir, dass Gummi bei extrem niedrigen Geschwindigkeiten ein eigentümliches Reibungsverhalten zeigt - seine Reibung gegen eine harte Oberfläche nimmt mit zunehmender Geschwindigkeit der Relativbewegung zu. Gummi zeigt unterschiedliche Reibung, wenn er auf verschiedenen Materialien gleitet. Mit dem Nanovea Tribometer können die Reibungseigenschaften von Materialien bei verschiedenen Geschwindigkeiten kontrolliert und überwacht werden. Dies ermöglicht es den Anwendern, das grundlegende Verständnis des Reibungsmechanismus der Materialien zu verbessern und die beste Materialpaarung für gezielte tribologische Anwendungen auszuwählen.
Das Nanovea Tribometer bietet präzise und wiederholbare Verschleiß- und Reibungstests mit ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodi, mit optionalen Modulen für Hochtemperaturverschleiß, Schmierung und Tribokorrosion, die in einem vorintegrierten System erhältlich sind. Es ist in der Lage, die Rotationsstufe bei extrem niedrigen Geschwindigkeiten bis hinunter zu 0,01 U/min zu steuern und die Entwicklung der Reibung in situ zu überwachen. Das unübertroffene Angebot von Nanovea ist eine ideale Lösung für die Bestimmung des gesamten Spektrums der tribologischen Eigenschaften von dünnen oder dicken, weichen oder harten Beschichtungen, Filmen und Substraten.
UND NUN ZU IHRER BEWERBUNG
Tribologie der Polymere
Einführung
Polymere werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt und sind aus dem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Natürliche Polymere wie Bernstein, Seide und Naturkautschuk haben in der Geschichte der Menschheit eine wesentliche Rolle gespielt. Der Herstellungsprozess von synthetischen Polymeren kann optimiert werden, um einzigartige physikalische Eigenschaften wie Zähigkeit, Viskoelastizität, Selbstschmierung und viele andere zu erzielen.
Bedeutung des Verschleißes und der Reibung von Polymeren
Polymere werden in der Regel für tribologische Anwendungen wie Reifen, Lager und Förderbänder verwendet.
Je nach den mechanischen Eigenschaften des Polymers, den Kontaktbedingungen und den Eigenschaften des während des Verschleißvorgangs gebildeten Abriebs oder Transferfilms treten unterschiedliche Verschleißmechanismen auf. Um sicherzustellen, dass die Polymere unter den Einsatzbedingungen eine ausreichende Verschleißfestigkeit aufweisen, ist eine zuverlässige und quantifizierbare tribologische Bewertung erforderlich. Die tribologische Bewertung ermöglicht einen kontrollierten und überwachten quantitativen Vergleich des Verschleißverhaltens verschiedener Polymere, um das geeignete Material für die gewünschte Anwendung auszuwählen.
Das Nanovea Tribometer bietet wiederholbare Verschleiß- und Reibungstests mit ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodi, mit optionalen Hochtemperatur-Verschleiß- und Schmiermodulen, die in einem vorintegrierten System erhältlich sind. Mit diesem unübertroffenen Angebot können Benutzer die verschiedenen Arbeitsumgebungen der Polymere simulieren, einschließlich konzentrierter Belastung, Verschleiß und hoher Temperatur usw.
MESSZIEL
In dieser Studie haben wir gezeigt, dass Nanovea Tribometer ist ein ideales Werkzeug, um die Reibungs- und Verschleißfestigkeit verschiedener Polymere kontrolliert und quantitativ zu vergleichen.
TESTVORGANG
Der Reibungskoeffizient (COF) und die Verschleißfestigkeit verschiedener gängiger Polymere wurden mit dem Nanovea Tribometer bewertet. Als Gegenmaterial (Stift, statische Probe) wurde eine Al2O3-Kugel verwendet. Die Verschleißspuren auf den Polymeren (dynamisch rotierende Proben) wurden mit a gemessen berührungsloses 3D-Profilometer und optisches Mikroskop nach Abschluss der Tests. Es ist zu beachten, dass optional ein berührungsloser endoskopischer Sensor zur Messung der Eindringtiefe des Stifts in die dynamische Probe während eines Verschleißtests verwendet werden kann. Die Testparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Verschleißrate K wurde mithilfe der Formel K=Vl(Fxs) bewertet, wobei V das abgenutzte Volumen, F die normale Belastung und s die Gleitstrecke ist.
Bitte beachten Sie, dass in dieser Studie Al2O3-Kugeln als Gegenmaterial verwendet wurden. Jedes feste Material kann ersetzt werden, um die Leistung von zwei Proben unter realen Anwendungsbedingungen besser zu simulieren.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
Die Verschleißrate ist ein wichtiger Faktor für die Bestimmung der Lebensdauer der Materialien, während die Reibung bei tribologischen Anwendungen eine entscheidende Rolle spielt. Abbildung 2 vergleicht die Entwicklung der COF für verschiedene Polymere gegen die Al2O3-Kugel während der Verschleißtests. Die COF dient als Indikator dafür, wann es zu Ausfällen kommt und der Verschleißprozess in eine neue Phase eintritt. Von den getesteten Polymeren weist HDPE die niedrigste konstante COF von ~0,15 während des gesamten Verschleißtests auf. Die gleichmäßige COF bedeutet, dass sich ein stabiler Tribokontakt bildet.
In Abbildung 3 und Abbildung 4 werden die Verschleißspuren der Polymerproben nach dem Test mit dem Lichtmikroskop gemessen. Das berührungslose In-situ-3D-Profilometer bestimmt präzise das Abnutzungsvolumen der Polymerproben und ermöglicht die genaue Berechnung von Abnutzungsraten von 0,0029, 0,0020 bzw. 0,0032m3/N m. Im Vergleich dazu zeigt die CPVC-Probe die höchste Verschleißrate von 0,1121 m3/N m. In der Verschleißspur von CPVC sind tiefe parallele Verschleißnarben vorhanden.
SCHLUSSFOLGERUNG
Die Verschleißfestigkeit der Polymere spielt eine entscheidende Rolle für ihre Einsatzfähigkeit. In dieser Studie haben wir gezeigt, dass das Nanovea Tribometer den Reibungskoeffizienten und die Verschleißrate verschiedener Polymere in einem
gut kontrollierten und quantitativen Weise. HDPE weist unter den getesteten Polymeren den niedrigsten COF von ~0,15 auf. HDPE-, Nylon 66- und Polypropylen-Proben weisen niedrige Verschleißraten von 0,0029, 0,0020 bzw. 0,0032 m3/N m auf. Die Kombination aus geringer Reibung und hoher Verschleißfestigkeit macht HDPE zu einem guten Kandidaten für tribologische Anwendungen von Polymeren.
Das berührungslose In-situ-3D-Profilometer ermöglicht eine präzise Messung des Verschleißvolumens und bietet ein Werkzeug zur Analyse der detaillierten Morphologie der Verschleißspuren, was einen besseren Einblick in das grundlegende Verständnis der Verschleißmechanismen ermöglicht.
UND NUN ZU IHRER BEWERBUNG
Kontinuierliche Stribeck-Kurvenmessung mit Pin-on-Disk Tribometer
Einleitung:
Bei der Schmierung zur Verringerung des Verschleißes bzw. der Reibung von sich bewegenden Oberflächen kann der Schmierkontakt an der Grenzfläche zwischen verschiedenen Zuständen wie Grenz-, Misch- und hydrodynamischer Schmierung wechseln. Die Dicke des Flüssigkeitsfilms spielt bei diesem Prozess eine wichtige Rolle und wird hauptsächlich durch die Viskosität der Flüssigkeit, die auf die Schnittstelle wirkende Last und die relative Geschwindigkeit zwischen den beiden Oberflächen bestimmt. Wie die Schmiersysteme auf Reibung reagieren, wird in einer so genannten Stribeck-Kurve [1-4] dargestellt.
In dieser Studie demonstrieren wir zum ersten Mal die Fähigkeit, eine kontinuierliche Stribeck-Kurve zu messen. Verwendung von Nanovea Tribometer Fortschrittliche stufenlose Drehzahlregelung von 15.000 bis 0,01 U/min. Innerhalb von 10 Minuten liefert die Software direkt eine vollständige Stribeck-Kurve. Die einfache Ersteinrichtung erfordert lediglich die Auswahl des Exponentialrampenmodus und die Eingabe von Anfangs- und Endgeschwindigkeiten, anstatt mehrere Tests durchzuführen oder ein schrittweises Verfahren mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu programmieren, was für die herkömmlichen Stribeck-Kurvenmessungen eine Datenzusammenführung erfordert. Diese Weiterentwicklung liefert präzise Daten während der gesamten Bewertung des Schmierstoffregimes und reduziert Zeit und Kosten erheblich. Der Test zeigt ein großes Potenzial für den Einsatz in verschiedenen industriellen Ingenieuranwendungen.
Vergleich von schmierenden Augentropfen mit dem Tribometer Nanovea T50
Bedeutung der Prüfung von Augentropfenlösungen
Augentropfen werden zur Linderung von Symptomen eingesetzt, die durch eine Reihe von Augenproblemen verursacht werden. So können sie beispielsweise zur Behandlung kleinerer Augenreizungen (z. B. Trockenheit und Rötung), zur Verzögerung des Auftretens eines Glaukoms oder zur Behandlung von Infektionen eingesetzt werden. Freiverkäufliche Augentropfen werden hauptsächlich zur Behandlung von Trockenheit eingesetzt. Ihre Wirksamkeit bei der Befeuchtung des Auges kann mit einem Reibungskoeffiziententest verglichen und gemessen werden.
Trockene Augen können durch eine Vielzahl von Faktoren verursacht werden, z. B. durch Überanstrengung der Augen am Computer oder durch Aufenthalt im Freien bei extremen Wetterbedingungen. Gute feuchtigkeitsspendende Augentropfen tragen dazu bei, die Feuchtigkeit auf der Außenfläche der Augen zu erhalten und zu ergänzen. Dadurch werden die mit trockenen Augen verbundenen Beschwerden wie Brennen, Reizung und Rötung gelindert. Durch die Messung des Reibungskoeffizienten (COF) einer Augentropfenlösung lässt sich ihre Schmierwirkung ermitteln und mit anderen Lösungen vergleichen.
Messung Zielsetzung
In dieser Studie wurde der Reibungskoeffizient (COF) von drei verschiedenen schmierenden Augentropfenlösungen mit Hilfe des Stift-auf-Scheibe-Aufbaus auf dem Nanovea T50 Tribometer gemessen.
Testverfahren und -abläufe
Ein kugelförmiger Stift aus Aluminiumoxid mit einem Durchmesser von 6 mm wurde auf einem Glasobjektträger angebracht, wobei jede Augentropfenlösung als Schmiermittel zwischen den beiden Oberflächen diente. Die für alle Experimente verwendeten Testparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Ergebnisse und Diskussion
Die Maximal-, Minimal- und Durchschnittswerte des Reibungskoeffizienten für die drei getesteten Augentropfenlösungen sind in der folgenden Tabelle 2 aufgeführt. Die Diagramme COF gegen Umdrehungen für jede Augentropfenlösung sind in den Abbildungen 2-4 dargestellt. Der Reibungskoeffizient blieb bei jedem Test während des größten Teils der gesamten Testdauer relativ konstant. Probe A hatte den niedrigsten durchschnittlichen COF, was darauf hindeutet, dass sie die besten Schmiereigenschaften aufwies.
Schlussfolgerung
In dieser Studie zeigen wir die Fähigkeit des Nanovea T50 Tribometers, den Reibungskoeffizienten von drei Augentropfenlösungen zu messen. Anhand dieser Werte zeigen wir, dass Probe A einen niedrigeren Reibungskoeffizienten hat und daher im Vergleich zu den anderen beiden Proben eine bessere Schmierung aufweist.
Nanovea Tribometer bietet präzise und wiederholbare Verschleiß- und Reibungstests mit ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodulen. Es bietet außerdem optionale Hochtemperatur-Verschleiß-, Schmier- und Tribokorrosionsmodule, die in einem vorintegrierten System verfügbar sind. Diese Vielseitigkeit ermöglicht es Benutzern, die reale Anwendungsumgebung besser zu simulieren und das grundlegende Verständnis des Verschleißmechanismus und der tribologischen Eigenschaften verschiedener Materialien zu verbessern.
