Tribologische Analysen eines hochbelasteten Rastmechanismus unter unterschiedlichen kinematischen Bedingungen

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.
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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.

Objective:
This thesis evaluates the tribological performance of a mechanical locking mechanism under high contact loads when lubricated with engine oils of different viscosity grades. The primary objective is to identity the tribological behavior of different combinations of material and lu-brication.
The system consists of a ball preloaded by a spring that oscillates over a contour with a fre-quency of 20 Hz. During the oscillation, the latching force leads to a high dynamic loading of the contact between ball and contour. The Hertzian pressure reaches values of up to 8 GPa. ... mehrThe kinematic behavior of the ball during oscillation is undefined and can vary between rolling and pure sliding.

Materials and Methods:
Hot isostatically processed Silicon nitride balls and 100Cr6 (AISI 52100) balls were used. The contours where made from various low-alloy steels. Heat treatment of the contour material was either through hardening or local laser hardening of the surfaces. The material combinations can be divided into metal-metal contacts and metal-ceramic contacts.
Friction and wear performance were measured online. Depending on the tribological behavior, the tests were divided into different categories. Analyses were carried out with a scanning elec-tron microscope, energy dispersive X-ray spectroscopy and focused ion beam.

Results:
In the contact between metal ball and metal contour, friction and wear are mainly determined by the lubrication. Within the transition from full lubrication to a starved contact, the typical wear mechanism changes from surface fatigue to abrasion and finally to severe adhesion. This process is accompanied by a gradual increase in friction and wear rate. The measured wear rates reached values in the range of <1 μm/h (surface fatigue) up to 350 μm/h (adhesion).
The contact between metal and ceramic is governed by the kinematic behavior. A pure sliding of the Si3N4-ball leads to extreme high abrasive wear rates (~300 μm/h) on the metallic coun-terpart for most combinations of material and lubrication. The critical combinations are sum-marized and hypotheses on the causes are discussed.
Under ideal conditions (meaning rolling ball movement and sufficient lubrication), low wear and a degressive wear rate can be achieved. High wear rates for the metal-metal contact are caused by insufficient lubrication. For metal-ceramic contacts, a sliding movement of the Si3N4-ball leads to high wear rates.
The analysis of the near surface microstructure showed high deformation and a nanocrystalline surface layer for most of the inspected specimens.

Conclusions:
With detailed kinematic considerations concerning the rotation of the ball, extensive trials and a categorization of the achieved tribological data into nine categories, a profound understanding of the locking mechanism could be achieved. Four categories are used to describe the kinematic behavior and five categories classify the influence of different lubrication. The well-known wear mechanisms are applied to the categories in order to understand the tribological system.