Untersuchung des Übergangswiderstandes als tribologische Kenngröße für den Schmierungszustand
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Forschungsvorhabens war die experimentelle Untersuchung der Bildungs- und Zerstörungsmechanismen des Übergangswiderstands von Oberflächenschichten (Trennschichten) in tribologischen Systemen. Von besonderem Interesse waren dabei die Zusammenhänge zwischen den Bildungsprozessen der Oberflächenschichten und deren Zusammensetzung. Weiterhin galt es zu prüfen, inwiefern sich die Messung des Übergangswiderstands als Früherkennungsverfahren für Ausfälle in geschmierten Tribosystemen eignet und industriell einsetzbar ist. Zur Untersuchung der Zusammenhänge wurden Versuche im Grenz- und Mischreibungsgebiet auf Gelenk- und Wälzlagerprüfständen (FE8) mit Standardlagern (Gelenklager GE30ES und Wälzlager 7312B) sowie auf einem Zwei-Rollen-Prüfstand mit Rollen aus dem Werkstoff 16MnCr5 durchgeführt. Die Tribosysteme wurden mit verschiedenen Schmierstoffen geschmiert und bei unterschiedlichen Belastungen geprüft. Auf Basis der Ergebnisse aus früheren Projekten und in Abstimmung mit Industrievertretern wurden drei Fette mit Lithium-Seife als Verdicker und der NLGI-Klasse 2 gewählt. Fett 1 war mit schwarzen Festschmierstoffen (FSST) und Fett 2 mit weißen FSST additiviert. Fett 3 enthielt keine FSST. Diese Fette wurden für die Gelenklager- sowie für die Wälzlagerversuche (hier nur Fett 2 und Fett 3) verwendet. Mit den Ölen wurde analog verfahren. Es wurden drei Öle mit dem Viskositätsgrad ISO VG 460 ausgewählt, die jeweils mit ZnDTP-(Öl 1), S/P-(Öl 2) und PD-Additiven (Öl 3) legiert waren. Diese wurden für die Wälzlager- sowie die Zwei-Rollen- Versuche (hier nur Öl 3) eingesetzt. In Vorversuchen wurden zunächst zielführende Parameter für die Untersuchungen der Trennschichtprozesse an rotierenden Wälzlagern und der Zwei-Rollen-Paarung zu ermittelt, da hier keinerlei Vorkenntnisse aus früheren Vorhaben vorlagen. Damit diese Versuche durchgeführt werden konnten, wurden Quecksilber-Drehübertrager in den bestehenden Prüfstandsaufbau und die Messkette integriert. Bei allen rotierenden Wälzlagerlagerversuchen konnte ein Übergangswiderstand und damit eine Oberflächenschichtbildung nachgewiesen werden. Innerhalb der geplanten maximalen Versuchszeit von 500 h kam es bei keinem Versuch zu einem Lagerausfall. Zur Verschärfung der Versuchsbedingungen wurde der intermittierende Betrieb mit 21 h Lauf und 6 h Stillstand bei der maximalen Belastungsstufe ausgewählt, da es in früheren Untersuchungen möglich war, damit Lagerausfälle zu initiieren. Auch bei den Zwei-Rollen-Versuchen konnte mit den aus der Literatur bekannten üblichen Betriebsparametern eine Schichtbildung nachgewiesen werden. Die Parameter wurden für die weiteren Versuche beibehalten. Bei den Gelenklagerversuchen bildeten sich bei allen Versuchen mit Fett 2 messbare Übergangswiderstände und damit Oberflächenschichten aus. Erst bei hohen Laststufen (z. B. Temperatur 120 °C oder Belastung 50 kN) waren Lagerausfälle durch Fressen nachweisbar, die das Widerstandsmesssystem rechtzeitig, durch einen starken Abfall des Übergangswiderstands, detektierte. Die Versuche mit Fett 1 und Fett 3 fielen frühzeitig ohne Bildung eines messbaren Übergangswiderstandes durch Fressen aus. Dies lässt auf keine bzw. nur sehr schwache Schichtbildungsprozesse schließen. Ähnlich wie bei den Gelenklageruntersuchungen konnte bei den oszillierenden Wälzlagerversuchen mit Fett 2 und Öl 3 ein Übergangswiderstand gemessen und damit eine Oberflächenschicht nachgewiesen werden. Lager mit Fett 3 fielen frühzeitig ohne messbaren Übergangswiderstand durch ein stark erhöhtes Reibmoment aus. Im rotierenden Betrieb konnte mit allen untersuchten Schmierstoffen ein Übergangswiderstand nachgewiesen werden. Dieser war stabiler als der bei den oszillierenden Versuchen, was auf die Bildung einer stabileren Grenzschicht bei rotierendem Betrieb hindeutet. Bei den Zwei-Rollen-Versuchen bildete sich ebenfalls ein hochohmiger Übergangswiderstand aus, der auf eine Schichtbildung hinwies. Die Oberflächenschicht war jedoch instabiler als die bei den Lagerversuchen, was anhand von Reibungsmomentanstiegen im Versuchsverlauf erkennbar war. Die Drehmomentenanstiege wurden durch das Widerstandsmesssystem frühzeitig durch einen Abfall des Widerstands detektiert. Jedoch führten die Drehmomentenanstiege nicht zu einem Versagen der Paarung, da sich die Schicht wieder stabilisierte. Die mikroskopischen Analysen der Oberflächen ergaben bei allen Proben aus den Versuchen mit Widerstandsbildung eine bläuliche Verfärbung der Oberfläche und eine Einglättung der Fertigungsrauheiten. Die durchgeführten AES-, XPS- und SNMS-Analysen zeigten bei diesen Proben eine starke Reaktion der Schmierstoffadditive mit der Oberfläche. Es wurden Schichtdicken bis zu ca. 300 nm nachgewiesen. In den XPS-Detailspektren wurde ersichtlich, dass der detektierte Sauerstoff in großem Maße metallisch gebunden ist. Dies lässt vermuten, dass der ermittelte Widerstand auf oxidisch-isolierende Grenzschichten zurückzuführen ist. Auf Proben, bei denen im Versuch der ausgebildete Übergangswiderstand abfiel, waren die Konzentrationen der Elemente, die aus den Schmierstoffadditiven stammen, wesentlich geringer. Dies stützt die These, dass sich der Widerstand aufgrund von oxidischen Grenzschichten ausbildet, die aus der Reaktion der Schmierstoffadditive mit der Oberfläche und dem Luftsauerstoff stammen. Die durchgeführten Ultramikrohärteuntersuchungen brachten keine signifikanten Unterschiede zwischen oberflächennahen Bereichen und dem Grundmaterial hervor. Dies ist auf den nach DIN 50359-1 für das Prüfverfahren notwendigen Randabstand zurückzuführen, der größer ist als die nachgewiesenen Reaktionsschichtdicken. Die Ergebnisse der in diesem Forschungsvorhaben durchgeführten Arbeiten liefern interessante Erkenntnisse für die Praxis über die Zusammenhänge zwischen der Art und Weise, wie Oberflächenschichten gebildet werden, und der Zusammensetzung der entstandenen Oberflächenschichten. Die ausgearbeiteten Zusammenhänge können z. B. von Schmierstoff- und Lagerherstellern für die Produktentwicklung verwendet werden. Die Ergebnisse wurden bisher nur mit einer kleinen Auswahl an Schmierstoffen erzielt. Für ein breiteres Feld an Erkenntnissen wären Untersuchungen mit weiteren Schmierstoffen, die verschieden additiviert sind, notwendig. Weiterhin sollte die Abhängigkeit der Oberflächenschichtbildung von der Oberflächenbehandlung der Prüfkörper untersucht werden, um deren Einflüsse auf den Übergangswiderstand zu klären. Um bessere Aussagen über die Härte der Grenzschicht und deren Einfluss auf den Härteverlauf in Richtung des Grundmaterials treffen zu können, sollten andere Härtemessverfahren angewandt werden. Zur weiteren Optimierung des Übergangswiderstand-Messverfahrens wäre zusätzlich zum zeitlichen Signalverlauf auch eine Untersuchung des Frequenzgangs des Signals sinnvoll.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Transfer resistance as indicator of lubrication condition. 17th International Colloquium Tribology, 19-21 Januar 2010, Esslingen
Lucas, S., Deters L.
