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Oktober 2011
Manuela Reichelt
Mikroanalytische Klärung des Verschleißschutzes durch Grenzschichtbildung in langsam laufenden Wälzlagern
Um Oberflächen vor Verschleiß und Ermüdung zu schützen, werden den Schmierstoffen Hochdruck- und Verschleißschutzadditive zugesetzt. Die Additive sollen auf den Metalloberflächen chemisch und physikalisch gebundene Schutzschichten aufbauen, um Lagerausfälle zu verhindern. Zur Ermittlung des Schmierstoffeinflusses auf die Bildung und Belastbarkeit von den auf Wälzlagern gebildeten Verschleißschutzschichten wurden in der vorliegenden Arbeit Versuche an Axialzylinderrollenlagern im FE-8-Wälzlagerschmierstoffprüfgerät durchgeführt. Die Schmierstoffklassifizierung erfolgt nach dem Ergebnis im FE-8-Wälzlagerschmierstoffprüfgerät unter Standardbedingungen. Mittels zahlreicher Prüfstandsversuche konnten drei Systeme mit unterschiedlichen tribologischen Eigenschaften, die hier exemplarisch dargestellt sind, klassifiziert werden.
Die mikroanalytische Charakterisierung der Proben erfolgte mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM), statischer und dynamischer Nanoindentierung, Elektronenstrahlmikrosonde (ESMA), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS). Die Analysen zeigen, dass das tribologische System mit niedriger Verschleißschutz-Schmierung (NVS) eine äußere Grenzschicht ohne Verschleißschutz ausbildet und daher erheblichen Oberflächenverschleiß aufweist. Das System mit hoher Verschleißschutz-Schmierung (HVS) zeichnet sich durch eine ultradünne äußere Grenzschicht mit einer Dicke von 6 nm aus und das mit hoher Verschleißschutz- und niedriger Ermüdungsschutz-Schmierung (HVNES) wiederum bildet belastungsabhängige äußere Grenzschichten mit 40 bzw. 70 nm Dicke. Unterhalb dieser äußeren Grenzschichten hat sich immer aufgrund von plastischen Deformationen eine innere Grenzschicht, die sog. Tribomutationsschicht, bestehend aus feinkristallinem hochverformten Grundwerkstoff ausgebildet. Die Dicke der ausgebildeten Tribomutationsschicht steht in direktem Zusammenhang zum Verschleißschutz. Bei hohem Verschleißschutz hat die Tribomutationsschicht eine Dicke von ca. 200 nm und bei niedrigem Verschleißschutz eine Dicke von ca. 400 nm. Das Gefüge korreliert mit dem Ermüdungsschutz. Die nanomechanischen Eigenschaften dieser äußeren Grenzschichten unterscheiden sich erheblich vom Grundwerkstoff.
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass sich eine Schmierung mit hohem Verschleißschutz durch die Ausbildung einer vor Adhäsion, Abrasion und Korrosion schützenden äußeren Grenzschicht auszeichnet. Ein zu geringer Verschleißschutz spiegelt sich in einer dickeren inneren Grenzschicht wider und ein zu geringer Ermüdungsschutz verändert die Gefügezusammensetzung der inneren Grenzschicht. Ferner konnte gezeigt werden, dass ESMA-Messungen als Methode der Wahl zur schnellen Beurteilung der Schichtgüte anzusehen sind. Für eine zuverlässige Klassifizierung bezüglich des Verschleiß- und Ermüdungsverhaltens der äußeren und inneren Grenzschichten sind dynamische Nanoindentermessungen am besten geeignet.
Die mikroanalytische Charakterisierung der Proben erfolgte mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM), statischer und dynamischer Nanoindentierung, Elektronenstrahlmikrosonde (ESMA), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS). Die Analysen zeigen, dass das tribologische System mit niedriger Verschleißschutz-Schmierung (NVS) eine äußere Grenzschicht ohne Verschleißschutz ausbildet und daher erheblichen Oberflächenverschleiß aufweist. Das System mit hoher Verschleißschutz-Schmierung (HVS) zeichnet sich durch eine ultradünne äußere Grenzschicht mit einer Dicke von 6 nm aus und das mit hoher Verschleißschutz- und niedriger Ermüdungsschutz-Schmierung (HVNES) wiederum bildet belastungsabhängige äußere Grenzschichten mit 40 bzw. 70 nm Dicke. Unterhalb dieser äußeren Grenzschichten hat sich immer aufgrund von plastischen Deformationen eine innere Grenzschicht, die sog. Tribomutationsschicht, bestehend aus feinkristallinem hochverformten Grundwerkstoff ausgebildet. Die Dicke der ausgebildeten Tribomutationsschicht steht in direktem Zusammenhang zum Verschleißschutz. Bei hohem Verschleißschutz hat die Tribomutationsschicht eine Dicke von ca. 200 nm und bei niedrigem Verschleißschutz eine Dicke von ca. 400 nm. Das Gefüge korreliert mit dem Ermüdungsschutz. Die nanomechanischen Eigenschaften dieser äußeren Grenzschichten unterscheiden sich erheblich vom Grundwerkstoff.
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass sich eine Schmierung mit hohem Verschleißschutz durch die Ausbildung einer vor Adhäsion, Abrasion und Korrosion schützenden äußeren Grenzschicht auszeichnet. Ein zu geringer Verschleißschutz spiegelt sich in einer dickeren inneren Grenzschicht wider und ein zu geringer Ermüdungsschutz verändert die Gefügezusammensetzung der inneren Grenzschicht. Ferner konnte gezeigt werden, dass ESMA-Messungen als Methode der Wahl zur schnellen Beurteilung der Schichtgüte anzusehen sind. Für eine zuverlässige Klassifizierung bezüglich des Verschleiß- und Ermüdungsverhaltens der äußeren und inneren Grenzschichten sind dynamische Nanoindentermessungen am besten geeignet.
Schlagwörter: Tribologie; Reaktionsschicht; Tribomutationschicht; Axialzylinderrollenlager; 100Cr6; TEM; Nanoindenter
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