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Organisationseinheit der BAM
This paper presents the friction and wear behaviour of monolithic titanium-molybdenum carbonitride and tungsten carbide. These materials have been tested sliding against themselves, carbons, fibre reinforced glasses and molybdenum coatings and compared to other ceramics and ceramics composites under unlubricated condition up to 800 °C and 6 m/s.
Self-mated sliding couples of titanium-molybdenum carbonitride display, especially under high-temperature friction, a pronounced wear resistance compared to ceramics and ceramicceramic composites. This very good property is due to the tribo-oxidative formation of so-called lubricious oxides, e.g. Magnéli phases of rutile. They exhibit sliding wear rates under unlubricated friction up to 800 °C as known from mixed/boundary lubrication.
Within the different test conditions, the wear rates of a variety of stationary monolithic materials samples sliding against rotating specimen of (Ti, Mo)(C, N) are always in the group with the lowest wear rates.
The association of the wear resistance, mechanical strength, fracture toughness and low density makes the (Ti, Mo)(C, N) material a complete solution for complex customer demands.
The results presented in this paper have clarified experimentally, that titania-based Magnéli-phases (Ti4O7/Ti5O9 and Ti6O11) with (121)-shear planes exhibit more anti-wear properties than lubricious (low-frictional) properties. The results for dry sliding indicate that the coefficients of friction lie in the range of 0.10.6 depending on sliding speed and ambient temperature. The COF decreased with increasing temperature (T= 22800°C) and increasing sliding speed (?= 1-6 m/s). The dry sliding wear rate was lowest for the Al2O3 at 1 m/s at 800°C with values of 1.7 × 10-8 and 6.4 × 10-8 mm3/N m, comparable to boundary/mixed lubrication, associated with a high dry frictional power loss of 30 W/mm2. The running-in wear length and, more important, the wear rate decreased under oscillating sliding tests with increasing relative humidity. The contact pressure for high-/low-wear transition increased under oscillating sliding tests with increasing relative humidity. At room temperature and a relative humidity of 100% the steady-state wear rate under dry oscillating sliding for the couple Al2O3/Ti4O7Ti5O9 was lower than 2 × 10-7 mm3/N m and therefore inferior to the resolution of the continuous wear measurement sensor. TEM of wear tracks from oscillating sliding revealed at room temperature a work-hardening as mechanism to explain the running-in behavior and the high wear resistance. The hydroxylation of titania surfaces favours the high-/low-wear transition.
Dry friction and wear rates as under liquid lubrication of ceramic/carbon couples up to 450°C
(2004)
In a high temperature tribometer, stationary carbon has been tested against different rotating ceramics (SiC, Si3N4, Al2O3, WC-6Ni, MgO-ZrO2, (Ti, Mo)(C, N)) and stainless steel (DIN 1.4876). The rotating discs were grinded, polished and/or lapped. For most material combinations, the wear morphology is known from available literature. A transfer film with a typical wear pattern was found on the rotating disc. The combination of antimony graphite EK3245 against MgO-ZrO2 did not form carbonaceous transfer layer. Through advanced variation of the roughness up to Rpk=0.011?µm, the wear rate has been reduced to Kv 3.5×10-8?mm3/N?m at a stable coefficient of friction in a millirange of µ~0.008 for a sliding distance of 20.000?m.
Einen großen Beitrag zur Gewichtseinsparung leistet die Substitution von Grauguss-Legierungen durch moderne Aluminiumlegierungen für Pkw Kurbelgehäuse. Zur Erhöhung der tribologischen und thermomechanischen Belastungsgrenzen von Aluminiumoberflächen kommen thermisch gespritzte Schichten in Frage. Zielsetzung nachfolgender Untersuchungen ist es außermotorisch unter Misch-/Grenzreibung das tribologische Potenzial von thermisch gespritzten keramischen Schichtwerkstoffen auf Basis der Stoffsysteme Cr2O3, Cr2O3/TiO2, Cr3C2/NiCr, TiO2, TiO2/Al2O3 im Vergleich zu aktuell serienmäßig eingesetzten Graugusswerkstoffen zu ermitteln. Die Oberflächentopographien und die Schmierstoffe determinieren gegenüber GG26Cr die Verschleißsenkungspotenziale der keramischen Schichten. Eine Reduzierung der Reibungszahlen wird nicht durch keramische Oberflächenbeschichtungen, sondern durch den Einsatz von Polyglykolen als Schmiermedium erzielt.
8 wt% Y2O3-ZrO2 spray powder and thermally sprayed as thermal barrier coatings on outer air seals were characterized by Raman microprobe spectroscopy (RMS) and transmission electron microscopy to investigate the lateral distribution, composition, structure and grain size of ZrO2 phases and to separate ZrO2 and Y2O3. RMS of transfer layers on ZrO2-coated shrouds after rub tests against SiC laser-tipped metallic blades showed the formation of metallic oxides MeIMeII2O4 of spinel type. Wear tracks were partly covered by graphite and spinel-type oxides. In some cases, the latter were better detectable after laser enhanced cleaning by burning off the covering carbon layer.
Plusieurs essais coopératifs multilaboratoires ont été effectués en 1997, 1998, 1999, 2000 et 2001 par le groupe de travail DIN 51834 Essais tribologiques dans l'appareil translation-oscillation. Il s'agit d'essais effectués sur des machines différentes et dans différents lieux. Pour simplifier, on les dénomme essais circulaires. L'analyse statistique des résultats a examiné l'influence du choix du solvant, du modèle de l'appareil et des paramètres sur les caractéristiques tribologiques des différentes huiles. Le coefficient de frottement et les taux d'usure peuvent être classés selon les dix différents solvants utilisés: l'isopropanol donne des coefficients de frottement plutôt bas et l'isoparaffine des coefficients plutôt élevés. La variation du coefficient de frottement selon le modèle de machine se situe entre 0,2 % et 0,9 % et les taux d'usure ne sont pas non plus affectés par les solvants. Le diamètre de l'empreinte est insuffisant pour caractériser la résistance à l'usure d'une huile. Le critère pour l'adhésion a du être redéfini. La répétabilité et la reproductibilité ont été améliorées.
In situ Acoustic Emission for wear life detection of DLC coatings during slip-rolling friction
(2006)
Different diamond-like carbon (DLC) coatings on a steel substrate (100Cr6) were tested under slip-rolling friction conditions against uncoated counter bodies of the same steel. The initial maximum Hertzian pressure was varied in a range of P0 = 1.52.3 GPa. The friction tests were carried out under dry conditions and with an unadditivated paraffin oil as lubricant. It could be shown that the thickness of the coatings affects the respective wear life. Further, a very important factor for the wear life of a coating under lubricated slip-rolling conditions is the roughness of the surface of the respective counterbody. The wear life tests were monitored by recording in situ the Acoustic Emission (AE) signals. Some causes for a high AE activity could be identified.
Paraffinöl geschmierte Wälztests wurden an extrem harten Diamantschichten auf hartem SSiC Substrat, unterschiedlichen, harten DLC-Schichten auf 100Cr6 Substraten (HRC60) sowie ausgewählten DLC-Schichten auf ungehärtetem Stahl (HRC 20) durchgeführt. Die Wälztests wurden in einem Zweischeibentribometer vom Typ Amsler bei einer anfänglichen, maximalen Flächenpressung nach Hertz von P0=2,3 GPa ausgeführt. Als Abbruchkriterium für die Tests wurde das Erreichen von n=1.000.000 Überrollungen (Langzeittests n=10.000.000 Überrollungen) oder das Auftreten einer Schädigung mit einer zusammenhängenden Fläche von A>1 mm2 festgelegt. Die Wälztests zeigten, dass das harte SSiC Substrat zwar eine stützende Wirkung auf die Diamantschicht hat, diese aber aufgrund von Rissen im Substrat versagte. Ferner gibt es wenigstens zwei DLC-Schichten, die, aufgebracht auf 100Cr6 Scheiben (HRC60), den Wälztests bis n=10.000.000 Überrollungen ohne nennenswerte Schäden widerstanden. Diese Schichten passten sich auch den Verformungen des weichen, stickstofflegierten Stahls (HRC20) an, ohne das es zu größeren Abplatzungen kam (A>1 mm2).
Biolubrifiants
(2011)
Un point de départ pour la mise en route des lubrifiants « neutre à l'environnement » ont été les huiles perdues et les fuites accidentelles, les lubrifiants perdus rejoignant les sols et les eaux (voir lac de Constance).
Même en prenant en compte les voies du recyclage, la combustion dans les moteurs et les fuites connues, environ 30 % (entre 20 % et 40 %, selon les études) du volume de lubrifiants entre dans l'environnement par des voies non attribuables ou est probablement mis en décharge de manière illégale.
Avec de tels chiffres publics, les arguments des lobbyistes de l'industrie pétrochimique, affirmant que, dans la plupart des applications, les fluides sont enfermés dans des réservoirs clos et étanches, ne convainquent pas les politiques. C'est aussi peut-être parce que, en Allemagne, environ 60 % des particuliers changent leur huile eux-mêmes.
The dilution of biogenic fuels into lubricating engine oils often leads to a shortening of the recommended oil drains (between 30% and 60%) and an increase in wear. The large number of overlapping and influencing factors, of which dilution and polymerization of fuel components in the engine oil are emphasised, makes it difficult to find a uniform solution to prevent failures in the various applications.
Insofar single solutions for the different types of biofuels are needed. The contribution of base oil chemistry and additives as well as triboactive materials is featured to deal with the adverse effects of biofuels. In the frame of the European Commission (EC)-funded project 'cleanengine', tentative engine oils based on esters with a content of renewables and polyglycols are formulated to increase the lubricant's tolerance in engines fuelled with biofuel-based blends, with the aim of ensuring required lubricating and wear protection performance while keeping oil drain intervals unchanged.
The present paper focuses on four-stroke diesel applications, fuelled by biodiesel (fatty acid methyl ester — FAME) as well as by rapeseed oil and Jatropha oil (pure vegetable oils, triglycerides), together with relevant blends of those biofuels and conventional diesel fuel.
This paper screens the functional profile (in particular rheological, toxicological, bio-compatibility, tribological and biofuels affinity) of lube families with respect to biofuel contamination. Moreover, this is followed by the contributions of piston ring and liner materials as well as thin film coatings.
The slip-rolling resistances of hard and stiff thin films under high Hertzian contact pressures can be improved by optimizing the 'coating/substrate systems'. It is known from former investigations that the so-called 'egg-shell' effect is no general hindrance for high slip-rolling resistance of thin hard coatings. The coating stability depends more on specific deposition process and coating/substrate interface design. In this article it is experimentally shown, that pure amorphous carbon thin films with hardness between 15 and 63 GPa can be slip-rolling resistant several million load cycles under a maximum Hertzian contact pressures of up to 3.0 GPa. Whereas all coatings were stable up to 10 million load cycles in paraffin oil at room temperature, reduced coating lifetime was found in SAE 0W-30 engine oil at 120°C. It was shown how the coating hardness and the initial coating surface roughness influence the running-in process and coating lifetime. No clear correlation between coating hardness and coating lifetime could be observed, but friction coefficients seem to be reduced with higher coating hardness. Very low friction down to ~0.03 in unmodified engine oils was found for the hardest ta-C film.------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Die Wälzbeständigkeit von harten und steifen Dünnschichten unter hohen Hertzschen Kontaktpressungen kann durch die Optimierung des 'Beschichtung/Substrat Systems' deutlich verbessert werden. Aus vorangegangenen Untersuchungen ist bekannt, dass der so genannte 'Eierschaleneffekt' kein generelles Hindernis für eine hohe Wälzbeständigkeit für harte Dünnschichten darstellen muss. Die Stabilität der Beschichtungen hängt vielmehr von dem spezifischen Prozessparametern und dem Schicht/Substrat Grenzflächendesign ab. In diesem Artikel wird experimentell nachgewiesen, dass reine amorphe Kohlenstoffdünnschichten mit Härtewerten zwischen 15 und 63 GPa für mehrere Millionen Lastzyklen unter maximalen Hertzschen Kontaktpressungen bis 3.0 GPa überrollbeständig sein können. Während alle Beschichtungen bis 10 Millionen Lastzyklen in Paraffinöl bei Raumtemperatur keine Defekte aufweisen wurde unter Verwendung eines SAE 0W-30 Motorenöls bei 120°C eine Verringerung der Überrollbeständigkeit nachgewiesen. Es wurde nachgewiesen, wie die Schichthärte und ursprüngliche Oberflächenrauheit der Beschichtung den Einlaufprozess und die Lebensdauer beeinflussen. Es konnte keine offensichtliche Korrelation zwischen Schichthärte und Lebensdauer festgestellt werden, allerdings wurde eine scheinbare Reduktion des Reibwertes mit steigender Schichthärte beobachtet werden. Dabei zeigte die härteste ta-C Schicht unter Verwendung des Motorenöls sehr geringe Reibwerte mit ~0.03.
Einfluss der Topographie von DLC-Schichten auf deren Verhalten unter geschmierter Wälzbeanspruchung
(2004)
Das ungeschmierte tribologische Verhalten von verschiedenen Stoichiometrien und mit unterschiedlichen Verfahren hergestellten Schichten und Werkstoffen im System Ti-O wird vorgestellt. Der Phasenreichtum geht einher mit dem gleichen Erscheinungsreichtum im tribologischen Verhalten. Obwohl aus den Stoffeigenschaften kaum erkennbar, offenbart das System Ti-O eine phasenweise herausragende Verschleißbeständigkeit, allerdings wurden Reibungszahlen von 0,2 kaum unterschritten.
Testing friction and wear of the tribosystem piston ring and cylinder liner outside of engines
(2008)
An OEM-driven working group started in January 2004 to elaborate the philosophies, concepts and test procedures for testing piston ring and cylinder liner materials as well as engine oils outside of engines using the SRV (abbreviation for German: Schwingung, Reibung, Verschleiß; in English: Oscillation, Friction, Wear) test equipment. The different SRV test philosophies in use by OEMs are compiled. The working group focuses on (i) ASTM fuel economy sequence by ageing oils; (ii) friction and wear in the top-dead-centre region under mixed/boundary lubrication; (iii) extreme pressure load under mixed/boundary lubrication; and (iv) hydrodynamic friction. Tribological test results and precision data are presented.
Die Zusammensetzung WC-(W,Cr)2C-7%Ni gehört zu den kommerziell verfügbaren Standardzusammensetzungen für Hartmetallspritzpulver und -schichten. Abweichend davon wird sie mit unterschiedlichen Bezeichnungen wie WC-CrC-Ni, WC-Cr3C2-Ni oder WC-NiCr gehandelt. In diesem Beitrag werden die spezifischen Mikrostrukturen und Phasenzusammensetzungen der Beschichtungspulver und der HVOF-gespritzten Schichten vorgestellt. Das besondere Anliegen ist es, dass noch unbekannte Potenzial dieser Zusammensetzung, ihre außerordentliche Oxidationsstabilität und das günstige Verhalten im ungeschmierten Reib-/Gleitverschleiß aufzuzeigen. Diese Eigenschaften werden mit denen von WC-10%Co-4%Cr-Schichten verglichen. Da seit dem Zeitpunkt der Entwicklung der Zusammensetzung 50 Jahre verstrichen sind, kann davon ausgegangen werden, dass sie bei weitem nicht optimal auf die uns heute zur Verfügung stehende Anlagentechnik abgestimmt ist. Somit ist der Impuls für weitere Verbesserungen und neue Anwendungen gegeben.
The composition WC-(W,Cr)2C-7%Ni is a standard commercially available composition for hardmetal feedstock powders and coatings, but it is sold under a variety of designations including WC-'CrC'-Ni, WC-Cr3C2-Ni and WC-NiCr. In this paper the specific microstructures and phase compositions of the feedstock powder and the HVOF-sprayed coatings are presented with a view to shedding light on the still-unknown application potential of this composition as well as its extraordinary oxidation resistance and advantageous behaviour in dry sliding conditions. These properties are compared with those of WC-10%Co-4%Cr coatings. As 50 years have passed since it was developed, this composition can well be said to be far from optimal for todays HVOF equipment. There is hence room for improvement as well as for new applications.
Viskosimetrische und thermophysikalische Eigenschaften umweltverträglicher Motorschmierstoffe
(2006)
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.
The use of alternative base oils, like esters or polyglycols, with more intrinsic properties for the lubrication of automobile engines has a potential for ecological and technical advantages. Being in competition with hydrocarbon-based formulations, detailed knowledge of several thermophysical and viscometric properties as well as tribological properties over a large temperature range are required (mapping). The tested polymer-free polyglycols and ester-based formulations displayed no visible tribological weaknesses regarding wear resistance and EP-behavior as well as offering significant advantages in order to meet metal- and ash-free and bio-no-tox criteria. Especially the formulated polyglycols without friction modifiers also showed an intrinsic retention of low coefficients of friction and a hydrodynamic film forming behavior comparable to hydrocarbon-based factory-fill oils. The wear resistance and EP-behavior of low-additivated polyglycols, but also of esters, can be enhanced by means of triboactive materials. Lubricious oxides or triboactive materials and polar base oils, or a combination thereof, may substitute the EP and AW properties realized by the additives, thus enabling long drains and responding to eco-tox or bio-no-tox requirements as well as restrictions from the chemical box.