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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.
An extended study on tribological properties of carbon nitride coatings under oscillating sliding conditions has been carried out. The coatings were prepared by reactive magnetron sputtering with graphite target using nitrogen as reactive gas in an argon/nitrogen atmosphere during the deposition process to deposit carbon nitride, CNx. Coating thickness was about 2 µm. A 200300 nm thick Ti interlayer was used to enhance adhesion. The nitrogen flow during the deposition was varied to control the amount of nitrogen in the coating. Maximum amount of N-content was about 28 at%, achieved at a maximum N2 flow rate. Other deposition parameters were target to substrate distance, substrate temperature during deposition and bias voltage. The results show a large variation of hardness depending mainly on the nitrogen content and bias voltage. Higher bias voltage produced harder coatings as did lower nitrogen content. The tribological properties were tested unlubricated and lubricated by paraffin oil under gross slip fretting conditions at room temperature against alumina as counter material. Most coatings, but not all, showed a more or less pronounced dependence of wear on relative humidity with wear rates from 10-5 to 10-6 mm3/Nm. The best coatings with regard to a low wear rate and the least dependence upon relative humidity were carbon nitride coatings deposited at elevated substrate temperatures up to 350 °C. The wear resistance of these coatings was increased under the most severe conditions by about one order of magnitude. The results are discussed on the basis of a transfer layer formation. The results show clearly that wear is not significantly correlated to the coating hardness which itself is strongly dependant on the nitrogen content. However, under lubricated conditions with paraffin oil, wear rates were generally very low with wear coefficients at about 10-8 mm3/Nm.
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.