Investigation and Verification of Potential Impacts of Third Body Nanostructure on Tribological Properties of Conventional and Unconventional Material Combinations for Automotive Braking and Risk Assessment of Particle Emission
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Forschungsvorhaben lieferte die Grundlage für ein besseres Verständnis der Rolle des beim Bremsen entstehenden dritten Körpers hinsichtlich Gleitverhalten und Reibungskräfte an Mikrokontakten, und es konnte gezeigt werden, dass diese mikroskopischen Mechanismen durchaus mit dem Makroverhalten einer Bremse korreliert werden können. Als wichtigster Bestandteil des dritten Körpers, der entweder als kompakte Schicht oder als lose Verschleißpartikel an der Grenzfläche Belag-Scheibe vorliegen kann, wurde das Eisenoxid Fe3O4 identifiziert. Selbst bei keramischen Bremsscheiben bildet das Fe3O4 als Reaktionsprodukt eisenhaltiger Bestandteile des Bremsbelags, den Hauptbestandteil des dritten Körpers. Mit Hilfe eines Modells, konnte gezeigt werden, dass reine Fe3O4-Schichten in etwa die gewünschten Reibeigenschaften liefern, dass aber eine sanfte Abgleitung mit optimaler Geschwindigkeitsanpassung zwischen feststehendem Belag und rotierender Scheibe nur durch Einbau einer zweiten weicheren Phase in die Struktur des dritten Körpers erreicht werden kann. Im Modell konnte gezeigt werden, dass bereits die Zugabe einer geringen Menge eines weicheren Bestandteils ausreicht, um das Gleitverhalten maßgeblich zu beeinflussen, während die zusätzliche Beimischung einer härteren Komponente keine weitere Veränderung bewirkt. Bei der Modellierung kommt es nicht darauf an, dass die mechanischen Eigenschaften der einzelnen Komponenten des dritten Körpers genau bekannt sind. Es konnte gezeigt werden, dass auch bei einer Variation der mechanischen Kennwerte, welche auch zu erwartende Änderungen bei Temperaturerhöhung einschließt, die Abgleitmechanismen dieselben bleiben. Das Modell des dritten Körpers besteht demnach aus einem Dreikomponentensystem, nämlich einem Aggregat von Nanopartikeln einer spröden Matrix (Oxid), darin eingelagerte bzw. eingebundene weiche und duktile Nanopartikel (z.B. Graphit oder Kupfer) und weiteren Nanopartikeln, welche härter sind als das Oxid (z.B. SiC). Diese allgemeine Definition stimmt mit Beobachtungen überein, die mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) an realen dritten Körpern unterschiedlicher Bremssysteme gemacht worden sind. Diese zeigten nämlich, dass außer dem Hauptbestandteil Fe3O4 alle weiteren Bestandteile des jeweiligen Bremsbelags in sehr fein verteilter Form, das heißt als eingemischte Nanopartikel, vorliegen. Wir können davon ausgehen, dass jeweils ein Teil der Belagbestandteile weicher und ein anderer Teil härter als die Oxidmatrix sein wird, so dass die Bedingungen des Modells erfüllt sind und somit allgemeine Aussagen über das Reibverhalten von Automobilbremsen gemacht werden können. So war es möglich, folgende Effekte zu deuten: 1.) den Einfluss von Festschmierstoffen auf das Gleitverhalten und den sich einstellenden Reibungskoeffizienten 2.) die Neigung zur Geräuschbildung bei zu geringem Festschmierstoffgehalt bzw. bei einem zu hohem Reibungskoeffizienten 3.) das sogenannte „in-stop“-Verhalten, d.h. den Anstieg des Reibungskoeffizienten während einer Stoppbremsung. Nicht alle beim Bremsen auftretenden Phänomene konnten mit dem Modell erklärt werden, so z.B. synergistische Effekte bei der Kombination der beiden Festschmierstoffe Graphit und Molybdändisulphid. Deshalb wurde parallel zur Modellierung eine experimentelle Methode entwickelt mit der die Wirkung von Belagkomponenten auf das Reibverhalten des dritten Körpers getestet werden konnte. Damit wurde ein Weg aufgezeigt, wie ein gewünschtes Reibwertniveau durch das richtige Mischungsverhältnis bestimmter Belagkomponenten eingestellt werden kann. Diese Testmethode eignete sich darüber hinaus sehr gut zur Verifizierung von Modellierungsergebnissen, indem künstliche dritte Körper präpariert und getestet wurden. Unter harschen Bremsbedingungen wurden signifikante Nanopartikelemissionen gemessen. Eine Risikobewertung konnte jedoch noch nicht vorgenommen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Does ultra-mild wear play any role in dry friction applications, such as automotive braking? Faraday Discussions, 2012, 156 (1) 159-171
Österle. W., Dmitriev A.I., Kloß H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c2fd00117a) - Friction films on C-SiC discs after dynamometer tests with different commercial brake pads. Proc. Eurobrake 2012, Dresden 16.-18.05.2012
Österle W., Deutsch C., Rooch H., Dörfel I.
- Possible impacts of third body nanostructure on friction performance during dry sliding determined by computer simulation based on the method of movable cellular automata. Tribology International 48 (2012) 128-136
Österle W., Dmitriev A.I., Kloß H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.triboint.2011.11.018) - Impact of high energy ball milling on the nanostructure of magnetite-graphite and magnetite-graphite-molybdenum disulphide blends. Materials Characterization, 86 (2013) 28-38
W. Österle, G. Orts-Gil, T. Gross, C. Deutsch, R. Hinrichs, M.A.Z. Vasconcellos, H. Zoz, D. Yigit, X. Sun
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.matchar.2013.09.007) - Verification of nanometre-scale modelling of tribofilm sliding behaviour. Tribology International, 62, 2013, 155-162
W. Österle, A.I. Dmitriev, G. Orts-Gil, T. Schneider, H. Ren, X. Sun
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.triboint.2013.02.018) - Assessment of sliding friction of a nanostructured solid lubricant film by numerical simulation with the method of movable cellular automata (MCA). Tribology Letters
W. Österle, A.I. Dmitriev, H. Kloß
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11249-013-0287-7) - Modelling the sliding behaviour of tribofilms forming during automotive braking – Impact of loading parameters and property range of constituents. Tribology Letters, 53 (2014) 337-351
A.I. Dmitriev, W. Österle
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11249-013-0274-z) - Tribological Screening tests for the selection of raw materials for automotive brake pad formulations. Tribology International, 73 (2014) 148-155
W. Österle, C. Deutsch, T. Gradt, G. Orts-Gil, T. Schneider, A.I. Dmitriev
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.triboint.2014.01.017)
