Mikroanalytische Klärung des Verschleißschutzes durch Reaktionsschichtbildung in langsamlaufenden Wälzlagern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die analytischen Untersuchungen belegen, dass die Fähigkeit eines tribologischen Systems, hier Axial-Zylinderrollenlager, auch in der Mischreibung eine Reaktionsschutzschicht gegen Verschleiß auszubilden, entscheidend vom verwendeten Schmierstoff abhängig ist. Die ausgebildeten Schichtdicken und chemischen Zusammensetzung dieser Reaktionsschichten zeigen eine starke Abhängigkeit vom verwendeten Grundöl bzw. Additiv. So bildet der PAO/Ester - basierende Schmierstoff mit Schwefel/Phosphor - Additivierung mit hohem Verschleißschutz eine ultradünne Reaktionsschicht (6 nm), bestehend aus amorphem Eisenoxid mit nanokristallinen Einlagerungen, aus. Die mineralölbasierenden Schmierstoffe bilden, unabhängig von der Additivierung, dickere Reaktionsschichten mit Schmiermitteleinlagerungen (Schichtdicke 40 - 70 nm) aus. Bei wirkendem Verschleißschutz, aber schmierstoffbedingter Ermüdungsneigung besteht die Reaktionsschicht aus einer komplexen Adhäsionsschicht auf Additivbasis und bei unzureichendem Verschleißschutz basiert die Reaktionsschicht auf oxidischer Substratbasis. Ferner zeigen die Elektronenstrahlmikroanalyse (ESMA) - Messungen, dass die ultradünne Reaktionsschicht eine starke Abhängigkeit vom Reibenergieeintrag aufweist, während die Adhäsions- bzw. Reaktionsbelegung der Mineralölschmierstoffe unabhängig vom Gleit- bzw. Rollanteil sind. Alle Schutzschichten glätten die Oberfläche ein, wobei die auf PAO/Ester - basierende Reaktionsschicht eine bessere Einglättung mit einer Oberflächenrauhigkeit von 2 nm im Gegensatz zu den mineralölbasierenden Schichten mit 6 nm aufweist. In den unbelasteten Randzonen der Lagerscheiben kann eine inhomogene, dünne und teilweise amorphe Oxidbelegung nachgewiesen werden. Diese Oxidbelegung kann von einer Reaktions- oder Adhäsionsschicht eindeutig unterschieden werden. Unterhalb der Schutzschichten bildet sich unabhängig von Reaktions- oder Adhäsionsschicht eine ca. 200 nm dicke feinkristalline oder stark plastisch deformierte Zone, eine so genannte Tribomutationsschicht, aus. Bei unzureichendem Verschleißschutz kann sich die Zone weiter ausbreiten, hier 400 nm. Eine unbelastete Referenzprobe weist aufgrund von herstellungsbedingten Oberflächenbearbeitung auch eine feinkristalline Zone unterhalb der Oberfläche auf, die aber erheblich inhomogener ist. Die Schichtdicke variiert zwischen 100 nm - 150 nm. Dynamische Nanoindenterexperimente (freundlicherweise von MTS Instruments, Paris durchgeführt) zeigen, dass eine ungelaufene Referenz lag ersehe i be ein höheres Elastizitätsmodul und eine höhere Härte in der Randzone bis 400 nm hat als gelaufene Lagerscheiben. Die höhere Härte lässt sich durch Schleifen und Polieren der Oberfläche erklären. Der höhere Elastizitätsmodul ist jedoch nur durch die chemische Veränderung der Oberfläche zu erklären, z. B. durch herstellerbedingte Konservierung, da der Elastizitätsmodul ein direktes Maß für den Bindungszustand ist. Durch dynamische Nanoindentermessungen kann gezeigt werden, dass die belasteten tribologischen Systeme sich 200 nm unterhalb der Oberfläche signifikant in der Härte unterscheiden und anschließend einen Härtewert von 11,5 GPa annehmen. Das tribologische System mit geringer Verschleißschutzschmierung (Mineralölbasis) weist eine Verschiebung des Härtemaximums zur Oberfläche auf und eine Aufhärtung der Tribomutationsschicht um 2 GPa. Während das tribologische System mit hoher Verschleißschutzschmierung (PAO/Ester - Basis) einen ähnlichen Härteverlauf hat wie die Referenzprobe, nur um 2 GPa weicher. Auch hier findet eine Aufhärtung in der Tribomutationsschicht statt. Das tribologische System mit hoher Verschleißschutzschmierung, aber schmierstoffbedingter Ermüdungsneigung hat kein Härtemaximum unterhalb der Oberfläche und auch keine Aufhärtung in der Tribomutationsschicht. Signifikante Unterschiede im Elastizitätsmodul treten, entsprechend der Reaktions- bzw. Adhäsionsschichtdicken, innerhalb 70 nm unterhalb der Oberfläche auf, die dann in einem gemeinsamen Modul von 230 GPa münden. Querschliffuntersuchungen zeigen, dass das eigentliche Substratmaterial ein Elastizitätsmodul von 211 ±7,6 GPa und eine Härte von 8,2 + 0,4 GPa aufweist. Diese Unterschiede lassen sich durch die herstellungsbedingte Oberflächenaufhärtung der Wälzlagerstähle erklären. F H\ _ i Es kann eine Korrelation zwischen der Verformbarkeit—- « —-\GPa ' , die aus den dynamischen S2 E2i J Nanoindentermessungen ermittelt werden kann, und dem gemessenen Reibmoment [Nm] festgestellt werden. Das tribologische System mit hoher Verschleißschutzschmierung, aber schmierstoffbedingter Ermüdungsneigung zeigt schlechtere Verformbarkeit bei einem höherem Reibmoment, im Vergleich zum System mit hoher Verschleißschutzschmierung. Finite - Element - Methode (FEM) Simulationen, die mit einen zweischichtigen Modell durchgeführt wurden, ergeben die ermittelten Versagensspannungen der Nanoindenterversuche. Die Reaktions- bzw. Adhäsionsschichten aller untersuchten tribologischen Systeme haben ein signifikant niedrigeres Elastizitätsmodul und Härtewert als die Tribomutationsschicht. Der Elastizitätsmodul und auch die Härte können aber für die Systeme aus messtechnischen Gründen nicht explizit bestimmt werden. Im Gegensatz zu dem tribologischen System mit hoher Verschleißschutzschmierung, dessen Elastizitätsmodul der 6 nm Reaktionsschicht durch rein elastische Messungen mittels einem Hertz'schen Fit (Software IndentAnalyser der Firma ASMEC) mit 46 GPa ermittelt wurde. Der Wert wurde durch dynamische Nanoindermessungen mit einem Nano Dynamic Contact Modul DCM - Kopf (MTS Instruments, Paris) und durch FEM - Simulation (IME) bestätigt. Das plastische Verhalten der Reaktionsschicht und der Tribomutationsschicht wurde an TEM Querschnittsproben über Nanoindentereindrücke ((7^9 mN//jm2) in einer ungelaufenen Referenzprobe und dem tribologischen System mit hoher Verschleißschutzschmierung studiert. Die Tribomutationsschicht reagiert auf die plastische Deformation mit Korngrenzengleiten, während die Referenzprobe Gleitebenen ausbilden. Ferner kleidet die Reaktionsschicht den Eindruck in das tribologische System aus und schützt so den Werkstoff vor Adhäsion. Die ultradünne Reaktionsschicht wirkt wie ein Festschmierstoff. Die nachfolgenden Schichtmodelle wurden für die untersuchten tribologischen Systeme entwickelt: Niedriger Verschleißschutz Pressung: 1150 MPa v = 1,0 R = 45 um Reaktionsschicht FexOy amorph h~0-100nm(Aht) Schmierstoff Scherbänder Tribomutation - 400 nm feinkristallin, Aufhärtung, plastische Deformation Substrat Hoher Verschleißschutz Pressung: 2300 MPa v = 0,8 R = 46 Mm FeO amorph (6 nm) +nanokristalline Einlagerungen hohe Glättunt Tribomutation o/-\r\ -m feinkristallin, ~200nm Aufhärtung Hoher Verschleißschutz Ermüdungsneigung Pressung: 3250 MPa (2300 MPa) V = 0,6 (0,8 bei 2300 MPa} R = 68 Mm (56 pm bei 2300 MPa) FeO amorph (4 nm) rNanokristallin Ca/MgP04 Substrat Tribomutation onn «««feinkristallin, -20Qnm keine Aufhärtung' 75 nm (3250 MPa) (40 nm (2300 Substrat).
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Brecher C., Schlattmeier H., Bugiel C., Mayer J., Reichelt M., Oberflächenermüdung PVDbeschichteter Wälzkontakte, präsentiert auf der Gesellschaft für Tribologie - Fachtagung, Göttingen, 2005, Tagungsband: Tribologie-Fachtagung 2005, ISBN 3-00-017102-9, 24/1-24/12.
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Gold P. W., Loos J., Wolf T., Klaas H., Reichelt M., Weirich Th., Richter S., Aretz A., Mayer J., Mikroanalytische Klärung des Verschleißschutzes durch Reaktionsschichtbildung in langsamlaufenden Wälzlagern, präsentiert auf der Gesellschaft für Tribologie - Fachtagung, Göttingen, 2004, Tagungsband.
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Gold P. W., Loos J., Wolf T., Klaas H., Reichelt M., Weirich Th., Richter S., Aretz A., und Mayer J., Mikroanalytische Klärung des Verschleißschutzes durch Reaktionsschichtbildung in langsamlaufenden Wälzlagern, Tribologie und Schmierungstechnik, 52.Jahrgang, 3/2005
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Reichelt M., Weirich T., Mayer J., Wolf T., Loos J., Gold P. W., and Fajfrowski M., TEM and nanomechanical studies on tribological surface modifications formed on roller bearings under controlled lubrication conditions, Journal of Material Science Vol 41 No 14 Juli 2006
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Reichelt M., Weirich Th. E., Bückins M., Aretz A., Mayer J., Wolf Th., Gold P. W., und Fajfrowski M., TEM - und Nanoindenter - Untersuchungen an tribologisch beanspruchten Axialzalinderrollenlager, präsentiert auf dem 7. Workshop für Rasterkraftmikroskopie in der Werkstoffwissenschaft, Siegen Feb. 2006.
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Reichelt M., Weirich Th., Bückins M., Mayer J., Loos J., Gold P. W., TEM-studies on nanoindents cross-sectioned with FIB-techniques, präsentiert auf der Dreiländertagung Microscopy Conference, Davos 2005, Tagungsband 05-01, August 2005, ISSN 1019-6447, S. 279.
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Reichelt M., Weirich Th., Bückins M., Richter S., Aretz A., Mayer J., Fajfrowski M., Wolf Th., Klaas H., Loos J., und Gold P.W., Einfluss der Schmierstoffvariation auf die Reaktionsschichtbildung bei Axialzylinderrollenlager, Tribologie und Schmierstofftechnik, 2/2006
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Reichelt M., Weirich Th., Richter S., Aretz A., Mayer J., Wolf T., Gold P. W., Loos J., Klaas H., Elektronenmikroskopische und Rastersonden - Untersuchungen des Verschleißschutzes durch Reaktionsschichten in langsam laufenden Wälzlagern, präsentiert auf der Gesellschaft für Tribologie - Fachtagung, Göttingen, 2004, Tagungsband.
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Reichelt M., Weirich Th., Richter S., Bückins M., Aretz A., Mayer J., Wolf T., Gold P. W., Loos J., Klaas H., Einfluss der Schmierstoffvariation auf das Theologische und tribologische Verhalten von Axialzylinderrollenlager, präsentiert auf der Gesellschaft für Tribologie - Fachtagung, Göttingen, 2005, Tagungsband: Tribologie-Fachtagung 2005, ISBN 3-00-017102-9, 39/1-39/11.
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Reichelt M., Weirich Th., Richter S., Mayer J., Wolf T., Gold P.W., Loos J., Klaas H., Nanomechanical and analytical investigations on the influence of lubricant variation on tribological layers in slow running roller bearings, präsentiert auf der 15th international colloquium tribology, Automotive and Industrial Lubrication, Stuttgart, Book of Synopses 2006, ISBN 3-924813-62-0, S. 205.
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Reichelt M., Weirich Th., Richters., Bückins M., Aretz A., Mayer J., Wolf T., Gold P.W., Loos J., Klaas H., Young's modulus and Electronmicroscopy measurements on ultra-thin reaction layers, präsentiert auf der t Nanomech 5, Hückelhoven, 2004, Symposium Programm, S. 52.
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Reichelt, M., Weirich Th., Richter S., Aretz A., Bückins M., Wolf T., Gold P. W., und Mayer J., Nanomechanical and analytical investigations on tribological layers for wear protection in slow running roller bearings, Phil. Mag. 86(33-35)21 Nov-11 Dec2006 5153-5767
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Reichert M.; Weirich Th., Richter S-, Aretz A., Mayer J., Wolf T., Gold P. W., Loos J., und Klaas H., Elektronenmikroskopische und Rastersonden - Untersuchungen des Verschleißschutzes durch Reaktionsschichten in langsam laufenden Wälzlagern, Tribologie und Schmierstofftechnik, 52. Jahrgang, 2/2005
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Wolf T., Gold P.W., Loos J., Klaas H.T Mayer J., Reichelt M., Wear Protection by Formation of Reaction Layers in Roller Bearings, präsentiert auf der 15th international colloquium tribology, Automotive and Industrial Lubrication, Stuttgart, 2006, Book of Synopses 2006, ISBN 3-924813-62-0, S. 204, Tagungsband.
