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Tribologische Charakterisierung von Werkstoffen bei ungeschmierter reversierender Gleitbewegung
(1996)
Einfluss elektrischer Spannungen auf Reibung und Verschleiß in wassergeschmierten Tribokontakten
(2001)
Influence of electrical voltages on friction and wear in water lubricated sliding of SiC/SiC-TiC
(2001)
The tribological behaviour of different monolithic and composite ceramics was evaluated in the temperature range between room temperature and 750°C. The test method was oscillating sliding with a ball-on-disk arrangement in an SRV machine. Alumina balls were used as counter body. The friction behaviour was determined on-line, and the wear behaviour was determined from calculations on the basis of wear scar dimensions and profilometric measurements. The friction depends on temperature and shows an increase for most materials for increasing temperature; the smallest friction at all temperatures is found for monolithic TiC. The wear behaviour shows different trends for the different materials. In tests against SiC a maximum of wear is found at 500°C, for TiC at 200°C and for TiB2 at 750°C. The composite ceramics suffer the smallest wear of all materials in the range from 200°C to 500°C.
A novel tribometer has been designed using commercially available components for sliding motion at 40kHz with amplitude between 2.5 and 5µm. The tribometer is equipped with means to measure amplitude, frequency, power required to keep the sample in motion and load applied. The effective motion between the two contacting bodies is monitored. These data are used to evaluate the coefficient of friction. The wear rate was determined after the tests. The set-up was tested using novel, non-commercial substrates such as AlFeCrTi-alloys and tungsten carbide-based coatings as well as Magnéli-type coatings (Tin-2Cr2O2n-1 and TinO2n-1). This paper presents the principle of the ultra-high frequency tribometer and first tribological quantities of materials and coatings tested.
After having checked in a previous study the influence of stroke and normal load in laboratory fretting tests accomplished with thin steel roping wires, in this paper the effect of the contact pressure (test configuration), environmental conditions (relative humidity) and reduction of the friction coefficient (lubricants) on the wear behaviour were analysed. The wires were 0.45 mm in diameter and the material was a cold-drawn eutectoid carbon steel (0.8% C) with a Tensile Strength over 2800 MPa. The tests were performed on an oscillating test rig and the volumetric wear of both specimens of the tribocouple was determined separately from three-dimensional topographies of the wear scars acquired by means of a confocal profiler, and a calculation algorithm developed in using MATLAB®. The strong effect of humidity and lubrication on wear behaviour was proved, whereas a slight effect of contact pressure was derived.
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.
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.
Zero wear (Null Verschleiß)
(2013)
Die Verschleißbeträge können im nm-Bereich quantifiziert werden durch die Berechnung eines Mittelwert-Profils.
Grundlage dieser Berechnung ist die hochauflösende Erfassung der 3D-Topographiedaten, die tribologisch beanspruchte
und nichtbeanspruchte Oberflächenbereiche gleichermaßen beinhalten. Ein bestimmtes Messverfahren
(taktil oder optisch) wird nicht favorisiert. Die vertikale Auflösung des Messverfahrens sollte im nm-Bereich
liegen.---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
The wear rates can be quantified in the nm range by calculating a mean profile. Based on this calculation is the
high-resolution recording of the 3D topography data containing tribologically worn and unworn surface areas
alike. A specific measurement method (tactile or visual) is not favored. The vertical resolution of the measurement
process should be in the nm range.
Fretting
(2014)
The importance of lubricants in virtually all fields of the engineering industry is reflected by an increasing scientific research of the basic principles. Energy efficiency and material saving are just two core objectives of the employment of high-tech lubricants. The encyclopedia presents a comprehensive overview of the current state of knowledge in the realm of lubrication. All the aspects of fundamental data, underlying concepts and use cases, as well as theoretical research and last but not least terminology are covered in hundreds of essays and definitions, authored by experts in their respective fields, from industry and academic institutes.
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.
The influence of temperature and counterbody material on the tribological properties of a-C:H
coatings deposited on Cronidur 30 steel has been investigated in a lubricated ball on disk
contact situation with alpha-alumina and silicon nitride as counterbodies. The results show, that the wear volumes of the systems increase exponentially with increasing temperature, for alpha-alumina more than for silicon nitride. Two different wear mechanisms seem to have a
major influence: First, the abrasive action due to materials hardness and second, the tribo-oxidation when silicon nitride is counter material.
Untersucht wurden Verschleißpartikel als elektronentransparente 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 (0,001 ml).
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.
Laser-induced periodic surface structures (LIPSS) were generated on two types of steel (100Cr6, X30CrMoN15-1) and two types of titanium (Ti, Ti6A14V) surfaces upon irradiation with multiple linear polarized femtosecond laser pulses in air environment (pulse duration 30 fs, central wavelength 790 nm, pulse repetition rate 1 kHz, Gaussian beam shape). Teh conditions (laser fluence, spatial spot overlap) were optimized in a sample-scanning geometry for the processing of large surface areas covered homogeneously by two different types of LIPSS - either near wavelength or sub-100 nm structures. The tribological performance of the nanostructured surfaces was characterized under reciprocating sliding at 1 Hz against a ball of hardened steel using different lubricants and normal forces. After 1000 cycles the corresponding wear tracks were characterized by optical and scanning electron microscopy. For specific conditions, the wear was strongly reduced and laser-generated nanostructures endured the tribological treatment. Simultaneously, a significant reduction of the friction coefficient was observed in the laser-irradiated LIPSS-covered areas, indicating the benefit of laser surface structuring for tribological applications. The spatially Gaussian shaped beam used for the laser processing was transformed via beam shaping into a top hat distribution at the surface of the samples for optimization. The tribological performance of the laser-induced nanostructures is discussed on the basis of different physical and chemical mechanisms.