DE112018003515T5

DE112018003515T5 - Katalytische metallbeschichtungen für metallbauteile zur verbesserung des tribologischen verhaltens in geschmierten systemen

Info

Publication number: DE112018003515T5
Application number: DE112018003515.8T
Authority: DE
Inventors: Gary Doll; Devesh Shreeram
Original assignee: University of Akron
Current assignee: University of Akron
Priority date: 2017-07-10
Filing date: 2018-07-10
Publication date: 2020-04-09
Also published as: CN110892051A; US20200131957A1; WO2019014223A1

Abstract

Es wird ein geschmiertes System gelehrt, das mindestens ein in Bewegung befindliches Metallbauteil umfasst. Das mindestens eine Metallbauteil wird durch ein organische Öladditive umfassendes Schmiermittel geschmiert und das mindestens eine Metallbauteil wird mit einem katalytischen Material beschichtet.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Materialbeschichtungen, insbesondere Beschichtungen von Metallbauteilen, die in geschmierten Systemen eingesetzt werden, wobei die Beschichtungen zur Verbesserung des tribologischen Verhaltens dienen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es hat sich gezeigt, dass tribologische Beschichtungen das Verhalten vieler mechanischer Bauteile wesentlich verbessern. Die Entwicklung einer einzigen Beschichtung mit verbesserter Beständigkeit gegen Kontaktermüdung, Lochfraß, Verschleiß, Abrieb und andere Probleme ist zu einem Hauptanliegen von Beschichtungs- und Tribologieexperten geworden.
Die meisten geschmierten mechanischen Systeme arbeiten im Grenz- oder Mischschmierungsbereich, in dem direkter Metall/Metall-Kontakt auftritt, der Reibung und Verschleiß erhöhen kann. Daher werden den in diesen geschmierten Systemen verwendeten synthetischen und mineralischen Ölen Reibungsmodifiziermittel zugesetzt, um die Reibungseigenschaften einzustellen und die Schmierfähigkeit und Energieeffizienz zu verbessern. Es gibt zwei Haupttypen von Reibungsmodifiziermittel: metallorganische Verbindungen und organische Polymerverbindungen. In Situationen, in denen Reibungsmodifiziermittel nicht anwendbar sind, werden Extremdruck- (EP) und AntiverschleißAdditive (AW) verwendet. Die am weitesten verbreiteten EP- und AW-Additive sind Molybdändialkyldithiophosphate (MoDTP), Molybdändithiocarbamate (MoDTC) und Zinkdialkyldithiophosphat (ZDDP). Zusätzlich zu den EP- und AW-Additiven werden in mehreren fertig formulierten (FF) serienmäßig produzierten Ölen auch Detergenzien, Dispergiermittel, Schaumhemmer, Antioxidations- und Korrosionsschutzadditive zugesetzt. Detergenzien sind in der Regel Verbindungen auf Calcium- oder Magnesiumbasis, die zur Neutralisieren und Suspendieren der sauren Oxidations- und Verbrennungsprodukte in den Ölen verwendet werden. Während es sich bei den Dispergiermitteln um organische Verbindungen handelt, die dazu beitragen können, unlösliche Produkte in der Lösung in der Schwebe zu halten, werden die Korrosionsschutzmittel im Allgemeinen basierend auf der Art des verwendeten Substrats, d.h. Eisen- oder Nichteisenmetall, in zwei Kategorien eingeteilt. Beide Typen verwenden jedoch den gleichen Ansatz des Adsorbierens an der Oberfläche, um die Wirksamkeit der Korrosionsnebenprodukte am Erreichen der metallischen Oberfläche zu reduzieren. Es wurde jedoch argumentiert, dass dieser Adsorptionsprozess die Wirksamkeit anderer Additive in den fertig formulierten Ölen verringert.
EP- und AW-Additive sind dafür bekannt, dass sie sich in Hertzschen Kontakten bei erhöhten Temperaturen und Drücken zersetzen und Tribofilme bilden. Je dicker und beständiger der Tribofilm, desto weniger Reibung und Verschleiß werden im tribologischen Kontakt auftreten. Es wird vermutet, dass die katalytische Aktivität des Trägermaterials ebenfalls eine Rolle bei der Bildung von Tribofilmen in den Kontakten spielt. Evans et al. verglichen die Tribofilmbildung auf einsatzgehärtetem AISI 3310 und durchgehärtetem AISI 52100, die unter identischen Bedingungen getestet wurden. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass das Vorhandensein von Ni im Stahl AISI 3310 zur Bildung dickerer und beständigerer Tribofilme als im Ni-freien Stahl AISI 52100 beigetragen haben könnte. Darüber hinaus stellten Evans et al. fest, dass die Zusammensetzung der Tribofilme zwar ähnlich war, ihre Mikrostrukturen jedoch unterschiedlich waren.
Das tribologische Verhalten von galvanisch abgeschiedenen NiW-Beschichtungen wurde bereits früher beobachtet. Diese früheren Studien wurden unter trockenen Bedingungen durchgeführt und mit Korngröße, Härte und W-Atomprozent korreliert. Im Allgemeinen wurde festgestellt, dass eine Erhöhung des W-Atomprozentsatzes die Korngröße verringert und die Verschleißbeständigkeit beim Trockengleiten erhöht. Die Übertragung von Material und die Bildung von Oxiden wurden ebenfalls mit der steigenden Verschleißbeständigkeit beim Trockengleiten korreliert. Einige der Studien zeigten ein verbessertes tribologisches Verhalten durch die Einarbeitung von Partikeln wie ZrO₂, TiO₂, Al2O₃, PTFE, CNT und Nanodiamanten.
Trotz aktueller Forschung und Entwicklung besteht immer noch Bedarf an einer Verbesserung des tribologischen Verhaltens in geschmierten Systemen, und die vorliegende Erfindung ist auf solche Verbesserungen ausgerichtet.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In einer ersten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein geschmiertes System zur Verfügung, das mindestens ein Metallbauteil umfasst, das sich in Bewegung befindet und durch ein organische Öladditive umfassendes Schmiermittel geschmiert wird, wobei das mindestens eine Metallbauteil mit einem katalytischen Material beschichtet ist.
In einer zweiten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein geschmiertes System wie in einer der obigen Ausführungsformen bereit, wobei das Vorhandensein des katalytischen Metalls das tribologische Verhalten des Systems im Vergleich zu einem identischen System ohne das auf das mindestens eine Metallbauteil aufbeschichtete katalytische Metall verbessert.
In einer dritten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein geschmiertes System wie in einem der obigen Ausführungsformen bereit, wobei das mindestens eine Metallbauteil aus der Gruppe bestehend aus Kraftfahrzeug-Antriebsstrangsystemen einschließlich Motoren, Getrieben, Achszentren, Radköpfen, Kraftübertragungsvorrichtungen im Bauwesen, Bergbau, in der Landwirtschaft und in der Luft- und Raumfahrt, Wellen, Lagern, Buchsen, Zahnrädern, Rollen, Wälzlagern, Gleitlagern, Zahnradgetrieben, Kolben, Kolbenringen, Stößeln und Dichtungen ausgewählt ist.
In einer vierten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein geschmiertes System wie in einer der obigen Ausführungsformen bereit, wobei das mindestens eine Metallbauteil aus Metallen oder Metalllegierungen hergestellt ist, die aus Stahl, Aluminium, Magnesiumlegierung, Titanlegierung und Metallmatrix-Verbundwerkstoffen ausgewählt sind.
In einer fünften Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein geschmiertes System wie in einer der obigen Ausführungsformen bereit, wobei das mindestens eine Metallbauteil aus Metallen oder Metalllegierungen hergestellt ist, die aus untereutektischem Stahl oder übereutektischem Stahl ausgewählt sind.
In einer sechsten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein geschmiertes System wie in einer der obigen Ausführungsformen bereit, wobei das mindestens eine Metallbauteil aus AISI 52100-Stahl hergestellt ist.
In einer siebten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein geschmiertes System wie in einer der obigen Ausführungsform bereit, wobei das Schmiermittel aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ölen auf Erdölbasis, halbsynthetischen Ölen, synthetischen Ölen, Fetten mit Mineralöl oder synthetischem Öl, Di-Esterölen und Silikonölen besteht.
In einer achten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein geschmiertes System wie in einer der obigen Ausführungsformen bereit, wobei die organischen Öladditive aus der Gruppe bestehend aus Extremdruckadditiven, Antiverschleißadditiven, Reibungsmodifiziermitteln, Detergenzien und Kombinationen davon ausgewählt sind.
In einer neunten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein geschmiertes System wie in einer der obigen Ausführungsformen bereit, wobei das katalytische Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus katalytischen Metallen und katalytischen Metalllegierungen besteht.
In einer zehnten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein geschmiertes System wie in einer der obigen Ausführungsformen bereit, wobei die katalytischen Metalle aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Palladium, Platin, Kupfer, Silber und Gold ausgewählt sind.
In einer elften Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein geschmiertes System wie in einer der obigen Ausführungsformen bereit, wobei die katalytischen Metalllegierungen katalytische Metalle und ein sekundäres Legierungselement umfassen; wobei die katalytischen Metalle der katalytischen Metalllegierungen aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Palladium, Platin, Kupfer, Silber und Gold ausgewählt sind; und wobei die sekundären Legierungselemente der katalytischen Metalllegierungen aus der Gruppe bestehend aus Wolfram, Phosphor, Vanadium, Molybdän, Eisen und Kupfer ausgewählt sind.
In einer zwölften Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein geschmiertes System wie in einer der obigen Ausführungsformen bereit, wobei die katalytische Metalllegierung aus der Gruppe bestehend aus NiW, NiP, NiCu, PdCo, MoCu und NiV ausgewählt ist.
In einer dreizehnten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein geschmiertes System wie in einer obigen Ausführungsformen bereit, wobei das katalytische Material auf das mindestens eine Metallbauteil durch eine elektrochemische Abscheidungstechnik aufbeschichtet wird, wobei die elektrochemische Abscheidungstechnik aus der Gruppe bestehend aus elektrochemischer Abscheidung durch Gleichstrom, elektrochemischer Abscheidung durch gepulsten Strom und elektrochemischer Abscheidung durch gepulstem Rückstrom (PRC) ausgewählt ist.
In einer vierzehnten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein geschmiertes System wie in einer der obigen Ausführungsformen zur Verfügung, wobei das katalytische Material auf das mindestens ein Metallbauteil in Schichten unter Verwendung der elektrochemischen Abscheidung durch gepulsten Rückstrom (PRC) aufbeschichtet ist, und wobei die Anzahl der aufbeschichteten Schichten zwischen ungefähr 5 und ungefähr 200 liegt.
In einer fünfzehnten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein geschmiertes System wie in einer der obigen Ausführungsformen bereit, wobei die Dicke der Schichten zwischen ungefähr 1 Mikrometer bis ungefähr 50 Mikrometer beträgt.
In einer sechzehnten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein geschmiertes System wie in einer der obigen Ausführungsformen bereit, wobei das katalytische Material ferner ein Dotierungsmaterial umfasst, wobei das Dotierungsmaterial aus der Gruppe bestehend aus Oxiden, Kohlenstoffallotropen und nichtleitenden Polymeren ausgewählt ist.
In einer siebzehnten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein geschmiertes System wie in einer der obigen Ausführungsformen bereit, wobei das beschichtete katalytische Material eine Härte von 7 GPa oder mehr und bis zu 11,5 GPa oder weniger aufweist.
In einer achtzehnten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verbesserung des tribologischen Verhaltens eines Metallbauteils bereit, das sich in einem ein Schmiermittel mit organischen Öladditiven umfassenden geschmierten System in Bewegung befindet, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Abscheiden eines katalytischen Materials auf dem Metallbauteil.
In einer neunzehnten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verbesserung des tribologischen Verhaltens bereit, wobei das katalytische Material auf dem Metallbauteil unter Verwendung einer elektrochemischen Abscheidung durch gepulsten Rückstrom abgeschieden wird.
In einer zwanzigsten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verbesserung des tribologischen Verhaltens bereit, wobei während des Prozesses der elektrochemischen Abscheidung durch gepulsten Rückstrom eine Elektrolytlösung verwendet wird, das Metallbauteil als eine Kathode wirkt und das katalytische Material als eine Anode wirkt.
In einer einundzwanzigsten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verbesserung des tribologischen Verhaltens bereit, wobei während des Prozesses der elektrochemischen Abscheidung durch gepulsten Rückstrom das Metallbauteil als eine Kathode wirkt, das katalytische Material in einer Elektrolytlösung zur Verfügung gestellt wird und Materialien, wie Platin, Graphit oder Edelstahl als eine Anode wirken.
In einer zweiundzwanzigsten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verbesserung des tribologischen Verhaltens bereit, wobei der Prozess der elektrochemischen Abscheidung durch gepulsten Rückstrom eine Wellenform mit kathodischen und anodischen Strömen nutzt.
In einer dreiundzwanzigsten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verbesserung des tribologischen Verhaltens bereit, wobei der kathodische Strom eine Stromdichte von 5 mA/cm² oder mehr bis 80 mA/cm² oder weniger aufweist und der anodische Strom eine Stromdichte von 0 mA/cm² oder mehr bis zu 50 mA/cm² oder weniger aufweist.
In einer vierundzwanzigsten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verbesserung des tribologischen Verhaltens bereit, wobei der kathodische Strom eine Pulszeit von 2 ms oder mehr bis zu 1000 ms oder weniger aufweist und der anodische Strom eine Pulszeit von 1 ms oder mehr bis zu 800 ms oder weniger aufweist.
In einer fünfundzwanzigsten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verbesserung des tribologischen Verhaltens bereit, wobei die abgeschiedenen katalytischen Materialien eine Härte von 7 GPa oder mehr bis 11,5 GPa oder weniger aufweisen.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung einer Elektroabscheidungsvorrichtung;
2 ist eine schematische Darstellung eines Abscheidungsimpulses im gepulsten Rückstrommodus einer elektrochemischen Abscheidung;
Die 3a, 3b und 3c zeigen Reibungskoeffizienten aufgetragen über der Temperatur (40, 80 und 120C; 3a), der Frequenz (20, 40 und 60Hz; 3b) und der Weglänge (144m, 288m und 432m; 3c);
Die 4a, 4b und 4c zeigen Diagramme des Kugelverschleißes aufgetragen über der steigenden Temperatur (40, 80 und 120C; 4a) bei einer festen Frequenz von 20Hz und einer Weglänge von 144m; über der steigenden Frequenz (20, 40 und 60Hz; 4b) bei einer festen Temperatur von 120C und einer Weglänge von 144m; und über einer zunehmenden Weglänge (144, 288 und 432m; 4c) bei einer festen Temperatur von 120C und einer Frequenz von 20Hz, für NiW-beschichtete und unbeschichtete AISI 52100-Proben mit unbeschichteten AISI 52100-Kugeln;
Die 5a, 5b und 5c zeigen Diagramme des Scheibenverschleißes aufgetragen über der steigenden Temperatur (40, 80 und 120C; 5a) bei einer festen Frequenz von 20Hz und einer Weglänge von 144m; über der steigenden Frequenz (20, 40 und 60Hz; 5b) bei einer festen Temperatur von 120C und einer Weglänge von 144m; und über einer zunehmenden Weglänge (144, 288 und 432m; 5c) mit fester Temperatur 120C und Frequenz 20Hz, für NiW-beschichtete und unbeschichtete AISI 52100-Proben mit unbeschichteten AISI 52100-Kugeln; und
6 zeigt mehrere REM-Bilder von Verschleißnarben einer NiW-beschichteten Probe mit Mineralöl (A); eines unbeschichteten 52100-Stahls mit Mineralöl (B) ; einer NiW-beschichteten Probe mit fertig formuliertem (FF) Öl (C); und eines unbeschichteten 52100-Stahls mit FF-Öl (D).

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON ERLÄUTERNDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung stellt geschmierte Systeme bereit, die mindestens ein Metallbauteil umfassen, das sich in Bewegung befindet und durch ein Schmiermittel mit organischen Öladditiven geschmiert wird. Die hierin verwendeten organischen Öladditive umfassen ein oder mehrere Extremdruckadditive (EP-Additive), Antiverschleißadditive (AW-Additive), Reibungsmodifiziermittel und Detergenzien. Die Metallbauteile sind mit katalytischen Metallen und/oder katalytischen Metalllegierungen beschichtet, um das tribologische Verhalten des geschmierten Systems zu verbessern, wobei die katalytischen Metalle eine Zunahme der Tribofilmdicke bewirken. Die Einarbeitung einer katalytischen metallbasierten Beschichtung wird hier gezeigt, um dickere und beständigere, von Additiven abgeleitete Tribofilme zu erzeugen, die die Reibung und den Verschleiß von Maschinenelementen in grenzgeschmierten Umgebungen reduzieren können.
Die Metallbauteile können praktisch alle Metallbauteile sein, die in geschmierten Systemen mit organischen Öladditiven eingesetzt werden. Diese umfassen, ohne Einschränkung, Kraftfahrzeug-Antriebsstrangsysteme mit Motoren, Getrieben, Achszentren, Radköpfen, Kraftübertragungsvorrichtungen im Bauwesen, im Bergbau, in der Landwirtschaft und in der Luft- und Raumfahrt, Wellen, Lager, Buchsen, Zahnräder, Rollen, Wälzlager, Gleitlager, Zahnradgetriebe, Kolben, Kolbenringe, Stößel und Dichtungen. Ebenso können die Metallbauteile aus praktisch allen Metallen oder Metalllegierungen hergestellt werden, die in geschmierten Systemen eingesetzt werden, die organische Öladditive einsetzen.
In einigen Ausführungsformen werden die Metallbauteile aus Metallen oder Metalllegierungen hergestellt, die aus Stahl, Aluminium, Magnesiumlegierung, Titanlegierung und Metallmatrix-Verbundwerkstoffen ausgewählt werden.
In einigen Ausführungsformen kann Stahl aus untereutektischem oder übereutektischem Stahl ausgewählt werden.
In bestimmten Ausführungsformen wird das Metallbauteil aus AISI 52100-Stahl hergestellt.
Bei den Schmiermittel kann es sich praktisch um jedes Schmiermittel handeln, das in geschmierten Systemen eingesetzt wird, die organische Öladditive einsetzen. Diese umfassen, ohne Einschränkung, Öle auf Erdölbasis, halbsynthetische Öle, synthetische Öle, Fette mit mineralischem oder synthetischem Öl, Di-Esteröle und Silikonöle. In einigen Ausführungsformen werden die Öle auf Erdölbasis aus paraffinischen, naphthenischen oder aromatischen Mineralölen ausgewählt. In einigen Ausführungsformen werden synthetische Kohlenwasserstofföle aus Cycloaliphaten, Polyglykolen, Siliziumanaloga von Kohlenwasserstoffen, wie Silikonen und Silakohlenwasserstoffen und Organohalogen, wie Perfluorpolyethern, Fluorchlorkohlenwasserstoffen, Chlortrifluoethylenen oder Perfluorpolyalkylethern ausgewählt.
Die Schmierstoffe umfassen organische Öladditive zur Verbesserung der Verschleiß- und Reibungseigenschaften, zur Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit, zum Korrosionsschutz, zur Kontrolle der Kontamination durch Reaktionsprodukte, zum Modifizieren der Viskosität oder zur sonstigen Verbesserung der Schmiereigenschaften. In einigen Ausführungsformen sind die Verschleiß- und Reibungsverbesserungsmittel organische Öladditive, die während des Betriebs des geschmierten Systems Tribofilme erzeugen. Zu den Verschleiß- und Reibungsverbesserungsmitteln gehören Reibungsmodifizierungsmittel (Fettsäuren und die Ester und Amine derselben Fettsäuren, die durch den Adsorptionsmechanismus mit den Kontaktflächen reagieren), Antiverschleiß-(AW)-Additive (phosphathaltige Materialien, die die Kontaktflächen bei Temperaturen oberhalb des Wirkungsbereichs der Reibungsmodifizierungsmittel schützen) und Extremdruckadditive (schwefel- oder chlorhaltige Moleküle, die unter extremen Last- und Geschwindigkeitsbedingungen mit den Metalloberflächen reagieren).
In einigen Ausführungsformen werden die organischen Öladditive ausgewählt aus EP-Additiven, AW-Additiven, Reibungsmodifiziermitteln, Antioxidantien, Korrosionsschutzmitteln, Kontaminationsschutzmitteln, Viskositätsverbesserungsmitteln, Pourpoint-Erniedrigern, Schaumhemmern, Detergenzien (auch als Dispergiermittel bekannt) und Mischungen der Vorgenannten. EP-Additive, AW-Additive und Reibungsmodifiziermittel sind häufig urheberrechtlich geschützt, werden aber als Extremdruckadditive oder als Antiverschleißadditive oder Reibungsmodifiziermittel vermarktet und verwendet, je nachdem, wie es für ein bestimmtes System angemessen ist, und diese Begriffe sollten mit diesem Verständnis sowie mit den folgenden allgemeinen Beschreibungen weit ausgelegt werden. Wie der Name schon sagt, werden EP-Additive häufig in geschmierten Systemen unter extremem Druck (wie z.B. Getriebe) eingesetzt, während AW-Additive häufig in Systemen mit geringerer Belastung (wie z.B. Buchsen und Hydraulik- und Automobilmotoren) verwendet werden. Der Fachmann wird erkennen, dass viele AW-Additive als EP-Additive funktionieren, z.B. Organophosphate, Schwefelverbindungen und Chlorparaffine.
In einigen Ausführungsformen enthalten EP-Additive organische Schwefel-, Phosphor- oder Chlorverbindungen, einschließlich Schwefel-Phosphor- und Schwefel-Phosphor-Bor-Verbindungen, und reagieren chemisch mit der Metalloberfläche unter hohen Druckbedingungen. Unter solchen Bedingungen verursachen kleine Unregelmäßigkeiten auf den Gleitflächen örtlich begrenzte blitzartige Hochtemperaturen (300-1000 °C), ohne dass die durchschnittliche Oberflächentemperatur signifikant ansteigt. Die chemische Reaktion zwischen den Additiven und der Oberfläche ist auf diesen Bereich beschränkt.
In einigen Ausführungsformen werden die EP-Additive aus organischen Schwefel-, Phosphor- oder Chlorverbindungen ausgewählt. In einigen Ausführungsformen werden die EP-Additive aus Dibenzyldisulfid, Tricholorcetan und chloriertem Paraffin, paraffinischen Mineralölen und Wachsen, schwefelchloriertem Spermaöl, geschwefelten Derivaten von Fettsäuren und geschwefeltem Spermöl, Molybdändisulfid und Nanopartikeln (z.B. Nickeloxythiomolybdat, Pentaerythritoltetraester, Lanthanfluorid, Kupfer und anderen) ausgewählt. In einigen Ausführungsformen werden die EP-Additive aus Estern der Chlorendsäure ausgewählt. In einigen Ausführungsformen werden die EP-Additive aus Polymerestern ausgewählt. In einigen Ausführungsformen werden die EP-Additive aus Polysulfiden ausgewählt. In einigen Ausführungsformen werden die EP-Additive aus Molybdänverbindungen ausgewählt. In einigen Ausführungsformen werden die EP-Additive aus Organophosphaten, in einigen Ausführungsformen aus Organophosphaten mit Zink ausgewählt.
In einigen Ausführungsformen werden die EP-Additive aus Schwefel-Phosphor- und Schwefel-Phosphor-Bor-Verbindungen ausgewählt. In einigen Ausführungsformen werden die EP-Additive aus Molybdändialkyldithiophosphaten (MoDTP), Molybdändithiocarbamaten (MoDTC) und Zinkdialkyldithiophosphat (ZDDP) ausgewählt.
In einigen Ausführungsformen sind AW-Additive Additive, die eingesetzt werden, um Metall-zu-Metall-Kontakt zwischen den beweglichen Teilen eines geschmierten Systems zu verhindern. In einigen Ausführungsformen werden die AW-Additive aus Organophosphaten, in einigen Ausführungsformen aus Organophosphaten mit Zink ausgewählt. In einigen Ausführungen werden die AW-Additive aus Zinkdithiophosphat (ZDP) und Zinkdialkydithiophosphat (ZDDP) ausgewählt. In einigen Ausführungsformen werden die AW-Additive aus Tricresylphosphat (TCP) ausgewählt. In einigen Ausführungsformen werden die AW-Additive aus Halogenkohlenwasserstoffen, in einigen Ausführungsformen aus Chlorparaffinen ausgewählt. In einigen Ausführungsformen werden die AW-Additive aus Glycerinmonooleat ausgewählt.
Der Kontaminationsschutz wird durch Detergenzien, auch als Dispergiermittel bezeichnet, gewährleistet. Die Hauptfunktionen dieser Additive sind die Neutralisierung von Säuren, die bei der Verbrennung von Kraftstoff gebildet werden, die Verhinderung von Lack- und Firnisbildung sowie die Verhinderung von Ausflockung oder Agglomeration von Partikeln und Kohlenstoffablagerungen. Es gibt zwei Arten von Dispergiermitteln: milde und überbasische. Milde Dispergiermittel bestehen aus einfachen Kohlenwasserstoffen oder aschefreien Verbindungen, typischerweise Polymere mit niedrigem Molekulargewicht aus Methacrylatestern, langkettigen Alkoholen oder polaren Vinylverbindungen. Die Funktion dieser Additive ist es, Ruß (Kohlenstoff) und Verschleißpartikel zu dispergieren. Überbasische Dispergiermittel sind Calcium-, Barium- oder Zinksalze von Sulfon-, Phenol- oder Salicylsäuren.
Die eingesetzten Detergenzien, die zur Tribofilmerzeugung beitragen können, werden aus der Gruppe der milden Detergenzien und der überbasischen Detergenzien ausgewählt. In einigen Ausführungsformen sind die Detergenzien milde Detergenzien aus Polymeren von Methylacrylatestern, langkettigen Alkoholen oder polaren Vinylverbindungen. In einigen Ausführungsformen wird das katalytische Material (siehe unten) aus Ni und W ausgewählt, und das Detergens ist ein mildes Detergens. In einigen Ausführungsformen werden die Detergenzien aus Calcium-, Barium- und Zinksalzen von Sulfon-, Phenol- oder Salicylsäuren ausgewählt. Ein überbasisches Detergens ist hierin definiert als ein Detergens, bei dem einen Überschuss an Alkali in seiner Herstellung eingesetzt wird.
Das Schmiermittel kann andere bekannte organische Öladditive in üblichen Mengen enthalten. Solche Additive sind unter anderem Detergenzien, Dispergiermittel, Schaumhemmer, Antioxidations- und Korrosionsschutzadditive.
Die Metallbauteile sind mit einem katalytischen Material beschichtet. Der Begriff katalytisches Material wird hierin so definiert, dass er sowohl katalytische Metalle als auch katalytische Metalllegierungen zur Verbesserung der Bildung von Tribofilmen umfasst. Mit „katalytischen Metallen“ ist jedes Metall gemeint, das Elektronen gemeinsam nutzt, um proaktiv eine Bindung mit den organischen Öladditiven im Schmierstoff des geschmierten Systems einzugehen. Mit „katalytischen Metalllegierungen“ ist jede Legierung gemeint, die ein Katalysatormetall und ein sekundäres Legierungselement umfasst. In einigen Ausführungsformen werden die katalytischen Metalle aus den Übergangsmetallen ausgewählt. In einigen Ausführungsformen werden die katalytischen Metalle aus den d-Block-Übergangsmetallen und in einigen Ausführungsformen aus den Metallen der Gruppe 4 ausgewählt. In einigen Ausführungsformen ist das katalytische Metall ein Metall mit 1 oder mehr und 10 oder weniger d-Elektronen. In einigen Ausführungsformen ist das katalytische Metall aus Nickel, Palladium, Platin, Kupfer, Silber und Gold ausgewählt. In einigen Ausführungsformen wird ein sekundäres Legierungselement aus Wolfram, Phosphor, Vanadium, Molybdän, Eisen und Kupfer ausgewählt. In einigen Ausführungsformen wird die katalytische Metalllegierung aus NiW, NiP, NiCu, PdCo, MoCu und NiV ausgewählt.
Das katalytische Material kann auf den Metallbauteilen durch praktisch jede geeignete Technik abgeschieden werden, einschließlich, ohne Einschränkung, der chemischen Gasphasenabscheidung, der chemischen Abscheidung in Lösung, der Aufdampfung, der thermoreaktiven Abscheidung und der elektrochemischen Abscheidung. In einigen Ausführungsformen wird das katalytische Material durch elektrochemische Abscheidungstechniken abgeschieden, die aus der elektrochemischen Abscheidung durch Gleichstrom, der elektrochemischen Abscheidung durch gepulsten Strom und der elektrochemischen Abscheidung durch gepulstem Rückstrom (PRC) ausgewählt werden. In einigen Ausführungsformen wird das katalytische Material durch elektrochemische Abscheidung mit PRC abgeschieden.
Bei der Verwendung von PRC werden die Katalysatormetalle in Schichten abgeschieden, wobei jeder Puls aus einer Schicht kommt. In einigen Ausführungsformen reicht die Anzahl der Schichten von 1 oder mehr bis zu Zehntausenden oder weniger. In einigen Ausführungsformen reicht die Anzahl der Schichten von 1 oder mehr bis zu 10.000 oder weniger. In anderen Ausführungsformen reicht die Anzahl der Schichten von 1 oder mehr bis zu 300 oder weniger, in anderen Ausführungsformen von 1 oder mehr bis zu 200 oder weniger und in anderen Ausführungsformen von 1 oder mehr bis zu 100 oder weniger.
In einigen Ausführungsformen ist die Anzahl der Schichten 1 oder größer. In anderen Ausführungsformen ist die Anzahl der Schichten 5 oder größer, in anderen Ausführungsformen 100 oder größer und in anderen Ausführungsformen 300 oder größer.
In einigen Ausführungsformen beträgt die Anzahl der Schichten 300 oder weniger. In anderen Ausführungsformen beträgt die Anzahl der Schichten 200 oder weniger, in anderen Ausführungsformen 100 oder weniger und in anderen Ausführungsformen 10 oder weniger.
In einigen Ausführungsformen kann jede Schicht eine Dicke von 10 nm oder mehr bis 20 Mikrometer oder weniger aufweisen. In einigen Ausführungsformen beträgt die Dicke jeder Schicht 5 nm oder mehr bis 1 Mikrometer oder weniger.
In einigen Ausführungsformen beträgt die Gesamtdicke aller einzelnen oder mehreren Schichten von 1 Mikrometer oder mehr bis zu 50 Mikrometer oder weniger. In einigen Ausführungsformen beträgt die Gesamtdicke von allen der einen oder der mehreren Schichten von 1 Mikrometer oder mehr bis 30 Mikrometer oder weniger, in einigen Ausführungsformen von 1 Mikrometer oder mehr bis zu 10 Mikrometer oder weniger.
In einigen Ausführungsformen wird das katalytische Metall oder die katalytische Metalllegierung durch elektrochemische Abscheidung abgeschieden. Bekannte Verfahren der elektrolytischen Abscheidung können eingesetzt werden. Bei einigen Ausführungsformen, wie in 1 schematisch dargestellt, wird die elektrochemische Abscheidung in einer Zwei-Elektroden-Konfiguration durchgeführt, wenn das zu beschichtende Metallbauteil als Kathode dient und das Metall oder Katalysatormetall und die sekundären Legierungselemente entweder als Ionen in einem zweckmäßig gewählten Elektrolyten oder als die Anode in einem festen Zustand zur Verfügung gestellt werden. Durch die Elektroden wird Strom geleitet, der an der Anode eine Oxidationsreaktion und an der Kathode eine Reduktionsreaktion bewirkt.
In einigen Ausführungsformen ist die elektrochemische Abscheidung eine elektrochemische Abscheidung durch gepulsten Rückstrom (PRC). Der gepulste Rückstrommodus (PRC) verwendet eine Wellenform mit kathodischem (vorwärts) und anodischem (rückwärts) Strom, die für definierte Perioden gepulst werden. Dies ist in 2 schematisch dargestellt. Dieses Verfahren ist effektiv bei der Umverteilung von Ionen in der Doppelschicht und der Bulk-Lösung. Darüber hinaus kann der PRC-Prozess zur Lösung verschiedener Probleme beitragen, wie z.B. Wasserstoffentwicklung, Bildung von Metallhydriden, Oxiden, ungleichmäßige Ablagerungen, Schwankungen in der Zusammensetzung, Überpotentialprobleme, verminderte Stromeffizienz und sogar lokale pH-Schwankungen. Die PRC-Technik kann theoretisch Beschichtungen effizienter abscheiden als der Gleichstrom- (DC) und der gepulste Strommodus (PC). Es wurde berichtet, dass PRCbasierte Beschichtungen weniger Poren, Risse und geringere innere Spannungen aufweisen als Beschichtungen, die durch elektrochemische Abscheidung mit DC und PC abgeschieden werden. Darüber hinaus können die strukturellen und mechanischen Eigenschaften und die Korrosionseigenschaften durch Variation von Parametern, wie pH-Wert, Temperatur, Stromdichten und Abscheidungs-/Umkehrzeit maßgeschneidert werden.
In einigen Ausführungsformen wird ein Vorwärtsstrom oder kathodischer Strom an der Kathode für eine Dauer von Vorwärtsimpulszeiten bei einer bestimmten Vorwärtsstromdichte angelegt und dann ein Rückstrom oder anodischer Strom für eine Dauer von Rückwärtsimpulszeiten an der Anode bei einer bestimmten Rückstromdichte angelegt. Theoretisch erzeugt jeder Puls eine Schicht der Katalysatormetall-/Legierungsabscheidung.
Die Vorwärtsstromdichte steuert die Abscheidungsrate und die Menge der Komplexe aus Metallen und sekundären Legierungselementen, die sich auf der Oberfläche der Kathode reduzieren. In einigen Ausführungsformen liegt die Vorwärtsstromdichte zwischen 5 mA/cm² oder mehr und 80 mA/cm² oder weniger. In anderen Ausführungsformen beträgt die Vorwärtsstromdichte von 10 mA/cm² oder mehr bis 50 oder mA/cm² oder weniger, in einigen Ausführungsformen von 20 mA/cm² oder mehr bis 40 mA/cm² oder weniger. Die Vorwärtsimpulszeit kann von Millisekunden bis zu Sekunden reichen. In einigen Ausführungsformen beträgt die Vorwärtsimpulszeit 2 ms oder mehr bis 1000 ms oder weniger. In einigen Ausführungsformen beträgt die Vorwärtsimpulszeit 10 ms oder mehr bis 200 ms oder weniger, in anderen Ausführungsformen von 20 ms oder mehr bis 100 ms oder weniger.
Die Rückstromdichte bestimmt die Geschwindigkeit der Entfernung und Umverteilung von Ionen aus der Diffusionsschicht auf der Anode in die Lösung. In einigen Ausführungsformen beträgt die Rückstromdichte von größer als 0% bis 80% oder weniger der Vorwärtsstromdichte. In anderen Ausführungsformen beträgt die Rückstromdichte 30% oder mehr bis 70% oder weniger der Vorwärtsstromdichte, und in anderen Ausführungsformen 40% oder mehr bis 60% oder weniger.
In einigen Ausführungsformen beträgt die Rückstromdichte von größer als 0 mA/cm² bis zu 50 mA/cm² oder weniger. In anderen Ausführungsformen beträgt die Rückstromdichte von 4 mA/cm² oder mehr bis 30 oder mA/cm² oder weniger, und in einigen Ausführungsformen von 10 mA/cm² oder mehr bis 20 mA/cm² oder weniger. In einigen Ausführungsformen beträgt die Rückwärtsimpulszeit von größer als 0% bis zu 50% oder weniger, und in anderen Ausführungsformen von 10% oder mehr bis zu 30% oder weniger.
Die Rückwärtsimpulszeit kann von Millisekunden bis Sekunden reichen. In einigen Ausführungsformen beträgt die Rückwärtsimpulszeit von 1 ms oder mehr bis 800 ms oder weniger. In einigen Ausführungsformen beträgt die Rückwärtsimpulszeit von 2 ms oder mehr bis zu 200 ms oder weniger, und in anderen Ausführungsformen von 10 ms oder mehr bis zu 100 ms oder weniger.
In einigen Ausführungsformen beträgt die Elektrolyttemperatur 25 °C oder mehr bis zu 80 °C oder weniger. In anderen Ausführungsformen beträgt die Temperatur von 35 °C oder mehr bis zu 70 °C oder weniger und in anderen Ausführungsformen von 45 °C oder mehr bis zu 60 °C oder weniger.
In einigen Ausführungsformen wird der pH-Wert des Elektrolyten auf pH 5,5 oder mehr bis zu pH 10 oder weniger eingestellt. In anderen Ausführungsformen beträgt der pH-Wert von pH 6 pH oder mehr bis zu pH 9,5 oder weniger, in anderen Ausführungsformen von pH 7 oder mehr bis zu pH 9 oder weniger und in anderen Ausführungsformen von pH 7,5 oder mehr bis zu pH 8,5 oder weniger.
In einigen Ausführungsformen haben die Beschichtungen eine Härte von 7 GPa oder mehr bis zu 11,5 GPa oder weniger. In anderen Ausführungsformen haben die Beschichtungen eine Härte von 8 GPa bis zu 11 GPa oder weniger, und in anderen Ausführungsformen von 9 GPa oder mehr bis zu 9,5 GPa oder weniger.
In einigen Ausführungsformen haben die Beschichtungen eine Korngröße von 7 nm oder mehr bis zu 70 nm oder weniger. In anderen Ausführungsformen haben die Beschichtungen eine Korngröße von 10 nm oder mehr bis zu 50 nm oder weniger und in anderen Ausführungsformen von 20 nm oder mehr bis 25 nm oder weniger.
In einigen Ausführungsformen sind die Katalysatormetall/Legierungsbeschichtungen mit Oxiden (TiO2, Al2O3, ZrO2, ZnO usw.), Kohlenstoff-Allotropen (Graphen, Einzel/Mehrfach-Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Fullerene) und nichtleitenden Polymeren dotiert. In einigen Ausführungsformen werden die Dotierstoffe aus PTFE, TiO₂ und Graphen ausgewählt. Falls vorhanden, werden die Dotierstoffe in den Elektrolyten gegeben und falls vorhanden, sind sie in einer Menge von 1 mg/L bis etwa 10 mg/L enthalten.
BEISPIELE
Dieses Experiment konzentrierte sich auf die das tribologische Verhalten von auf Basis gepulsten Rückstroms (PRC) elektrolytisch abgeschiedenen NiW-Beschichtungen unter geschmierten Bedingungen. NiW- und AISI 52100-Stahlscheiben wurden gegen AISI 52100-Stahlkugeln getestet, wobei Mineralöl und ein fertig formuliertes (FF) Öl als Schmiermittel verwendet wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass die Tests von NiW-Beschichtungen im FF-Öl keinen messbaren Verschleiß und die niedrigsten Reibungskoeffizienten (0,084 ± 0,001) aufwiesen. Die Verschleißnarbenanalyse ergab, dass die auf dem NiW gebildeten Tribofilme deutliche „pad-ähnliche“ Strukturen auf Calcium- und Sauerstoffbasis aufwiesen. Die Ergebnisse zeigen, dass die entwickelten PRC-basierten NiW-Beschichtungen ein attraktiver Kandidat für mechanische Bauteile in Antriebsstranganwendungen sein können.
Die Auswirkungen von variierenden Kontakttemperaturen, Gleitfrequenzen und Weglängen wurden mit einem hochfrequenten, hin- und hergehenden Kontaktstift auf einem Scheiben-Tribometer (HFRR) gemessen. NiW-beschichtete und unbeschichtete Stahlscheiben aus AISI 52100 wurden gegen Stahlkugeln aus AISI 52100 in einem Mineralöl und einem fertig formulierten Öl getestet. Die Zusammensetzung und Struktur der auf den Oberflächen der beschichteten und unbeschichteten Scheiben erzeugten Tribofilme wurden durch Rasterelektronenmikroskopie (REM), energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDXS) und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) untersucht.
Materialsynthese und -charakterisierung:
Beschichtungsentwicklungen:
In dieser Studie wurden Substrate mit 10mm Durchmesser x 2mm dicken AISI 52100-Stahlscheiben verwendet, die auf 60 HRc durchgehärtet waren und eine Oberflächengüte von Ra ~ 5 nm aufwiesen. Die Beschichtungen wurden auf einer festen 0,45 cm² Fläche abgeschieden. Vor der Abscheidung wurden die Substrate zunächst in deionisiertem (DI) Wasser, dann in IPA und schließlich wieder in DI-Wasser gespült, um organische Verunreinigungen von der Oberfläche zu entfernen. Die Substrate wurden durch Ätzen in konzentrierter HCl für 10s aktiviert. Der Elektrolyt, der für die galvanische Abscheidung aller NiW-Beschichtungen verwendet wurde, setzte sich aus 0,06 M NiSO4-6H2O (J.T. Baker), 0,14 M Na2WO4-2H2O (Fisher Chemicals), 0,5 M NH4Cl (EMD Chemicals, NJ, USA), 0,15 M NaBr (Fisher Chemicals) und einem Komplexbildner aus 0,5 M C6H8O7-H2O (Fisher Chemicals) zusammen. Der pH-Wert der Lösung wurde mit NH4OH/HCl auf 6,0 eingestellt und die Badtemperatur wurde für alle Versuche auf 65°C gehalten.
Die Elektroabscheidung wurde in einer Zwei-Elektroden-Konfiguration unter Verwendung eines Potentiostaten (VersaSTAT3, AMETEK, Inc., PA, USA) durchgeführt. Die Proben und ein Platinnetz wurden als Kathode bzw. Anode verwendet. Zur Abscheidung der Schichten wurde eine Zwei-Schritt-Technik verwendet. In Schritt 1 wurde eine kathodische Stromdichte von 40mA/cm2 für 40s und in Schritt 2 eine anodische Pulsstromdichte von 5mA/cm2 für die Dauer τ = 1s angewendet. Die Ladung des Vorwärtsimpulses (40 mA/cm2 x 40s = 1,6 C/cm2) und die Ladung für die Gesamtabscheidung (1,6 C/cm2 x 80 Impulse = 128 C/cm2) wurden in allen Schichten beibehalten. Theoretisch erzeugt jeder Impuls (40 mA/cm2 für 40 s) eine Schicht NiW, und 80 Pulse sollten 80 Schichten erzeugen.
Charakterisierung:
Die kompositorische Kartierung und topographische Analyse der bei den Tests erzeugten Tribofilme wurde mit einem TESCAN LYRA3 Rasterelektronenmikroskop (REM) durchgeführt, das mit energiedispersiver Spektroskopie (EDS) ausgestattet ist. Eine zusätzliche Analyse der Verschleiß-Narbenzusammensetzung und Tiefenanalyse wurde unter Verwendung der PHI VersaProbe II Raster-Röntgen-Photoelektronenspektrometer-Mikrosonde durchgeführt. Die XPS-Tiefenanalyse wurde nach dem Argon-Ionen-Sputtern durch 1keV oder 2keV für 1 oder 3 Minuten durchgeführt. Spannungswerte von 1keV oder 2keV wurden geschätzt, um ~3,6nm/min bzw. ~5,5nm/min SiO2 zu entfernen. Die übliche Dicke von Tribofilmen auf AISI 52100-Stahl und NiP-Beschichtungen, die mit FF-Ölen getestet wurden, wurde mit ungefähr 100-150nm angegeben. Die Zusammensetzung des FF-Öls wurde mit einem Thermo Jarrel-Ash Inductively Coupled Plasma Trace Analyzer (ICP 61E) getestet. Ein optisches Profilometer Zygo NewView 7300 wurde verwendet, um die Oberflächenrauheitsmessungen an den Beschichtungen bei 20-facher Vergrößerung durchzuführen. Die Härte der Beschichtungen und des Substrats wurde mit einem Hysitron TI Premier Nano-Indenter gemessen, der im kontinuierlichen Steifigkeitsmodus (CSM) arbeitet. Es wurde eine Berkovich-Spitze verwendet und eine Last von 10mN mit einer Haltezeit von 10 Sekunden aufgebracht. Das Gerät berechnet die Härte- und Modulwerte anhand der Steigung der Entlastungskurven während der kontinuierlichen Messung.
Tribologische Prüfung:
Die tribologische Prüfung wurde mit einer High Frequency Reciprocating Rig (HFRR) von PCS durchgeführt. Vor Beginn des Versuchs wurden die Kugeln und die Scheiben mit IPA gespült. Die Tests wurden mit einer festen Hubamplitude von 0,5mm (2mm Hublänge), einer festen Last von 10N (Kontaktdruck von ca. 1,41 GPa) und einer statischen Füllung von 1ml Öl durchgeführt. Als Gegenfläche für alle Versuche wurden unbeschichtete AISI 52100-Stahlkugeln mit einem Durchmesser von 6mm verwendet. Temperatur (40°C, 80°C und 120°C), Frequenz (20Hz, 40Hz und 60Hz) und Weglänge (144m, 288m und 432m) wurden mit beiden Ölen variiert, d.h. mit einem nicht mit Additiven versetzten Mineralöl mit einer Viskosität von 50 cP bei 40°C und einem Fully Formulated (FF), einem kommerziell erhältlichen, fertig formulierten Öl mit einer ähnlichen Viskosität von 50 cP bei 40°C. Die Viskosität des mit Additiven versetzten Öls bei 100°C wurde mit 7,6 cP gemessen. Die mit dem ICP-Trace Analyzer gemessene Konzentration der Elemente im FF-Öl ist in Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 1: Elementare Metallzusammensetzung des FF-Öls, gemessen mit dem ICP-Trace Analyzer

Gehalt Konzentration (ppm)

Calcium 3600±360

Phosphor 1150±115

Zink 1280±128

Magnesium 100±10

Schwefel 2500±250
Getestet wurden zwei Materialpaarungen, d.h. NiW-beschichtete Scheiben mit einer unbeschichteten AISI 52100-Kugel und eine unbeschichtete AISI 52100-Scheibe mit einer unbeschichteten AISI 52100-Kugel. Die Reibungskoeffizientenwerte wurden mit dem HFRR-Tribometer von PCS erfasst. Ein optisches Profilometer Zygo NewView 7300 wurde zur Durchführung der Oberflächenrauhigkeitsmessungen und zur Berechnung des Scheibenverschleißvolumens verwendet. Das Kugelverschleißvolumen wurde ferner durch Beobachtung des Radius (r) der Kugelnarbe mit einem optischen Mikroskop berechnet. Der Radius wurde dann verwendet, um die Höhe der verschlissenen Narbe (h) mit Gl. 1 zu berechnen. Aus der Höhe (h) und dem Narbenradius (r) wurde dann das Verschleißvolumen der Kugel berechnet (Gl. 2). $h (H ö h e) = R - (\sqrt{R^{2}} - r^{2})$
$K u g e l v e r s c h l i e ß v o l u m e n = \frac{1}{6} π h (h^{2} + 3 r^{2})$
wobei R der Radius der Kugel (3mm) ist. Da die Verschleißnarben an den Scheiben klein waren, wurde das Volumen der Narbe mit Hilfe der optischen 3D-Profilometrie berechnet. Weiterhin wurde der Kugel- und Scheibenverschleiß als Funktion der dissipierten Energie (E_d) modelliert (Gl. 3) . $E_{d} = R e i b u n g s k o e f f i z i e n t * L a s t * G l e i t w e g$
Sowohl das Scheiben- als auch das Kugelverschleißvolumen sind im Allgemeinen eine lineare Funktion der dissipierten Energie, so dass der Energieverschleißkoeffizient oder der Alphaparameter (α) als die Steigung der linear geringsten Anpassung an die Daten gemäß der Gleichung berechnet wird, $V = a E_{d} + V_{0}$
wobei V₀ mit der plastischen Verformung, der Bildung von Verschleißpartikeln oder Tribofilm und dem Materialtransfer zwischen zwei Oberflächen zu Beginn des Tests korreliert ist. In diesem Artikel wird insbesondere nur auf die Verschleißrate ((α) eingegangen.
Ergebnisse und Diskussion:
Beschichtungseigenschaften
Die Härte, Rauigkeit, Dicke und die Wolframwerte (at%) der Werkstoffe sind in Tabelle 2 dargestellt. Die Schliffbilder der Beschichtungen wurden mit dem 3D-Profilometer beobachtet, und die Rauigkeit der NiW-Schicht wurde als etwa 7-9 mal größer gemessen als die der unbeschichteten 52100-Scheiben. Die Härte der NiW-Schicht und des unbeschichteten 52100 war ähnlich. Tabelle 2: Härte, Rauigkeit und Dicke der unbeschichteten 52100 und der NiW-Schicht

Probe Härte (GPa) Rauigkeit (nm) Dicke (µm) Wolfram (%)

Unbeschichtet 52100 7,3±0.5 5±1 entf. entf.

NiW 6,5±0.5 46±10 11,3±0.45 25±1
Reibung
Die 3a, 3b und 3c zeigen Reibungskoeffizienten aufgetragen über der Temperatur (40, 80 und 120C; 3a), der Frequenz (20, 40 und 60Hz; 3b) und der Weglänge (144m, 288m und 432m; 3c). Beim Vergleich aller Studien waren die Reibungskoeffizienten der im FF-Öl getesteten Paarungen niedriger als die im Mineralöl getesteten Paarungen. Die im FF-Öl getestete NiW-Beschichtung hatte die niedrigsten Reibwerte, während die im Mineralöl getestete NiW-Beschichtung die größte Reibung aufwies. Dieses Verhalten deutet zweifellos auf den Einfluss von Additiven auf die tribologischen Eigenschaften der NiW-Beschichtungen hin. Insgesamt wurden die Reibungskoeffizientenwerte (hoch-niedrig) wie folgt eingestuft: NiW Mineralöl > 52100 Mineralöl > 52100 FF-Öl > NiW FF-Öl.
Temperaturänderungen mit konstanter Frequenz (20Hz) und konstantem Abstand (144m) zeigen, dass die Reibung bei den im Mineralöl getesteten Paarungen zunahm und bei den im FF-Öl getesteten Paarungen abnahm. Die Abnahme der Reibung mit steigender Temperatur deutet auf eine erhöhte Aktivierung der Additive im FF-Öl hin. Die Zunahme der Reibung mit steigender Temperatur ist wahrscheinlich auf eine Verdünnung oder eine verringerte Viskosität des Mineralöls zurückzuführen, wodurch dünnere Schmierfilme und erhöhte Wechselwirkungen von Unebenheiten entstehen. Der Reibungskoeffizient variierte nicht signifikant bei Änderung der Frequenz, wenn die Temperatur (120C) und die Weglänge (144m) konstant blieben. Die Reibungskoeffizienten aller Proben variierten nicht signifikant mit der Weglänge bei konstanter Temperatur (120C) und Frequenz (20Hz) .
Verschleiß
Die 4a, 4b und 4c zeigen Messungen des Kugelverschleißes aller Tests. Jede Figur weist drei Aufzeichnungen auf, die die Veränderung des Verschleißes mit der Änderung der Temperatur (40, 80 und 120C; 4a), der Frequenz (20, 40 und 60Hz; 4b) und der Weglänge (144m, 288m und 432m; 4c) zeigen. Jede Aufzeichnung vergleicht die unbeschichteten 52100-Proben und die NiW-beschichteten Proben, die in Mineral- und FF-Ölen getestet wurden.
Die 5a, 5b und 5c zeigen Messungen des Scheibenverschleißes aller Tests. Jede Figur weist drei Aufzeichnungen auf, die die Veränderung des Verschleißes mit der Änderung der Temperatur (40, 80 und 120C; 5a), der Frequenz (20, 40 und 60Hz; 5b) und der Entfernung (144m, 288m und 432m; 5c) zeigen. Jede Aufzeichnung vergleicht die unbeschichteten 52100-Proben und die NiW-beschichteten Proben, die in Mineral- und FF-Ölen getestet wurden.
Beim Vergleich aller Studien in 4a-c wurde festgestellt, dass der Kugelverschleiß der in Mineralöl getesteten Materialpaarungen größer ist als derjenigen, die im FF-Öl getestet wurden. Der NiW/Mineralöl-Test zeigte den höchsten Betrag an Kugelverschleiß. Insgesamt wurde der Kugelverschleiß aller Proben wie folgt eingestuft (hoch - niedrig) : NiW Mineralöl > 52100 Mineralöl > NiW FF-Öl = 52100 FF-Öl.
Der Kugelverschleiß variierte nicht signifikant bei Temperaturänderungen, wenn Frequenz (20Hz) und Weglänge (144m) konstant blieben. Eine leichte Zunahme des Kugelverschleißes wurde mit zunehmender Frequenz beobachtet, wenn Temperatur (120C) und Distanz (144m) konstant gehalten wurden. Ein schneller Anstieg des Kugelverschleißes war bei der NiW/Mineralöl-Paarung mit der Änderung der Weglänge zu beobachten, wenn Temperatur (120C) und Frequenz (20Hz) konstant gehalten wurden.
Beim Vergleich aller Studien in 5a-c wurde festgestellt, dass der Scheibenverschleiß bei der NiW/Mineralöl-Paarung höher ist als bei allen anderen Paarungen. Die 52100/Mineralöl-Paarung hatte den zweithöchsten Scheibenverschleiß. Aus den Aufzeichnungen ging auch hervor, dass die unbeschichteten Proben mit dem FF-Öl einen wesentlich geringeren Scheibenverschleiß aufwiesen. Die interessanteste und relevanteste Beobachtung war jedoch, dass die im FF-Öl getestete NiW-beschichtete Probe keinen messbaren Verschleiß aufwies. Insgesamt wurde der Scheibenverschleiß aller Proben wie folgt eingestuft (high-low): NiW Mineralöl > 52100 Mineralöl > 52100 FF-Öl > NiW FF-Öl.
Temperaturerhöhungen bei konstanter Frequenz (20Hz) und Weglänge (144m) zeigten einen leichten Anstieg der Scheibenverschleißtendenzen. Erhöhungen der Frequenz bei konstanter Temperatur (120C) und Weglänge (144m) zeigten ebenfalls eine lineare Zunahme des Scheibenverschleißes der in Mineralöl getesteten Paarungen. Zunahmen der Weglängen bei konstanter Temperatur (120C) und Frequenz (20Hz) zeigte eine lineare Zunahme des Scheibenverschleißes sowohl bei NiW- als auch bei 52100-Paarungen, die in Mineralöl getestet wurden. Interessanterweise wurde eine Abnahme des Scheibenverschleißes mit zunehmender Weglänge der im FF-Öl getesteten unbeschichteten Paare beobachtet.
Dissipierte Energie
Die Veränderung des Verschleißvolumens von Kugeln und Scheiben gegenüber der dissipierten Energie (Ed) wurde bewertet, und die α-Werte und die aus den Kleinste-Quadrate-Anpassungen der Aufzeichnungen abgeleiteten Werte der Anpassungsgüte (R²) sind in Tabelle 3 dargestellt. Der α-Wert des Kugelverschleißes war am niedrigsten (4,5 µm3/J) für die unbeschichtete Paarung und am größten (177 µm3/J) für die NiW/52100-Paarung, wenn beide in Mineralöl getestet wurden. Während der α-Wert des Scheibenverschleißes der im FF-Öl getesteten NiW/52100-Paarung Null war, da kein messbarer Verschleiß an der Scheibe beobachtet wurde, war der α-Wert der im FF-Öl getesteten unbeschichteten Paarung negativ (-4,48 µm3/J). Der negative Alpha-Wert zeigt eine Abnahme des Verschleißvolumens mit der Weglänge an. Der größte aus dem Scheibenverschleiß gewonnene α-Wert von (1183 µm3/J) war der im Mineralöl getesteten NiW/52100-Paarung zugeordnet.

Unterschiede im Scheibenverschleiß der in Mineralöl und den FF-Ölen getesteten NiW-Beschichtungen deuten darauf hin, dass Additive in dem FF-Öl eine große Rolle spielen. Um die Wechselwirkungen, die die Additive auf den beschichteten und unbeschichteten Scheibenoberflächen haben, weiter zu verstehen, wurden REM-Aufnahmen erfasst und eine XPS-Tiefenanalyse der Scheibenverschleißnarben aller 4 Kombinationen (120C, 20Hz und 452m) durchgeführt. Darüber hinaus wurden EDS-Karten von den Verschleißnarben (432m) erfasst, die auf den im FF-Öl getesteten NiW-beschichteten und unbeschichteten Scheiben erzeugt wurden. Tabelle 3: α-Werte, berechnet über die Lineare-Quadrate-Anpassungen der Aufzeichnungen in

Schmiermittel	Probe	Kugel (µm³/J)	Kugel-Anpassung R²	Scheibe (µm³/J)	Scheiben-Anpassung R²
Mineralöl	Unbeschichtet	9,25	0,846	77,3	0,957
	NiW	177	0,998	1183	0,999
FF-Öl	Unbeschichtet	4,5	0,867	-4,48	0,792
	NiW	6,0	0,943	0	entf.

Verschleißnarbencharakterisierung:
6 zeigt die REM-Aufnahmen von Verschleißnarben. Die REM-Aufnahmen von in Mineralöl getesteten Paaren zeigen abrasive Verschleißspuren aufgrund von Wechselwirkungen der Verdünnung und von Unebenheiten (Metall-Metall). Die Verschleißnarben der im FF-Öl getesteten Proben unterscheiden sich deutlich von den im Mineralöl entstandenen Verschleißnarben. Da das Grundöl in beiden Schmierstoffen das gleiche ist, wurde der Schluss gezogen, dass die Additive im FF-Öl die Bildung von stabilen Tribofilmen auf der Oberfläche sowohl der beschichteten als auch der unbeschichteten Scheiben unterstützen. Es war jedoch auch ein Unterschied in der Struktur oder im Aussehen der Tribofilme auf den beschichteten und unbeschichteten Proben, die im FF-Öl getestet wurden, zu erkennen. Obwohl kein messbares Verschleißvolumen der im FF-Öl getesteten NiW-Beschichtung erhalten wurde, zeigt das REM-Bild in 6 Teil C deutlich einen ausgeprägten Bereich der tribologischen Wechselwirkung. Im Gegensatz zu 6 Teil C zeigt das REM-Bild der im FF-Öl getesteten unbeschichteten Scheibe (6 Teil D) einen Bereich mit leichten abrasiven Spuren. Um die in 6 beobachteten Merkmale weiter zu verstehen, wurde eine XPS-Tiefenanalyse und ein EDS-Mapping an den Verschleißnarben durchgeführt. Die XPS- und EDS-Daten zeigten, dass der Tribofilm auf der NiW/FF-Ölprobe dicker war.
Die elementare Zusammensetzung des Materials in den Verschleißnarben mit Tiefe/Zeit wurde mit XPS erfasst. Mehrere XPS-Aufzeichnungen wurden aus dem Zentrum jeder Narbe erfasst und während des Sputterns analysiert. Analysiert wurden: die Zusammensetzung bei 0 min, d.h. Oberfläche, die Zusammensetzung nach 1keV/1min Sputtern, und die Zusammensetzungen bei 1keV/3min, und (nur für das im FF-Öl getestete NiW) die Zusammensetzung nach dem Ätzen mit 2keV für 3 Minuten.
Während die Verschleißnarben der im Mineralöl getesteten Proben weitgehend aus C, O und S bestanden, bestanden die Verschleißnarben der im FF-Öl getesteten Proben aus C, O, Ca, Zn, S und P. Unter der Annahme, dass die Eindringtiefe der im XPS-Experiment verwendeten Röntgenstrahlen etwa 1µm ist und eine typische Tribofilmdicke von etwa 100-150nm beträgt, ist das Vorhandensein von Substratelementen wie Fe, Ni und W verständlich. Wenn die Dicke des Tribofilms auf der Verschleißnarbe gering ist, sollte die Zusammensetzung des Substratmaterials (Ni, W und Fe) höher sein oder mit der Ätzzeit (Tiefe) zunehmen. Durch diese Hypothese wurde festgestellt, dass die Materialien in den im Mineralöl erzeugten Verschleißnarben im Vergleich zu den Materialien in den im FF-Öl erzeugten Verschleißnarben extrem dünn sind. Basierend auf den in der Figur dargestellten Sputtertiefen wurde der Schluss gezogen, dass die im FF-Öl getestete NiW-Schicht in ihrer Verschleißnarbe die maximale Dicke an additiviertem Material aufwies.
Die EDS-Mapping der im FF-Öl nach 432m Gleitweg gebildeten NiW-Verschleißnarbe wurde ebenfalls analysiert. Ein hochauflösendes REM-Bild zeigte an, dass das Material in der Verschleißnarbe aus „pad-ähnlichen“ Strukturen besteht. Außerdem wurde festgestellt, dass diese „pad-ähnlichen“ Strukturen hauptsächlich aus einer Kombination von Calcium und Sauerstoff bestehen. Geringere Mengen an Zink- und Schwefelagglomeraten wurden ebenfalls beobachtet, aber das Vorhandensein von Phosphor konnte nicht durch EDS bestätigt werden.
Das EDS-Mapping der im FF-Öl getesteten unbeschichteten Probe zeigte, dass sich die Struktur des additivierten Materials von der in dem EDS-Mapping der NiW-Verschleißnarbe beobachteten Struktur unterscheidet. Es wurde festgestellt, dass das Material eine große Menge an Sauerstoff aufweist, und das Vorhandensein von Calcium, Kohlenstoff und Phosphor wurde ebenfalls bestätigt.
Diskussion:
Obwohl bisher keine Artikel über das tribologische Verhalten von NiW-Beschichtungen unter geschmierten Bedingungen veröffentlicht wurden, haben sich einige zuvor veröffentlichte Artikel auf das Verstehen der Erzeugung von additivierten Tribofilmen auf Ni-P- und AISI 52100-Oberflächen konzentriert. Periera et al. studierten die Bildung von Tribofilmen auf AISI 52100-Stahl in zwei Schmierstoffen, einem FF-Öl und einem mit ZDDP versetzten Mineralöl. Sie berichteten, dass das Reibungs- und Verschleißverhalten des AISI 52100 in Mineralöl mit nur ZDDP-Additiven besser war als das Verhalten in dem FF-Öl. Periera et al. führten ferner eine umfangreiche XPS-Analyse der Verschleißnarben durch und zogen mehrere Schlussfolgerungen. Erstens kamen sie zu dem Schluss, dass das Detergens im FF-Öl mittelkettiges Calciumphosphat im Tribofilm bildet. Zweitens reagierte der Großteil des Zn im FF-Öl zu ZnS (78%) und ZnP (22%). Drittens zeigten thermodynamische Untersuchungen die spontane Bildung von Calciumphosphaten und ZnS. Schließlich wurde auch gezeigt, dass das ZDDP-Additiv in FF-Ölen nicht unabhängig als Antiverschleißmittel wirkt. Das Additiv löste die Tribofilmbildung aus und CaPO₄ und ZnS wachsen dann abhängig von der Verfügbarkeit der Kationen. Eine zweite Studie wurde veröffentlicht, in der gezeigt wurde, dass das Substrat die Oberflächenaktivität, den Mechanismus der Tribofilmbildung und das Verschleißverhalten verändert. Es wurde gefolgert, dass das Verhalten von FF-Öl auf Al-Si-Legierung besser ist als das von Mineralöl mit nur ZDDP. Außerdem bildete das Zn im Tribofilm ZnS (~85%) und ZnP oder nicht umgesetztes ZDDP (~15%) . Die Wirkung der Substratzusammensetzung auf die Tribofilmbildung wurde ebenfalls in einer früheren Studie beobachtet. Vengudusamy et al. führten eine ausführliche Studie zur Tribofilmbildung auf NiP durch. Es wurde gezeigt, dass Tribofilme, die auf NiP-Beschichtungen in einem FF-Öl erzeugt werden, „padähnliche“ Strukturen bilden, die den in dieser Studie beobachteten ähnlich sind. Diese Strukturen boten eine überlegene Verschleißfestigkeit im Vergleich zur unbeschichteten Stahloberfläche. Die berechnete Dicke des Tribofilms war ungefähr 130nm und setzte sich aus Phosphat-, Sulfid- und Phosphidschichten zusammen. Es wurde ferner gezeigt, dass das Vorhandensein höherer Konzentrationen von Zn und P eine positive Wirkung auf das Verschleißverhalten haben kann, während das Vorhandensein von nur höheren Mengen an Additiven auf S-Basis eine nachteilige Wirkung auf das Verschleißverhalten der Beschichtungen haben kann. Insgesamt zeigten diese Studien, dass das Substrat und der Typ des Schmiermittels beträchtliche Auswirkungen auf die Tribofilmbildung und das Verschleißverhalten haben.
Während bei der vorliegenden Erfindung im Mineralöl durchgeführte Tests höhere Reibungskoeffizienten und einen geringeren Kugel- und Scheibenverschleiß aufwiesen, hatten im FF-Öl durchgeführte Tests niedrigere Reibungskoeffizienten und einen geringeren Kugel- und Scheibenverschleiß. Es wird vermutet, dass die beobachteten Unterschiede in Reibung und Verschleiß zwischen den in Mineralöl und FF-Öl durchgeführten Tests auf von Additiven abgeleitete Tribofilme zurückzuführen sind, die vom FF-Öl geliefert wurden.
Bei den Mineralöltests nahmen die Reibung, der Kugel- und Scheibenverschleiß mit steigender Temperatur zu. Dieses Verhalten ist konsistent mit einer Abnahme der Ölviskosität und einer Zunahme der Wechselwirkung von Unebenheiten. Aufgrund der geringeren Härte und der höheren Rauigkeit der NiW-Scheiben wurde bei der im Mineralöl getesteten NiW-Beschichtung ein höherer Verschleiß beobachtet. Eine Frequenzerhöhung bewirkte keine Veränderung der Reibung, sondern erhöhte den Kugel- und Scheibenverschleiß. Die Zunahme des Verschleißes mit sich erhöhender Frequenz könnte auf eine zunehmende Ölverdrängung im Kontakt zurückzuführen sein, die zu mehr Wechselwirkungen von Unebenheiten führt. Die Zunahme der Weglänge (Zeit) zeigte keine Veränderung der Reibung, es wurde jedoch eine Zunahme des Kugel- und Scheibenverschleißes beobachtet. Der zunehmende Verschleiß kann mit der kontinuierlichen Wechselwirkung von Unebenheiten bei Mineralölschmierung korreliert werden.
In den FF-Öltests verursachte die Temperaturerhöhung eine Zunahme des Kugel- und Scheibenverschleißes bei der 52100-Paarung. Die Zunahme der Frequenz erhöhte den Kugelverschleiß, hatte aber keinen Einfluss auf den Scheibenverschleiß. Bei der 52100-Paarung schließlich erhöhte die Zunahme der Weglänge (Zeit) den Kugelverschleiß und verminderte den Scheibenverschleiß. Dies ist untypisch, wenn das Material von der Kugel auf die Scheibenoberfläche übergeht. Da es sich bei Kugel und Scheibe um das gleiche Material handelte, konnten die auf dem Tribofilm durchgeführten Zusammensetzungsexperimente die Herkunft von Fe im Tribofilm nicht erkennen. Allerdings wurden durch die XPS-Tiefenanalyse höhere Mengen an Eisen und Sauerstoff beobachtet. Die im FF-Öl getestete Paarung NiW/AISI 52100 erfuhr keinen Verschleiß bei Erhöhungen von Temperatur, Frequenz oder Weglänge. Diese Beobachtung ist ungewöhnlich und kann auf die Bildung von stabilen, additivierten Tribofilmen auf der NiW-Oberfläche zurückgeführt werden.
Die in Tabelle 3 gezeigten α-Werte wurden aus den Kleinste-Quadrate-Anpassungen zu den Aufzeichnungen der Steigung des Verschleißes (Kugel und Scheibe) über der dissipierten Energie abgeleitet. Für im Grenzschmierungsbereich durchgeführte Verschleißtests lassen sich die α-Werte in vier Verschleißordnungen einteilen. α > 1000 µm³/J kann als hohe Verschleißordnung, 100 µm³/J < α < 1000 µm³/J als mäßige Verschleißordnung, 10 µm³/J < α < 100 µm³/J als niedrige Verschleißordnung und abschließend α < 10 µm³/J als sehr niedrige Verschleißordnung angesehen werden. Dieser Konvention folgend fiel nur der Verschleiß der in Mineralöl getesteten NiW-beschichteten Scheiben in die hohe Verschleißordnung. Alle anderen Kugel- und Scheibenwerte lagen entweder in der niedrigen oder in der sehr niedrigen Verschleißordnung. Der negative α-Wert der im FF-Öl getesteten unbeschichteten 52100-Scheiben bedeutet ein abnehmendes Verschleißvolumen. Das heißt, es wird mehr Material auf der Scheibe abgelagert als durch Verschleiß abgetragen. Das abgelagerte Material wird wahrscheinlich von der Kugel auf die Scheibe übertragen. Das Vorhandensein von Oxid (möglicherweise Eisenoxid), das durch EDS und XPS auf der im FF-Öl getesteten 52100-Scheibe gefunden wurde, liefert den Nachweis für eine Materialübertragung von der Kugel auf die Scheibe in Form von Ablagerungen. Der α-Wert für die im FF-Öl getesteten NiW-beschichteten Scheiben war Null, da kein messbarer Verschleiß beobachtet wurde.
Der hohe Verschleiß an den in Mineralöl getesteten NiW-beschichteten und unbeschichteten Proben korrelierte mit einer dünneren Trennung zwischen den Kontakten, wodurch eine erhöhte Wechselwirkung von Unebenheiten zwischen den beiden Metalloberflächen verursacht wurde. Die Unebenheitskontakte könnten zu antagonistischem Verschleiß des weicheren Gegenstücks (z.B. der NiW-Beschichtung) führen. Da sich keine Additive im Mineralöl befanden, wurden keine Tribofilme auf den Oberflächen gefunden. Außerdem könnte die höhere Rauigkeit der NiW-Beschichtung zu einem höheren Verschleiß der Beschichtung geführt haben. Das in dieser Studie verwendete Mineralöl war ein Grundöl der API-Gruppe II und der Schwefelgehalt wurde mit <0,03% angenommen. Daher werden die tribochemischen Wechselwirkungen zur Bildung von Tribofilmen zwischen dem Schwefel im Mineralöl und den Proben als vernachlässigbar angesehen. Abschließend wurde der in den Mineralöltests auftretende Verschleiß als überwiegend mechanisch er Natur (abrasiver Verschleiß) angenommen.
REM-Bilder der Verschleißspuren, XPS-Tiefenanalyse-Zusammensetzungen und EDS-Scans der Verschleißspuren wurden berücksichtigt. Während die REM-Aufnahmen bestätigten, dass die Verschleißspuren der in Mineralöl getesteten Proben Anzeichen von mechanischem Verschleiß aufweisen, wiesen die in FF-Öl getesteten Proben aufgrund der Additive im FF-Öl einen tribochemischen Verschleißbeitrag auf. Interessanterweise war auch der Unterschied in der Bildung der Tribofilme auf den im FF-Öl getesteten NiW-beschichteten Proben und 52100-Proben offensichtlich. REM-Bilder zeigten, dass die im FF-Öl getestete NiW-beschichtete Probe „pad-ähnliche“ Strukturen hatte, die den durch die Additive erzeugten Tribofilm aufwiesen, und die unbeschichtete Probe wies einen dichten Tribofilm, aber auch abrasive Spuren auf.
Aus der XPS-Analyse ergab sich, dass die Verschleißnarben des im Mineral- und FF-Öl getesteten 52100 einen hohen Anteil an Kohlenstoff und Sauerstoff aufwiesen. Obwohl die Kohlenstoffkonzentration mit zunehmender Tiefe abnahm, wurde die Sauerstoffkonzentration jedoch als konsistent befunden, was auf das Vorhandensein von Oxidationsprodukten hinweist. Das Vorhandensein von Sauerstoff könnte auf den Schleifprozess zurückzuführen sein, der die Oberfläche oxidiert, und/oder auf eine mögliche Materialübertragung von Eisenoxid von der Kugel auf die Scheibe. Die XPS- und EDS-Scans der im FF-Öl getesteten Proben zeigten das Vorhandensein von Calcium, Kohlenstoff, Sauerstoff, Zink und Schwefel. Aus den EDS-Karten wurde die Bildung von ZnS im Tribofilm, der sich während des FF-Öltests auf dem NiW gebildet hatte, bestätigt. Es ist möglich, dass die Ni- und W-Verschleißpartikel (Oxide und Metallionen) an der Bildung eines härteren Tribofilms auf der NiW-Oberfläche beteiligt waren. Bisherige Untersuchungen haben das Vorhandensein einer geringen Menge an Fe in den Tribofilmen gezeigt. Gleichermaßen wurde die Bildung von WS₂-Nanopartikeln auf Stahloberflächen beobachtet, wenn Öle mit S-basierten EP-Additiven getestet wurden. Es wurde argumentiert, dass der S aus den Additiven mit W reagiert, um WS₂-Nanopartikeln zu bilden. Diese Thionisierungsreaktionen treten zwischen W und S eher auf als zwischen Fe und S. Außerdem wurde die Bildung von Schichten aus NiS und PO₄ in ähnlichen Tribofilmen mit „padähnlicher“ Struktur beobachtet.
Schlussfolgerungen:
Das tribologische Verhalten von NiW-Beschichtungen und unbeschichteten 52100-Proben wurde unter hin- und herbewegenden Gleitkontakt in Mineralöl und einem fertig formulierten Öl untersucht. Temperatur (40, 80 und 120C), Frequenz (20, 40 und 60Hz) und Weglänge (144m, 288m und 432m) wurden verändert, um die Veränderung der Reibung und des Kugel- und Scheibenverschleißes zu beobachten. Es wurde festgestellt:
Der Reibungskoeffizient der im FF-Öl getesteten NiW-beschichteten Probe war bei Veränderung von Temperatur, Frequenz und Weglänge am niedrigsten, während der Reibungskoeffizient der im Mineralöl getesteten NiW-beschichteten Probe bei Veränderung von Temperatur, Frequenz und Weglänge am höchsten war.
Der höchste Kugel- und Scheibenverschleiß wurde bei der im Mineralöl getesteten NiW/52100-Paarung beobachtet.
An der mit dem FF-Öl getesteten NiW-beschichteten Probe wurde kein messbarer Verschleiß beobachtet (bis zu 432 m oder 180 min).
Die REM-Analyse der Verschleißnarben zeigte nach dem Test im FF-Öl deutliche „pad-ähnliche“ Strukturen auf der Oberfläche der NiW-Beschichtung.
Die XPS-Tiefenanalyse zeigte, dass der während des Testens im FF-Öl auf der NiW-Schicht erzeugte Tribofilm dicker war als in den anderen Tests. Die in den Mineralöltests erzeugten Verschleißnarben enthielten hauptsächlich C und O, während die in den FF-Ölen erzeugten Verschleißnarben hauptsächlich aus C, O, S, Ca, Zn und P bestanden.
Hohe Eisenoxidkonzentrationen wurden durch XPS auf den Oberflächen der sowohl im FF-Öl als auch in den Mineralölen getestet 52100-Scheiben beobachtet.
Das EDS-Mapping zeigte, dass die auf den im FF-Öl getesteten 52100-Scheiben erzeugten Tribofilme hauptsächlich C und O aufwiesen, während der im FF-Öl getestete Tribofilm auf dem NiW ZnS, C, Ca und O enthielt.

Claims

Ein geschmiertes System, umfassend: mindestens ein Metallbauteil, das sich in Bewegung befindet und durch ein organische Öladditive umfassendes Schmiermittel geschmiert wird, wobei das mindestens eine Metallbauteil mit einem katalytischen Material beschichtet ist.
Geschmiertes System nach Anspruch 1, wobei das Vorhandensein des katalytischen Metalls das tribologische Verhalten des Systems im Vergleich zu einem identischen System ohne das auf das mindestens eine Metallbauteil aufbeschichtete katalytische Metall verbessert.
Geschmiertes System nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Metallbauteil aus der Gruppe bestehend aus Kraftfahrzeug-Antriebsstrangsystemen einschließlich Motoren, Getrieben, Achszentren, Radköpfen, Kraftübertragungsvorrichtungen im Bauwesen, Bergbau, in der Landwirtschaft und in der Luft- und Raumfahrt, Wellen, Lagern, Buchsen, Zahnrädern, Rollen, Wälzlagern, Gleitlagern, Zahnradgetrieben, Kolben, Kolbenringen, Stößeln und Dichtungen ausgewählt ist, und wobei das mindestens eine Metallbauteil aus Metallen oder Metalllegierungen hergestellt ist, die aus Stahl, Aluminium, Magnesiumlegierung, Titanlegierung und Metallmatrix-Verbundwerkstoffen ausgewählt sind.
Geschmiertes System nach Anspruch 3, wobei das mindestens eine Metallbauteil aus AISI 52100-Stahl hergestellt ist.
Geschmiertes System nach Anspruch 1, wobei das Schmiermittel aus der Gruppe bestehend aus Ölen auf Erdölbasis, halbsynthetischen Ölen, synthetischen Ölen, Fetten mit Mineralöl oder synthetischem Öl, Di-Esterölen und Silikonölen ausgewählt ist; wobei die organischen Öladditive aus der Gruppe bestehend aus Extremdruckadditiven, Antiverschleißadditiven, Reibungsmodifiziermitteln, Detergenzien und Kombinationen davon ausgewählt sind; und wobei das katalytische Material aus der Gruppe bestehend aus katalytischen Metallen und katalytischen Metalllegierungen ausgewählt ist.
Geschmiertes System nach Anspruch 5, wobei die katalytischen Metalle aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Palladium, Platin, Kupfer, Silber und Gold ausgewählt sind.
Geschmiertes System nach Anspruch 5, wobei die katalytischen Metalllegierungen katalytische Metalle und ein sekundäres Legierungselement umfassen; wobei die katalytischen Metalle der katalytischen Metalllegierungen aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Palladium, Platin, Kupfer, Silber und Gold ausgewählt sind; und wobei die sekundären Legierungselemente der katalytischen Metalllegierungen aus der Gruppe bestehend aus Wolfram, Phosphor, Vanadium, Molybdän, Eisen und Kupfer ausgewählt sind.
Geschmiertes System nach Anspruch 7, wobei die katalytische Metalllegierung aus der Gruppe bestehend aus NiW, NiP, NiCu, PdCo, MoCu und NiV ausgewählt ist.
Geschmiertes System nach Anspruch 1, wobei das katalytische Material auf das mindestens eine Metallbauteil durch eine elektrochemische Abscheidungstechnik aufbeschichtet wird, wobei die elektrochemische Abscheidungstechnik aus der Gruppe bestehend aus elektrochemischer Abscheidung durch Gleichstrom, elektrochemischer Abscheidung durch gepulsten Strom und elektrochemischer Abscheidung durch gepulsten Rückstrom (PRC) ausgewählt ist.
Geschmiertes System nach Anspruch 9, wobei das katalytische Material auf das mindestens ein Metallbauteil in Schichten unter Verwendung der elektrochemischen Abscheidung durch gepulsten Rückstrom (PRC) aufbeschichtet ist, und wobei die Anzahl der aufbeschichteten Schichten zwischen ungefähr 5 und ungefähr 200 liegt.
Geschmiertes System nach Anspruch 10, wobei die Dicke der Schichten zwischen ungefähr 1 Mikrometer bis ungefähr 50 Mikrometer beträgt.
Geschmiertes System nach Anspruch 1, wobei das aufbeschichtete katalytische Material eine Härte von 7 GPa oder mehr bis zu 11,5 GPa oder weniger aufweist.
Verfahren zur Verbesserung des tribologischen Verhaltens eines Metallbauteils, das sich in einem ein Schmiermittel mit organischen Öladditiven umfassenden geschmierten System in Bewegung befindet, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Abscheiden eines katalytischen Materials auf dem Metallbauteil.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das katalytische Material auf dem Metallbauteil unter Verwendung einer elektrochemischen Abscheidung durch gepulsten Rückstrom abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei während des Prozesses der elektrochemischen Abscheidung durch gepulsten Rückstrom eine Elektrolytlösung verwendet wird, das Metallbauteil als eine Kathode wirkt und das katalytische Material als eine Anode wirkt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei während des Prozesses der elektrochemischen Abscheidung durch gepulsten Rückstrom das Metallbauteil als eine Kathode wirkt, das katalytische Material in einer Elektrolytlösung zur Verfügung gestellt wird und Materialien, die aus einer Gruppe bestehend aus Platin, Graphit Edelstahl oder Kombinationen davon ausgewählt sind, als eine Anode wirken.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Prozess der elektrochemischen Abscheidung durch gepulsten Rückstrom eine Wellenform mit kathodischen und anodischen Strömen nutzt.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der kathodische Strom eine Stromdichte von 5 mA/cm² oder mehr bis zu 80 mA/cm² oder weniger aufweist und der anodische Strom eine Stromdichte von 0 mA/cm² oder mehr bis zu 50 mA/cm² oder weniger aufweist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der kathodische Strom eine Pulszeit von 2 ms oder mehr bis zu 1000 ms oder weniger aufweist und der anodische Strom eine Pulszeit von 1 ms oder mehr bis zu 800 ms oder weniger aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die abgeschiedenen katalytischen Materialien eine Härte von 7 GPa oder mehr bis zu 11,5 GPa oder weniger aufweisen.