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Zero wear (Null Verschleiß)
(2013)
Zero wear (Null Verschleiß)
(2012)
Recent developments in contact mechanics and microfribology have shown that it is very important to study surface modification effects for quantification of „Zero wear“ (plastic deformation of upper parts of asperities) during sliding friction. The present work considers experimental and Simulation data on the Formation of elastic and plastic contact areas during sliding friction on rough surfaces. The Simulation of discrete contact was carried out using as a source the AFMimages of real surface topography at micro/nanoscale.
The approach for quantification of „zero wear“, proposed here, is not using common Statistical Parameters of roughness, but it considers contact areas on asperities.
In these areas some regions are undergoing plastic deformation which influences surface Transformation during sliding friction. Also, the workhardening effect was taken into account in the Simulation
of sliding friction. This enabled a rnore successful fit of experimental data. The results obtained of the Computer simulations will provide a way of studying friction force at the initial stage of the running-in process.
Three different contact geometries, ball on disk and two different settings with crossed cylinders have been investigated with regard to the agreement of the results of the tribological quantities determined by each method. The material combination was α-alumina as upper specimen and steel 100Cr6 as lower specimen. For each of the contact geometries 5 independent measurements were carried out and evaluated independently. The agreement between the single results of coefficient of friction and the coefficient of system wear as well as between the different groups and conditions are good. Largest scatter of the results were found in the dry air regime where both friction and wear depend strongly on the relative humidity. However, comparison of the absolute values of the coefficient of wear between the ball on disk contact geometry on one side and the 2 crossed cylinder contact geometries on the other side reveals a significant difference in that the ball on disk results are lower by about a factor of two. The results document also a high degree of repeatability of single wear tests.
Die volumetrische Verschleiß-Berechnung an gekrümmten Oberflächen wird mit einer neuentwickelten "numerischen Methode" durchgeführt, die eine deutlich bessere Präzision der Ergebnisgrößen erzielt. Das methodische Vorgehen wird exemplarisch für die Kontaktgeometrie des Tribosystems Kugel/Ebene detailliert beschrieben. Sie kann generell für alle Verschleißberechnungen angewandt werden, bei denen sich die Verschleißvolumina als Schnittmenge durchdringender Regelgeometrien (z. B. Kugeln, Ebenen, Zylinder u. a.) abbilden lassen. Verglichen werden die tribologischen Verschleißergebnisse bei der Anwendung der "numerischen Methode" mit den Ergebnissen bei der Anwendung der Näherungsgleichungen. Experimentell ermittelte und Modellwerte sind Eingangsgrößen des Vergleichs.
Im Vortrag wird neben der apparativen Prüftechnik das allgemeine methodische Vorgehen für Modell-Verschleißuntersuchungen im Bereich des partial slip vorgestellt. Im Detail wird für Dental-Implantat-Werkstoffe eine Rangfolge aufgestellt, die vergleichend die Verschleißresistenz unterschiedlicher Ti-basierter Werkstoffe zeigt. Wird durch die Kaubewegung eine mehrachsige Beanspruchung in die Kontaktflächen der Schraubverbindung eingeleitet, kann durch partial slip im Randbereich dieser Kontaktfläche ein Verschleißprozess initiiert werden, der die Lockerung des Implantats begünstigt. Eine gute Verschleißresistenz verhindert oder schiebt die vorzeitige Lockerung hinaus.
Um das Werkstoffverhalten in Bezug auf eine vorzeitige Lockerung der Implantatkrone bei geschraubten zweiteiligen Implantaten zu charakterisieren, wurden zylindrische Probekörper unter partial slip Fretting-Bedingungen mit Zyklenzahlen bis n = 200 000 beansprucht. Die Frequenz der aufgebrachten Tangentialkraft betrug 2 Hz, um die Kaubewegung zu simulieren.
Die tribologischen Untersuchungen wurden auf einem Eigenbau-Tribometer mit der Kontaktgeometrie „gekreuzte Zylinder“ durchgeführt. Die zylindrischen Proben wurden aus den Werkstoffen Titan Grade 4 und der Ti-Legierung Ti6AI4V gefertigt. Ein Teil dieser Ti-basierten Proben wurde oberflächengehärtet. Die bisher erzielten Ergebnisse zeigen, dass die oberflächenbehandelten Proben dazu neigen, unter der Belastung die Kontaktfläche zu vergrößern. Dies deutet auf einen Effekt bekannt als „junction growth“ und damit auf eine erhöhte Versetzungsbeweglichkeit der randschichtgehärteten Proben hin. Einen Einfluss der Zwischenstoffe konnte nicht nachgewiesen werden.
Untersucht wurden Verschleißpartikel als elektronen-transparente Proben auf dünnen Trägerfolien mit einem hochauflösendem Rasterelektronenmikroskop und energiedispersiver Röntgenspektrometrie im Transmissionsmodus. Die hohe laterale Auflösung dieser modernen Methoden ermöglicht eine morphologische Charakterisierung der Verschleißpartikel bis in den nm-Bereich. Die hochauflösende Elementanalyse erlaubt eine Interpretation der Zusammensetzung und damit Rückschlüsse auf die Verschleißpartikelbildung.
Die tribologischen Untersuchungen sind an einem Modell-Verschleißtribometer nach DIN 51834-2 geschmiert, aber ohne Ölkreislauf, durchgeführt worden. Die Präparation der Verschleißpartikel über eine Entnahme und Übertragung einer geringen Schmierstoffmenge mit einer Mikropipette auf eine TEM-Trägerfolie ist mit einem geringen Aufwand möglich. Der präparative Aufwand ist relativ gering. Das benötigte Schmierstoffvolumen beträgt wenige Mikroliter (0,001ml).
Die Untersuchung zeigt die geringe geometrische Größe der Verschleißpartikel und bestätigt indirekt die These der Reaktionsschichtbildung mit einer geringen Schichtdicke, die ständig verschleißt und sich stetig neu bildet. Die beschriebenen Verschleißprozesse sind in der Modell-Verschleiß-Prüfung mit sehr hohen Pressungen am Versuchsbeginn nachweisbar.