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Organisationseinheit der BAM
This paper presents a dry sliding tribo-couple (DLC/monolithic oxide ceramics), where the tribological quantities are more or less in a wide ränge independent of the sliding speed. The DLC film is composed of a specific mixture of sp3 /sp2 hybridized carbon. Self-mated ceramic/ceramic couples of MgO-Zr02, alpha-AI203 or SSiC are with their coefficients of friction above 0.45 not so lubricious, whereas the coefficients of friction of the tribocouples MgO-Zr02/DLC and alpha-AbOVDLC ranged between 0.075 and 0.15 under dry sliding. The coefficients of friction for these tribo-couples tend to decrease with increase sliding speed from 0.03 m/s to 6 m/s. The dry wear rates of the thin film is low (<10‘7 mm3/Nm) and perfectly independent from sliding velocity.
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.
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.
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.
The wear rates of self-mated alumina couples show that friction as well as wear is largely determined by the above-mentioned hydro-thermal conditions. The presence of water and its amount available in the surrounding system either in liquid or in gaseous form plays a key role for friction and wear behavior and can be beneficial for the tribological profile of steam degradation resistant materials. Hot steam enhances the tribo-chemical formations of oxides and hydroxides on MgO-ZrO2 alumina and antimony impregnated carbon.
The friction and wear properties of polyetherimide composites under dry oscillating sliding condition at room temperature (RT) as well as at elevated temperature (120 °C) was investigated. The polymer specimens were made to oscillate against steel cylinder as a counterpart. The friction and wear properties of PEI and composites were strongly influenced by the temperature. In case of carbon fiber composite abrasive action of carbon fibers has severely damaged the counterpart and resulted in accelerated wear of the composite at RT. Solid lubricants filled (PTFE, MoS2, graphite) along with glass fiber is beneficial in improving the friction and wear performance of the PEI composite at RT, whereas at elevated temperature wear performance was deteriorated.