Aus Wissenschaft und Forschung 28 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 2/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0011 Einfluss einer chemischen Kopplung von strahlenmodifiziertem PTFE mit PA46 auf mechanische Eigenschaften und das Reib- und Verschleißverhalten Lionel Simo Kamga,Thanh-Duong Nguyen, Thomas Schmidt, Michaela Gedan-Smolka, Stefan Emrich, Manuel Oehler, Bernd Sauer, Michael Kopnarski* Vorgetragen auf der Jahrestagung der Gesellschaft für Tribologie vom 28. bis 30. September 2020 Eingereicht: 15. 9. 2020 Nach Begutachtung angenommen: 31. 3. 2021 In trockengeschmierten tribologischen Systemen werden häufig Polytetrafluoroethylene (PTFE) oder Polyamide (PA) als Trockenschmierstoffe eingesetzt. PTFE zeichnet sich u.a. durch eine sehr niedrige Reibungszahl, eine hohe Verschleißrate beim Gleiten gegen Stahl und eine hohe Temperaturbeständigkeit aus. Im Gegensatz zu PTFE weist PA eine höhere Reibungszahl beim Gleiten gegenüber Stahl auf. Bei Bestrahlung von PTFE in Luft entstehen funktionelle Gruppen (-COF und -COOH) und persistente Perfluoralkyl-(Peroxy-) Radikale, welche über chemische Kopplung mit geeigneten Polymeren zu Compounds mit verbesserten mechanischen und tribologischen Eigenschaften führen. In diesem Beitrag wurden die mechanischen und tribologischen Eigenschaften einer mit bestrahltem PTFE reaktiv modifizierten PA46 Polymermatrix charakterisiert. Hierbei wurden Blockauf-Ring Versuche durchgeführt, wobei als Gegenkörper gehärtete Stahlringe aus 16MnCr5 verwendet wurden. Schlüsselwörter PA46-PTFE-cb (cb…chemisch gebunden) Compounds, reaktive Extrusion, mechanische Eigenschaften, Reibung, Verschleiß, Zwei-Scheibenprüfstand Influence of chemical bonding of radiationmodified PTFE to PA46 on mechanical properties and the friction and wear behavior In dry-lubricated tribological systems, polytetrafluoroethylene (PTFE) or polyamide (PA) are often used as dry lubricants. PTFE is characterized by a low coefficient of friction and a high wear rate when sliding against steel and a high temperature resistance. In contrast to PTFE, PA has a higher coefficient of friction when sliding against steel. The radiation modification of PTFE in air generates functional groups (-COF and -COOH) and persistent perfluoroalkyl (peroxy) radicals, which, when chemically coupled with suitable polymers, lead to compounds with improved tribological properties. In this paper, the mechanical and tribological properties of PA46-PTFEcb (chemical bonded) that were kept by reactive extrusion were characterized. For this purpose, Blockon-ring tests were performed using hardened steel discs made of 16MnCr5 as counterparts. Keywords PA46-PTFE-cb (cb…chemical bonded) compounds, mechanical properties, reactive extrusion, friction, wear, Twin-Disc-Machine Kurzfassung Abstract * Lionel Simo Kamga 1 , M.Sc., (federführender Autor) Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0003-1764-7719 Thanh-Duong Nguyen 2 , M.Sc. Thomas Schmidt 2 , M.Sc. Dr. Michaela Gedan-Smolka 2 Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0003-3464-9900 Dr.-Ing. Stefan Emrich 3 Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0001-9640-4787 Jun. Prof. Dr.-Ing. Manuel Oehler 1 Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0001-8251-0896 Prof. Dr.-Ing. Bernd Sauer 1 Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0002-3489-5805 Prof. Dr. Michael Kopnarski 3 Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0002-5178-180X 1 Technische Universität Kaiserslautern Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik 67663 Kaiserslautern 2 Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V 01069 Dresden 3 Institut für Oberflächen- und Schichtanalytik (IFOS) 67663 Kaiserslautern TuS_2_2021.qxp_TuS_Muster_2021 08.06.21 10: 18 Seite 28 1 Einleitung In der Antriebstechnik werden zur Schmierung von Maschinenelementen häufig Öl oder Fett als Schmierstoffe eingesetzt. Bei vielen Anwendungen stoßen diese Schmierungsarten an ihre Grenzen. Zum Beispiel in der Lebensmittelindustrie oder im Medizinbereich kann der Einsatz von flüssigen Schmierstoffen nachteilig wirken bzw. ganz ausgeschlossen sein. Bei Anwendungen unter extremen Temperaturen verlieren die üblichen flüssigen Schmierstoffe ihre Schmiereigenschaften. In derartigen Anwendungen werden daher häufig Mischungen konventioneller Polymere mit Festschmierstoffen, wie Polytetrafluoroethylen (PTFE), eingesetzt. PTFE zeichnet sich durch einen weiten Temperatureinsatzbereich (-250...+270 °C), hohe chemische Beständigkeit und sehr gute Antihafteigenschaften aus, die unter tribologischen Bedingungen zu niedrigen Reibungszahlen führen [1]. Khare et al. untersuchten die Bildung von PTFE-Transferfilmen auf Stahloberflächen [2]. Nach einer Einlaufphase findet eine Übertragung des PTFE auf den Gegenkörper statt, was zu einem stabilen Reibungs- und Verschleißverhalten führt. Mittels Oberflächenanalyse und Molekulardynamiksimulation wurde gezeigt, dass bei der Transferfilmbildung neben einer Defluorierung auch Carbonyl- und Hydroxylgruppen gebildet werden [3]. Es zeigte sich, dass niedrige Geschwindigkeiten und Belastungen sowie eine isotrope Oberfläche die Filmbildung fördern [4]. Für den Fall, dass die Bewegungsrichtung senkrecht zur Bearbeitungsrichtung verlief, konnten die stabilsten und größten Transferfilme bis zu Filmdicken von 5 µm beobachtet werden. Polyamide (PA) zeichnen sich im Vergleich zu PTFE u. a. durch hohe Festigkeit, hohe Verschleißfestigkeit, hohe Reibungszahlen in Relativbewegung mit Stahlgegenkörpern und geringe temperaturabhängige Verformung aus. Aufgrund ihrer relativ hohen Elastizitätsmodule können sie, abhängig von ihrer Struktur, auch bei hohen Belastungen und höheren Temperaturen (bis 100 °C) eingesetzt werden [5]. Verschiedene Studien haben gezeigt, dass die Kombination von Polyamiden mit anderen Polymeren zu einer Verbesserung der tribologischen Eigenschaften führen kann. Der Einfluss von Glasfaser und MoS 2 auf das Verschleiß- und Temperaturverhalten von PA66 wurde von Demirci et al. untersucht [6]. Obwohl PTFE die Reibung wirksam reduziert, zeigt PTFE eine geringere Beständigkeit gegenüber energiereicher Strahlung. Bei Bestrahlung in Gegenwart von Luft werden die C-C und C-F-Bindung der PTFE-Struktur aufgebrochen und es entstehen Mikropulver mit niedrigerem Molekulargewicht, funktionellen Gruppen (-COF und -COOH) und persistenten Perfluoralkyl(peroxy)-Radikalen [7,8]. Die hydrophilen funktionellen Gruppen können verwendet werden, um eine chemisch kovalente Bindung zu anderen Monomeren/ Polymeren (z. B. Polyamiden) zu erzeugen. Franke et al. untersuchten das tribologische Verhalten von chemisch gekoppelten PTFE-Polyamid-Compounds [9]. Es zeigte sich, dass bei einem Massenanteil von PTFE zwischen 3,3 und 50 % der Reibungs- und Verschleißkoeffizient der Polyamide PA6, PA66 und PA12 unter Trockenreibung verbessert werden konnte. In diesem Beitrag werden vorläufige Ergebnisse aus dem DFG Projekt „Fluidfreie Schmierung von Schneckengetrieben auf Basis von PTFE“ vorgestellt. Hierbei wird das mechanische und tribologische Verhalten von PA46- PTFE-cb Polymerwerkstoffen untersucht, die über reaktive Extrusion von PA46 und strahlenmodifiziertem PTFE erhalten wurden, um ihre Eignung für die Schmierung von Schneckengetrieben zu testen. 2 Experimentelles 2.1 Materialherstellung Als Probenmaterialien dienten PA-PTFE-cb Compounds mit einem Matrixmaterial aus PA46 Stanyl TW300. Zur chemischen Kopplung wurden verschiedene kommerziell erhältliche PTFE-Mikropulver verwendet: strahlenmodifiziertes PTFE-Emulsionspolymer Zonyl MP1100, und PTFE-Suspensionspolymer Zonyl MP1200 sowie Zonyl MP1600 als reguliertes Emulsionspolymer. Die PTFE-Typen MP1100 und MP1200 enthalten persistente Perfluoralkyl(peroxy)-Radikale, Carbonylfluorid-Endgruppen (-COF) und Carbonsäure-Endgruppen (-COOH) während MP1600 synthesebedingt nur einen sehr geringen Anteil an Carbonsäuregruppen aufweist. Aufgrund der unterschiedlichen Arten der Polymerisation und der Bestrahlung zeigen MP1100, MP1200 und MP1600 unterschiedliche Partikelgrößen und Partikelgrößenverteilungen. Bild 1 zeigt die Partikelgrößenverteilungen der ver- Aus Wissenschaft und Forschung 29 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 2/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0011 Bild 1: Partikelgrößenverteilung der PTFE-Mikropulver TuS_2_2021.qxp_TuS_Muster_2021 08.06.21 10: 18 Seite 29 FTIR-Spektrometer Vertex 80v (Bruker Deutschland) mit DTGS-Detektor in Transmission gemessen (32 Scans pro Messung, 2 cm -1 Auflösung, 4000 - 400 cm -1 ). Die Spektren wurden basislinienkorrigiert und normalisiert (2366 cm -1 = 1). 2.3 Versuchsvorbereitung zur tribologischen Charakterisierung Zur tribologischen Charakterisierung der hergestellten PA46-PTFE-Compounds wurden Versuche in einer Block-auf-Ring Anordnung, vgl. Bild 3, durchgeführt, wobei Blöcke mit dem Querschnitt 3 x 10 mm 2 aus den PA46-PTFE-Compounds gegen die gehärtete (60 HRC) und quer zur Laufrichtung geschliffene (Sa = 0,2 µm) Mantelfläche eines rotierenden Stahlringes aus 16MnCr5 gedrückt wurden. Dazu wurde der modifizierte MEGT-Zwei-Scheibenprüfstand unter Trockenreibbedingung eingesetzt. Um eine gleichmäßige Druckverteilung zwischen den Blöcken und den Gegenflächen aus Stahl zu erzeugen, wurden die Blöcke in Arbeitsrichtung auf den Radius der Gegenprobe gekrümmt. Bild 3 stellt die schematische Darstellung des Versuchsaufbaus dar. Aus Wissenschaft und Forschung 30 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 2/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0011 wendeten PTFE-Typen, welche durch dynamische Lichtstreuungsmessung ermittelt wurden. Eine chemische Kompatibilisierung der PTFE-Typen mit der PA46-Matrix erfolgte über reaktive Extrusion. Die Reaktion basiert auf dem Prinzip der Umamidierung. PTFE und PA46 wurden dazu in einem Verhältnis von 20 Gew.% / 80 Gew.% mit dem Doppelschneckenextruder Leistritz ZSE 27 Maxx (Leistritz Extrusionstechnik GmbH, Nürnberg, Deutschland) bei einer maximalen Schmelzetemperatur von 330 °C aufgearbeitet. Bei vergleichbaren Verarbeitungstemperaturen wurden anschließend Halbzeuge im Spritzgießverfahren (Allrounder 420 C, Arburg, Loßburg, Deutschland) hergestellt und daraus Blöcke für die tribologischen Untersuchungen gefertigt. Um die mechanischen Eigenschaften der Compounds zu untersuchen, wurden Vielzweckprüfkörper 1A nach DIN EN ISO 3167 über Spritzgießen (Allrounder 420 C, Arburg, Loßburg, Deutschland) hergestellt. Für die mechanische Prüfung erfolgten Zugversuche nach der Prüfnorm DIN EN ISO 527-2/ 1A/ 1-50 (ZwickRoell 1456 Universalprüfmaschine). 2.2 Nachweis der PA46-PTFE-Kopplung durch FTIR Um die chemische Anbindung des PTFE an die PA46 Matrix nachzuweisen, wurden die hergestellten PA46- PTFE-Compounds nach der reaktiven Extrusion für 1 h bei 60 °C in Ameisensäure extrahiert, zentrifugiert und die überstehende Lösung dekantiert. Der Prozess wurde siebenmal wiederholt. Abschließend wurde der PTFE-reiche Feststoffrückstand mit Methanol gewaschen und bei 80 °C im Vakuumtrockenschrank für 18 h getrocknet. Für die FTIR-Analyse wurden die extrahierten Proben zu Folien gepresst und mit dem Bild 2: Schema einer Umamidierungsreaktion [12] Bild 3: Schematische Darstellung der Versuchsanordnung TuS_2_2021.qxp_TuS_Muster_2021 08.06.21 10: 18 Seite 30 her w.% PA46-MP1 PA46-MP1 PA46-MP1 Der Prüfstand ist u.a. aus einer Prüfeinheit, einer Belastungseinheit und einem regelbaren Elektromotor aufgebaut. Die Prüfeinheit besteht aus dem Stahlring und dem zu prüfenden Compound-Material. Der Stahlring ist in einem Schlitten gelagert, der über Blattfedern mit dem Lasthebel verbunden ist und durch die im Kontaktbereich auftretende Reibungskraft (F R ) verschiebbar ist. Der Compoundstift ist in der selbsteinstellenden Halterung fixiert, durch die der Compoundstift belastet wird. Zur Messung der Reibungskraft bzw. der Normalkraft sind am Schlitten und am Compound-Halter Kraftaufnehmer angebracht. Die Messung der Verschleißtiefe der Compounds erfolgte mittels eines induktiven Wegsensors. Die Temperaturänderung der Stahlringe wurde ebenfalls aufgezeichnet. Dazu wurde ein Widerstandsthermometer ca. 2 mm unterhalb der Kontaktfläche angebracht. Aufgrund der Verformung und des Verschleißes des Compoundpins wurde die Temperaturänderung in den Compounds nicht gemessen. Die Kontaktpressung wurde zwischen 1 und 5 MPa variiert, die Gleitgeschwindigkeit auf 0,5 ms -1 und die Versuchsdauer von 12 h, was einem Gleitweg von ca. 22 km entsprach, konstant gehalten. Während der Versuche wurden die Reibungskraft und die Verschleißtiefe des Polymerstifts kontinuierlich aufgezeichnet. Für jeden Lastzustand wurden drei Messwiederholungen durchgeführt, um die statistische Sicherheit zu bestimmen. 3 Ergebnisse 3.1 Ergebnisse der FTIR-Untersuchung Durch den Extraktionsprozess mit Ameisensäure kann indirekt der chemisch an PA46 gebundene PTFE-Anteil bestimmt werden. Der unlösliche Rückstand enthält hauptsächlich ungebundenes PTFE und einen kleinen Anteil an PA46-PTFE-cb. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 ersichtlich. Bei PA46-MP1100-cb beträgt der Anteil an chemisch gebundenem PTFE 4.96 Gew.%, bei PA46-MP1200-cb 2.69 Gew.% und bei PA46-MP1600-cb 1.86 Gew.%. Aus Wissenschaft und Forschung 31 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 2/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0011 Einwaage / g Auswaage / g Rückstand / Gew.% Differenz zu ursprüngliche m PTFE- Anteil / Gew.% PA46-reicher Anteil / Gew.% PA46-MP1100-cb 6.95 1.06 15.04 4.96 84.96 PA46-MP1200-cb 6.97 1.21 17.31 2.69 82.69 PA46-MP1600-cb 6.94 1.26 18.14 1.86 81.86 Tabelle 1: Gravimetrische Extraktion der PA46-PTFE-cb Compounds Für den indirekten Nachweis der chemischen Kopplung von PA46 und PTFE wurden die Extraktionsrückstände der Compounds mittels FTIR untersucht (Bild 4). Sind PA46 Polymerketten an das PTFE angebunden, lassen sich diese nicht durch Extraktion entfernen und es treten im FTIR- Spektrum die charakteristischen CH 2 - Banden (2937 cm -1 ) sowie Amid-Banden (3299 cm -1 , 1637 cm -1 und 1543 cm -1 ) des PA46 auf (Bild 4). Je intensiver diese Banden ausgeprägt sind, desto höher ist der PA46-Kopplungsgrad an das jeweilige PTFE. MP1200 zeigte die stärkste Absorbanz und damit den größten Kopplungsgrad an PA46. MP1100 hatte eine deutlich niedrigere, aber immer noch intensive Bandenintensität. MP1600 besitzt zwar nur eine geringe Anzahl an Carboxylgruppen (siehe Bild 5), aber es konnte ebenfalls eine signifikante Bild 4: FTIR-Spektren der extrahierten PA46-PTFE-Compounds, unlöslicher Rückstand TuS_2_2021.qxp_TuS_Muster_2021 08.06.21 10: 18 Seite 31 3.3 Tribologische Untersuchungen am Block-On-Ring Prüfstand Bild 7 stellt den charakteristischen Verlauf der Reibungszahl µ und der Ringtemperatur T in Abhängigkeit vom Gleitweg, für das PA46-MP1100-Compound bei einer Pressung p = 3 MPa und einer Gleitgeschwindigkeit u s = 0,5 m/ s dar. Es ist zu beachten, dass die hier gemessene Temperatur des Stahlrings in Wirklichkeit niedriger als die tatsächliche Temperatur in der Kontaktzone ist. In Bild 7 ist zu erkennen, dass in der Einlaufphase, bis zu einem Gleitweg von ca. 2 km, der gemessene Reibungskoeffizient in der Kontaktzone und die Temperatur des Ringes schnell ansteigen. Nach dem schnellen Anstieg in der Einlaufphase nimmt der Reibungskoeffizient allmählich ab und erreicht einen nahezu stationären Bereich ab ca. 10 km, wobei die Temperatur des Stahlrings nach dem Einlauf weiterhin leicht ansteigt. Aus Wissenschaft und Forschung 32 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 2/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0011 chemische Kopplung zum PA46 nachgewiesen werden. Dennoch kann für die PA46-MP1600-Compounds angenommen werden, dass ein großer Anteil der Polymerketten als physikalische Mischung vorliegt. Weitere Indizes für die chemische Kopplung zwischen PA46 und PTFE sind die Abnahmen der charakteristischen Banden für COF-, freie und assoziierte COOH-Gruppen (bei 1885 cm -1 , 1810 cm -1 und 1770 cm -1 ). Nach der erfolgreichen chemischen Kopplung zwischen PA46 und PTFE sind diese funktionellen Gruppen der extrahierten PA46-PTFE-cb Compounds in den FT-IR-Spektren praktisch nicht mehr ersichtlich. 3.2 Mechanische Eigenschaften Um den Einfluss von PTFE auf die mechanischen Eigenschaften des PA46 zu veranschaulichen, wurden Vielzweckprüfkörper nach DIN EN ISO 3167 zur Untersuchung des Elastizitätsmoduls, der Zugfestigkeit, der Bruchspannung und Bruchdehnung hergestellt. Die Ergebnisse in Bild 6 zeigen, dass der Elastizitätsmodul und die Zugfestigkeit der Compounds trotz des 20 Gew.%-igen PTFE-Gehalts im Vergleich zum ursprünglichen PA46 nur unwesentlich geringer sind. Dagegen hat sich die Bruchspannung der Compounds nur marginal erhöht. Im Gegensatz dazu sinkt die Bruchdehnung bei PA46-PTFE-Compounds um bis zu 58 % ab. Das mechanische Verhalten weist deutlich darauf hin, dass PTFE während der Extrusion in allen Fällen chemisch an PA46 gebunden vorliegt. Für MP1100 und MP1200 findet man vergleichbare Ergebnisse, wogegen das Compound mit MP1600 eine etwas geringere Bruchdehnung aufweist, was auf den deutlich geringeren Kopplungsgrad zurückzuführen ist. Bild 5: Ausschnitt der FTIR-Spektren der extrahierten PA46-PTFE-cb- Compounds, unlöslicher Rückstand Bild 6: Mechanische Eigenschaften der PA46-PTFE-cb Compounds TuS_2_2021.qxp_TuS_Muster_2021 08.06.21 10: 18 Seite 32 Bild 8 stellt den Vergleich der Reibungszahl im Kontakt zwischen dem Stahlring und den hier untersuchten Festschmierstoffen dar, jeweils im Einlaufbereich und im stationären Bereich der Reibungszahl-Gleitweg- Kurve, vgl. Bild 7. In Bild 8 wurde zum Vergleich des Einlaufverhalten zwischen den einzelnen Compounds die maximale Reibungszahl in der Einlaufphase angenommen. Um das Reibverhalten im stationären Bereich zu vergleichen wird ein Mittelwert der Reibungszahl über alle Messwerte innerhalb des quasi-stationären Bereiches gebildet. Es zeigt sich, dass sowohl das Matrixpolymer PA46 als auch die PA46-PTFE Compounds bei einer Belastung von 3 MPa in der Einlaufphase des Reibprozesses eine deutlich höhere Reibungszahl im Kontakt mit dem Stahlring aufweisen. Zudem kann der Einfluss der strahlenmodifizierten PTFEs auf das Reibverhalten vom Matrixpolymer PA46 beobachtet werden, wobei die Kopplung von bestrahltem PTFE an das Matrixpolymer PA46 zu einer signifikanten Verringerung der Reibungszahl führt. Das Verschleißverhalten der untersuchten Polymere zeigt, dass im Einlauf sowohl beim Matrixpolymer PA46 als auch bei den PA46-PTFE- Compounds eine höhere Verschleißrate als im stationären Bereich beobachtet wird (vgl. Bild 9). Hierbei ist zu beachten, dass die induktiv gemessene Längenänderung des Probekörpers nicht nur die Verschleißtiefe, sondern auch Anteile aus elastischer Verformung enthält. Diese ist bedingt durch thermische und mechanische Beanspruchung der Festschmierstoffe im Kontakt mit dem rotierenden Stahlring. Zudem kann in Bild 9 beobachtet werden, dass das unmodifizierte Polyamid PA46 im Vergleich zu den PA46-PTFE-Compounds sowohl im Einlaufals auch im stationären Bereich eine deutlich höhere Verschleißrate aufweist. Während der Gleitbewegung können sich die Compounds aufgrund der aufgebrachten Normalkraft verformen. Um den Einfluss der Verformung vom tatsächlichen Verschleiß der Polymere zu unterscheiden, wurde neben der Aus Wissenschaft und Forschung 33 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 2/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0011 Bild 7: Änderung der Reibungszahl und der Stahlringtemperatur in Abhängigkeit des Gleitweges für PA46-MP1100-cb bei p = 3 MPa und u s = 0,5 m/ s Bild 8: Vergleich der Reibungszahlen im Kontakt zwischen den PA46- PTFE Compounds und dem Stahlring bei p = 3 MPa und u s = 0,5 m/ s mit Polymer PA46 als Referenz Bild 9: Vergleich des Verschleißes der PA46-PTFE Compounds im Kontakt mit dem Stahlring bei p =3 MPa und u s = 0,5 m/ s mit dem Polymer PA46 als Referenz TuS_2_2021.qxp_TuS_Muster_2021 08.06.21 10: 18 Seite 33 Verformung jedoch deutlich ersichtlich. Zudem kann beobachtet werden, dass das Matrixpolymer PA46 unabhängig von der Belastung einen geringeren Verschleißwiderstand im Vergleich zu den strahlenmodifizierten Varianten aufweist. Über eine Optimierung des Extrusionsprozesses wird zudem eine weitere Erhöhung des PA-PTFE Kopplungsgrades erwartet, der dann zu einer noch höheren Verschleißbeständigkeit der Compounds führen sollte. Bild 10 stellt die Abhängigkeit der Reibungszahl im Kontakt zwischen Stahlring und den PA46-PTFE-Compounds sowie dem Matrixpolymer PA46 von der Pressung dar. Die dargestellten Reibungszahlen entsprechen der Reibungszahl im stationären Bereich der Reibungszahl-Gleitweg-Kurve, vgl. Bild 7. Es ist erkennbar, dass die Reibungszahlen des Matrixpolymers PA46 sowie des mit dem PTFE-Typ MP1600 modifizierten Compounds eine steigende Tendenz bis 3 MPa aufweisen, welche wieder bei 5 MPa abfallen. Dazu kann beobachtet werden, dass die Reibungszahldifferenz zwischen den PA46-PTFE- Compounds mit steigender Last niedriger wird. Die Abweichungen zwischen den gemessenen Reibungszahlen zwischen dem Matrixpolymer PA46 als Referenz, den PA46-PTFE-Compounds und den Stahlringen kann auf die Änderung der mechanischen und thermischen Eigenschaften der einzelnen Festschmierstoffe zurückgeführt werden, wodurch die Deformations- und Adhäsionsanteile der Reibung beeinflusst werden. Aus Wissenschaft und Forschung 34 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 2/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0011 Messung der Verschleißtiefe der Polymere auch der gravimetrische Verschleiß gemessen und die Verschleißrate nach Archard [10] berechnet, siehe Tabelle 2. In Tabelle 2 stellen K l und ΔV jeweils die spezifische Verschleißrate und die Volumenänderung dar, die jeweils aus der Verschleißhöhe und dem gravimetrisch bestimmten Gewichtsverlust ermittelt wurden. Zur Ermittlung der Volumenänderung der Polymerstifte wurden die gemessenen Dichtewerte der Polymere verwendet, welche in Tabelle 3 zusammengefasst sind. Der Vergleich zwischen den berechneten Verschleißraten aufgrund von Massenverlust und Längenänderung zeigt, dass bei 1 MPa die Verformung der Compounds keinen signifikanten Einfluss auf das Verschleißverhalten hat. Bei erhöhter Belastung wird der Einfluss der Tabelle 2: Spezifische Verschleißrate nach Archard für die jeweiligen Compounds PA46 PA46-MP1100-cb PA46-MP1200-cb PA46-MP1600-cb Last , mm 3 / Nm , mm 3 / Nm , mm 3 / Nm , mm 3 / Nm , mm 3 / Nm , mm 3 / Nm , mm 3 / Nm , mm 3 / Nm 1 MPa 6.95∙10 -6 8.21∙10 -6 1.63∙10 -6 1.74∙10 -6 1.04∙10 -6 1.36∙10 -6 1.7∙10 -6 1.98∙10 -6 2 MPa 5.15∙10 -6 6.22∙10 -6 1.01∙10 -6 9.87∙10 -7 1.69∙10 -6 2∙10 -6 4.54∙10 -6 4.93∙10 -6 3 MPa 3.1∙10 -6 5.31∙10 -6 7.41∙10 -7 9.8∙10 -7 5.85∙10 -7 8.47∙10 -7 5.94∙10 -7 8.31∙10 -7 5 MPa 6.98∙10 -6 7.58∙10 -6 7.71∙10 -7 8.33∙10 -7 9.17∙10 -7 1.1∙10 -6 9.38∙10 -7 8.94∙10 -7 Tabelle 3: Gemessene Dichte der untersuchten Trockenschmierstoffe PA46 PA46-MP1100-cb PA46-MP1200-cb PA46-MP1600-cb Dichte, g/ cm³ 1.1805 1.2914 1.3011 1.3007 Bild 10: Einfluss der Belastung auf die Reibungszahl im Kontakt zwischen dem Stahlring und dem Matrixpolymer PA46 sowie den PA46- PTFE Compounds TuS_2_2021.qxp_TuS_Muster_2021 08.06.21 10: 18 Seite 34 3.4 Oberflächenanalysen Nach den Versuchen am Block-auf-Ring Prüfstand wurde auf den Stahlringoberflächen die laterale Verteilung der PA46-Compoundmaterialien mit den strahlenmodifizierten PTFE-Typen MP1100 und MP1600 bei unterschiedlichen Anpressdrücken mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie (REM) visualisiert, sowie die resultierende Massenbelegung mittels energiedispersiver Röntgenanalytik (EDX) analysiert. Unabhängig von der jeweiligen Zusammensetzung und des Anpressdrucks des Blocks auf den Stahlring werden lokale, in Umfangsrichtung streifenförmige Compoundmaterialanhäufungen beobachtet. Ferner werden Bestandteile des abrasiv verschlissenen PA46-PTFE-Pinmaterials in den quer zum Umfang und Laufrichtung geschliffenen Riefen detektiert (Bild 11 und 12). Insgesamt bildet sich über den Ringumfang eine hinsichtlich der lateralen Verteilung und Schichtdicke inhomogene Triboschicht auf der Stahloberfläche aus. Durch die Erhöhung des Anpressdrucks steigt der gravimetrisch bestimmte Gesamtverschleiß des Pins unabhängig vom eingesetzten PTFE-Typus deutlich. Im Gegensatz hierzu bleiben jedoch bei der Druckvariation die Massen der auf der Stahlringoberfläche deponierten polymeren Verschleißbestandteile - ebenfalls unabhängig vom eingesetzten PTFE-Typus - weitgehend gleich. Damit reduziert sich bei steigendem Block-Verschleiß infolge höherer Anpressdrücke der auf den Gesamtverschleiß bezogene Anteil der auf der Stahloberfläche nach Ende des Triboexperiments verbliebenen Compoundmasse (Tabelle 4). Der höhere Verschleiß am Pin geht demnach nicht mit einer entsprechenden Erhöhung der Aus Wissenschaft und Forschung 35 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 2/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0011 Bild 11: Lichtmikroskopische (links), rasterelektronenmikroskopische (Mitte) Aufnahmen sowie mit EDX gemessene Verteilungsbilder der Compound-Massenbelegung (rechts) auf repräsentativen Stahloberflächensektoren in Abhängigkeit des im Triboexperiment gewählten Anpressdrucks des PA46-MP1100-cb Pins PA46-MP1100-cb; Anpressdruck Pin: 3 MPa PA46-MP1100-cb; Anpressdruck Pin: 5 MPa TuS_2_2021.qxp_TuS_Muster_2021 08.06.21 10: 18 Seite 35 Hingegen ist die durch die spezifische Topografie maßgeblich bestimmte Aufnahmefähigkeit der Stahloberfläche für polymeren Abrieb im Sinne einer Deponierung von Trockenschmierstoff begrenzt. Ist die quer zur Laufrichtung geschliffene Ringoberfläche mit dem am Pin abgeriebenen Material „gesättigt“ (z. B. die Rauheits- Aus Wissenschaft und Forschung 36 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 2/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0011 auf die Stahloberfläche übertragenen Menge an Compoundmaterial einher. Der auf den Gesamtverschleiß des Pins bezogene Anteil des auf der Stahloberfläche deponierten PA46/ PTFE-Polymerblends nimmt mit höherem Druck ab, mit anderen Worten: der Wirkungsgrad beim Triboschichtaufbau aus Trockenschmierstoff sinkt (Tabelle 5). Bild 12: Lichtmikroskopische (links), rasterelektronenmikroskopische (Mitte) Aufnahmen sowie mit EDX gemessene Verteilungsbilder der Compound-Massenbelegung (rechts) auf repräsentativen Stahloberflächensektoren in Abhängigkeit des im Triboexperiment gewählten Anpressdrucks des PA46-MP1600-cb Pins PA46-MP1600-cb; Anpressdruck Pin: 3 MPa PA46-MP1600-cb; Anpressdruck Pin: 5 MPa Anpressdruck Compound 3 MPa 5 MPa PA46+MP1100 740 ±28 μg 715 ± 7 μg PA46+MP1600 560 ± 6 μg 520 ±11 μg Tabelle 4: Auf der Stahloberfläche nach Ende des Triboexperiments verbliebene Compound-masse Anpressdruck Compound 3 MPa 5 MPa PA46+MP1100 30% 21% PA46+MP1600 26% 14% Tabelle 5: Der auf den Gesamtverschleiß des Blocks bezogene, prozentuale Anteil des auf der Stahloberfläche deponierten PA46/ PTFE-Polymerblends nach Ende des Triboexperiments TuS_2_2021.qxp_TuS_Muster_2021 08.06.21 10: 18 Seite 36 tiefen bzw. Riefen gefüllt), kann unter der gegebenen tribologischen Beanspruchung immer weniger Verschleißmaterial auf der Stahloberfläche aufgebracht werden. Der im Kontakt Block/ Ring stetig erzeugte polymere Abrieb verbleibt dann zumindest für einen weiteren Aufbzw. Ausbau einer triboinduzierten Trockenschmierschicht ungenutzt. 4 Zusammenfassung und Schlußfolgerungen In dieser Arbeit wurden mechanische und tribologische Untersuchungen zur Charakterisierung von PA46- PTFE-Trockenschmierstoffen durchgeführt, welche über reaktive Extrusion von strahlenmodifizierten PTFE mit PA46 erzeugt wurden. Infrarotspektroskopische Untersuchungen an Extraktionsrückständen der Compounds haben in Abhängigkeit vom Modifizierungsgrad des PTFE unterschiedliche Kopplungsgrade des PTFE an die Polyamidmatrix unter jeweils identischen Extrusionsbedingungen und ohne Prozessoptimierung aufgezeigt. Durch die chemische Anbindung von PTFE an das Polyamid bleiben die mechanischen Eigenschaften der PA46-Matrix, mit Ausnahme der Bruchdehnung, auch bei dem verwendeten hohen PTFE Gehalt im Compound weitgehend erhalten. Zur tribologischen Charakterisierung wurden das Matrixpolymer PA46 und die PA46-PTFE-Compounds in einer Block-auf-Ring Anordnung bei relativ niedrigen Pressungen getestet. Es zeigte sich, dass unabhängig von der Belastung die PA46-PTFE-Compounds im Vergleich zu originärem PA46 eine geringere Reibungszahl und höheren Verschleißwiderstand aufwiesen, wobei PA46- MP1100-cb das beste tribologische Verhalten erzielte. Die Verringerung der Reibung und des Verschleißes bei PA46-PTFE-Compounds im Vergleich zum originären PA46, vgl. z.B. Bild 8 und Bild 9, kann auf die veränderten mechanischen Eigenschaften der modifizierten Compounds (hervorgerufen durch die chemische Bindung von bestrahltem PTFE an das originäre Matrixpolymer PA46) zurückgeführt werden. Bild 6 zeigt, dass durch die chemische Kopplung von bestrahltem PTFE an das Matrixpolymer PA46 die Festigkeit der Werkstoffe abnimmt, was zu einer Verringerung des Verformungsanteils der Reibungskraft und damit der Gesamtreibungszahl führen kann. Oberfächenanalytische Untersuchungen an Stahlringoberflächen, die vorher durch unterschiedliche chemisch gekoppelte PA46-PTFE-cb Compounds tribologisch beansprucht wurden, zeigten, dass eine Steigerung des Pin- Anpressdrucks nicht zu einer Erhöhung der auf der Stahloberfläche deponierten Polymermasse führt. Die resultierenden Tribofilme sind hinsichtlich ihrer lateralen Verteilung und Schichtdicke sehr inhomogen. Die Resultate deuten darauf hin, dass die Topografie der hier eingesetzten, geschliffenen Funktionsoberflächen letztendlich das Aufnahmevermögen für polymere Abriebbestandteile maßgeblich bestimmt. Eine weitere Beobachtung ist, dass bei Pressungen von 3 MPa deutlich weniger Compound-Verschleiß auftritt als bei höheren Pressungen von 5 MPa. Gleichzeitig ändert sich die Massenbelegung auf der Stahloberfläche hierdurch nur sehr geringfügig. Dies deutet darauf hin, dass bei niedrigen Pressungen ein effizienterer Schmierungsmechanismus erzielt werden kann. Die Oberflächenanalytik zeigt, dass in den untersuchten Beispielen mit dem chemisch gebundenen Compound PA46-MP1100-cb eine höhere Massenbelegung auf den Stahloberflächen als mit PA46-MP1600-cb, welcher eher einer physikalischen Mischung entspricht, erhalten wurde. Die bessere Haftung auf Stahl kann mit der höheren Polarität des chemisch gebundenen Compounds erklärt werden. Bei der physikalischen Mischung wird davon ausgegangen, dass durch Verschleiß in Folge des sehr niedrigen Funktionalisierungs- und Kopplungsgrades überwiegend reines PTFE-Pulver entsteht, welches nur schlecht auf Stahl haften kann. Die hier vorgestellten Erklärungsansätze für das tribologische Verhalten der Festschmierstoffe werden weiter Gegenstand der Forschungsarbeiten sein. Diese werden an einem Zwei- Scheibenprüfstand durchgeführt, wobei der Einfluss der aufgetragenen Schicht aus Trockenschmierstoff auf das Reib- und Verschleißverhalten im Stahl-Bronze-Kontakt untersucht wird. Zudem wird in den nächsten Arbeiten angestrebt, das tribologische Verhalten des bestrahlten PTFE (100 Gew.%) als Referenz zu untersuchen. Danksagung Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft für die Förderung im Rahmen des Projekts „Fluidfreie Schmierung von Schneckengetrieben auf Basis von PTFE“ (GZ: SA 898/ 26-1; KO 1220 27-1, GE 2635/ 2-1). Literatur [1] Eyerer, P., Elsner, P., and Hirth, T. (2005), „Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften“, 1 st Edition. Springer-Verlag, Berlin, ISBN 9783540214106 [2] Ye J., Khare H. S., and Burris D. L. 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