Tribologische Analysen eines hochbelasteten Rastmechanismus unter unterschiedlichen kinematischen Bedingungen
Creators: name: Schimrosczyk, Erik
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: Tribologie
Verschleiß
Verschleißmechanismen
Metall-Metall
Metall-Keramik
Siliciumnitrid
Si3N4
100Cr6
Keramiktribologie
tribology
wear
wear mechanism
silicon nitrid

description: Fragestellung: Diese Arbeit betrachtet das Verschleißverhalten eines hochbelasteten Rastsystems unter Schmierung mit Motorenölen unterschiedlicher Viskositätsklassen. Ziel ist das Verständnis des Systemverhaltens bei den gewählten Material- und Schmierstoffkombinationen. Das System wird aus einer federbelasteten Kugel, welche über eine Kontur zwischen zwei End-lagen oszilliert, gebildet. Bei einem Wechsel zwischen den Endlagen muss die Kugel in die Feder gedrückt und damit die Rastkraft überwunden werden. Dabei wirken im Kontakt hohe Hertzsche Pressungen bis 8 GPa. Die Kinematik der Kugel während der Umschaltung ist kon-struktionsbedingt unbestimmt und kann zwischen einem Wälzen (Rollen mit Gleitanteil) und einem vollständigen Gleiten (keine Kugelrotation) schwanken. Material und Methoden: Als Kugelmaterialien werden Wälzlagerstahl und heißisostatisch gepresstes Siliciumnitrid (Si3N4) betrachtet. Als Gegenkörper agieren niedriglegierte Stähle, die entweder herkömmlich im Ofenprozess oder durch einen Laserstrahl gehärtet wurden. Es ergeben sich damit verschie-dene Metall-Metall- und Metall-Keramik-Paarungen. Zur Simulation einer Lebensdauerbelastung wird die federbelastete Kugel in einem Dauerver-such mit einer Frequenz von 20 Hz über die Kontur oszilliert. Für alle Versuche erfolgt eine Echtzeitmessung von Reibung und Verschleiß. Neben einer Kategorisierung der Versuchsdaten auf Basis des tribologischen Verhaltens erfolgen umfassende Analysen mittels REM und EDX sowie FIB-Schnitte an den Elementen des tribologischen Systems. Ergebnisse: Bei Verwendung der metallischen Paarung (Kontakt zwischen gehärteten Stählen) wird der Verschleiß hauptsächlich durch die Schmierungssituation bestimmt. Mit abnehmender Schmierstoffverfügbarkeit steigen Reibung und Verschleiß. Durch sukzessive Verschlechte-rung der Schmierung von einem Ölbad zu einer Mangelschmierung kann ein fließender Über-gang der typischen Verschleißmechanismen erreicht werden. Die Verschleißraten steigen dabei von Werten kleiner 1 μm/h bei Oberflächenermüdung über Abrasionsverschleiß mit etwa 15 μm/h bis zu Werten größer 350 μm/h bei adhäsivem Verschleiß. Im Kontakt zwischen Metall und Keramik führt die geringe Adhäsionsneigung von Si3N4 all-gemein zu geringen Reibwerten, die einen höheren Gleitanteil der Bewegung begünstigen. Die gleitende Bewegung der Keramikkugel bedingt bei bestimmten Material- und Schmierstoff-kombinationen extrem hohe abrasive Verschleißraten (~300 μm/h) am metallischen Gegenkör-per. Die kritischen Kombinationen werden betrachtet und Hypothesen zu den Ursachen aufge-stellt. Hoher Verschleiß wird im Metall-Metall-Kontakt durch unzureichende Schmierung, im Metall-Keramik-Kontakt durch eine gleitende Bewegung der Si3N4-Kugel verursacht. Unter optimalen Bedingungen (wälzende Bewegung der Kugel und ausreichende Beölung) kann für alle Vari-anten ein degressiver Verschleißverlauf und geringer Gesamtverschleiß erreicht werden. Die hohen tribologischen Lasten bewirken unter fast allen Versuchsbedingungen eine starke Veränderung der oberflächennahen Mikrostruktur und die Entstehung von nanokristallinem Gefüge. Schlussfolgerungen Das komplexe Verschleißverhalten des betrachteten Rastsystems konnte für die untersuchten Material- und Schmierstoffkombinationen vollständig eingeordnet werden. Neben der intensi-ven Betrachtung des kinematischen Verhaltens (Roll- und Gleitanteil der Kugelbewegung) war hierzu eine Kategorisierung der Versuche anhand des tribologischen Verhaltens notwendig. 4 Kategorien beschreiben den Einfluss der Kinematik auf Basis der Verschleißraten. 5 Kategorien bilden den Einfluss der Schmierung anhand der Reibwerte ab. Mit dieser Systematik konnten die entscheidenden Korrelationen zwischen Versuchsdaten und Analyseergebnissen herausgearbeitet werden. Die Kategorien können den klassischen Ver-schleißmechanismen zugeordnet werden und bilden die Basis für ein umfassendes Systemver-ständnis.