Mechanisms and Prediction of Abrasive Wear: Unveiling the Impact of Waviness and Oscillation

Abrasiver Verschleiß ist ein kritischer Faktor für die Leistung wie auch die Lebensdauer von tribologischen Kontakten, wie sie in vielen technischen Anwendungsbereichen vorkommen. Grundlegendes Verständnis der komplexen Mechanismen des abrasiven Verschleißes ist essentiell, um die Lebensdauer von Maschinen zu verlängern und deren Energieverbrauch zu reduzieren. In dieser Dissertation wurde das tribologische Verhalten von Wälzlagerstählen (100Cr6, AISI 52100) in einem Stift-Scheibe-Tribometer mit Flächenkontakt untersucht. Um abrasiven Verschleiß zu induzieren, wurden den Experimenten Aufschlämmungen mit Al2O3-Partikeln unterschiedlicher Größen (5 und 13 µm) als Grenzflächenmedium hinzugefügt.
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Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass ein geschwindigkeitsinduzierter hydrodynamischer Effekt auftritt. Dieser verändert das Reibverhalten bei den tribologischen Experimenten in welchen 5 µm große Al2O3-Partikel hinzugegeben wurde erheblich. Dieser Effekt ist weniger ausgeprägt bei der Zugabe von 13 µm großen Al2O3-Partikeln. Dieser geschwindigkeitsabhängige hydrodynamische Effekt kann zu einer Zunahme der Schmierfilmdicke um 14% und einer Abnahme der Reibung um etwa zwei Drittel führen, begleitet von einem Übergang von Zwei-Körper-Abrasion zu Drei-Körper-Abrasion und einer Änderung des Verschleißmechanismus von Mikroschneiden und -pflügen zu Oberflächenzerüttung.
Desweiteren wurde der Einfluss der, oft übergangenen, Faktoren wie die Scheibenwelligkeit und die Oszillation der Kontaktflächen (aufgrund der Neigung der Scheibe in der Befestigung) untersucht. Diese führen zu inkonsistenter Reibung und ungleichmäßigem Verschleiß, selbst wenn diese Faktoren minimiert und kontrolliert wurden. Die Ergebnisse erlauben zwei wichtige Erkenntnisse: (1) Selbst geringfügige Welligkeiten (2 µm Höhendifferenz entlang einer 132 mm langen Verschleißspur) können den Reibungskoeffizienten signifikant erhöhen (um bis zu 91%); (2) Bereiche mit einem Abfall in der Oszillation scheinen die höchesten Reibkoeffizienten hervorzurufen. Durch die Analyse wichtiger Merkmale der Scheibenwelligkeitsprofile und der Oszillation wurde der “Hochreibungs-Indikator” entwickelt. Dieser identifiziert die Sektoren der Verschleißspur, in denen die Reibung wahrscheinlich höher ist als in anderen Sektoren. Diese Dissertation gibt erste Richtlinien zur Anpassung der Oberflächenstruktur und der Oberflächenneigung, um die gewünschten tribologischen Eigenschaften zu erreichen.

Abrasive wear is a dominant factor in limiting the performance and lifespan of tribological systems in many engineering fields. Understanding the complex mechanisms of abrasive wear is essential for prolonging machinery lifetime and reducing energy consumption. In this thesis, experiments were conducted using bearing steel (100Cr6, AISI 52100) pins and disks in a flat-on-flat contact configuration; Al2O3 slurries with different particle sizes (5 and 13 µm) were chosen as the interfacial media to induce abrasion.
First, the results presented herein indicate that a speed-induced hydrodynamic effect occurred and significantly altered the systems’ tribological behavior in tests performed using a 5 µm sized Al2O3 slurry, which was less pronounced with 13 µm sized particle. ... mehrThe hydrodynamic effect can lead to a 14% increase in lubricant film thickness and a decrease in friction of around 2/3, accompanied by a transition from two-body abrasion to three-body abrasion and a change in wear mechanism from microcutting and microploughing to fatigue wear.
Second, typically overlooked factors like the disk waviness and the oscillation of contacting surfaces (due to disk mounting tilt), can lead to frictional fluctuations and uneven wear, even when efforts are made to minimize and control these factors. The results reveal two intriguing findings: (1) even small waviness (a 2 µm “hill” along the 132 mm sliding track) can significantly increase the friction coefficient (up to 91%); (2) areas that have the highest friction tend to appear on the negative slope of the oscillation. By integrating key features from disk waviness profiles and oscillation, we introduce a novel tool, the “High Friction Predictor”, specifically identifying areas on the sliding track where friction is likely higher than at other areas. This thesis unveils the capacity to establish guidelines for adjusting surface topography and surface tilt to achieve desired tribological properties.