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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beurteilen der Qualität von Reibpaarungen.
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Reibpaarungen kommen im Maschinenbau in einer Vielzahl von Anwendungen vor. Dabei sind zwei Reibkörper einander zumeist unter ständiger Reibbeanspruchung ausgesetzt. Der Auswahl der Oberflächenwerkstoffe, die der Reibung ausgesetzt sind, eines Schmiermittels, der Umgebungsbedingungen, wie Temperatur, sofern beeinflussbar, und ggf. Zusatzkomponenten kommt dabei eine besondere Bedeutung zu. Insbesondere ist die Auswahl der Werkstoffe sowie ggf. die Behandlung der Oberflächen von Bedeutung.
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Für die Auswahl und die Überprüfung der Eignung von Reibpaarungen für einen vorgegebenen Einsatzzweck gibt es bereits viele Erfahrungswerte. Ferner können vorgesehene Reibpaarungen Dauertests unterzogen werden, um die Eignung für einen Einsatzzweck zu testen. Solche Tests sind aber zumeist recht aufwendig zu betreiben und binden Ressourcen. Ferner ist man am Ende oder während des Versuchs gezwungen, die Reibkörper genauer zu untersuchen und dafür die Versuchsanordnung sorgfältig auseinander zu bauen und ggf. wieder zusammen zu bauen.
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Die
DE 10 2008 035 257 A1 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen einen volumetrischen Verschleißbetrages. Zur Bestimmung des Verschleißes muss ein länger andauernder Versuch durchgeführt werden, bei dem Verschleißerscheinungen auch tatsächlich auftreten.
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Die
DD 249 097 A2 beschreibt eine Einrichtung zur Untersuchung des Verscheißverhaltens von Reibpaarungen. Auf einem ebenen Grundkörper, dessen Gleitfläche eine definierte Rauheit aufweist, ist ein Grundkörper vorgesehen, der aus mindestens drei gleichlangen, fest mit einer drehbaren Halterung verbundenen, im gleichen Abstand von der Drehachse angeordneten Prüfstiften besteht. Der Grundkörper ist während der Prüfung derart beweglich angeordnet ist, dass die Prüfstifte auf dem Grundkörper eine Gleitbewegung ausführen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren, zum Beurteilen der Qualität von Reibpaarungen bereit zu stellen, welches im Vergleich zu Dauerhaltbarkeitstests deutlich schneller durchzuführen ist. Anhand der Versuchsergebnisse sollen Prognosen über die Eignung der überprüften Versuchsobjekte bezüglich eines gewünschten Einsatzzwecks ermöglicht werden. Die bezüglich der Qualität des Beurteilungsergebnisses an einen Dauerhaltbarkeitstest gestellten Anforderungen sollen aber nach Möglichkeit erfüllt werden. Nach Möglichkeit sollte der Versuch die Proben weitgehend unzerstört belassen. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch ein Schnellverfahren nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausgestaltung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der Kern der Erfindung liegt insbesondere darin, dass abweichend zu den Dauerhaltbarkeitstests bereits frühzeitig auftretende Anzeichen bald eintretender Zerstörungen an den Werkstoffen knapp unterhalb der Reiboberfläche für eine Prognose der Zuverlässigkeit der Reibpaarungen ausreichen kann. Es hat sich überraschender Weise gezeigt, dass sich solche frühen Anzeichen in charakteristischen Änderungen der Elektronenaustrittsarbeit eines der Partner der Reibungspaarungen erkennen lassen. Dabei treten diese Charakteristiken am Verlauf der Elektronenaustrittsarbeit recht bald beim Einstellen einer kritischen Belastung auf, zeitlich weit vor dem eigentlichen Auftreten von Zerstörungen am Werkstoff.
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Die Erfindung macht sich dabei die Erkenntnis zunutze, dass sich die Elektronenaustrittsarbeit an einer Reibfläche, insbesondere in einem sehr dünnen Bereich unterhalb der Oberfläche, je nach Belastung ändert. So können anhand des Verlaufs der Elektronenaustrittsarbeit bereits unterschiedlichen Deformationen der reibenden Oberflächen identifiziert werden, die beispielsweise vom elastischen und/oder plastischen Typ sein können.
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Die Erfindung macht sich dabei die Erkenntnis zunutze, dass sich die Elektronenaustrittsarbeit an einer Reibfläche je nach Belastung ändert. Während der Reibung erfolgen die Änderungen der Eigenschaften an den dünnen Oberflächenschichten. Diese Änderungen spiegeln sich in der EAA-Veränderungen wider. So können anhand des Verlaufs der Elektronenaustrittsarbeit bereits unterschiedliche Belastungsstufen identifiziert werden, zu denen beispielsweise Deformationen des elastischen oder plastischen Typs gehören. Nach der neuen Erkenntnis dieser Erfindung lässt aber der Verlauf der Elektronenaustrittsarbeit gegenüber der Beanspruchung bereits Rückschlüsse darauf zu, welche Änderungen unter Beibehaltung der vorliegenden Belastung in der Zukunft auftreten werden. Es ist dabei aber nicht erforderlich, dass diese Änderungen bereits eingetreten sind. Es kann anhand des Verlaufs sogar festgestellt werden, dass bei einer entsprechenden Belastung derzeit zwar noch elastische Deformationen vorhanden sind, es aber mit zerstörerischen Deformationen zu rechnen ist, sofern die Beanspruchung aufrecht erhalten wird. Dabei wird der Umstand ausgenutzt, dass sich bereits geringfügige Versetzungen von Atomen im Kristallgitter auf die Elektronenaustrittsarbeit auswirken können. Nach dem Änderungscharakter der EAA können bereits die Veränderungen in den Oberflächenschichten erfasst werden, die sich in keinen äußerlichen tribotechnischen Messgrößen zeigen. Bei Dauerbeanspruchungen in der Zone I (3) sind keine Oberflächenstörungen zu beobachten, während in der Zone II mit der Zeit die Zerstörungsstätten erscheinen. Diese Ergebnisse lassen sich mit Hilfe der Mechanik von Dislokationsreaktionen interpretieren. 1) Der linke Bereich vor dem Maximum in 3 in der Zone I entspricht dem Gebiet vom überwiegend elastischen Deformationstyp. Dort wird die Dislokationsdichte in der Oberfläche nicht wesentlich erhöht. 2) Der Bereich rechts des Maximum der Zone I entspricht dem elastischplastischen Deformationstyp, wobei der Einfluss des plastischen Typs zunimmt. Dennoch sind diese Prozesse hinsichtlich der Dislokationsdichte noch nicht gesättigt. Eine Sättigung wird erreicht an der rechten Grenze dieser Zone. Die Zone II entspricht dann einem Gebiet mit überwiegend plastischen Deformationstypen. In diesem Fall tragen die Dislokatiorisprozesse einen gesättigten Charakter. Es ist bekannt, dass die Dislokationsdichte mit einer stetigen Erhöhung der Anpresskraft nur einen gewissen kritischen Wert erreichen kann. Danach tritt ein dynamischer Gleichgewichtzustand zwischen der Kernbildung (nucleation) und Koaleszenz/Verwachsung ein, was folglich zur Bildung von Mikroporen und Mikrorissen führt, die ihrerseits die Zerstörungsstätte verursachen. Das wird als Vor-Zerstörungszustand gekennzeichnet.
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Als Ergebnis liefert das Schnellverfahren den Wert einer kritischen Anpresskraft. Dieser Wert stellt einen Grenzwert dar, bis zu dem die überprüfte Reibpaarung im Dauerbetrieb geeignet erscheint. Für Beanspruchungen oberhalb dieser kritischen Anpresskraft ist die überprüfte Reibpaarung nicht geeignet. So wie die Untersuchungen von tribotechnischen Materialien ergeben haben, kann die kritische Anpresskraft des Übergangs von der Zone I zur Zone II als objektives Kriterium zur Beurteilung der Betriebscharakteristika von tribotechnischen Materialien und Schmiermitteln für Reibungspaarungen eingesetzt werden. Die kritische Anpresskraft ist dann die oberste Grenze der zulässigen Betriebsregimes. Das Reibpaarung ist in den getesteten Bedingungen betriebsfähig in der Zone I und nicht geeignet zum Einsatz in der Zone II.
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So kann beispielsweise in einem Vergleich zweier Reibpaarungen das beanspruchte Schnellverfahren für jede der Reibpaarungen separat durchgeführt werden. Diejenige Reibpaarung, zu der die höhere kritische Anpresskraft ermittelt wird, kann dann als diejenige identifiziert werden, die höhere Belastungen im Dauerbetrieb standhält.
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Die Messanordnung umfasst ein Kelvin-Sonde oder Kelvin-Zisman-Sonde, die zur Messung der Elektronenaustrittsarbeit an einem Körper geeignet ist. Eine solche Sonde umfasst beispielsweise einen Sensor, nämlich insbesondere einen schwingenden Sensor. Als bevorzugte Methode zur Messung von EAA hat sich die kontaktlose Kontaktpotentialtechnik bewährt. Das Existieren des Oberflächenkontaktpotentials wurde zuerst vom italienischen Physiker Alessandro Volta im Jahr 1801 gezeigt. Der britische Physiker Lord Kelvin hat danach im Jahr 1898 einen allgemeinen Ansatz zur Messung des Kontaktpotentials entwickelt. Deswegen bezeichnet man in der englischsprachigen Literatur die Vorrichtungen zur KPD Messung als Kelvin-Sonde (Kelvin Probe). Die Messung des Kontaktpotentials ist nicht trivial, da diese Größe nicht eine äußere sondern eine innere Eigenschaft des Testobjektes ist. Sie kann nicht ohne weiteres durch einen einfachen Voltmeteranschluss ermittelt werden. Zudem beeinflusst und ändert jegliche Kontaktherstellung zwecks einer direkten Messung des Oberflächenkontaktpotentials unumkehrbar die Eigenschaften dieser Oberfläche und dementsprechend die zu messende Größe. Bereits eingesetzt wird die im Jahr 1932 vom sowjetischen Physiker Zisman modifizierte Kelvin-Methode.
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Das Schnellverfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass qualitative Aussagen bereits nach einem Test von wenigen Stunden, insbesondere weniger als 24 Stunden möglich sind. Bei sehr hochqualitativen Werkstoffpaarungen oder z. B. bedingt durch Festigkeit und andere Eigenschaften eines Werkstoffes kann es allerdings auch zu größeren Testdauern kommen, welche zumeist nicht mehr als sieben Tage dauern.
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Während der Reibvorgänge der jeweils unterschiedlichen Reibpaarungen überprüft werden, werden die Versuchsbedingungen im Übrigen möglichst identisch gehalten. So wird insbesondere ein identisches Schmiermittel verwendet, sofern ein Schmiermittel zur Anwendung kommt. Ferner sollte auch der Referenzkörper stets gleichbleibender Art sein. Dabei kann der Referenzkörper durchaus durch einen neuen aber gleichartigen Referenzkörper ausgetauscht werden. Ferner sollten auch die Bewegungsabläufe beziehungsweise die Schrittweiten, die während der Reibvorgänge vorgenommen werden, bei beiden Reibvorgängen identisch zueinander ablaufen.
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Das Verfahren eignet sich allerdings auch dazu, zu einer vorgegebenen Reibpaarung das bevorzugt oder bestgeeignetste Schmiermittel oder eine andere Zusatzkomponente zu ermitteln. Dann werden bei unterschiedlichen Reibvorgängen gleichartige Reibkörper, also Referenzkörper und Prüfkörper, verwendet. Das Schmiermittel oder die Zusatzkomponente kann dann aber zwischen den einzelnen Reibvorgängen ausgetauscht werden, um einen Vorher-Nachher-Vergleich herzustellen. Es werden dann für beide Reibvorgänge unterschiedliche Verläufe der Elektronenaustrittsarbeit gemessen; anhand dieser unterschiedlichen Verläufe kann z. B. das geeignete Schmiermittel ermittelt werden.
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Die Überprüfung selbst bewirkt keine Verschlechterung an den Komponenten der Reibpaarung. Aufgrund der Relativbewegung während des Reibvorgangs kann im Wesentlichen durch einen recht kleinen Sensor der gesamte Flächenbereich der Reibflächen untersucht und damit überwacht werden. Das Verfahren ist an sich kontaktlos und zerstörungsfrei. Alle Eingriffe erfolgen ausschließlich an der MEssanrodnung/. Dadurch kann gewährleistet werden, dass mit der Messanordnung jegliche tribotechnischen Maschinen ausstatten und das Verfahren für ein breites Aufgabenspektrum bei der Erforschung von tribotechnischen Materialien einsetzen kann. Wesentlich ist, dass eine Zugangsmöglichkeit zur Oberfläche für den Sensor besteht.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert, hierin zeigt
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1 schematisch eine Versuchsanordnung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 schematisch den Aufbau einer Messanordnung;
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3 schematisch eine Messkurve, die während des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt wird und die Elektronenaustrittsarbeit über die Anpresskraft F darstellt;
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4 Messkurven der Art nach 3 für jeweils unterschiedliche Reibpaarungen.
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Eine Reibpaarung umfasst zumindest einen Referenzkörper 1. Im vorliegenden Fall sind drei oder mehr solcher Referenzkörper vorgesehen, was sich vorteilhaft auf die Stabilität der Versuchsanordnung auswirkt. Diese Referenzkörper 1 sind stiftförmig ausgebildet und weisen auf ihrer Unterseite eine Referenzreibfläche 6 auf. Die Reibpaarung umfasst ferner einen Prüfkörper 2, der im vorliegenden Fall scheibenförmig ausgebildet ist und unterhalb der Referenzkörper 1 angebracht ist. Eine Prüfreibfläche 7 ist auf der Oberseite des scheibenförmigen Prüfkörpers 2 angeordnet und während des Versuchs in Anlage mit der Referenzreibfläche 6 der Referenzkörper 1. Zwischen den beiden Reibflächen 6, 7 ist ein Schmiermittel vorgesehen. Dieses wird durch mittiges Auftropfen auf den Prüfkörper 2 aufgebracht und verteilt sich auch durch Einwirkung der Zentrifugalkraft auf der Prüfreibfläche 7. Dabei gelangt das Schmiermittel auch in Zwischenräume zwischen der Prüfreibfläche 7 und der Referenzreibfläche 6.
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Für die Durchführung des Reibvorgangs wird nun der scheibenförmige Prüfkörper 2 in Drehung versetzt, in dem ein Drehteller 5 als Probenhalter, auf dem der Prüfreibkörper 2 aufliegt, in Drehung um dessen Drehachse A versetzt wird. Es wird die Anpresskraft F aufgebracht, mit der die Referenzkörper 1 auf den Prüfreibkörper 2 zu beaufschlagt werden. Die Anpresskraft F wird zunächst auf einen ersten Wert festgesetzt und dann zunächst konstant beibehalten. Wenn ein Beharrungszustand bezüglich der Elektronenaustrittsarbeit eingetreten ist, wird der Wert der Elektronenaustrittsarbeit dann als relevanter Messwert verwendet. Der Beharrungszustand ist im Wesentlichen dann eingetreten, wenn die Schwankungen der Messwerte bei konstanter Anpresskraft unterhalb einer gewissen Bandbreite verbleiben, also der Messwert sich um einen bestimmten Wert eingependelt hat. Während des Reibvorgangs entsteht eine visuell erkennbare Reibspur 8 auf dem Prüfreibkörper 2 dort, wo die beiden Reibflächen 6, 7 aneinander reiben.
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Nachdem der Beharrungszustand eingetreten ist wird die Anpresskraft F schrittweise weiter erhöht. Nachdem die Anpresskraft F erhöht wurde wird dann mittels der Messanordnung die Elektronenaustrittsarbeit oberhalb der Reibungsspur 8, die auf der Prüfreibscheibe 2 erzeugt wird, erneut gemessen. Diese Vorgänge werden dann mehrfach wiederholt.
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Bei dem Sensor 3 handelt sich im vorliegenden Fall um einen schwingenden Etalonkörper, der in etwa 0,5 mm oberhalb der Reibspur 8 angeordnet ist. Dabei bilden die Oberfläche des Etalonkörpers 3 und die Oberfläche des Prüfkörpers 2 jeweils als Kondensatorplatten gemeinsam einen Kondensator aus. Der Etalonkörper 3 wird mittels Aktuatoren, insbesondere Piezzo-Aktuatoren, in Schwingung versetzt. Durch die Schwingung wird ein Strom angeregt, welcher linear von der Austrittsarbeitsdifferenz und nichtlinear vom Abstand zwischen dem Etalonkörper 3 und dem Prüfkörper 2 abhängt. Durch Anlegen einer externen Spannung kann der Strom zwischen den dem Etalonkörper 3 und dem Prüfkörper 2 zu Null geregelt werden. Dadurch kann die Austrittsarbeitsdifferenz der beiden Kondensatorplatten bestimmt werden. Da die Elektronenaustrittsarbeit des Etalonkörpers bekannt ist kann auf die Elektronenaustrittsarbeit des Prüfkörpers geschlossen werden. Ein schematischer Aufbau der Messanordnung ist in 2 dargestellt, wobei mit 9 ein Vorverstärker und mit 10 ein Nulldetektor bezeichnet sind.
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Der Sensor 3 berührt dabei weder den Prüfkörper 2 nach den Referenzkörper 1 oder die Reibungsspur 8. Durch den Reibvorgang ergeben sich in einem sehr dünnen Querschnittsbereich, insbesondere in einer der oberen eins bis drei monoatomaren Schicht unterhalb der Prüfreibfläche, wesentliche Änderungen im Werkstoff, die durch Messung der Elektronenaustrittsarbeit dort aufgedeckt werden können.
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Für die Messung einer weiteren Reibpaarung wird anschließend die Prüfreibscheibe 2 von dem Prüfteller 5 entfernt und eine andere Prüfscheibe aus einem anderen Material wird auf den Teller 5 aufgelegt. Der Reibvorgang wird dann mit der neuen Prüfscheibe wiederholt, wobei wiederum die Elektronenaustrittsarbeit während der Erhöhung der Anpresskraft FA gemessen wird.
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3 zeigt schematisch eine Messkurve, welche bei einem erfindungsgemäßen Versuchsablauf aufgezeichnet wird. Dabei ist die mit der Messanordnung aufgezeichnete Elektronenaustrittsarbeit EEA über die Anpresskraft F aufgezeichnet. Die schematisch vereinfachte Kurve kann im wesentlichen in zwei Abschnitte aufgeteilt werden. Im Abschnitt I erfährt der Prüfkörper 2 im wesentlichen Deformationen vom elastischen und plastischen Typ (wie bereits erwähnt – Deformationstyp, Typ des Zusammenwirkens der reibenden Oberflächen). Im Abschnitt II erhält man Aufschluss über Veränderungen des Werkstoffs in der ersten Schichten unterhalb der Prüfreibfläche, die in der Folge zu Zerstörungen im Prüfreibkörper 2 bzw. in den ersten in etwa drei monoatomaren Schichten unterhalb der Oberfläche führen, beispielsweise in Form von Mikrorissen. Die Änderungen im Kristallgitter der Elektronenaustrittsarbeit in der Zone II ergeben sich aber bereits dann, wenn die Zerstörungen an der Prüfreibfläche noch nicht vorhanden sind; vielmehr sind die Änderungen an der Elektronenaustrittsarbeit ein Vorbote von Zerstörungen, beispielsweise in Form von geringfügigen Versetzungen/Dislokationen im Kristallgitter.
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Der Übergang vom Bereich I auf den Bereich II markiert nun eine kritische Anpresskraft Fkrit, die als charakteristische Größe für die Reibpaarung angesehen wird. Oberhalb der kritischen Anpresskraft wird sich die Reibpaarung nicht für einen Dauerbetrieb eignen. Insofern stellt die kritische Anpresskraft ein Kriterium für die Auswahl von Materialien für eine Reibpaarung dar.
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In 4 sind Messkurven unterschiedlicher Reibpaarungen dargestellt. Dabei wurde der Versuchsaufbau nach 1 verwendet, wobei stets gleichartige Referenzreibkörper 1 verwendet wurden, während für die unterschiedlichen Reibvorgänge die Prüfscheiben 2 durch andersartige Prüfscheiben ersetzt werden. Bei den so untersuchten Reibpaarungen ist der Referenzreibkörper 1 jeweils gleichbleibend ein Stahlstift. Die Prüfkörper 2 sind Scheiben aus einer Bronzelegierung mit jeweils abweichenden Legierungszusammensetzungen.
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Aus 4 ist nun zu erkennen, dass für die Reibpaarung mit der Messwertkurve c die kritische Anpresskraft Fkrit den höchsten Wert einnimmt. Es kann also daraus geschlossen werden, dass diese Reibpaarung diejenige ist, bei die Vorboten für anstehende zerstörerische Änderungen im Werkstoff erst bei Auftreten der Anpresskraft Fkrit,c eintritt, welche größer ist als die kritischen Anpresskräfte Fkrit,a, Fkrit,b, Fkrit,d der anderen Reibpaarungen. Damit können Rückschlüsse auf die Güte der Reibpaarung geschlossen werden. Für eine dauerhafte Beanspruchung im Bereich knapp unterhalb der kritischen Anpresskraft Fkrit,c wird sich folglich die Reibpaarung mit der Messkurve c am besten eignen. Beispielsweise die Reibpaarung mit der Messkurve d wird sich für eine dauerhafte Anpresskraft im Bereich höher der kritischen Anpresskraft Fkrit,d nicht eignen.
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Die Versuchanordnung kann auch anders ausgeführt sein. So kann beispielsweise anstelle der rotierenden Relativbewegung eine laterale Relativbewegung vorgesehen sein. Die beiden Reibkörper können auch aufeinander abwälzen. Dabei kann eine der Reibflächen eben sein, während die andere Reibfläche eine kreiszylindrische Form aufweist.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der sehr kurzen Versuchdauer und relativ einfachen Versuchsaufbau. So kann bereits nach einer Versuchsdauer mit einem Reibvorgang von zum Teil weniger als einigen Stunden eine aussagekräftige Messkurve nach den 2 oder 3 für eine Reibpaarung hergestellt werden. Aufwändige Dauerhaltbarkeitstest können vermieden werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Referenzkörper
- 2
- Prüfkörper
- 3
- Etalonkörper
- 4
- Messanordnung
- 5
- Drehteller
- 6
- Referenzreibfläche
- 7
- Prüfreibfläche
- 8
- Reibungsspur
- 9
- Vorverstärker
- 10
- Nulldetektor
