Prüfung auf Reibkorrosion
Die mit der Reibbewegung verbundenen Oberflächenschäden und Abnutzungen liegen im synergistischen Bereich von adhäsivem, korrosivem und abrasivem Verschleiß.
Reib- und Gleitmittel spielen eine entscheidende Rolle für die Haltbarkeit und Leistungsfähigkeit von Metall-auf-Metall-Berührungen.
Von Melissa Mushrush, MOLYKOTE Spezialschmierstoffe, DuPont
Der Begriff „Fretting“ hat mehrere Bedeutungen, sowohl im übertragenen als auch im wörtlichen Sinne. In der Tribologie äußert sich Fretting als Verschleiß und/oder Korrosion und entsteht durch Schäden, die unter Last durch wiederholte relative Oberflächenbewegungen wie Vibrationen verursacht werden. Fretting ist ein komplexer Prozess; die damit verbundenen Oberflächenschäden und der Verschleiß liegen im Zusammenspiel von adhäsivem, korrosivem und abrasivem Verschleiß. Ein Anlagenmechaniker erkennt Anzeichen dafür wahrscheinlich an allen Maschinenkomponenten, die Vibrationen ausgesetzt sind, wie z. B. Zahnrädern, Lagern, Schwalbenschwanzverbindungen, Dichtungen, Spindeln und Schrauben. Fretting-Verschleiß oder -Ermüdung ist aufgrund der geringen Relativbewegung an sehr kleinen Stellen charakteristisch. Er tritt häufig gleichzeitig mit Korrosion an diesen Stellen auf, da die Vibrationen die schützenden Oberflächenoxide entfernen können.
Es gibt verschiedene Standardmethoden zur Untersuchung von Reibverschleiß, von der allgemeinen Beurteilung von Schmierfetten (ASTM D-1470) bis hin zu spezifischeren Methoden für ein breites Anwendungsspektrum. Die Simulation von Reibverschleißbedingungen mit einem Tribometer ist schwierig, da das Gerät extrem kleine Auslenkungen (Schrittweite) sowie hohe Frequenzen und hohe Belastungen erfordert. Zwar existieren spezielle kommerzielle Reibverschleißprüfgeräte, einige davon mit extrem kleinen Auslenkungen und hohen Frequenzen, doch die Anschaffung eines neuen (und teuren) Geräts ist nicht immer möglich. Wie groß darf die Variation der Testparameter sein, damit ein Test den Reibverschleiß noch realistisch simuliert?
Die entscheidende Bedingung bei jedem Reibverschleißtest ist die Verschiebung. Die Kontaktflächen, die die Haft- bzw. Gleitkomponenten der Schwingbewegung erfahren, müssen sich überlappen, d. h. der Hertzsche Kontaktradius muss gleich oder größer als die Gleitamplitude sein. Reibverschleiß tritt nämlich dort auf, wo eine Oberfläche sowohl Haft- als auch Gleitkräfte erfährt. Viele Tribometer weisen eine ausreichend kleine Verschiebung auf, um diese Bedingung zu erfüllen.
Die Frequenz variiert bei Standardmethoden zwischen 30 und 50 Hz, was für viele Tribometer ebenfalls angemessen ist, und die Last muss hoch sein – aber wie hoch genau? Bei lastbegrenzten Messaufbauten stellt sich die Frage, ob die Last ausreicht, um Schmierstoffe mit ausreichender Auflösung zu unterscheiden und sie hinsichtlich ihrer Reibverschleißbeständigkeit zu ordnen.
Prüfung auf Reibkorrosion
Das für diese Arbeit verwendete Prüfsystem war ein Bruker UMT (Universal Mechanical Tester) mit einem Block-auf-Ring-Modul. Die minimale Bogenlänge für die Schwingung betrug 9°, und die verwendeten Frequenzen lagen bei 30 Hz und 50 Hz. Diese Werte erfüllen oder übertreffen die Anforderungen der Norm ASTM D1470. Die Last war auf 100 N (153 MPa) begrenzt. Die Prüfvorrichtung war nicht für Temperaturänderungen geeignet. Die Prüfdauer betrug zwei Stunden.
Von den zahlreichen verfügbaren Schmierstoffen bieten Pasten in der Regel den besten Schutz vor Reibverschleiß. Andere Schmierstoffe wie Antifriktionsbeschichtungen hingegen nicht. Um die Reibverschleißmethode und ihre Reproduzierbarkeit zu bewerten, wurden beide Schmierstoffarten hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit in einem breiten Spektrum getestet. Zunächst wurden die Testteile gewogen, um den Materialverlust (als Masse) zu messen. In allen diesen Tests war der Materialverlust jedoch zu gering, um ihn mit einer Vierstellenwaage zuverlässig zu erfassen.
Deutlich einfacher ist es, die Größe der Verschleißspur nach einer festgelegten Testdauer zu messen. Grundsätzlich gilt: Je größer die Verschleißspur, desto geringer die Wirksamkeit des Schmierstoffs. Verursacht Reibverschleiß am Kontaktpunkt, vergrößert sich die Kontaktfläche mit zunehmender Testdauer. Daraus folgt, dass Schmierstoffe mit geringem Reibverschleißschutz größere Verschleißspuren erzeugen als solche mit besserem Schutz.
Für die Prüfung wurden Standard-Prüfblöcke und geläppte Ringe aus LFW-1-Stahl verwendet, wobei das Schmiermittel auf den Ring aufgetragen wurde. Bei ungeschmierter Durchführung brach die Prüfung gelegentlich vorzeitig ab, d. h. das Gerät beendete die Prüfung, wenn die Kräfte sprunghaft anstiegen und der Reibungskoeffizient 0,5 überschritt. Bei Prüfungen, die die vollen zwei Stunden dauerten, waren die Verschleißspuren am Ring typischerweise >6 mm lang (einfach mit einem Mikrometer gemessen).
Vier handelsübliche Antifriktionsbeschichtungen wurden bei einer Last von 100 N, 50 Hz und einem Schwingungswinkel von 9° getestet. Die entstandenen Verschleißspuren waren mit 5,2 bis 5,5 mm Breite deutlich größer als die des ungeschmierten Zustands mit über 6 mm. Erwartungsgemäß zeigten die Beschichtungen keine signifikante Reduzierung der Verschleißspuren im Vergleich zu ungeschmierten Systemen und wiesen zudem häufige Frühausfälle auf. Dieses uneinheitliche Verhalten tritt vermehrt bei höheren Reibungswerten auf und ist daher nicht überraschend.
Um das andere Ende des Leistungsspektrums zu untersuchen, testeten wir eine handelsübliche Paste, die für Reibkorrosionsanwendungen empfohlen wird. MOLYKOTE Paste 1 wurde zehnmal unter gleichen Bedingungen (50 Hz, 100 N, 9° Gesamtschwingung, 2 h) getestet und zeigte eine sehr gute Reproduzierbarkeit. In jedem der zehn Wiederholungstests wurden die Verschleißspuren des Blocks an der Ober-, Mittel- und Unterseite gemessen. Der Mittelwert dieser drei Messungen lag zwischen 1,32 mm und 1,77 mm, mit einer Standardabweichung von 0,14 mm. Die Ringspur wurde auf die gleiche Weise bewertet. Die Mittelwerte der Messungen lagen zwischen 3,81 mm und 5,96 mm, mit einer Standardabweichung von 0,66 mm.
Zum Vergleich wurde eine zweite Paste mit zehn Wiederholungen getestet. Paste 2 erwies sich als weniger wirksam im Schutz vor Reibverschleiß als Paste 1. Hierbei traten mehr frühe Ausfälle und größere Schwankungen in der Verschleißspurbreite auf, ähnlich wie bei den Beschichtungen. Erwartungsgemäß waren die Verschleißspuren an Block und Ring bei Paste 2 im Durchschnitt breiter als bei Paste 1, aber schmaler als bei den Beschichtungen. Die Daten legen nahe, dass dieser Test mit einem nicht spezialisierten Tribometer eine angemessene Bewertung der Reibverschleißfestigkeit ermöglicht.
Zukünftige Arbeiten umfassen die Messung einer Reihe von Pasten (und die Verwendung von Mikroskopie zur genaueren Messung von Verschleißspuren), um zu bestimmen, mit welcher Auflösung verschiedene Schmierstoffe hinsichtlich ihrer Wirksamkeit gegen Reibverschleiß unterschieden werden können. EP
Melissa Mushrush, PhD, ist Chemikerin bei MOLYKOTE Specialty Lubricants im DuPont-Konzern in Midland, Michigan ( dupont.com ). Dort erforscht sie neue Materialien für reibungsarme Beschichtungen, die die Reibungs- und Verschleißeigenschaften von Beschichtungen und Pasten verbessern sollen. Zu ihren Fachgebieten gehören Vakuumtechnologie, Dünnschichtabscheidung, Charakterisierung von Filmen und Bauelementen, Prozessdatenmanagement, Statistik und Fehleranalyse sowie beschleunigte Testmethoden. Sie ist Mitglied der Society of Tribologists and Lubrication Engineers.
Quelle: Efficient Plant Magazine
Website: https://www.efficientplantmag.com/2024/07/test-for-fretting/
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