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Tribologische Charakterisierung von Werkstoffen bei ungeschmierter reversierender Gleitbewegung
(1996)
Einfluss elektrischer Spannungen auf Reibung und Verschleiß in wassergeschmierten Tribokontakten
(2001)
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.
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.
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.
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.
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.