Influence of transfer- and transformation processes on service life of dry lubricated ball bearings
Final Report Abstract
Die vorgestellten Untersuchungen beschreiben das Verschleißverhalten von feststoffgeschmierten Wälzlagern innerhalb der Gebrauchsdauer und zeigen darüber hinaus den Einfluss verschiedener Festschmierstoffe und deren Wechselwirkung untereinander. Insgesamt konnten die tatsächlich vorhandenen Stoffflüsse zwischen einzelnen Lagerkomponenten bestimmt und damit das wesentliche Ziel des Vorhabens erreicht werden. Die Verschleißuntersuchungen der Lagerkomponenten innerhalb der Lebensdauer zeigten, dass bei Erstbeschichtung der Kugeln und ausschließlicher Nachschmierung des Käfigs mit MoS2, die Lagerringe bis zum Ausfall des Lagers Masse aufnehmen und die Käfigtaschen erwartungsgemäß kontinuierlich verschleißen. Der Kohlenstoffgehalt auf der Lageroberfläche nahm über die Lebensdauer kontinuierlich zu, während der Silbergehalt im Falle einer Silberbeschichtung der Kugeln kontinuierlich abnahm. Die Elemente des Festschmierstoffs MoS2 lagerten sich während der Laufzeit auf den Oberflächen der Ringe und Kugeln ab. Allerdings nahm der Mo-Gehalt im Allgemeinen deutlich stärker zu als der S-Gehalt. Außerdem entsprach das Verhältnis der beiden Elemente nicht der Stöchiometrie von MoS2, was auf eine Zersetzung des Festschmierstoffs unter diesen Betriebsbedingungen hinweist. Die Lebensdauerversuche mit unterschiedlichen Materialkonfigurationen hinsichtlich Käfigmaterial und Kugelbeschichtung gaben Aufschluss über die Wechselwirkungen der Stoffe MoS2 und Ag und die Wirksamkeit der jeweiligen Paarung. Dabei zeigte sich zum einen, dass die Silberbeschichtung bei ungefüllten Käfigtaschen zu keiner signifikanten Lebensdauerverlängerung führt. Der Einsatz des Käfigmatrixmaterials PI sowie des modifizierten Käfigs an sich führte jedoch zu einer signifikanten Lebensdauerverlängerung um das 7,9-fache gegenüber dem Originallager mit PEEK-Käfig. Im Vergleich dazu verdoppelte die zusätzliche Füllung des Käfigmaterials mit 15% MoS2 diese Lebensdauer bei silberbeschichteten Kugeln erneut und verdreifachte sie bei Verwendung unbeschichteter Kugeln sogar. Letzteres ist zunächst überraschend, da man annehmen könnte, dass der Einsatz eines zusätzlichen Festschmierstoffes die Lebensdauer begünstigt. Betrachtet man jedoch die Massenbilanz der Versuche, so zeigt sich, dass die silberbeschichteten Kugeln im Falle der MoS2-dotierten Käfigtaschen vermutlich zu einem geringeren Verschleiß dieser führen, was wiederum die Übertragung auf die Laufbahn hemmt. So haben sowohl Innen- als auch Außenring über den Versuchszeitraum mehr Käfigmaterial aufgenommen und somit bei Verwendung unbeschichteter Kugeln eine höhere potentielle Nachschmierung erfahren. Der Vergleich der Massenbelegung der Kugeln von Versuchen mit und ohne Silberbeschichtung, die bis zu 15 Millionen Umdrehungen mit MoS2 in den Käfigtaschen durchgeführt wurden, zeigte weiterhin, dass in beiden Versuchen die Elemente Mo und S nicht der Stöchiometrie des MoS2 entsprechen. Das Silber kann daher als Ursache für die Zersetzung des MoS2 im Laufe des Experiments ausgeschlossen werden. Im Hinblick auf den Zerfall des MoS2 scheint es jedoch, dass trotz des Zerfalls des MoS2 ein Schmiereffekt vorhanden ist und welcher eine Verlängerung der Lebensdauer bewirkt. Der Umstand, dass die Lagerringe im Grunde über die gesamte Laufzeit Kohlenstoff und Molybdän akkumulieren, wohingegen der Schwefelanteil auf niedrigem Niveau verbleibt ist ebenfalls interessant. Es stellt sich hierbei die Frage, welchen Einfluss die Menge an MoS2 in den Käfigtaschen hat und ob es diesbezüglich eine optimale Konzentration von MoS2 in den Käfigtaschen gibt. Es ist außerdem zu betonen, dass der Ausfall der Lager mit schmierwirksamem Käfig sowohl mit, als auch ohne silberbeschichtete Kugeln, weit vor dem Zustand erfolgt ist, an welchem die Materialmenge in den Käfigtaschen aufgebraucht wäre. Die Bestimmung der optimalen Zusammensetzung des Käfigmaterials, sowie die Optimierung des Verschleißverhaltens der Käfigtaschen zeigen weiteres Forschungspotential auf. So sollte der Umstand, dass die Elemente des MoS2 zwar auf den Laufflächen zu finden sind, die Verteilung aber nicht der Stöchiometrie entspricht weiter untersucht werden. Zum einen ist es hier sinnvoll die Umgebungsparameter wie beispielsweise den Grad des Vakuums und die Höhe der Temperatur bis zu dem Punkt zu verringern, an dem korrekte Stöchiometrie auftritt, um die Einsatzgrenzen des Festschmierstoffes MoS2 näher zu definieren. Zum anderen ist es sicherlich lohnenswert den Einfluss der Menge des MoS2 in den Käfigtaschen auf die erzielte Lebensdauer zu untersuchen, um die optimale Füllmenge hinsichtlich der Stabilität des Käfigs gegenüber der zu Verfügung stehenden Schmierstoffmenge zu ermitteln. Da die Versuche in diesem Vorhaben aber auch gezeigt haben, dass das MoS2 trotz der Zersetzung wohl einen positiven Einfluss auf die Lebensdauer hat, ist die Suche nach dem Wirkmechanismus, welcher diese Lebensdauerverlängerung bewirkt ebenfalls ein interessantes Themenfeld. Um diese Themenbereiche zu untersuchen ist auch für potentielle Folgearbeiten das Zusammenwirken von Oberflächenanalytik und experimenteller Untersuchung des Lagersystems notwendig.
Publications
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Influence of transfer and transformation processes on the service life of solid-lubricated rolling bearings, Vortrag auf der 61. GfT Tribologie-Fachtagung 2020 (Online), 09/2020, Sondersession DFG Projekt SPP 2074: „Fluidfreie Schmiersysteme mit hoher mechanischer Belastung“
M. Werner, S. Emrich, M. Kopnarski & B. Sauer
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Einfluss von Transfer- und Transformationsprozessen auf die Gebrauchsdauer von feststoffgeschmierten Wälzlagern, Vortrag auf 62. Tribologie-Fachtagung (GfT), Sondersession DFG Projekt SPP 2074: „Fluidfreie Schmiersysteme mit hoher mechanischer Belastung“ 28.09.2021, online
M. Werner, S. Emrich, M. Kopnarski & B. Sauer
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Experimentelle Untersuchungen an feststoffgeschmierten Wälzlagern im Hochvakuum. Forschung im Ingenieurwesen, 85(4), 1077-1090.
Werner, M.; Emrich, S.; Sauer, B.; Kopnarski, M. & Thielen, S.
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Influence of transfer and transformation processes on the service life of solid-lubricated rolling bearings, AOFKA21 Conference, 06.-08.10.2021 Freiberg
M. Werner, S. Emrich, M. Kopnarski & B. Sauer
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Surface analysis on solid lubricated ball bearings, AOFKA21 Conference, 06.-08.10.2021 Freiberg
S. Emrich, M. Werner, Pörsch S., M. Kopnarski & B. Sauer
