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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.
The purpose of this paper is to underline the future need for OEMs to receive lowSAP, polymer- and metal-free engine oils with high-viscosity indices and to illuminate for other OEMs the technical feasibility for application of alternative engine oils based on esters or blends of hydrocarbons with esters or polyglycols.
Design/methodology/approach The strategic goal depends technically on the use of intrinsic properties of alternative base fluids, thus substituing some additives, like anti-wear, extreme pressure and viscosity index improvers. The prone wear resistance of novel triboactive/-reactive materials enables higher portions of mixed/boundary lubrication generated by oils with a lower viscosity.
Findings Overall, the different bionotox and low-ash prototype engine oils with reduced additive contents displayed isoperformance regarding the tribological behaviour against cast iron and triboreactive materials. APS-Tin-2Cr2O2n-1 displayed an overall wear resistance comparable with grey cast iron with high-carbon content and liner wear reduction of one order of magnitude when mated with Mo-based rings. Both tests confirmed the potential for substituing molybdenum-based rings by APS-Tin-2Cr2O2n-1. The most significant reduction in system wear down to zero wear was demonstrated by mating the APS-Tin-2Cr2O2n-1 coated piston rings with smooth machined HVOF-(Ti,Mo)(C,N) liner coatings.
Research limitations/implications As lubricants are today not part of the core business of automotive OEMs, the next steps have to be proposed by the petrochemical suppliers. It is recalled here that some OEMs in their history developed and produced lubricants.
Practical implications The customer will appreciate any increase in longevity resulting in reduced maintenance. The OEM now owns, under increased solicitations, now a future-oriented tool box in order to respond to environmental and CAFÉ demands with reasonable cost management.
Originality/value This OEM report displays the complete methodology in order to adopt alternative engine oils in existing engine architectures.
Costs reduction is one of the major objectives in mechanical applications with a parallel increase of the power output. Another driver represents new environmental standards and their increasing restrictions in the automotive industry leading to the question, if materials based concepts may substitute harmful EP/AW additives in lubricants. This paper presents the slip-rolling resistance of different DLC/THC coatings on steel substrates with a definite slip rate of 10%. Industrial DLC coatings of ta-C and a-C:H types from various manufacturers were deposited on steels SAE 52100 and AMS 5898 to compile the slip-rolling resistance under initial average Hertzian contact pressures between 1.5 GPa and 2 GPa. The tests were carried out on Amsler-type twin disc tribometer under the regime of mixed/boundary lubrication in unadditivated paraffinic oil (ISO VG 46) and a factory fill engine oil. The spherical steel sample was uncoated and the cylindrical coated with DLC. Some coatings achieved 10 million cycles without any damage under a maximal Hertzian contact pressure Pmax well over 2.25 GPa, thus exceeding FZG 12.
Die Wälzbeständigkeit von Kohlenstoffdünnschichten (DLC, Diamond Like Carbon) ist im Lauf den letzten Jahren wesentlich verbessert worden. Gleichwohl sind weitere Leistungssteigerungen nötig besonders bezüglich der Temperaturbeständigkeit und der prozessbedingten Oberflächenrauheit der abgeschiedenen Schichten. Dieser
Beitrag stellt ein neuartiges Schicht-Substrat-System vor. Dieses ist mit unlängst entwickelten DLC-Dünnschichten unter geschmierter Wälzbeanspruchung in einem Benchmark verglichen worden. Eine der zirkonium-basierten Dünnschichten erweist sich als wälzbeanspruchbar und -beständig unter hohen anfänglichen Hertzsche Pressungen bis P0max = 3.500 MPa und offenbarte in einem Erstbefüllungsmotoröl bei 120°C auch geringe Misch-/Grenzreibungszahlen. Als Vergleich erreichen die DLC Schichten 10 Millionen Zyklen bei RT bis maximalen Hertzsche Pressungen von P0max = 2.940 MPa. Einige DLC-Schichten erzielen diese hohe Belastbarkeit auch bei 120°C. Die Zr-basierten Dünnschichten erfordern keine darauf angepaßten Schmierstoffformulierungen. Diese nanostrukturierten Dünnschichten beruhen auf einer Architektur und einem Prozess, die sich zusammen für die Großserie eignen.