Christian Schroelkamp

Influence of non-metallic inclusions on the wear behaviour of ferrous materials in nominally dry friction systems

Abstract In non-lubricated rolling-sliding and sliding friction systems under large plastic deformation or on exceeding the deformability limit, cracks appear in the near-surface regions which can lead to very high wear rates. The cause of cracking is ascribed to non-metallic manganese sulphide inclusions but the material microstructure has an effect on the crack distribution and propagation and therefore determines the wear behaviour. To avoid the different negative effects of non-metallic inclusions on the wear behaviour, the cleanliness of the material should be generally improved.

Investigations into the reaction of metallic bodies in tribological systems

Abstract Surface zones of metallic bodies are formed by reaction layers which often prevent a direct metal-to-metal contact. In most engineering materials, friction forces cause intensified reaction layer formation as a consequence of plastic boundary layer deformation. New surface analysis techniques are described with which the composition of the reaction layer and the presence of individual oxides can be determined. Initial results confirm the reaction layer structure stated in the relevant literature.

Grundlagen der Verschleißvorgänge

Unter Verschleis im Sinne der Technik versteht man nach DIN 50320 /15/ den Vorgang eines fortschreitenden Materialverlustes aus der Oberflache eines festen Korpers, hervorgerufen durch mechanische Ursachen, d.h. Kontakt und Relativbewegung eines festen, flussigen oder gasformigen Gegenkorpers. Verschleis ausert sich im Auftreten von losgelosten kleinen Teilchen (Verschleispartikeln) sowie in Stoff- und Formanderungen der tribologisch beanspruchten Oberflachenschicht. In der Technik ist der Verschleis normalerweise zwar unerwunscht, bei Einlaufvorgangen konnen Verschleisvorgange jedoch auch beabsichtigt sein.

Untersuchungen über das Verschleißverhalten oberflächenbehandelter Werkstoffe bei Gleitreibungsbeanspruchung

Parallel zu den Walzreibungsuntersuchungen wurde das Verschleisverhalten einzelner Schichten auf einer modifizierten Stift/Scheibe-Maschine uberpruft. Ziele dieser Untersuchung waren die Ermittlung des Verschleiswiderstandes gegenuber abrasiver und adhasiver Beanspruchung sowie die Aufstellung allgemeingultiger Kriterien uber die Moglichkeiten zur Verschleisminderung, die fur Gleit- und Walzreibungsbeanspruchungen zutreffen.

Untersuchungen zur Optimierung des Verschleißverhaltens von Wälzreibungssystemen

Die Verschleiseigenschaften von Oberflachenschichten sind in den letzten Jahren haufig Gegenstand von Modellverschleisuntersuchungen gewesen. Besonders die Weiterentwicklung auf dem Gebiet der CVD-Technik sowie die zunehmende praktische Anwendung des Borierens wurden zum Anlas genommen, die Moglichkeiten der Verschleisminderung aufzuzeigen. Wie schon erwahnt, wurde das Verschleisverhalten dieser Schichten bei technisch trockener Reibung bislang kaum untersucht. Daher sollen die hier vorgestellten Ergebnisse einen ersten uberblick uber die Moglichkeiten der Verschleisminderung in Walzreibungssystemen geben. Im Rahmen dieses Vorhabens wurde das Verschleisverhalten von chemisch und CVD-beschichteten, geharteten, nitrierten und unterschiedlich borierten Walzkorpern unter verschiedenen Beanspruchungsbedingungen untersucht.

Optimierung des Verschleißverhaltens durch Oberflächenbeschichtung des treibenden Prüfkörpers eines Wälzreibungssystems

Die Darstellung der Versuchsergebnisse erfolgt unter zwei Gesichtspunkten. Im Vordergrund der Untersuchungen steht gemas dem Ziel dieses Vorhabens die Optimierung des Verschleisverhaltens des gesamten Walzreibungssystems. Andererseits kann aber auch eine einseitige Optimierung von Interesse sein. Daher sind die einzelnen Paarungen weiterhin auch nach steigenden Einzelverschleisbetragen der treibenden Prufkorper geordnet.

Möglichkeiten der Verschleißminderung durch Oberflächenbehandlung

Der kurze uberblick uber die verschiedenen Verschleismechanismen last bereits erkennen, das die Frage nach geeigneten Masnahmen zur Verschleisminderung nicht allgemein beantwortet werden kann. Jede derartige Masnahme mus von einer sorgfaltigen Analyse des Verschleisvorganges, seiner Einflusgrosen und den moglicherweise ablaufenden Mechanismen ausgehen /20/.

Optimierung des Verschleißverhaltens durch Oberflächenbehandlung beider Körper eines Wälzreibungssystemes

Der Schwerpunkt dieser Versuchsreihen lag in der Kombination unterschiedlicher Schichten, da ublicherweise bei solchen Paarungen geringere Verschleisraten zu erwarten sind als bei der Kombination gleicher Werkstoffe bzw. gleicher Schichten. Da es in der industriellen Praxis haufig ublich ist, alle verschleisbeanspruchten Bauteile eines tribologischen Systems zu nitrieren, wurden solche Kombinationen zum Vergleich ebenfalls untersucht.

Reaktionsschichtanalysen mit dem ESCA-Verfahren

Im Sinne einer systematischen Analyse sind die Untersuchungen in zwei Abschnitte aufgeteilt. Zunachst einmal sollen die Moglichkeiten des ESCA-Verfahrens abgeschatzt sowie die “shifts” fur die einzelnen Oxide ermittelt werden. Im zweiten Abschnitt soll dann versucht werden, einen Zusammenhang zwischen Verschleisverhalten und Reaktionsschichtausbildung nachzuweisen. Da die Probengrose aufgrund der Konstruktion der Aufnahmevorrichtung nur etwa 3 x 3 mm bei einer Dicke von etwa 1 mm betragen durfte, musten die zu untersuchenden Oberflachen vor der Analyse entsprechend prapariert werden. Dazu wurden die Walzkorper nach Versuchsdurchfuhrung auf etwa 0,8 mm Dicke von innen ausgedreht. Jede Erwarmung muste durch standige Kuhlung vermieden werden, um eine verstarkte Oxidation durch Temperaturerhohung zu verhindern. Die Proben wurden dann in entsprechender Grose aus dem entstandenen Ring geschnitten.

Technologische und werkstoffkundliche Grundlagen

Die Beschreibung des grundsatzlichen Ablaufes eines Walzreibungsversuches zur Ermittlung des Verschleisverhaltens soll zum besseren Verstandnis der Auswirkungen bei Variation der wichtigsten Einflusgrosen beitragen.