Kategorie: Rotations-Tribologie

Tribologie des Gesteins

FELSEN-TRIBOLOGIE

MIT NANOVEA TRIBOMETER

Vorbereitet von

DUANJIE LI, PhD

EINFÜHRUNG

Gesteine bestehen aus Mineralkörnern. Die Art und Häufigkeit dieser Mineralien sowie die chemische Bindungsstärke zwischen den Mineralkörnern bestimmen die mechanischen und tribologischen Eigenschaften der Gesteine. Abhängig von den geologischen Gesteinszyklen können Gesteine Transformationen durchlaufen und werden typischerweise in drei Haupttypen eingeteilt: magmatisch, sedimentär und metamorph. Diese Gesteine weisen unterschiedliche mineralische und chemische Zusammensetzungen, Permeabilitäten und Partikelgrößen auf, und diese Eigenschaften tragen zu ihrer unterschiedlichen Verschleißfestigkeit bei. Die Gesteinstribologie untersucht das Verschleiß- und Reibungsverhalten von Gesteinen unter verschiedenen geologischen und Umweltbedingungen.

WICHTIGKEIT DER FELSEN-TRIBOLOGIE

Während des Bohrvorgangs von Bohrlöchern treten verschiedene Arten der Abnutzung des Gesteins, einschließlich Abrieb und Reibung, auf, was zu erheblichen direkten Verlusten und Folgeverlusten führt, die auf die Reparatur und den Austausch von Bohrern und Schneidwerkzeugen zurückzuführen sind. Daher ist die Untersuchung der Bohrbarkeit, Bohrbarkeit, Schneidbarkeit und Abrasivität von Gesteinen in der Öl-, Gas- und Bergbauindustrie von entscheidender Bedeutung. Die Gesteinstribologieforschung spielt eine entscheidende Rolle bei der Auswahl der effizientesten und kostengünstigsten Bohrstrategien, steigert dadurch die Gesamteffizienz und trägt zur Einsparung von Materialien, Energie und Umwelt bei. Darüber hinaus ist die Minimierung der Oberflächenreibung äußerst vorteilhaft, da sie die Wechselwirkung zwischen Bohrmeißel und Gestein verringert, was zu einem geringeren Werkzeugverschleiß und einer verbesserten Bohr-/Schneideffizienz führt.

MESSZIEL

In dieser Studie haben wir die tribologischen Eigenschaften zweier Gesteinsarten simuliert und verglichen, um die Leistungsfähigkeit des NANOVEA T50 zu demonstrieren Tribometer bei der kontrollierten und überwachten Messung des Reibungskoeffizienten und der Verschleißrate von Gesteinen.

NANOVEA

T50

DIE MUSTER

TESTVORGANG

Der Reibungskoeffizient, COF und die Verschleißfestigkeit von zwei Gesteinsproben wurden mit dem NANOVEA T50 Tribometer unter Verwendung des Pin-on-Disc-Verschleißmoduls bewertet. Als Gegenmaterial wurde eine Al2O3-Kugel (6 mm Durchmesser) verwendet. Nach den Tests wurde die Verschleißspur mit dem NANOVEA Non-Contact Profilometer untersucht. Nachfolgend sind die Testparameter zusammengefasst.

Die Verschleißrate K wurde mithilfe der Formel K=V/(F×s)=A/(F×n) bewertet, wobei V das verschlissene Volumen, F die normale Belastung, s die Gleitstrecke und A ist die Querschnittsfläche der Verschleißspur und n ist die Anzahl der Umdrehungen. Oberflächenrauheit und Verschleißspurprofile wurden mit dem NANOVEA Optical Profilometer bewertet und die Verschleißspurmorphologie wurde mit einem optischen Mikroskop untersucht.

Bitte beachten Sie, dass in dieser Studie als Beispiel die Al2O3-Kugel als Gegenmaterial verwendet wurde. Jedes feste Material mit unterschiedlichen Formen kann mit einer maßgeschneiderten Vorrichtung aufgetragen werden, um die tatsächliche Anwendungssituation zu simulieren.

PRÜFPARAMETER

STAHLOBERFLÄCHE

Kalkstein, Marmor

VERSCHLEISSRINGRADIUS	5 mm
NORMALE KRAFT	10 N
TESTDAUER	10 Minuten
SPEED	100 U/min

ERGEBNISSE & DISKUSSION

Die Härte (H) und der Elastizitätsmodul (E) der Kalkstein- und Marmorproben werden in ABBILDUNG 1 unter Verwendung des Micro Indentation-Moduls des NANOVEA Mechanical Tester verglichen. Die Kalksteinprobe wies mit 0,53 bzw. 25,9 GPa niedrigere H- und E-Werte auf, im Gegensatz zu Marmor, der Werte von 1,07 für H und 49,6 GPa für E aufwies. Die relativ höhere Variabilität der H- und E-Werte, die in beobachtet wurde Die Kalksteinprobe ist auf ihre größere Oberflächeninhomogenität zurückzuführen, die auf ihre körnigen und porösen Eigenschaften zurückzuführen ist.

Die Entwicklung des COF während der Verschleißtests der beiden Gesteinsproben ist in ABBILDUNG 2 dargestellt. Der Kalkstein erfährt zu Beginn des Verschleißtests zunächst einen schnellen Anstieg des COF auf etwa 0,8 und behält diesen Wert während der gesamten Testdauer bei. Diese abrupte COF-Änderung kann auf das Eindringen der Al2O3-Kugel in die Gesteinsprobe zurückgeführt werden, was auf einen schnellen Verschleiß- und Aufrauungsprozess an der Kontaktfläche innerhalb der Verschleißspur zurückzuführen ist. Im Gegensatz dazu zeigt die Marmorprobe nach etwa 5 Metern Gleitstrecke einen deutlichen Anstieg des COF auf höhere Werte, was auf ihre überlegene Verschleißfestigkeit im Vergleich zum Kalkstein hinweist.

ABBILDUNG 1: Vergleich der Härte und des Elastizitätsmoduls zwischen Kalkstein- und Marmorproben.

ABBILDUNG 2: Entwicklung des Reibungskoeffizienten (COF) in Kalkstein- und Marmorproben während Verschleißtests.

ABBILDUNG 3 vergleicht die Querschnittsprofile der Kalkstein- und Marmorproben nach den Verschleißtests und Tabelle 1 fasst die Ergebnisse der Verschleißspuranalyse zusammen. ABBILDUNG 4 zeigt die Verschleißspuren der Proben unter dem Lichtmikroskop. Die Bewertung der Verschleißspur stimmt mit der Beobachtung der COF-Entwicklung überein: Die Marmorprobe, die über einen längeren Zeitraum einen niedrigen COF beibehält, weist eine geringere Verschleißrate von 0,0046 mm³/N m auf, verglichen mit 0,0353 mm³/N m beim Kalkstein. Die überlegenen mechanischen Eigenschaften von Marmor tragen zu einer besseren Verschleißfestigkeit als Kalkstein bei.

ABBILDUNG 3: Querschnittsprofile der Verschleißspuren.

	TALBEREICH	TAL-TIEFE	VERSCHLEISSRATE
KALKSTEIN	35,3 ± 5,9 × 10⁴ μm²	229 ± 24 μm	0,0353 mm³/Nm
MARMOR	4,6 ± 1,2 × 10⁴ μm²	61 ± 15 μm	0,0046 mm³/Nm

TABELLE 1: Ergebniszusammenfassung der Verschleißspuranalyse.

ABBILDUNG 4: Abnutzungsspuren unter dem Lichtmikroskop.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Studie haben wir die Fähigkeit des NANOVEA Tribometers demonstriert, den Reibungskoeffizienten und die Verschleißfestigkeit von zwei Gesteinsproben, nämlich Marmor und Kalkstein, auf kontrollierte und überwachte Weise zu bewerten. Die hervorragenden mechanischen Eigenschaften von Marmor tragen zu seiner außergewöhnlichen Verschleißfestigkeit bei. Diese Eigenschaft macht das Bohren oder Schneiden in der Öl- und Gasindustrie zu einer Herausforderung. Umgekehrt verlängert es seine Lebensdauer deutlich, wenn es als hochwertiger Baustoff, beispielsweise als Bodenfliese, verwendet wird.

NANOVEA-Tribometer bieten präzise und wiederholbare Verschleiß- und Reibungstestfunktionen und entsprechen den ISO- und ASTM-Standards sowohl im Rotations- als auch im Linearmodus. Darüber hinaus bietet es optionale Module für Hochtemperaturverschleiß, Schmierung und Tribokorrosion, die alle nahtlos in ein System integriert 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, Substrate und Gesteinstribologie.

Bewertung von Kratzern und Abnutzungserscheinungen bei industriellen Beschichtungen

INDUSTRIELLE BESCHICHTUNG

BEWERTUNG VON KRATZERN UND VERSCHLEISS MIT EINEM TRIBOMETER

Vorbereitet von

DUANJIE LI, PhD & ANDREA HERRMANN

EINFÜHRUNG

Urethan-Acrylfarbe ist eine schnell trocknende Schutzbeschichtung, die in einer Vielzahl industrieller Anwendungen wie Fußboden- und Autolackierung und anderen eingesetzt wird. Als Bodenfarbe kann sie in Bereichen eingesetzt werden, die stark begangen und befahren werden, z. B. Gehwege, Bordsteine und Parkplätze.

BEDEUTUNG VON KRATZ- UND VERSCHLEISSTESTS FÜR DIE QUALITÄTSKONTROLLE

Traditionell wurden Taber-Abriebtests durchgeführt, um die Verschleißfestigkeit von Acryl-Urethan-Bodenbelägen gemäß der Norm ASTM D4060 zu bewerten. In der Norm heißt es jedoch: "Bei einigen Materialien können Abriebtests mit dem Taber Abraser aufgrund von Änderungen der Abriebeigenschaften des Rades während des Tests Schwankungen unterliegen. "1 Dies kann zu einer schlechten Reproduzierbarkeit der Testergebnisse führen und den Vergleich der von verschiedenen Labors gemeldeten Werte erschweren. Darüber hinaus wird bei den Taber-Abriebtests die Abriebfestigkeit als Gewichtsverlust bei einer bestimmten Anzahl von Abriebzyklen berechnet. Acryl-Urethan-Bodenfarben haben jedoch eine empfohlene Trockenschichtdicke von 37,5-50 μm2.

Der aggressive Abrieb durch den Taber Abraser kann die Acryl-Urethan-Beschichtung schnell abnutzen und zu einem Massenverlust des Substrats führen, was zu erheblichen Fehlern bei der Berechnung des Gewichtsverlusts der Farbe führt. Die Implantation von Schleifpartikeln in den Lack während des Abriebtests trägt ebenfalls zu Fehlern bei. Daher ist eine gut kontrollierte, quantifizierbare und zuverlässige Messung von entscheidender Bedeutung, um eine reproduzierbare Bewertung der Abnutzung des Lacks zu gewährleisten. Darüber hinaus ist die Kratzertest ermöglicht es den Benutzern, vorzeitige Klebstoff-/Kohäsionsfehler in realen Anwendungen zu erkennen.

MESSZIEL

In dieser Studie stellen wir NANOVEA vor Tribometer und Mechanische Prüfgeräte eignen sich ideal zur Bewertung und Qualitätskontrolle von Industriebeschichtungen.

Mit dem NANOVEA Tribometer wird der Abnutzungsprozess von Acryl-Urethan-Fußbodenlacken mit verschiedenen Decklacken kontrolliert und überwacht simuliert. Mit Hilfe von Mikrokratztests wird die Belastung gemessen, die erforderlich ist, um ein kohäsives oder adhäsives Versagen des Lacks zu verursachen.

NANOVEA T100

Das kompakte pneumatische Tribometer

NANOVEA PB1000

Das mechanische Prüfgerät mit großer Plattform

TESTVORGANG

In dieser Studie werden vier handelsübliche Acrylbodenbeschichtungen auf Wasserbasis bewertet, die dieselbe Grundierung (Basecoat) und verschiedene Deckbeschichtungen mit derselben Rezeptur aufweisen, wobei die Additivmischungen zur Verbesserung der Haltbarkeit geringfügig geändert wurden. Diese vier Beschichtungen werden als Muster A, B, C und D bezeichnet.

ABNUTZUNGSTEST

Das NANOVEA Tribometer wurde zur Bewertung des tribologischen Verhaltens, z. B. Reibungskoeffizient, COF und Verschleißfestigkeit, eingesetzt. Auf die getesteten Lacke wurde eine SS440-Kugelspitze (Durchmesser 6 mm, Güteklasse 100) aufgetragen. Der COF wurde vor Ort aufgezeichnet. Die Verschleißrate K wurde mithilfe der Formel K=V/(F×s)=A/(F×n) bewertet, wobei V das verschlissene Volumen, F die normale Belastung, s die Gleitstrecke und A ist die Querschnittsfläche der Verschleißspur und n ist die Anzahl der Umdrehungen. Oberflächenrauheit und Verschleißspurprofile wurden von NANOVEA bewertet Optisches Profilometerund die Morphologie der Verschleißspuren wurde mit einem optischen Mikroskop untersucht.

PARAMETER DER VERSCHLEISSPRÜFUNG

NORMALE KRAFT

20 N

SPEED

15 m/min

TESTDAUER

100, 150, 300 und 800 Zyklen

SCRATCH TEST

Mit dem NANOVEA-Mechanikprüfgerät, das mit einer Rockwell-C-Diamantnadel (Radius 200 μm) ausgestattet ist, wurden die Lackproben im Micro Scratch Tester-Modus unter progressiver Belastung geritzt. Es wurden zwei Endbelastungen verwendet: 5 N Endlast zur Untersuchung der Ablösung der Farbe vom Primer und 35 N zur Untersuchung der Ablösung des Primers von den Metallsubstraten. Um die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten, wurden an jeder Probe drei Tests unter denselben Bedingungen durchgeführt.

Panoramabilder der gesamten Kratzspuren wurden automatisch erstellt, und die kritischen Bruchstellen wurden von der Systemsoftware mit den aufgebrachten Lasten korreliert. Diese Softwarefunktion erleichtert es den Anwendern, die Kratzspuren jederzeit zu analysieren, anstatt die kritische Last unmittelbar nach den Kratztests unter dem Mikroskop bestimmen zu müssen.

SCRATCH-TEST-PARAMETER

LADUNGSTYP	Progressiv
ANFANGSLADUNG	0,01 mN
ENDLADUNG	5 N / 35 N
LADUNGSVERFAHREN	10 / 70 N/min
SCRATCH LENGTH	3 mm
KREUZGESCHWINDIGKEIT, dx/dt	6,0 mm/min
EINDRINGKÖRPERGEOMETRIE	120º Kegel
INDENTER MATERIAL (Spitze)	Diamant
RADIUS DER EINDRINGKÖRPERSPITZE	200 μm

ERGEBNISSE DER VERSCHLEISSPRÜFUNG

An jeder Probe wurden vier Stift-auf-Scheibe-Verschleißtests mit unterschiedlichen Umdrehungszahlen (100, 150, 300 und 800 Zyklen) durchgeführt, um die Entwicklung des Verschleißes zu beobachten. Die Oberflächenmorphologie der Proben wurde mit einem berührungslosen NANOVEA 3D-Profiler gemessen, um die Oberflächenrauheit vor der Durchführung der Verschleißtests zu quantifizieren. Alle Proben wiesen eine vergleichbare Oberflächenrauhigkeit von etwa 1 μm auf, wie in ABBILDUNG 1 dargestellt. Die COF wurde während der Verschleißtests vor Ort aufgezeichnet, wie in ABBILDUNG 2 dargestellt. ABBILDUNG 4 zeigt die Entwicklung der Verschleißspuren nach 100, 150, 300 und 800 Zyklen, und ABBILDUNG 3 fasst die durchschnittliche Verschleißrate der verschiedenen Proben in den verschiedenen Phasen des Verschleißprozesses zusammen.

Im Vergleich zu einem COF-Wert von ~0,07 für die anderen drei Proben weist Probe A zu Beginn einen viel höheren COF-Wert von ~0,15 auf, der allmählich ansteigt und nach 300 Verschleißzyklen bei ~0,3 stabil wird. Ein solch hoher COF beschleunigt den Abnutzungsprozess und erzeugt eine beträchtliche Menge an Lackresten, wie in ABBILDUNG 4 zu sehen ist - die Deckschicht von Probe A wurde bereits bei den ersten 100 Umdrehungen entfernt. Wie in ABBILDUNG 3 dargestellt, weist Probe A die höchste Verschleißrate von ~5 μm2/N in den ersten 300 Zyklen auf, die aufgrund der besseren Verschleißfestigkeit des Metallsubstrats leicht auf ~3,5 μm2/N abnimmt. Die Deckschicht von Probe C beginnt nach 150 Verschleißzyklen zu versagen, wie in ABBILDUNG 4 dargestellt, was auch durch den Anstieg der COF in ABBILDUNG 2 angezeigt wird.

Im Vergleich dazu zeigen Probe B und Probe D verbesserte tribologische Eigenschaften. Probe B behält während des gesamten Tests einen niedrigen COF bei - der COF steigt leicht von ~0,05 auf ~0,1 an. Ein solcher Schmiereffekt erhöht die Verschleißfestigkeit erheblich - die Deckschicht bietet auch nach 800 Verschleißzyklen noch einen besseren Schutz als die darunter liegende Grundierung. Die niedrigste durchschnittliche Abnutzungsrate von nur ~0,77 μm2/N wird für Probe B bei 800 Zyklen gemessen. Die Deckschicht von Probe D beginnt sich nach 375 Zyklen abzulösen, wie der abrupte Anstieg der COF in ABBILDUNG 2 zeigt. Die durchschnittliche Verschleißrate von Probe D beträgt ~1,1 μm2/N bei 800 Zyklen.

Im Vergleich zu den herkömmlichen Taber-Abriebmessungen liefert das NANOVEA Tribometer gut kontrollierte, quantifizierbare und zuverlässige Verschleißbewertungen, die eine reproduzierbare Bewertung und Qualitätskontrolle von kommerziellen Boden-/Autolacken gewährleisten. Darüber hinaus ermöglicht die Fähigkeit der In-situ-COF-Messungen den Nutzern, die verschiedenen Stadien eines Verschleißprozesses mit der Entwicklung der COF zu korrelieren, was für die Verbesserung des grundlegenden Verständnisses des Verschleißmechanismus und der tribologischen Eigenschaften verschiedener Lackbeschichtungen entscheidend ist.

ABBILDUNG 1: 3D-Morphologie und Rauheit der Lackproben.

ABBILDUNG 2: COF während Pin-on-Disk-Tests.

ABBILDUNG 3: Entwicklung der Verschleißrate verschiedener Lacke.

ABBILDUNG 4: Entwicklung der Verschleißspuren während der Stift-Scheibe-Tests.

ERGEBNISSE DER VERSCHLEISSPRÜFUNG

ABBILDUNG 5 zeigt das Diagramm der Normalkraft, der Reibungskraft und der wahren Tiefe als Funktion der Kratzerlänge für Probe A als Beispiel. Ein optionales Schallemissionsmodul kann installiert werden, um weitere Informationen zu erhalten. Da die Normalkraft linear ansteigt, sinkt die Eindringspitze allmählich in die geprüfte Probe ein, was sich in der progressiven Zunahme der wahren Tiefe widerspiegelt. Die Veränderung der Steigung der Kurven für die Reibungskraft und die tatsächliche Tiefe kann als eine der Anzeichen für das Auftreten von Beschichtungsfehlern verwendet werden.

ABBILDUNG 5: Normalkraft, Reibungskraft und wahre Tiefe als Funktion der Kratzlänge für Kratztest von Probe A mit einer maximalen Belastung von 5 N.

ABBILDUNG 6 und ABBILDUNG 7 zeigen die vollständigen Kratzer aller vier getesteten Lackproben mit einer maximalen Belastung von 5 N bzw. 35 N. Probe D benötigte eine höhere Belastung von 50 N, um die Grundierung abzulösen. Die Kratztests bei 5 N Endlast (ABBILDUNG 6) bewerten das kohäsive/adhäsive Versagen des Decklacks, während die Kratztests bei 35 N (ABBILDUNG 7) die Delaminierung der Grundierung bewerten. Die Pfeile in den Schliffbildern zeigen den Punkt an, an dem die Deckschicht oder die Grundierung beginnt, sich vollständig von der Grundierung oder dem Substrat zu lösen. Die Belastung an diesem Punkt, die so genannte kritische Last (Critical Load, Lc), wird zum Vergleich der Kohäsions- oder Adhäsionseigenschaften der Farbe verwendet, wie in Tabelle 1 zusammengefasst.

Es ist offensichtlich, dass die Lackprobe D die beste Grenzflächenhaftung aufweist - mit den höchsten Lc-Werten von 4,04 N bei der Ablösung des Lacks und 36,61 N bei der Ablösung des Primers. Probe B weist die zweitbeste Kratzfestigkeit auf. Aus der Kratzanalyse geht hervor, dass die Optimierung der Lackrezeptur entscheidend für das mechanische Verhalten, genauer gesagt für die Kratzfestigkeit und die Haftungseigenschaften von Acrylbodenlacken ist.

Tabelle 1: Zusammenfassung der kritischen Belastungen.

ABBILDUNG 6: Mikroskopische Aufnahmen eines vollständigen Kratzers mit einer maximalen Belastung von 5 N.

ABBILDUNG 7: Mikroskopische Aufnahmen eines vollständigen Kratzers mit einer maximalen Belastung von 35 N.

SCHLUSSFOLGERUNG

Im Vergleich zu den herkömmlichen Taber-Abriebmessungen sind der NANOVEA Mechanical Tester und das Tribometer hervorragende Werkzeuge für die Bewertung und Qualitätskontrolle von kommerziellen Boden- und Automobilbeschichtungen. Der NANOVEA Mechanical Tester kann im Scratch-Modus Adhäsions-/Kohäsionsprobleme in einem Beschichtungssystem erkennen. Das NANOVEA Tribometer bietet eine gut kontrollierte, quantifizierbare und wiederholbare tribologische Analyse der Verschleißfestigkeit und des Reibungskoeffizienten der Beschichtungen.

Auf der Grundlage der umfassenden tribologischen und mechanischen Analysen der in dieser Studie getesteten wasserbasierten Acrylbodenbeschichtungen zeigen wir, dass Probe B die niedrigste COF- und Verschleißrate und die zweitbeste Kratzfestigkeit aufweist, während Probe D die beste Kratzfestigkeit und die zweitbeste Verschleißfestigkeit zeigt. Diese Bewertung ermöglicht es uns, den besten Kandidaten für die Anforderungen in verschiedenen Anwendungsumgebungen zu bewerten und auszuwählen.

Die Nano- und Mikromodule des NANOVEA-Mechanik-Testers beinhalten alle ISO- und ASTM-konforme Eindring-, Kratz- und Verschleißprüfungsmodi und bieten damit das breiteste Prüfspektrum für die Lackbewertung in einem einzigen Modul. Das NANOVEA Tribometer bietet 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. Die unübertroffene Produktpalette von NANOVEA ist die ideale Lösung für die Bestimmung der gesamten Bandbreite mechanischer/tribologischer Eigenschaften von dünnen oder dicken, weichen oder harten Beschichtungen, Filmen und Substraten, einschließlich Härte, E-Modul, Bruchzähigkeit, Haftung, Verschleißfestigkeit und vielen anderen. Optional sind berührungslose optische NANOVEA-Profiler für die hochauflösende 3D-Darstellung von Kratzern und Verschleißspuren sowie für andere Oberflächenmessungen wie z. B. die Rauheit erhältlich.

UND NUN ZU IHRER BEWERBUNG

Abriebverhalten von Sandpapier mit einem Tribometer

SCHLEIFPAPIER ABRIEBLEISTUNG

MIT EINEM TRIBOMETER

Vorbereitet von

DUANJIE LI, PhD

EINFÜHRUNG

Schleifpapier besteht aus Schleifpartikeln, die auf eine Seite eines Papiers oder Gewebes geklebt sind. Für die Partikel können verschiedene Schleifmaterialien verwendet werden, z. B. Granat, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid und Diamant. Schleifpapier wird in einer Vielzahl von Industriezweigen eingesetzt, um bestimmte Oberflächen auf Holz, Metall und Trockenbauwänden zu bearbeiten. Sie arbeiten oft unter hohem Druck, der mit Hand- oder Elektrowerkzeugen ausgeübt wird.

BEDEUTUNG DER BEWERTUNG DES ABRIEBVERHALTENS VON SCHLEIFPAPIER

Die Wirksamkeit von Schleifpapier wird häufig durch seine Abriebleistung unter verschiedenen Bedingungen bestimmt. Die Korngröße, d. h. die Größe der im Schleifpapier eingebetteten Schleifpartikel, bestimmt die Abnutzungsrate und die Kratzergröße des zu schleifenden Materials. Schleifpapiere mit höheren Kornzahlen haben kleinere Partikel, was zu niedrigeren Schleifgeschwindigkeiten und feineren Oberflächen führt. Schleifpapiere mit der gleichen Körnungszahl, aber aus unterschiedlichen Materialien, können sich unter trockenen oder nassen Bedingungen unterschiedlich verhalten. Zuverlässige tribologische Bewertungen sind erforderlich, um sicherzustellen, dass das hergestellte Schleifpapier das gewünschte Schleifverhalten aufweist. Diese Auswertungen ermöglichen es den Anwendern, das Verschleißverhalten verschiedener Schleifpapiersorten kontrolliert und überwacht quantitativ zu vergleichen, um den besten Kandidaten für die jeweilige Anwendung auszuwählen.

MESSZIEL

In dieser Studie zeigen wir die Fähigkeit des NANOVEA Tribometers, die Abriebleistung verschiedener Sandpapierproben unter trockenen und nassen Bedingungen quantitativ zu bewerten.

NANOVEA

T2000

PRÜFVERFAHREN

Der Reibungskoeffizient (COF) und die Abriebleistung von zwei Arten von Schleifpapieren wurden mit dem NANOVEA T100 Tribometer bewertet. Als Gegenmaterial wurde eine Kugel aus 440er Edelstahl verwendet. Die Ballverschleißnarben wurden nach jedem Verschleißtest mit dem NANOVEA untersucht Berührungsloser optischer 3D-Profiler um präzise Volumenverlustmessungen zu gewährleisten.

Bitte beachten Sie, dass eine 440er Edelstahlkugel als Gegenmaterial gewählt wurde, um eine vergleichende Studie zu erstellen, aber jedes feste Material könnte ersetzt werden, um eine andere Anwendungsbedingung zu simulieren.

TESTERGEBNISSE & DISKUSSION

ABBILDUNG 1 zeigt einen COF-Vergleich von Sandpapier 1 und 2 unter trockenen und nassen Umgebungsbedingungen. Sandpapier 1 weist unter trockenen Bedingungen zu Beginn des Tests einen COF von 0,4 auf, der dann schrittweise abnimmt und sich auf 0,3 stabilisiert. Unter nassen Bedingungen weist diese Probe einen niedrigeren durchschnittlichen COF von 0,27 auf. Im Gegensatz dazu zeigen die COF-Ergebnisse von Probe 2 einen trockenen COF von 0,27 und einen nassen COF von ~ 0,37.

Bitte beachten Sie, dass die Oszillation in den Daten aller COF-Diagramme durch die Vibrationen verursacht wird, die durch die Gleitbewegung der Kugel auf den rauen Sandpapieroberflächen entstehen.

ABBILDUNG 1: Entwicklung der COF während der Verschleißtests.

ABBILDUNG 2 fasst die Ergebnisse der Verschleißnarbenanalyse zusammen. Die Verschleißnarben wurden mit einem optischen Mikroskop und einem berührungslosen optischen 3D-Profiler NANOVEA gemessen. ABBILDUNG 3 und ABBILDUNG 4 vergleichen die Verschleißnarben der abgenutzten SS440-Kugeln nach Verschleißtests auf Sandpapier 1 und 2 (nass und trocken). Wie in ABBILDUNG 4 zu sehen ist, erfasst der NANOVEA Optical Profiler präzise die Oberflächentopographie der vier Kugeln und ihre jeweiligen Verschleißspuren, die anschließend mit der NANOVEA Mountains Advanced Analysis Software verarbeitet wurden, um den Volumenverlust und die Verschleißrate zu berechnen. Auf dem Mikroskop- und Profilbild der Kugel ist zu erkennen, dass die für den Test mit Sandpapier 1 (trocken) verwendete Kugel im Vergleich zu den anderen eine größere abgeflachte Verschleißnarbe mit einem Volumenverlust von 0,313 mm³. Im Gegensatz dazu betrug der Volumenverlust bei Schleifpapier 1 (nass) 0,131 mm³. Bei Schleifpapier 2 (trocken) betrug der Volumenverlust 0,163 mm³ und für Sandpapier 2 (nass) stieg der Volumenverlust auf 0,237 mm³.

Darüber hinaus ist es interessant zu beobachten, dass der COF eine wichtige Rolle für die Abriebleistung der Schleifpapiere spielte. Schleifpapier 1 wies im trockenen Zustand einen höheren COF auf, was zu einer höheren Abriebrate für die im Test verwendete SS440-Kugel führte. Im Vergleich dazu führte der höhere COF von Sandpapier 2 im nassen Zustand zu einer höheren Abriebrate. Die Verschleißspuren der Schleifpapiere nach den Messungen sind in ABBILDUNG 5 dargestellt.

Beide Schleifpapiere 1 und 2 sollen sowohl in trockenen als auch in nassen Umgebungen funktionieren. Sie zeigten jedoch deutlich unterschiedliche Abriebleistungen unter trockenen und nassen Bedingungen. NANOVEA Tribometer bieten gut kontrollierte, quantifizierbare und zuverlässige Funktionen zur Verschleißbewertung, die reproduzierbare Verschleißbewertungen gewährleisten. Darüber hinaus ermöglicht die Fähigkeit der In-situ-COF-Messung Benutzern, verschiedene Phasen eines Verschleißprozesses mit der Entwicklung des COF zu korrelieren, was für die Verbesserung des grundlegenden Verständnisses des Verschleißmechanismus und der tribologischen Eigenschaften von Schleifpapier von entscheidender Bedeutung ist

ABBILDUNG 2: Verschleißnarbenvolumen der Kugeln und durchschnittliche COF unter verschiedenen Bedingungen.

ABBILDUNG 3: Abnutzungsspuren der Bälle nach den Tests.

ABBILDUNG 4: 3D-Morphologie der Verschleißnarben auf den Kugeln.

ABBILDUNG 5: Abnutzungsspuren auf den Schleifpapieren unter verschiedenen Bedingungen.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Studie wurde die Schleifleistung von zwei Arten von Schleifpapieren mit derselben Körnungszahl unter trockenen und nassen Bedingungen bewertet. Die Einsatzbedingungen des Schleifpapiers spielen eine entscheidende Rolle für die Effektivität der Arbeitsleistung. Schleifpapier 1 wies unter trockenen Bedingungen ein deutlich besseres Abriebverhalten auf, während Schleifpapier 2 unter nassen Bedingungen besser abschnitt. Die Reibung während des Schleifvorgangs ist ein wichtiger Faktor, der bei der Bewertung der Abriebleistung zu berücksichtigen ist. Der NANOVEA Optical Profiler misst präzise die 3D-Morphologie jeder Oberfläche, wie z.B. die Verschleißnarben auf einer Kugel, und ermöglicht so eine zuverlässige Bewertung des Abriebverhaltens des Sandpapiers in dieser Studie. Das NANOVEA Tribometer misst den Reibungskoeffizienten an Ort und Stelle während eines Verschleißtests und gibt so einen Einblick in die verschiedenen Phasen eines Verschleißprozesses. Es bietet außerdem wiederholbare Verschleiß- und Reibungstests mit ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodi, wobei optionale Hochtemperaturverschleiß- und Schmiermodule in einem vorintegrierten System erhältlich sind. Mit diesem unübertroffenen Angebot können Benutzer verschiedene schwere Arbeitsumgebungen für Kugellager simulieren, darunter hohe Belastung, Verschleiß und hohe Temperaturen usw. Es ist auch ein ideales Werkzeug zur quantitativen Bewertung des tribologischen Verhaltens von hochverschleißfesten Materialien unter hohen Belastungen.

UND NUN ZU IHRER BEWERBUNG

Glasbeschichtung Feuchte Verschleißprüfung mit Tribometer

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FEUCHTIGKEIT DER GLASBESCHICHTUNG

VERSCHLEISSPRÜFUNG MIT TRIBOMETER

Vorbereitet von

DUANJIE LIPhD

EINFÜHRUNG

Die selbstreinigende Glasbeschichtung schafft eine leicht zu reinigende Glasoberfläche, die Ablagerungen, Schmutz und Fleckenbildung verhindert. Die Selbstreinigungsfunktion reduziert die Häufigkeit, den Zeitaufwand, die Energie- und die Reinigungskosten erheblich, was sie zu einer attraktiven Wahl für eine Vielzahl von privaten und gewerblichen Anwendungen macht, z. B. für Glasfassaden, Spiegel, Duschscheiben, Fenster und Windschutzscheiben.

BEDEUTUNG DER VERSCHLEISSFESTIGKEIT DER SELBSTREINIGENDEN GLASBESCHICHTUNG

Eine wichtige Anwendung der selbstreinigenden Beschichtung ist die Außenfläche der Glasfassade von Wolkenkratzern. Die Glasoberfläche wird häufig von schnell fliegenden Partikeln angegriffen, die von starkem Wind getragen werden. Auch die Witterungsbedingungen spielen eine wichtige Rolle für die Lebensdauer der Glasbeschichtung. Es kann sehr schwierig und kostspielig sein, die Oberfläche des Glases zu behandeln und eine neue Beschichtung aufzubringen, wenn die alte Beschichtung versagt. Daher ist die Verschleißfestigkeit der Glasbeschichtung unter
unterschiedliche Wetterbedingungen sind kritisch.

Um die realistischen Umgebungsbedingungen der selbstreinigenden Beschichtung bei unterschiedlichen Witterungsbedingungen zu simulieren, ist eine wiederholbare Verschleißbewertung bei kontrollierter und überwachter Feuchtigkeit erforderlich. Sie ermöglicht es den Anwendern, die Verschleißfestigkeit der selbstreinigenden Beschichtungen, die unterschiedlichen Feuchtigkeitsbedingungen ausgesetzt sind, genau zu vergleichen und den besten Kandidaten für die gewünschte Anwendung auszuwählen.

MESSZIEL

In dieser Studie haben wir gezeigt, dass die NANOVEA Das mit einem Feuchteregler ausgestattete Tribometer T100 ist ein ideales Instrument zur Untersuchung der Verschleißfestigkeit von selbstreinigenden Glasbeschichtungen bei unterschiedlichen Luftfeuchtigkeiten.

NANOVEA

T100

PRÜFVERFAHREN

Die Objektträger aus Natronkalkglas wurden mit selbstreinigenden Glasbeschichtungen mit zwei verschiedenen Behandlungsrezepten beschichtet. Diese beiden Beschichtungen werden als Beschichtung 1 und Beschichtung 2 bezeichnet. Zum Vergleich wurde auch ein unbeschichteter Objektträger aus blankem Glas getestet.

NANOVEA Tribometer Ausgestattet mit einem Feuchtigkeitskontrollmodul wurde das tribologische Verhalten, z. B. Reibungskoeffizient, COF und Verschleißfestigkeit der selbstreinigenden Glasbeschichtungen, bewertet. Eine WC-Kugelspitze (Durchmesser 6 mm) wurde gegen die getesteten Proben angelegt. Der COF wurde vor Ort aufgezeichnet. Der an der Tribokammer angebrachte Feuchtigkeitsregler regelte den Wert der relativen Luftfeuchtigkeit (RH) präzise im Bereich von ±1 %. Nach den Verschleißtests wurde die Morphologie der Verschleißspuren unter dem Lichtmikroskop untersucht.

MAXIMALE BELASTUNG 40 mN

ERGEBNISSE & DISKUSSION

Die Stift-auf-Scheibe-Verschleißtests unter verschiedenen Feuchtigkeitsbedingungen wurden an beschichtetem und unbeschichtetem Glas durchgeführt.
Proben. Die COF wurde während der Verschleißtests in situ aufgezeichnet, wie in ABBILDUNG 1 und die durchschnittliche COF ist zusammengefasst in ABBILDUNG 2. ABBILDUNG 4 vergleicht die Verschleißspuren nach den Verschleißtests.

Wie in ABBILDUNG 1Das unbeschichtete Glas weist einen hohen COF von ~0,45 auf, sobald die Gleitbewegung im 30% RH beginnt, und er steigt nach und nach auf ~0,6 am Ende des Verschleißtests mit 300 Umdrehungen. Im Vergleich dazu weist das
Die beschichteten Glasproben Beschichtung 1 und Beschichtung 2 weisen zu Beginn des Tests einen niedrigen COF von unter 0,2 auf. Der COF
von Beschichtung 2 stabilisiert sich während des restlichen Tests bei ~0,25, während Beschichtung 1 einen starken Anstieg des COF bei
~250 Umdrehungen und der COF erreicht einen Wert von ~0,5. Wenn die Verschleißtests im 60% RH durchgeführt werden, ist der
unbeschichtetes Glas zeigt während des gesamten Verschleißtests immer noch einen höheren COF von ~0,45. Die Beschichtungen 1 und 2 weisen COF-Werte von 0,27 bzw. 0,22 auf. Beim 90% RH weist das unbeschichtete Glas am Ende des Verschleißtests einen hohen COF von ~0,5 auf. Die Beschichtungen 1 und 2 weisen einen vergleichbaren COF von ~0,1 zu Beginn des Verschleißtests auf. Beschichtung 1 behält einen relativ stabilen COF von ~0,15. Beschichtung 2 versagt jedoch bei ~ 100 Umdrehungen, gefolgt von einem deutlichen Anstieg des COF auf ~0,5 gegen Ende des Verschleißtests.

Die geringe Reibung der selbstreinigenden Glasbeschichtung ist auf ihre niedrige Oberflächenenergie zurückzuführen. Sie erzeugt eine sehr hohe statische
Wasserkontaktwinkel und niedriger Abrollwinkel. Dies führt zur Bildung von kleinen Wassertröpfchen auf der Beschichtungsoberfläche des 90% RH, wie unter dem Mikroskop in ABBILDUNG 3. Außerdem sinkt der durchschnittliche COF von ~0,23 auf ~0,15 für Beschichtung 2, wenn der RH-Wert von 30% auf 90% steigt.

ABBILDUNG 1: Reibungskoeffizient während der Stift-auf-Scheibe-Tests bei unterschiedlicher relativer Luftfeuchtigkeit.

ABBILDUNG 2: Durchschnittlicher COF während der Pin-on-Disk-Tests bei unterschiedlicher relativer Luftfeuchtigkeit.

ABBILDUNG 3: Bildung von kleinen Wassertröpfchen auf der beschichteten Glasoberfläche.

ABBILDUNG 4 vergleicht die Abnutzungsspuren auf der Glasoberfläche nach den Abnutzungstests bei unterschiedlicher Luftfeuchtigkeit. Beschichtung 1 weist nach den Verschleißtests bei 30% und 60% leichte Verschleißerscheinungen auf. Sie weist nach dem Test in 90% RH eine große Verschleißspur auf, was mit dem signifikanten Anstieg des COF während des Verschleißtests übereinstimmt. Die Beschichtung 2 zeigt nach den Verschleißtests sowohl in trockener als auch in nasser Umgebung fast keine Anzeichen von Verschleiß, und sie weist auch während der Verschleißtests in verschiedenen Feuchtigkeitsbereichen einen konstant niedrigen COF auf. Die Kombination aus guten tribologischen Eigenschaften und niedriger Oberflächenenergie macht Beschichtung 2 zu einem guten Kandidaten für selbstreinigende Glasbeschichtungen in rauen Umgebungen. Im Vergleich dazu zeigt das unbeschichtete Glas größere Verschleißspuren und einen höheren COF bei unterschiedlicher Luftfeuchtigkeit, was die Notwendigkeit einer selbstreinigenden Beschichtungstechnik verdeutlicht.

ABBILDUNG 4: Abnutzungsspuren nach den Pin-on-Disk-Tests bei unterschiedlicher Luftfeuchtigkeit (200-fache Vergrößerung).

SCHLUSSFOLGERUNG

NANOVEA Das Tribometer T100 ist ein hervorragendes Werkzeug für die Bewertung und Qualitätskontrolle von selbstreinigenden Glasbeschichtungen bei unterschiedlicher Luftfeuchtigkeit. Die Fähigkeit der In-situ-COF-Messung ermöglicht es dem Benutzer, verschiedene Stadien des Verschleißprozesses mit der Entwicklung der COF zu korrelieren, was für die Verbesserung des grundlegenden Verständnisses des Verschleißmechanismus und der tribologischen Eigenschaften der Glasbeschichtungen entscheidend ist. Auf der Grundlage der umfassenden tribologischen Analyse der selbstreinigenden Glasbeschichtungen, die bei unterschiedlichen Luftfeuchtigkeiten getestet wurden, zeigen wir, dass Beschichtung 2 eine konstant niedrige COF und eine überlegene Verschleißfestigkeit sowohl in trockenen als auch in feuchten Umgebungen aufweist.

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. Ein optionaler berührungsloser 3D-Profiler ist für hohe
3D-Bildgebung der Verschleißspur zusätzlich zu anderen Oberflächenmessungen wie der Rauheit.

UND NUN ZU IHRER BEWERBUNG

In-Situ-Verschleißmessung bei hoher Temperatur

IN-SITU-VERSCHLEISSMESSUNG BEI HOHER TEMPERATUR

MIT TRIBOMETER

Vorbereitet von

Duanjie Li, PhD

EINFÜHRUNG

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

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

MESSZIEL

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

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

NANOVEA

T50

TESTVORGANG

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

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

PRÜFPARAMETER

der Pin-on-Disk-Messung

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

ERGEBNISSE & DISKUSSION

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

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

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

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

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

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

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

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

FIGUR 3. Verschleißrate und Verschleißspurtiefe der Probe bei verschiedenen Temperaturen

SCHLUSSFOLGERUNG

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

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

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

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

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

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.

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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.

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