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Tribologischer Modellversuch zur Messung von Reibung und Verschleiß in „Block auf Ring”-Geometrie nach ASTM G137

Versuchsdurchführung

Es werden zeitgeraffte Reibungs- und Gleitverschleißmessungen nach ASTM G137 („Block auf Ring”) durchgeführt. Hierbei werden der zu untersuchende Kunststoff in Quaderform und der metallische Gegenkörper als Ring eingesetzt. Während der Messung ist der Kunststoffblock stationär und wird mit definierter Flächenpressung gegen den auf eine Welle aufgezogenen Gegenkörper gedrückt, siehe Abbildung 1:

Abbildung 1: „Block auf Ring”-Messung mit Luftkühleinheit (links) und in Großansicht (rechts).

Unter dem Einfluss der Normalkraft FN und der Relativbewegung zwischen der Probe und dem Gegenkörper kommt es zur Ausbildung einer Reibkraft FR und zu fortschreitendem Materialverlust an der Kunststoffprobe sowie dem Gegenkörper. Besteht der Gegenkörper aus gehärtetem Stahl (> 52 HRc) ist der Verschleiß an diesem häufig so klein, dass er nicht messbar ist. Weichere Metalle, wie z.B. Aluminium oder Kunststoffe können jedoch merklichen Abrieb erfahren. Dies ist insbesondere bei Block-Proben aus faser- oder mineralhaltigen Kunststoffverbundwerkstoffen häufig der Fall.

Messwerterfassung

Jede der vier Messstellen des Atlas TT-Prüfstands ist zur Erfassung von Reibung, Verschleiß und Gegenkörpertemperatur mit einem Kraftaufnehmer, einem Infrarot-Thermometer und einem Wegaufnehmer ausgestattet. Der Kraftaufnehmer nimmt hierbei die Reibungskraft FR, der Wegaufnehmer die Höhenabnahme der Probe Δh und der Temperatursensor die Gegenkörpertemperatur ϑGK auf. Abbildung 2 zeigt anhand einer ausgewählten „Block auf Ring”-Einzelprüfung einen exemplarischen Verlauf dieser drei Primärmessgrößen über der Gleitstrecke s:

Abbildung 2: Exemplarische Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Reibungs­kraft, der Höhenabnahme der Probe und der Gegenkörpertemperatur während einer „Block auf Ring”-Prüfung gegen 100Cr6 (60 HRc).

Dabei ist deutlich die Fähigkeit der zeitaufgelösten Verschleißbestimmung erkennbar, den Einlauf und den stationären Zustand voneinander zu trennen. In der ersten Phase dieses Experiments, bis zu einer Gleitstrecke von ca. 5 km steigt die Gegenkörpertemperatur bis auf etwa 50 °C an. Dieser Temperaturanstieg bewirkt eine Ausdehnung der Werkstoffprobe. Diese wirkt dem verschleißbedingten Höhenverlust entgegen, sodass der beobachtete Höhenverlust anfänglich sogar negativ ist, was einer effektiven Verlängerung der Probe entspricht. Sobald der Einlauf abgeschlossen ist, was hier nach ca. 7,5 km der Fall ist, bleibt die Gegenkörpertemperatur konstant und die Probe dehnt sich nicht weiter aus. Der einzige Effekt, der die Höhe der Probe nun noch verändert, ist der Verschleiß. Dieser bewirkt nun mit gleichbleibender Rate eine Probenverkürzung bis zum Ende des Versuchs.

Zusätzlich zu diesen, für jede Messstelle separat ermittelten Daten, messen zwei weitere Sensoren die im Labor herrschende Umgebungstemperatur ϑamb und die relative Luftfeuchte rH.

Auswertung

Der wichtigste Vorteil der zeitaufgelösten Verschleißmessung gegenüber integrierenden Verfahren (z.B. Differenzwägung) ist, dass der Einlauf und der stationäre Zustand klar voneinander separiert werden können. Im stationären Zustand entspricht die lineare Verschleißrate w der Steigung des gegen die Gleitzeit t aufgetragenen Höhenverlusts Δh:

Gleichung 1: Definition der linearen Verschleißrate.

Konkret wird die lineare Verschleißrate mit Hilfe einer linearen Regression ermittelt. Hierbei wird der Regressionsbereich manuell auf den erkennbar stationären Zustand begrenzt. In der Regel handelt es sich hierbei um die zweite Versuchshälfte. Der Einlaufverschleiß und die am Anfang stattfindende thermische Ausdehnung der Kunststoffprobe werden also nicht mitberücksichtigt. Diese beiden Effekte sind auch der Grund, weshalb Untersuchungen an Originaloberflächen praktisch nicht möglich sind. Insbesondere die anfänglich stark instationäre Reibflächen­temperatur hat zudem einen starken Einfluss auf den Gleit­reibungs­koeffizienten. Bis zum Erreichen des thermischen Gleichgewichts im Reibkontakt, dem Gegenkörper und dem polymeren Probekörper werden Reibung und Verschleiß häufig derart stark überlagert, dass sie nicht mehr bestimmbar sind.

Zusätzlich zur linearen Verschleißrate w wird auch die spezifische Verschleißrate ws des Kunststoffs ermittelt. Diese trägt der häufig in tribologischen Unter­suchungen gemachten Beobachtung, dass der verschleiß­bedingte Volumen­verlust ΔV unterhalb einer bestimmten Beanspruchung­shöhe proportional zur Gleit­geschwindig­keit v und der Flächenpressung p ist. Der Proportionalitäts­faktor zwischen der linearen Verschleißrate und dem Produkt aus p und v wird als spezifische Verschleißrate ws (oder auch als „Verschleißfaktor k”) bezeichnet und wird häufig zur Quantifizierung des Verschleißes von Kunst­stoff­verbund­werk­stoffen angegeben. Die spezifische Verschleiß­rate w hängt definitionsgemäß mit der linearen Verschleiß­rate w und dem Produkt aus Flächen­pressung p und Gleit­geschwindig­keit v wie folgt zusammen:

Gleichung 2: Zusammenhang zwischen dem pv-Produkt und der linearen und der spezifischen Verschleißrate.

Zusätzlich zu diesen beiden Verschleißraten wird der Gleitreibungskoeffizient μ ermittelt, der dem Quotienten aus Reibungskraft FR und der Normalkraft FN entspricht:

Gleichung 3: Definition des Gleitreibungskoeffizienten μ.

Die in der Kontaktzone entstehende Reibkraft FR wird während der gesamten Messung zeitaufgelöst gemessen (siehe Abbildung 2) und hieraus der zeitliche Verlauf des Gleitreibungskoeffizienten μ berechnet. Sofern der konkrete Kurvenverlauf nichts anderes nahelegt, wird der Gleitreibungskoeffizient in dem Bereich gemittelt, in dem auch der Höhenverlust regrediert wird.

Probekörper

Die Zeichnungen A,B, und C zeigen mögliche Geometrien des blockförmigen Probekörpers. Pro zu untersuchendem Werkstoff werden vier solcher Probekörper benötigt. Die Probekörper sind derart dimensioniert, dass Sie aus dem planparallelen Mittelteil eines CAMPUS-Zugstabs gewonnen werden können. Sie können uns die benötigten Probekörper wahlweise beistellen oder deren Herstellung in unserer mechanischen Werkstatt gegen Aufpreis herstellen lassen.

Gegenkörper

Als metallischer Gegenkörper kommt standardmäßig ein 100Cr6-Ring der Härte 60 HRc und der Rauheit Ra = 0,15  μm, Rz = 1,7  μm (drallfrei) zum Einsatz. Andere Werkstoffe (z.B. Edelstahl, Stahlguss, Aluminium, Keramik oder Kunststoff), sowie andere Härten, Rauheiten und Schliffbilder (z.B. Kreuzschliff) sind auf Wunsch und gegen Aufpreis ebenfalls verfügbar.

Tribologische Beanspruchung

Die Flächenpressung p und die Gleitgeschwindigkeit v können innerhalb weiter Bereiche individuell eingestellt werden. Für unverstärkte Thermoplaste sind häufig Gleitgeschwindigkeiten zwischen 1 m/s und 2 m/s und Flächenpressungen zwischen 1 MPa und 3 MPa sinnvolle Beanspruchungen. Bei faser- und festschmierstoffhaltigen Kunststoffen kann das pv-Produkt auch 20 MPa · m/s und mehr betragen.

Direkt vor Versuchsbeginn werden die Kunststoffproben mit Schleifpapier an die Kontur des Gegenkörpers angepasst, womit die Probe gleich zu Beginn des Versuchs vollflächig auf dem Gegenkörper aufliegt. Aufgrund der Probengeometrie bleiben der Probenquerschnitt und die Auflagefläche während des gesamten Versuchs konstant. Sofern keine mechanische Deformation auftritt, kann aus dem zeitaufgelöst gemessenen Höhenverlust also mittels Gleichung 1 direkt auf die lineare Verschleißrate geschlossen werden. Aufgrund des konstanten Probenquerschnitts ergibt sich gemäß Gleichung 2 hieraus auch auf einfache Weise die spezifische Verschleißrate.

Das Bewegungsprofil ist standardmäßig unidirektionales Gleiten mit konstanter Gleitgeschwindigkeit. Andere Bewegungsprofile, z.B. reversierendes oder intermittierendes Gleiten, sind jedoch auch in weiten Grenzen realisierbar.

Temperaturmessung

Während des Reibungs- und Verschleißversuchs wird im Reibkontakt stetig Bewegungsenergie in Wärme umgesetzt. Dies führt zu einem Temperaturanstieg, der sich solange fortsetzt, bis sich die Wärmeabfuhr und die Wärmeerzeugung im thermischen Gleichgewicht befinden. Um die hierfür benötigte Gleichgewichtstemperatur möglichst niedrig zu halten, wird die metallische Gegenkörperwelle ständig durch Strahlungsabgabe und durch Luftzufuhr gekühlt (siehe Abbildung 1, links).

Da sowohl die Temperatur in der Reibfläche selbst als auchdie der Laufspur messtechnisch nicht direkt zugänglich sind, wird stattdessen die Temperatur der die Wärme gut leitenden Gegenkörperwelle mit Hilfe eines Infrarot-Thermometers gemessen (siehe Abbildung 1, rechts). Aufgrund der dissipierten Reibleistung liegt die im tribologischen Kontakt tatsächlich herrschende mittlere Temperatur immer über der so gemessenen Wellentemperatur - und zwar umso mehr, je höher die Flächenpressung und die Gleitgeschwindigkeit gewählt werden und je höher der Gleitreibungskoeffizient der Reibpaarung ist.

Schmierung

Die Messungen werden im Trockenlauf durchgeführt. Um dies sicherzustellen werden die Probe und der Gegenkörper vor Versuchsbeginn vollständig entfettet. Andere Positionen unseres standardisierten Leistungskatalogs beschreiben geschmierte Messungen.

Stichprobenumfang

Tribologische Messungen weisen erfahrungsgemäß eine deutlich höhere Einzelwertstreuung auf als mechanische Untersuchungen (z.B. Zugversuche). Dies gilt sowohl bezüglich der Reibung als auch bezüglich des Verschleißes. Hierbei setzt sich die beobachtete Einzelwertstreuung aus der einem intrinsischen und mehreren externen Beiträgen zusammen. Letztere können z.B. durch Schwankungen der Umgebungstemperatur, kleine Unterschiede in der Probenpräparation, ungeeignete Beanspruchungsparameter usw. entstehen. Durch sorgfältige Versuchsvorbereitung und -durchführung sowie durch regelmäßige Wartung unserer Maschinen reduzieren wir diese unerwünschten Beiträge auf ein Minimum, denn unnötig erhöhte Einzelwertstreuungen reduzieren die Spezifität des Prüfverfahrens merklich. Eine reduzierte Spezifität bedeutet, dass ein tatsächlich vorhandener Unterschied zwischen den Verschleißraten (und/oder Reibungskoeffizienten) zweier Werkstoffe größer sein muss als bei hoher Spezifität, um auch festgestellt werden zu können. Zusätzlich verringert sich mit steigender Einzelwertstreuung auch die Sensitivität des Verfahrens: bei hoher Einzelwertstreuung steigt also auch das Risiko, vorhandene Unterschiede aufgrund zu hoher Einzelwertstreuung zu übersehen.

Die beiden einzigen Möglichkeiten zur Verbesserung von Spezifität und Sensitivität sind die Verringerung der Einzelwertstreuung und/oder die Erhöhung des Stichprobenumfangs (also die Anzahl der pro Paarung und Prüfparametersatz durchgeführten Einzelversuche). Abbildung 3 zeigt hierzu die Abhängigkeit des Student-Faktors t (rot) und der auf die Standardabweichung der Grundgesamtheit s bezogenen Breite des Vertrauensbereichs (blau) von der Anzahl der (gültigen) Einzelwerte n.

Abbildung 3: Abhängigkeit des Student-Faktors t (rot) und der relativen Breite des Vertrauensintervalls (blau) von der Anzahl der Einzelversuche n.

Bei nur vier Einzelversuchen beträgt das Vertrauensintervall (zum Signifikanzniveau 95 %) noch 159 % der Standardabweichung. Bei acht, also der doppelten Anzahl an Versuchen, beträgt es nur noch 84 % der Standardabweichung und ist damit etwa halb so breit wie bei vier Einzelmessungen. Aufgrund der streng monotonen aber degressiven Abhängigkeit des Student-Faktors t vom Stichprobenumfang n führen weitere Erhöhungen des Stichprobenumfangs zwar zu einer immer weiteren Verkleinerung des Vertrauensbereichs (und damit zu immer höherer Spezifität und Sensitivität), jedoch in abnehmender Effizienz. Erfahrungsgemäß liegt das technisch-wirtschaftliche Optimum deshalb bei 8 Einzelversuchen pro Werkstoffpaarung und Beanspruchungskollektiv.

Statistische Auswertung

Die aus den jeweiligen einzelnen Reibungskoeffizienten bzw. Verschleißraten bestehenden Stichproben werden gemäß dem jeweils neuesten Stand der einschlägigen DIN-Normen (z.B. DIN 55 303 oder DIN 53 804, Teil 1 ) analysiert. Hierbei identifizierte Ausreißer werden entfernt und aus der so bereinigten Stichprobe der arithmetischen Mittelwert, die Standardabweichung und der zugehörige Vertrauensbereich ermittelt. Diese drei Größen stellen das numerische Ergebnis unserer Messungen dar.

Zusätzlich zu diesen zahlenmäßigen Ergebnissen werden die zeitlichen Verläufe des Gleitreibungskoeffizienten μ, des Höhenverlusts der Block-Probe Δh und die Temperatur der Gegenkörperwelle ϑGK zeitlich gemittelt. Die drei so erhaltenen Mittelwertkurven werden zusammen mit ihren jeweiligen Vertrauensbereichen graphisch dargestellt.

Abbildung 4: Zeitlich aufgelöste Mittelwertkurven (dunkelblau) und Vertrauensbereichsgrenzen (hellblau) der Temperatur der Gegenkörperwelle (oben), des Gleitreibungskoeffizienten (Mitte) und des Höhenverlusts der Block-Probe (unten) einer ausgewählten PEEK/Stahl-Gleitpaarung.

Berichterstattung

Die Berichtserstattung erfolgt in elektronischer Form. Hierzu wird ein Microsoft Excel Sheet erstellt, dass alle numerischen Resultate, also die Mittelwerte für Reibung, Verschleiß und Temperatur sowie alle berechneten statistischen Kennwerte (Standardabweichungen, Varianzkoeffizienten und Vertrau-ensbereiche) enthält.

Auf Wunsch und gegen Aufpreis ist auch eine ausführlichere Berichterstattung in Form eines schriftlichen Berichts möglich. Dieser enthält zusätzlich detaillierte Beschreibungen zu Versuchsaufbau und Durchführung, sowie graphische Ergebnisdarstellungen und - soweit wie möglich - auch eine fachliche Bewertung der Messwerte. Weiterhin sind auch weitere elektronische Formate, wie z.B. XML oder SQL, sowie eine umfassende, interaktive Projektdokumentation in HTML verfügbar.

Preise und Lieferzeiten

Auf Anfrage.

Ihr Ansprechpartner

Andreas Gebhard
Geschäftsführer
andreas.gebhard@tribologic.de
Tel. +49 631 68039-220

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