Verständnis elementarer Mechanismen im Tribokontakt

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Verständnis elementarer Mechanismen im Tribokontakt
Die elementaren Prozesse, welche die Lebensdauer und die Effizienz von Reibkontakten technischer Bauteile bestimmt, spielen sich auf den ersten hundert Nanometern unterhalb der Oberfläche ab. Dabei sind Reibung und Verschleiß hochdynamische Nichtgleichgewichtsvorgänge, die einer intensiven Rückkopplung unterworfen sind. Durch Kombination von in-situ Tribometrie, oberflächenphysikalischer und -chemischer Messtechnik sowie von Simulation können diese Prozesse in Modellversuchen besser verstanden werden.

 

 

Auswahl unserer Maschinen und Geräte in diesem Themenbereich

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Abbildung 1. DHR3 mit Peltierplatte und Tribologiegeometrie

Discovery Hybrid Rheometer DHR3

Rheologie – Messung der Viskosität

Die Viskosität von Schmierstoffen ist eine entscheidende Größe für die tribologischen Eigenschaften von Tribosystemen. Anhand von Stribeck-Kurven zweier Öle mit verschiedener Viskosität werden zwei Effekte deutlich (Abbildung 2):

1. Die kritische Geschwindigkeit zur Ausbildung eines Schmierfilms für Öle mit höherer Viskosität ist geringer als für Öle mit niedrigerer Viskosität.

2. Der hydrodynamische Reibwert steigt für höherviskose Öle steiler als für niederviskose Öle.

Neben der Messung der Viskosität bei einer bestimmten Temperatur können wir auch Temperaturrampen zwischen -5 °C und 200 °C fahren. Das Ergebnis solcher Rampenversuche ist der Viskositätsindex, eine Messgröße, die angibt, wie temperaturabhängig die Viskosität eines Schmieröls ist.

Hierbei stehen zwei Messgeometrien zur Verfügung:

1. Die parallelen Platten (ø 8 mm, 20 mm oder 40 mm) für höherviskose Systeme oder

2. der konzentrische Zylinder für niederviskosere Systeme.

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Abbildung 2. Stribeckkurven zweier Öle mit verschiedener Viskosität.
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Abbildung 3. Rheologiegeometrie Platte - Platte (ø 20 mm)
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Abbildung 4. Punktkontakt nach Reibversuch mit deutlichem Verschleiß

Tribologie – Messung der Reibung

Wir nutzen die hohe Präzision der Drehmomentmessung des DHR3 für Messungen des Reibwertes. In einem Metall-Metall-Kontakt sind z.B. Flächenpressungen ab 200 MPa möglich. Neben klassischen Stribeck-Tests (logarithmische, lineare oder stufenweise Erhöhung der Geschwindigkeit) können auch Dauerlaufversuche mit vordefiniertem Lastkennfeld (Variation von Geschwindigkeit, Normalkraft und Temperatur) gefahren werden. Ein weiterer Vorteil des Geräts ist die hochaufgelöste Geschwindigkeitsregelung, vor allem bei kleinen Geschwindigkeiten.

Auswahl der Geometrie:

1. Kugel auf drei Platten: Hierbei dreht sich die Kugel (ø 12,7 mm) auf drei Probenplättchen (16 ⋅ 6 ⋅ ~1 mm) und erzeugt so drei Punktkontakte. Die post-mortem Verschleißmessung (z.B. durch Weißlichtinterferometrie) kann demnach direkt über drei Proben gemittelt werden.  Die maximale Geschwindigkeit ist 1,35 m/s.

2. Drei Kugel auf Platte: Die drei Kugeln erzeugen einen Linienkontakt auf der zu untersuchenden Probe. Die maximale Geschwindigkeit ist 4,5 m/s.

Die Messungen können in einem Temperaturbereich von -5 °C bis 200 °C durchgeführt werden.

Standardmäßig nutzen wir Stahlkugeln (X105CrMo17) als Gegenkörper. Je nach  Anforderung sind aber auch Messungen gegen Polymere, Keramiken oder Glas möglich.

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Abbildung 5. Tribologiegeometrie Kugel auf drei Platten
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Abbildung 6. Tribologiegeometrie Drei Kugeln auf Platte

Unser Leistungsangebot

Rheologie

Messung der Viskosität von Basisölen, vollformulierten Ölen und Mischungen

Messung des Viskositätsindex von Basisölen, vollformulierten Ölen und Mischungen

Tribologie

Messung von Stribeckkurven (lineare, logarithmische oder stufenweise Geschwindigkeitserhöhung oder -verringerung)

Dauerlaufversuche bei variabler Kraft, Geschwindigkeit und Temperatur

Post-mortem Verschleißmessung

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Abbildung 7. Reibkontakt Metallprobe und Rubinkugel

UHV Mikrotribometer

Reibungsmessungen im Ultrahochvakuum (Drücke bis 1,3 ⋅ 10-7 Pa) sind nicht nur für die Luft- und Raumfahrttechnik von großer Bedeutung. Das Messen von Reibkoeffizienten in kontrollierter Atmosphäre ermöglicht, Reibphänomene fundamental zu untersuchen, ohne äußere Einflussfaktoren berücksichtigen zu müssen. Die permanente Kontrolle mittels Massenspektroskopie dient hierbei als Überwachung.

Der Tisch wird über ein Piezoelement hochpräzise gesteuert und regelt so die Anpresskraft und den Verfahrweg.

Ein Gaseinlasventil ermöglicht Messungen bei einem bestimmten Partialdruck von Wasserstoff oder anderer Gase.

Die UHV-Tribometerkammer ist mit der XPS-Anlage verbunden, wodurch eine chemische Charakterisierung vor und nach den Versuchen möglich ist, ohne die Oberfläche / Reibspur der Atmosphäre auszusetzen. Durch die intergierte Sputtervorrichtung der XPS-Anlage sind auch Reibversuche auf rein metallischen Oberflächen möglich.

Messparameter:

max. Geschwindigkeit

100 µm/s

max. Verfahrweg

100 µm

max. Strecke

max. Verfahrweg  Anzahl Zyklen (beliebig)

max. Normalkraft

80 mN

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Unser Leistungsangebot

Messungen an allen vakuumfesten Materialpaarungen

Messungen im Hochvakuum oder bei bestimmtem Partialdruck von Wasserstoff

chemische Charakterisierung der Oberfläche vor und nach den Reibversuchen

Probenpräparation mittels Sputtervorrichtung möglich

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Kugel und Platte am Mikrotribometer. Die beiden Reibparter sind noch nicht im Kontakt.

Mikrotribometer

Mit dem Mikrotribometer können wir Reibversuche unter Einprägung einer Kraft im Bereich weniger mN und/oder einer Bewegung im µm-Bereich durchführen. Das Grundprinzip beruht auf einem 2D Mikrokraftaufnehmer und mehreren Positioniereinheiten. Somit können Relativbewegungen zwischen zwei Reibpartnern unter Messung der Kraftwechselwirkungen realisiert werden. Dazu gibt es die Versuchsarten reversierend und einsinnig.

Für reversierende Versuche wird der Kraftaufnehmer mit der Probe in einen festgelegten Kontakt gebracht und die Gegenprobe reversierend bewegt. Es werden die Normalkraft (FN), die Tangentialkraft (FT) und der Reibweg aufgezeichnet. Dabei können die Normalkraft und die Gleitgeschwindigkeit eingestellt werden.

Bei einsinnigen Versuchen wird die zu untersuchende Probe mit dem Kraftaufnehmer in einen definierten Kontakt gebracht, wobei sich die Gegenprobe diesmal um eine Drehachse bewegt, während die Normal- und Tangentialkraft sowie die Drehposition phi (φ) über die Zeit t aufgetragen werden. Die Drehgeschwindigkeit, der Radius und die Normalkraft können variiert werden

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Technische Daten:

Parameter reversierend

Wert

Normalkraft

5 bis 1000 mN

Reibkraftauflösung

0,2 mN

Reibweg

0 bis 10 mm

Gleitgeschwindigkeit

0,02 bis 10 mm/s

Samplerate

bis 10 kS/s

Parameter Stift-Scheibe Wert
Normalkraft 5 bis 1000 mN
Reibkraftauflösung 0,2 mN
Radius 0 bis 15 mm
Drehgeschwindigkeit 5 bis 120 U/min
Samplerate bis 333 S/s

 

 

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in-situ-Tribometer / Topographietribometer

Digitale Holografie ist ein Verfahren zur berührungslosen und flächenhaften 3D-Messung von Oberflächen. Die komplette 3D-Oberfläche wird mit nur einer einzigen Aufnahme registriert und das Verfahren benötigt kein Scannen, damit sind hohe Bildfrequenzen möglich. Zusätzlich zum Holographiemikroskop (DHM) kann auch ein Rasterkraftmikroskop (AFM) auf die Reibspur positioniert werden.

Das Tribometer besitzt einen sehr genau positionierbaren Tisch, so dass exakt derselbe Bereich der Oberfläche oder Reibspur nach einer bestimmten Zyklenzahl wieder vermessen werden kann. Die Korrelation von Topographie und Reibung ist damit möglich, mit der Einbindung der Radionuklidtechnik kann zusätzlich der Verschleiß mit Reibungs- und Topographiewerten in Zusammenhang gebracht werden.

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