Aus Wissenschaft und Forschung 16 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 1/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0003 Experimentelle Untersuchungen zum Einlaufverhalten bleifreier Sondermessinglegierungen Achill Holzer, Björn Reetz, Tileman Münch, Katharina Schmitz* Eingereicht: 28.9.2021 Nach Begutachtung angenommen: 8.2.2022 Dieser Beitrag wurde im Rahmen der 62. Tribologie-Fachtagung 2021 der Gesellschaft für Tribologie (GfT) eingereicht. In tribologischen Systemen mit hoher Beanspruchung kommen wegen ihrer hervorragenden Reibverschleißeigenschaften bevorzugt Sondermessinge zum Einsatz. Ein gutes Beispiel dafür sind Axialkolbenpumpen und -motoren. Diese enthalten eine Vielzahl von Bauteilen aus Sondermessing. Als Kontaktpartner für das Sondermessing wird üblicherweise ein vergüteter und nitrierter Stahl eingesetzt. Diese Werkstoffkombination ergibt eine Hartweich-Paarung. Solche Hart-weich-Paarungen zeigen generell ein gutes Einlaufverhalten, da sich das weichere Material (in diesem Fall das Sondermessing) schnell an die Oberfläche des härteren Reibpartners anpassen kann. Zu den Gleitpaarungen in der Axialkolbenpumpe, bei der das Einlaufen eine besonders große Rolle spielt, zählt der Kontakt Steuerspiegel-Kolbentrommel. Für ein optimales Einlaufen des Steuerspiegels wird dessen Kontaktfläche gefinisht. Das Finishing besteht aus einem Feinschleif- oder Läppvorgang und anschließendem Gleitschleifen. Mittels Feinschleifen/ - Läppen wird hierbei die Zielrauheit der Kontaktfläche voreingestellt. Das Gleitschleifen erzielt mehrere Effekte: Verrundung des Kantenbruchs, Abtragen der Rauheitsspitzen und Schaffung von Grübchen als Schmierstoffreservoir in der Kontaktfläche mit der Kolbentrommel. Als Werkstoff für Steuerspiegel haben sich seit Jahrzehnten Sondermessinge auf der Basis von CuZn-Mn-Al-Pb-Si, die zwischen 0,1 und 1,0 Masse-% Blei als Legierungselement enthalten und somit als technisch bleihaltig gelten. Blei dient in diesen Legierungen nicht nur als Spanbrecher, sondern trägt auch durch Einbau in die Triboschichten zur Verbesserung des Reibverschleißverhaltens bei. Im Rahmen der stoffpolitischen Entwicklungen rund um REACH wird Blei zunehmend aus den Kupferwerkstoffen verbannt und es müssen bleifreie Alternativen entwickelt werden. Ziel der Entwicklung ist, durch chemische Zusammensetzung und Gefüge in den bleifreien Werkstoffen die gleichen guten Eigenschaften, wie sie für die bleihaltigen Referenzwerkstoffe bekannt sind, zu erzielen. Kurzfassung * Achill Holzer, M.Sc. Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0003-1190-1819 Institut für fluidtechnische Antriebe und Systeme (ifas) RWTH Aachen University Campus Boulevard 30, 52074 Aachen Dr.-Ing. Björn Reetz Dr.-Ing Tileman Münch OTTO FUCHS Dülken GmbH&Co.KG, Heiligenstraße 70, 41751 Viersen Univ.-Prof. Dr.-Ing. Katharina Schmitz Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0002-1454-8267 Institut für fluidtechnische Antriebe und Systeme (ifas) RWTH Aachen University Campus Boulevard 30, 52074 Aachen Das Ergebnis dieser Entwicklung sind die drei neuen, in diesem Beitrag vorgestellten bleifreien Sondermessingwerkstoffe. Für diese wurde untersucht, wie sich die Oberflächenrauheit (fein/ grob) und das Fertigungsverfahren (Feinschleifen + Gleitschleifen/ Läppen + Gleitschleifen) auf das Einlaufverhalten auswirken. Die Vorgaben hierfür basieren auf den Erfahrungen mit dem bleihaltigen Referenzwerkstoff CuZn40Al2Mn2Si. Es ist gelungen, für alle untersuchten bleifreien Werkstoffe die gefinishten Oberflächen so einzustellen, dass ein reproduzierbares Einlaufverhalten erzielt wurde. Abhängig von den Werkstoffeigenschaften der vier Legierungen und den variierten Parametern ergab sich ein unterschiedliches Einlaufverhalten. Das Optimum der Parameter für ein schnelles Einlaufen ist hierbei für die untersuchten Werkstoffe verschieden. Die ermittelten Reibwerte unterscheiden sich unter dieser Voraussetzung nicht signifikant, von denen des mit Blei legierten Referenzwerkstoffs. Schlüsselwörter bleifrei, REACH, Tribometer, Sondermessing, Feinschleifen, Läppen, Kolbentrommel, Steuerspiegel 1 Motivation Als Werkstoff für Steuerspiegel sind Sondermessinge auf der Basis der Zusammensetzung CuZn-Mn-Al-Pb-Si bereits seit vielen Jahrzehnten zuverlässig im Einsatz. Diese Werkstoffe enthalten zwischen 0,1 und 1,0 Masse-% Blei als Legierungselement. Blei dient in diesen Legierungen nicht nur als Spanbrecher, sondern Untersuchungen haben gezeigt, dass Blei auch in den tribologischen Reaktionsschichten angereichert wird und so zu einer Verbesserung des Reibverschleißverhaltens beitragen kann / Pau17/ . Im Rahmen der stoffpolitischen Entwicklungen rund um REACH wird Blei zunehmend aus den Kupferwerkstoffen verbannt. Somit sind bleifreie Alternativen erforderlich, bei denen die gleichen guten Eigenschaften vorliegen, wie sie für die bleihaltigen Referenzwerkstoffe bekannt sind. Daher ist es nicht ausreichend, einfach nur Blei in den bekannten Referenzwerkstoffen wegzulassen. Vielmehr sind Maßnahmen an der chemischen Zusammensetzung und den Gefügen der bleifreien Werkstoffe erforderlich, um zu diesen gewünschten Eigenschaften zu gelangen. Wesentlich für das Einlaufverhalten und damit die Effizienz des Steuerspiegels ist für eine gegebene Materialpaarung die Oberflächenbeschaffenheit in der Kontaktfläche am einbaufertigen Bauteil. Mit dem Finishing des Steuerspiegels wird diese Oberfläche eingestellt, so dass die rein technische Aufgabe darin besteht, für die bleifreien Alternativen bedarfsgerechte technische Oberflächenvorgaben einzustellen. Das Finishing trägt in der gesamten Kette der Herstellung des Steuerspiegels auch relevant zu den Kosten bei und liefert deshalb ein wichtiges Potenzial zur Kostenoptimierung der Steuerspiegel. Zu dem Wechselspiel Oberflächenbearbeitungsprozessen, den sich einstellenden Oberflächen und dem daraus resultieren Einlaufverhalten liegen lediglich sehr vereinzelte Untersuchungen vor. Diese Untersuchungen wurden zudem üblicherweise an einfach zusammengesetzten Messingwerkstoffen durchgeführt, die aufgrund ihrer Zusammensetzung und Gefüge unzureichend auf die für Steuerspiegel relevanten Sondermessinge übertragbar sind. Angesichts des Stands der Technik sehen die Autoren die Notwendigkeit zur Durchführung umfassender systematischer Untersuchungen zum Einlaufverhalten von Sondermessingen für Steuerspiegel. Diese Untersuchungen sind Gegenstand des vorliegenden Beitrags. 2 Einlaufen tribologischer Systeme Wenn die Oberflächen der Reibpartner des tribologischen Systems, in dem vorliegenden Fall Steuerspiegel und Kolbentrommel, nach Einbau und Inbetriebnahme erstmals in Funktion sind, vergeht eine gewisse Zeit, bis die tribologische Paarung einen stabilen Zustand (Steady- State) erreicht. Diese dem stabilen Betriebszustand vorangehende Phase wird als Einlaufen bezeichnet. Während in vielen Betrachtungen des Einlaufens das geometrische Glätten der Oberflächen im Vordergrund steht, ist das Einlaufen insgesamt ein viel komplexerer Prozess und kann eine Vielzahl von Einzelaspekten umfassen:  Geometrische Veränderungen der Reiboberflächen (Abtragen von Rauheitsspitzen, Bildung neuer Rauheitstäler infolge abrasiver Wirkung)  Stoffliche Veränderungen in den Reiboberflächen („Dritter Körper“, Tribomutationsschichten): Eine reale Oberfläche besteht aus gegenüber dem Grundwerkstoff sich stofflich und strukturell unterscheidenden Bereichen, die stark vereinfacht in einem Schichtmodell mit äußerer (physikalische und chemische Reaktionen mit der Umgebung) sowie innerer Grenzschicht (Veränderungen der Struktur und Eigenschaften des Grundwerkstoffs ohne Änderung dessen chemischer Zusammensetzung) betrachtet werden / Czi15/ .  Dabei führen Vorgänge in wenigen Nanometern (z.B. Amorphisierung) bis hin zu vielen Mikrometern (z.B. Phasenumwandlungen, Rekristallisation) Materialtiefe unterhalb der Kontaktfläche zu wesentlichen Veränderungen der resultierenden Werkstoffeigenschaften an der Oberfläche gegenüber dem Grundwerkstoff, z.B. hinsichtlich Festigkeit, Korrosion, Schmierung sowie Reibung und Verschleißwiderstand / Czi15, Bla05/ . Aus Wissenschaft und Forschung 17 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 1/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0003 Experimental Investigations into the Running-in Behavior of Lead-free Special Brass Alloys In tribological systems with high loads, leaded special brasses are preferably used because of their excellent wear properties. Axial piston pumps and motors are a good example of such systems. In order to be able to dispense with lead-containing materials in the future, alternative materials are being tested. The result of this development are three new lead-free special brass materials presented in this article. For these, the effect Abstract of surface roughness (fine/ coarse) and the manufacturing process (fine grinding + vibratory grinding/ lapping + vibratory grinding) on the running-in behavior was investigated. The specifications for this are based on experience with the lead-containing reference material CuZn40Al2Mn2Si. Keywords lead-free, REACH, tribometer, special brass, fine grinding, lapping, cylinder, valve plate. Deeken durchgeführt / Jan97, San03, Dee05/ . Wegner / Weg15/ verfolgte simulative Arbeiten, die experimentell validiert werden konnten. Weiterhin wurden Messungen und Simulationen des Kontaktes Kolbentrommel - Steuerspiegel an verschiedenen Forschungseinrichtungen / Wie03, Brä06, Cha14/ durchgeführt. Über die Verstellung des Schwenkwinkels der Schrägscheibe lassen sich bei der Schrägscheibenpumpe stufenlos unterschiedliche Schluckvolumina einstellen. Die Temperatur des Hydraulikmediums ist eine weitere Variable in dem System. Damit ergeben sich vielfältige mögliche Arbeitspunkte, in denen Axialkolbenpumpen in Schrägscheibenbauweise abhängig von der Anwendung in Bezug auf Druck, Drehzahl, Ausschwenkung und Temperatur betrieben werden können. Dies führt beim tribologischen Kontakt Kolbentrommel -Steuerspiegel ebenfalls zu einem breiten Band an Arbeitspunkten, welche sowohl Grenz-, Flüssigkeitsals auch Mischreibung beinhalten. Aus den resultierenden Beanspruchungen lassen sich übergeordnet nachfolgende Anforderungen an den Steuerspiegel ableiten:  Reproduzierbares und schnelles Einlaufen der Kontaktfläche  Geringe Reibung  Geringe Leckage  Hohe Effizienz  Hoher Verschleiß- und Kavitationswiderstand  Temperaturfestigkeit  Verträglichkeit mit dem eingesetzten Hydraulikmedium Diese genannten Anforderungen schlagen sich auch in der Auslegung der Geometrie und den Oberflächen des Steuerspiegels nieder, wie nachfolgend erläutert wird. 3.2 Resultierende Anforderungen an Geometrie und Oberfläche Die vorgenannten Anforderungen werden am besten durch eine Oberfläche erfüllt, welche Plateaus mit dazwischenliegenden Tälern aufweist. Eine solche Oberfläche darf nicht zu glatt sein, weil sonst kein Schmierstoff mehr zwischen die Reibpartner gelangen kann und das Risiko von Adhäsion besteht. Sichtbare Kratzer auf den Funktionsflächen sind wegen des Risikos von Leckagen unerwünscht. Ungerichtete Vertiefungen ohne eine ausgeprägte Verbindung zu den Außenrändern des Steuerspiegels unterstützen durch Einfangen des Schmierstoffs dessen Schmierwirkung im Reibkontakt. Eine entsprechende Oberfläche wird durch das gezielte Finishing der Steuerspiegel eingestellt. Aber nicht nur die Oberflächenbearbeitung selbst, sondern auch Fertigungsschritte wie beispielsweise ein Gleitschleifen, das auch Aus Wissenschaft und Forschung 18 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 1/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0003 Alle am Tribosystem beteiligten Reibpartner, deren Umgebung und die Belastungsparameter wirken beim Einlaufen des Tribosystems zusammen und sind daher für das Einlaufen zu berücksichtigen. Das Ziel eines optimalen Einlaufens ist, dass sich im stationären Zustand des Tribosystems ein stabiler Betriebszustand mit möglichst geringer Reibung, wenig Verschleiß und somit hoher Effizienz einstellt / Bla05/ . Dafür vorteilhaft sind üblicherweise entsprechend der Betriebsbedingungen mittlere Lasten. Zu geringe Lasten können nicht die gewünschten Oberflächenveränderungen herbeiführen, während sich bei zu hohen Lasten keine stabilen Bedingungen und Oberflächenzustände ausbilden. 3 Tribologischer Kontakt: Kolbentrommel - Steuerspiegel 3.1 Funktion und Beanspruchungen des Kontakts Axialkolbenpumpen wandeln die Drehung einer Eingangswelle in einen Volumenstrom des zu fördernden Druckmediums um. Die Pumpen bestehen typischerweise aus einer ungeraden Anzahl Kolben, welche in einer revolverartigen Kolbentrommel einer aufgezwungenen Bewegungsbahn folgen. Der Druckaufbau findet durch die jeweilige Kinematik sowie einer Kommutation zwischen Hoch- und Niederdruckversorgung statt. Bedingt durch hohen Flächenpressungen sowie hohen Relativgeschwindigkeiten kommt es an mehreren Stellen zu tribologisch anspruchsvollen Belastungen. Die Kontakte Kolbentrommel - Steuerspiegel, Kolben - Buchse und Kolbengleitschuh - Schrägscheibe, sind üblicherweise am höchsten belastet und in Bild 1 dargestellt. Weiterführende Betrachtungen, Auslegungsansätze und Funktionsprinzipien von Axialkolbenmaschinen sowie deren tribologische Kontakte sind unter anderem / Iva93, Sch18, Man13/ zu entnehmen. Gegenstand der vorliegenden Veröffentlichung ist speziell der Kontakt Kolbentrommel - Steuerspiegel. Dieser dient nicht nur als hydrostatisches Lager der Triebwerkseinheit, sondern gleichzeitig als Ventil für die Kommutation zwischen den unterschiedlichen Druckniveaus. Betrachtungen des Kolbentrommel -Steuerspiegel -Kontaktes wurden am ifas bereits von Jang, Sanchen und Bild 1: Wesentliche tribologische Kontakte in einer Schrägscheibenmaschine zur Bearbeitung der Kanten eingesetzt wird, beeinflussen die Oberfläche. Das Gleitschleifen erzeugt feine Mulden, die als zusätzliche Schmierstoffreservoirs dienen. Aus dem Zusammenspiel des Werkstoffs und der Oberflächenbearbeitung des Bauteils (Werkstück) resultiert ein Rauheitsprofil. Das Rauheitsprofil kann optisch oder taktil bestimmt und daraus charakteristische Parameter zur Beschreibung der Spitzen und Täler abgeleitet werden. Technisch besonders gebräuchliche Parameter sind der arithmetische Mittenrauwert Ra, die maximale Rautiefe Rmax, die reduzierte Spitzenhöhe Rpk und die reduzierte Spitzentiefe Rvk. Dabei erfolgt die Herleitung der reduzierten Spitzenhöhe Rpk und der reduzierten Spitzentiefe Rvk aus der Abbott-Kurve, bei der es sich um eine spezielle Darstellung zur Beschreibung der Höhen und Tiefen des Rauheitsprofils handelt. Am unspezifischsten sind dabei die Parameter Ra und Rmax, denn auch wenn zwei Oberflächen die gleichen Ra- oder Rmax-Werte aufweisen, können sich deren Oberflächenprofile in technisch relevanter Weise signifikant unterscheiden. Deshalb ist die Berücksichtigung weiterer Kennwerte wie zum Beispiel Rpk und Rvk erforderlich, je genauer die Oberfläche und damit auch die nötigen Verfahren zu deren Erzeugung definiert werden sollen. Eine umfassende Beschreibung der Oberflächenparameter findet sich bei / ZEI16/ . Untersuchungen zu Oberflächenparametern in hydraulischen Systemen wurden unter anderem durch / Alb16, Brc15, Bur14, Keh98, Scg01, Sco15, Wel14/ durchgeführt. Die aus den Anforderungen für Steuerspiegel üblicherweise resultierenden Parameter liegen in den nachfolgenden Wertebereichen:  Ra 0,1 bis 0,8 µm  Rmax 3 bis 8 µm  Rvk 0,1 bis 1,0 µm  Rpk ≤ 0,8 µm Bei den Anwendern liegen in der Anwendung sehr unterschiedlichste Bedingungen vor, z.B. Geschwindigkeit und Schmierstoffauswahl, und deshalb wird im Einzelfall entweder das obere oder das untere Ende der genannten Wertebereiche bevorzugt. Die in Bild 2 gezeigten Abbottkurven vergleichen die unterschiedlichen Rauheitsprofile verschiedene Oberflächenbearbeitungen für den bleihaltigen Referenzwerkstoff CuZn40Al2Mn2Si. Bild 3 zeigt die Abbottkurven der beiden bleifreien Alternativmaterialien, welche in der vorliegenden Arbeit mit der bleihaltigen Referenzlegierung verglichen werden. Aus Wissenschaft und Forschung 19 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 1/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0003 Bild 3: Oberfläche vor Versuchsbeginn bleifreie Alternativmaterialien CuZn36Mn3Al2Si1NiSn (links), CuZn28Al4Ni3Si1Mn (rechts), optische Rauheitsmessungen basierend auf Farb-Fokusvariation mit dem Messsystem Alicona G4 / Pra01/ Bild 2: Oberfläche vor Versuchsbeginn bleihaltige Referenzlegierung (CuZn40Al2Mn2Si), optische Rauheitsmessungen basierend auf Farb-Fokusvariation mit dem Messsystem Alicona G4 / Pra01/ Anteile an im Vergleich dazu weicherer α-Phase auf (Bild 4). Bei den Hartphasen handelt es sich herkömmlicherweise um Mangansilizide oder auch Mischsilizide. Der Anteil der Silizide beträgt wenige Prozent, 10 bis einige 100 µm Länge sind für die Silizide üblich. Die in den gezeigten Versuchen untersuchten Sondermessinge wurden von der Firma OTTO FUCHS Dülken (OFD) zur Verfügung gestellt. Als Referenzwerkstoff dient hierbei die bleihaltig Legierung CuZn40Al2MnSi (OF 2212). Das Gefüge dieser Legierung weist eine Messingmatrix mit überwiegend härterer β-Phase und auf den Korngrenzen sowie im inneren der β-Körner im Vergleich dazu weicherer α-Phase auf. In die Messingmatrix sind um die 3 % Mangansilizide als Verschleißträger eingelagert. Das Blei liegt in Form elementarer Ausscheidungen vor. Die Brinellhärte von den Tribomerterscheiben aus CuZn40Al2MnSi beträgt ca. 160 HBW 2,5/ 62,5. Mit dem in der Legierung vorherrschenden Gefüge wird eine gute Kombination aus Verarbeitungs- und Anwendungseigenschaften erzielt. Als bleifreier Vergleichswerkstoff mit gleichem Gefügetyp und ähnlicher Härte (170 HBW) wurde die Legierung CuZn36Mn3AlsSi1Sn (OF 2228) ausgewählt. CuZn36Mn3AlsSi1Sn ist eine für Steuerspiegel eingesetzte Legierung, bei der sich durch gezielte Maßnahmen der Legierungszusammensetzung ähnliche Eigenschaften wie bei der bleihaltigen Referenz ergeben. Aus Wissenschaft und Forschung 20 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 1/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0003 Der Vergleich dieser Abbottkurven zeigt, dass bei den unterschiedlichen Materialien ähnliche Oberflächenrauheitsstrukturen erzeugt wurden. 4 Experimentelle Untersuchungen Für die Untersuchung des Einlaufverhaltens von Steuerspiegeln wurde eine zweistufige Vorgehensweise gewählt. Tribometeruntersuchungen dienten dazu, in der ersten Stufe eine breite Kombination aus Werkstoffen, Oberflächenbearbeitungen und resultierenden Oberflächenprofilen unter vergleichbaren Randbedingungen zu testen. Dabei wurden im Anlieferungszustand Stribeckkurven aufgenommen und die Prüfkörper anschließend nach einer in Kapitel 4.2 definierten Prozedur eingefahren. Es hätte den vertretbaren Aufwand gesprengt, den gleichen Testumfang mit einem Pumpenprüfstand durchzuführen. Deshalb wird in Kapitel 5.4 lediglich exemplarisch die Übertragbarkeit auf komplette Pumpen gezeigt. 4.1 Untersuchte Steuerspiegelwerkstoffe Sondermessinge sind eine gängige Werkstoffgruppe für Steuerspiegel in Axialkolbenpumpen. Das charakteristische Gefüge dieser Sondermessinge besteht aus einer Messingmatrix mit darin eingelagerten Hartphasen als primärer Verschleißträger. Die Messingmatrix weist dabei überwiegend β-Phase und üblicherweise geringere Bild 4: Lichtmikroskopische Aufnahmen der der Gefüge der untersuchten Legierungen für Steuerspiegel Bezeichnung OFD Kurzname der Legierung -Anteil [%] -Anteil [%] Anteil der IMP** [%] Härte HBW*** OF 2212 CuZn40Al2Mn2Si Rest * 14 3 160 OF 2228 CuZn36Mn3Al2Si1Sn Rest * 12 3 170 OF 2290 CuZn28Al4Ni3Si1Mn Rest * <2 7 230 Tabelle 4 1: Zusammenfassende Angaben zu den Gefügen und Härten der untersuchten Legierungen für Steuerspiegel CuZn40Al2Mn2Si (OF 2212) CuZn36Mn3Al2Si1Sn (OF 2228) CuZn28Al4Ni3Si1Mn (OF 2290) * α, β und IMP ergeben ** IMP=Intermetallische Phasen ***Härte wurde durchgängig zusammen 100% mit HB2,5/ 62,5 bestimmt Außerdem wurde eine im Vergleich zu CuZn36Mn3 AlsSi1Sn deutlich festere Legierung untersucht. CuZn28Al4Ni3Si1Mn (OF 2290) ist mit ≥230 HBW die Legierung mit der größten Härte in den Untersuchungen. Im Gefüge sind lichtmikroskopisch lediglich sehr vereinzelt α-Körner nachweisbar. Im Vergleich zu den Mangansiliziden bei den vorgenannten Sondermessingen liegen die Hartphasen aufgrund ihrer Mischzusammensetzung bei CuZn28Al4Ni3Si1Mn in rundlicher Form vor. Tabelle 4 1 führt die Materialien auf. 4.2 Tribometerprüfstand Der Scheibe - Scheibe Tribometerprüfstand dient zum Nachstellen der Schmierungsbedingungen innerhalb hydraulischer Verdrängereinheiten. Dies ermöglicht es im Gegensatz zu einem Pumpenprüfstand, kostengünstiger und schneller Tests durchführen zu können. Weiterhin ermöglicht der Versuchsaufbau die Bestimmung von Messwerten, die in einer Komplettpumpe nicht erfasst werden könnten. Für die Versuche werden Tribometerscheiben der Abmessung 70 mm Außendurchmesser x 29 mm Innendurchmesser x 15 mm Höhe verwendet. Durch den Anpresszylinder können die Scheiben mit einer definierten Last beaufschlagt werden. Die Tribometerscheibe und der Rotor (Reibpartner aus nitriertem Stahl) befinden sich in einem gemeinsamen Ölbad, welches durch einen separaten Umwälzkreislauf temperiert und gefiltert wird. Die Art Tribometerprüfstand ist auch als Tribometer nach Siebel-Kehl bekannt / Keh36/ . Bild 5 zeigt das Scheibe - Scheibe Tribometer sowie dessen Messtechnik und die Tribokammer in der die tribologische Belastung stattfindet. Nähere Informationen zum Tribometer unter / Hol19/ , / Kos21/ . Bei den Versuchen wurde neben den Parametern Winkelgeschwindigkeit ω und Anpresskraft F auch die Viskosität des Fluids (η bzw. ν) durch Temperaturänderung des Fluids variiert. Dadurch konnte eine höhere spezifische Reibleistung aufgrund des höheren Festkörperreibanteils in die Lageroberfläche eingebracht werden. Die Tribometerversuche umfassen das Abfahren von Stribeckkurven und die Durchführung von Einlaufversuchen. Bei der Durchführung der initialen Stribeckvermessung wird der vorgeheizte Prüfstand genutzt. Nach Start des Tests erfolgt eine Kalibrierung des Momentensensors. Ausgehend von einer Drehzahl von 500 min -1 wurde diese schrittweise bis auf einen Maximalwert von 4000 min -1 gesteigert, was einer Reibgeschwindigkeit von 14 m/ s entspricht. Auf der Maximaldrehzahl wurde wenige Sekunden ausgeharrt, bis sich ein Temperaturgleichgewicht eingestellt hat. Nach Erreichen der Temperatur wird die eingestellten Drehzahlrampe durch gleichmäßige Verminderung der Drehzahl bis zum Stillstand des Prüfstands abgefahren. Im Anschluss daran wurden die Testscheiben ausgebaut und vermessen. Nach Bestimmung der initialen Stribeckkurven wurde die Vermessung der Einlaufkurven an den gleichen Tribometerscheiben durchgeführt. Dieses Vorgehen ist bei der Diskussion der Ergebnisse zu beachten. Für die Einlaufkurven wurde basierend auf Herstellerangaben zum Einlaufen von Pumpen eine Gleitgeschwindigkeit von 6 m/ s gewählt. Bei konstanter Belastung erfolgte über die ersten 10 Betriebsminuten die Aufzeichnung von Reibwert und Temperatur am Reibkontakt beziehungsweise Ölbad. Dabei wird der zugehörige Reibwert, und Aus Wissenschaft und Forschung 21 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 1/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0003 Bild 5: Schematischer Aufbau des Tribometerprüfstands 4.3 Pumpenprüfstand Der Pumpenprüfstand dient dem Ziel, die Erkenntnisse des Scheibe - Scheibe Tribometers in praxisnaher Umgebung zu validieren. In diesem Prüfstand ist der Hauptkontakt Steuerspiegel -Kolbentrommel korrekt abgebildet, alle weiteren Einflüsse sollen möglichst wenig ins Gewicht fallen. Aufgebaut wurde der Prüfstand (Bild 6), basierend auf einer Axialkolbenmaschine für geschlossene Kreisläufe, welche den Vorteil aufweist, den Kavitationseinfluss durch eine Vorspannung ausblenden zu können. Für die Aus Wissenschaft und Forschung 22 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 1/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0003 damit letztlich der Reibkoeffizient, mittels Drehmomentmessung und Verrechnung mit dem Antriebsmoment berechnet. 4.2.1 Angaben zu den Tribometerscheiben Bei den Tribometerscheiben wurde für alle Legierungen in gleicher Weise das Bearbeitungsverfahren (Feinschleifen + Gleitschleifen / DIN03a/ ) versus Läppen + Gleitschleifen / DIN03b/ ) sowie der an den Reibflächen eingestellte Rauheitsbereich (fein versus grob) variiert. Die daraus resultierenden Testvarianten sind Tabelle 4 2 zu entnehmen. Werkstoff Verfahren Rauheit Mittlere Ra Mittlere Rpk Mittlere Rvk CuZn40Al2Mn2Si (OF2212) geläppt Feine Rauheit 0,12 0,1 0,4 Grobe Rauheit 0,28 0,3 1,1 feingeschliffen Feine Rauheit 0,15 0,2 0,9 Grobe Rauheit 0,20 0,2 0,9 CuZn36Mn3Al2Si1Sn (OF2228) geläppt Feine Rauheit 0,12 0,2 0,4 Grobe Rauheit 0,30 0,3 1,1 feingeschliffen Feine Rauheit 0,15 0,2 0,8 Grobe Rauheit 0,25 0,2 1,0 CuZn28Al4Ni3Si1Mn (OF2290) geläppt Feine Rauheit 0,15 0,2 0,5 Grobe Rauheit 0,35 0,4 1,1 feingeschliffen Feine Rauheit 0,10 0,2 0,8 Grobe Rauheit 0,25 0,3 0,9 Tabelle 4 2: Kombination der Legierungen, Bearbeitungsverfahren und Rauheitsbereiche bei den für Tests eingesetzten Tribometerscheiben Bild 6: Schematischer Hydraulikschaltplan des Einzelkontaktprüfstands nötigen Randbedingungen sorgt ein externes Speiseaggregat, welches mittels zweier Zahnradpumpen zwei unterschiedliche Druckniveaus zur Verfügung stellt. Beide Abgänge verfügen über Temperatursowie Volumenstromsensoren. 5 Ergebnisse und Diskussion 5.1 Einlaufverhalten im bleihaltigen Referenzsystem Ausgangspunkt für die Betrachtung der bleifreien Sondermessinge ist die bleihaltige Referenzlegierung CuZn40Al2Mn2Si (OF2212). Die Stribeckkurven aller Oberflächenvarianten starten von einem Reibwert von etwa 0,15 im Grenzreibbereich. Bei einer Gleitgeschwindigkeit im Bereich von 4 bis 6 m/ s erreichen die Kurven im Gebiet der Flüssigkeitsreibung einen Reibwert von 0,02 bis 0,04, der mit weiter zunehmender Gleitgeschwindigkeit auf diesem Niveau ausharrt (Bild 7). Unterschiede zeigen sich im Einfluss der Oberflächenbearbeitungen auf die Neigung des Steilabfalls im Mischreibungsgebiet:  Die Kurven der Varianten vom Feinschleifen fallen steiler ab als beim Läppen  Die Oberflächen mit geringerer Rauheit bei gleichem Verfahren zeigen einen steileren Abfall des Reibwertes als die mit höherer Rauheit Dargestellt für das Einlaufverhalten sind die Reibwert- und Temperatur-Zeit-Verläufe aller Werkstoffe bei einer Reibgeschwindigkeit von 6 m/ s. Die Reibgeschwindigkeit für das Einlaufen von CuZn40Al2Mn2Si ist damit Aus Wissenschaft und Forschung 23 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 1/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0003 0 100 200 300 400 500 600 700 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 Reibkoeffizient CuZn40Al2Mn2Si 0 100 200 300 400 500 600 700 Zeit in Sekunden 50 55 60 65 70 Temperatur in °C Temperaturentwicklung feingeschliffen fein feingeschliffen grob geläppt fein geläppt grob Typischer Grenzwert 0 2 4 6 8 10 12 14 Geschwindigkeit in m/ s 0 0.05 0.1 0.15 0.2 Reibkoeffizient CuZn40Al2Mn2Si feingeschliffen fein feingeschliffen grob geläppt fein geläppt grob Bild 7: Initiale Stribeckkurve der CuZn40Al2Mn2Si (rechts Temperaturentwicklung) im bzw. am Ende des Übergangsbereichs von Grenzzu Flüssigkeitsreibung anzusiedeln. Ein besonders gutes Einlaufverhalten liegt vor, wenn sich innerhalb kurzer Einlaufdauer der Reibwert und die resultierende Temperatur im Reibkontakt auf ein stabiles, möglichst geringes Niveau einfahren. Geringe Startreibwerte zu Beginn des Einfahrens und niedrige Temperaturentwicklungen während des Einlaufvorganges sind dabei ebenfalls von Vorteil, damit die thermomechanischen Belastungen im Reibsystem begrenzt werden. Dementsprechend (Bild 8) stechen die feingeschliffenen Varianten sowie im Rauheitsvergleich die Varianten geringerer Rauheit durch ein etwas besseres Einlaufverhalten hervor (Bild 8). Bild 8: Einlaufvorgänge während der ersten 10 Minuten (CuZn40Al2Mn2Si), Reibgeschwindigkeit 6 m/ s, exemplarisch (je Variante 3 Versuche) prägt sind. Dies lässt sich bereits lichtmikroskopisch feststellen und wird in den elektronenmikroskopischen Aufnahmen noch deutlicher (Bild 10). Der Ablauf und das Resultat der Einlaufvorgänge sind wesentlich abhängig von den initialen Oberflächenstrukturen, die wiederum von den für die Oberflächenbear- Aus Wissenschaft und Forschung 24 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 1/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0003 Die Abbottkurven vom Sondermessing und der Stahl- Gegenscheibe zeigen, dass es während des Einlaufens zu einer Glättung der Rauheitsberge kommt (Bild 9). Mit dem Einlaufvorgang geht einher, dass die Bearbeitungsspuren vom Finishing der Oberflächen in der Kontaktfläche deutlich weniger bis gar nicht mehr ausge- Bild 10: Oberflächenaufnahmen der feingeschliffenen Tribometerscheiben mit hoher Rauheit aus CuZn40Al2Mn2Si nach der Fertigbearbeitung (a und d) und nach dem Einlaufen (b und e) sowie Übergang von Bearbeitungszu Reibfläche (c) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Materialtraganteil [%Rmr] -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 Schnittlinientiefe [μm] Neuzustand nach Stribeck 10 min eingelaufen 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Materialtraganteil [%Rmr] -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 Schnittlinientiefe [μm] Neuzustand nach Stribeck 10 min eingelaufen Bild 9: Abbottkurven, links bleihaltiges feingeschliffenes Sondermessing mit geringer Rauheit, rechts Stahl Gegenscheibe beitung angewendeten Verfahren beeinflusst werden. Beim Läppen wird verfahrensbedingt im Vergleich zum Feinschleifen weniger Material abgetragen. Damit bleiben höhere Spitzen in den Oberflächen stehen als beim Feinschleifen. Ein weiterer Effekt beim Läppen ist aber auch, dass zudem weniger ausgeprägt neue tiefere Täler erzeugt werden, weil es sich hierbei im Wesentlichen um einen reinen Glättungsvorgang handelt. Damit zeigt die geläppte Oberfläche im Allgemeinen geringere Rauheiten und damit einen kleineren Schmierspalt, aber auch gleichzeitig weniger ausgeprägte Schmierstoffreservoirs für hydrostatische Schmierung. Im Vergleich dazu zeichnet sich die feingeschliffene Oberfläche durch etwas geringere Oberflächenspitzen (höherer Traganteil und geringerer Kontaktdruck) und ausgeprägtere Täler und damit mehr Schmierstoffreservoirs für hydrostatische Schmierung aus, wobei die Täler auch eine etwas bessere Verbindung aufweisen, so dass sich der Schmierstoff auf der Gleitfläche gut verteilen kann. Diese Ausprägung der Täler spiegelt sich in größeren Rvk-Werten wider (Tabelle 4 2). Für das Einlaufen der Oberflächen und die Ausbildung von Tribomutationsschichten ist erforderlich, dass gleichmäßig verteilt in der Kontaktfläche Schmierstoff vorliegt und über hinreichende thermomechanische Belastungen genügend Energie zum Aktivieren der Schmierstoffreaktionen mit der Kontaktfläche eingebracht wird. Beides wird durch die bei den feingeschliffenen Tribometerscheiben vorliegenden Strukturen etwas besser erfüllt als beim Läppen und führt daher zu den noch besseren Einlaufergebnissen für feingeschliffene Tribometerscheiben. Sofern mit den Einstellungen des Läppprozesse ebenfalls durch zusammenhängende Täler für die gewünschte gleichmäßige Schmierung der Oberfläche gesorgt wird, zeichnet sich auch die geläppte Oberfläche durch ein deutliches Einlaufverhalten aus. Dieses Ziel kann augenscheinlich auch mit dem Läppen bei dem Referenzwerkstoff erreicht werden (Bild 8). Damit bestätigt sich die Erfahrung aus der Praxis, dass bei dem Referenzwerkstoff sowohl das Feinschleifen als auch das Läppen grundsätzlich für das Finishing der Steuerspiegel verwendbar sind / ASM89, PET, SCH/ . Somit ist hier der Einfluss des variierten Finishing- Verfahrens relativ gering. Um den Mischreibungsbetrieb bei geringen Einlaufgeschwindigkeiten zu erreichen, wird eine geringe Schmierspalthöhe bevorzugt. Vor diesem Hintergrund sind bei grundsätzlich gleicher Art der Oberflächenbeschaffenheit im allgemeinen geringere Rauheiten bevorzugt. Damit lässt sich schließlich auch erklären, warum bei gleichem Verfahren eine weniger raue Oberfläche für das optimale Einlaufen von Vorteil ist. Diese Oberflächenunterschiede spiegeln sich in der vorhandenen Größenordnung erwartungsgemäß unzureichend in den Oberflächenparameter Ra und Rmax wider. In jedem Falle sind für eingehendere Unterscheidungen die Oberflächenspitzen und -täler auch die Parameter Rpk bzw. Rvk zu betrachten. Tendenziell unterscheiden sich dabei an den bearbeiteten Tribometerscheiben die Rpk- Werte in geringerem Maße voneinander als die Rvk- Werte, wobei letztere für die raueren Varianten im Vergleich zu den feinen Varianten größer sind (Tabelle 4 2). Während in den vorliegenden Untersuchungen eine Einlaufgeschwindigkeit gewählt wurde, variiert diese in der Praxis von Hersteller zu Hersteller und kann auch höhere Werte annehmen. Hierbei sind mögliche Geschwindigkeitseffekte für unterschiedliche Oberflächenvarianten zu beachten, wie der Vergleich der Reibwerte von den Stribeckkurven mit denen der Einlaufkurven zeigt. Das Einlaufen geschmierter Oberflächen führt im Allgemeinen zu chemischen Veränderungen in der Reibfläche. Für deren qualitative Untersuchung wurden exemplarisch REM-EDX-Linienanalysen ausgewählter Elemente durchgeführt (Bild 11). Die Ergebnisse deuten wie zu Aus Wissenschaft und Forschung 25 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 1/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0003 Bild 11: REM-Bild einer Laufspur (Draufsicht im Schliff) sowie Linienverteilung ausgewählter Elemente anhand von REM-EDX-Analysen (normierte Verteilung mit 1 = Wert im unbeeinflussten Grundwerkstoff) 5.2 Auswirkungen der Eliminierung von Blei auf das Einlaufverhalten Im Vergleich zu CuZn40Al2Mn2Si unterscheidet sich CuZn36Mn3Al2Si1Sn hinsichtlich Gefüge und Härte am geringsten. Die initialen Stribeckkurven sowie die Entwicklung der Reibwerte und der Temperatur für die verschiedenen Oberflächenvarianten der Tribometerscheiben über eine Einlaufdauer von insgesamt 10 Minuten sind Bild 12 sowie Bild 13 zu entnehmen. Die Reibwerte der beiden feingeschliffenen Varianten sowie der geläppten mit hoher Rauheit stabilisieren sich beim Einlaufen auf ein gleichermaßen geringes Niveau von 0,04 bis 0,05 und während des Einlaufvorganges tritt auch keine Temperaturüberhöhung im Reibkontakt auf. Folglich zeigen sowohl die feingeschliffene als auch die geläppte Variante mit hoher Rauheit gutes Einlaufverhalten. Zudem lässt sich aus den vergleichbaren Aus Wissenschaft und Forschung 26 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 1/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0003 erwarten chemische Veränderungen an der Reiboberfläche gegenüber dem Grundwerkstoff an. Es zeigt sich der Hinweis auf die Bildung von Oxiden. Oxide wurden passenderweise auch schon bei Untersuchungen von / Pau07/ an Steuerspiegeln aus bleihaltigem Sondermessing nachgewiesen. Für eine weitergehende quantitative Analyse sind andere physikalische Analyseverfahren erforderlich, deren Einsatz den Rahmen der vorliegenden Arbeit gesprengt hätte. Derartige weiterführende Untersuchungen würden sich auch für die Untersuchung zur Anreichung von Schwefel, Phosphor oder anderen Additivbestandteilen in der Reibfläche eignen, denn üblicherweise erstreckt sich die Tiefe dieser Reaktionsschichten auf wenige Nanometer und ist für REM-EDX daher aufgrund der Auflösung nicht zugänglich. Vor diesem Hintergrund wurde bei den vorliegenden Untersuchungen auch von weiteren REM-EDX-Analysen abgesehen. 0 100 200 300 400 500 600 700 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 Reibkoeffizient CuZn36Mn3Al2Si1Sn 0 100 200 300 400 500 600 700 Zeit in Sekunden 50 55 60 65 70 Temperatur in °C Temperaturentwicklung feingeschliffen fein feingeschliffen grob geläppt fein geläppt grob Typischer Grenzwert 0 2 4 6 8 10 12 14 Geschwindigkeit in m/ s 50 55 60 65 70 Temperatur in °C CuZn36Mn3Al2Si1Sn feingeschliffen fein feingeschliffen grob geläppt fein geläppt grob 0 2 4 6 8 10 12 14 Geschwindigkeit in m/ s 0 0.05 0.1 0.15 0.2 Reibkoeffizient CuZn36Mn3Al2Si1Sn feingeschliffen fein feingeschliffen grob geläppt fein geläppt grob Bild 12: Initiale Stribeckkurve der CuZn36Mn3Al2Si1Sn (rechts Temperaturentwicklung) Ergebnissen bei den Reibwerten der Stribeck- und der Einlaufkurven schließen, dass bei der Legierung CuZn36Mn3Al2Si1Sn Geschwindigkeitseinflüsse auf das Einlaufverhalten weniger Einfluss haben. Diese Ergebnisse sind umso bemerkenswerter, als bei der Legierung bewusst auf Blei verzichtet wurde (Bild 13). Weiterhin auffällig ist ein etwas schlechteres Einlaufverhalten (Reibwert- und Temperaturentwicklung) der geläppten Oberfläche mit geringer Rauheit und daraus resultierend niedrigerer effektiver Flächenpressung in den Mikrokontakten. Dieses Verhalten wird darauf zurückgeführt, dass im Zus ammenspiel von genügend Schmierfähigkeit und Belastungen zur Aktivierung von Schmierstoff- Bild 13: Einlaufvorgänge während der ersten 10 Minuten (CuZn36Mn3Al2Si1Sn), Reibgeschwindigkeit 6 m/ s, exemplarisch (je Variante 3 Versuche) Werkstoff-Interaktionen die Ausbildung schützender Triboschichten unterstützt wird. Ungeachtet dessen hat sich jedoch auch diese Variante als praxistauglich erwiesen, denn in der realen Pumpe spielen noch weitere Faktoren eine wesentliche Rolle für das Oberflächendesign (Bauteilnuten, Pulsationen, Kavitation etc.) und sind die Auswirkungen der verschiedenen Oberflächen auf die Effizienz der Pumpe weniger ausgeprägt als in dem Modellkontakt. Die Glättung der Oberflächen nach dem Einlaufen ist sowohl anhand der Abbott-Kurven (Bild 14) als auch in den Oberflächen-Aufnahmen zu erkennen (Bild 15). Bei ähnlichem Gefüge wie bisher von der bleihaltigen Referenzlegierung bekannt unterscheiden sich die mechanischen Eigenschaften von CuZn36Mn3Al2Si1Sn nur geringfügig. Auch ohne Blei wird bei der neuen Legierung ein gutes Einlaufverhalten erzielt, ohne dass dafür die bislang eingesetzten Verfahrensfenster des Finishing verlassen werden müssen. Lediglich für die Oberfläche vom Läppen und mit geringer Rauheit weicht das Einlaufverhalten von den anderen Oberflächenvarianten deutlicher ab und erweist sich als etwas ungeeigneter. Das bedeutet, auch für die bleifreie Legierung CuZn36Mn3Al2Si1Sn sind sowohl das Aus Wissenschaft und Forschung 27 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 1/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0003 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Materialtraganteil [%Rmr] -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 Schnittlinientiefe [μm] Abbott Kurven radialen Richtung 31CrMoV9 gasnitriert Neuzustand nach Stribeck 10 min eingelaufen 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Materialtraganteil [%Rmr] -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Schnittlinientiefe [μm] Abbott Kurven tangentiale Richtung OF2228 Geläppt fein Neuzustand nach Stribeck 10 min eingelaufen Bild 14: Abbottkurven, links bleifreies feingeschliffenes Sondermessing geringer Rauheit, rechts Stahl Gegenscheibe Bild 15: Oberflächenaufnahmen der feingeschliffenen Tribometerscheiben hoher Rauheit aus CuZn36Mn3Al2Si1Sn nach der Fertigbearbeitung (a und c) und nach dem Einlaufen (b und d) und das nahezu 100 prozentige β-Matrixgefüge dieser Legierung zurückzuführen ist. Auch bei diesen beiden Legierungen zeigen die feingeschliffenen Varianten ein besseres Einlaufverhalten. Darüber hinaus jedoch treten sowohl im Fall der vergleichsweise relativ harten Sondermessinglegierung ausgeprägtere Abhängigkeiten des Einlaufens von den Oberflächen- und Fertigungsbedingungen auf, als dies gegenüber den Vergleichslegierungen aus Kapitel 5.2 der Fall ist (Bild 16, Bild 17). Im Falle der relativ harten Legierung CuZn28Al4Ni3Si1Mn ist der Unterschied zwischen feinen und groben Oberflächen bei den Stribeckkurven und dem Einlaufverhalten noch stärker ausgeprägt als bei den übrigen betrachteten Legierungen. Bei der für diese Legierung vorliegenden Härte ist davon auszugehen, dass Rauheitsspitzen unter den vorliegenden auf im Vergleich dazu weichere Werkstoffe abgestimmte Belastungen kaum nennenswert abgetragen werden können (Bild 18). Die- Aus Wissenschaft und Forschung 28 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 1/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0003 Feinschleifen als auch das Läppen grundsätzlich für das Finishing der Steuerspiegel einsetzbar. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, durch Veränderung der Belastungsparameter beim Einfahren das von Schmierung und Aktivierung der Schmierstoff-Werkstoff-Wechselwirkung zu steuern. Bei der chemischen Zusammensetzung dieser bleifreien Legierung liegt somit eine ausgewogene Kombination aus Verarbeitungseigenschaften, Festigkeitseigenschaften und Reibverschleißperformance vor. 5.3 Einlaufverhalten bleifreier Sondermessinge mit unterschiedlicher Messingmatrix und mechanischen Eigenschaften Bei CuZn28Al4Ni3Si1Mn handelt es sich um die mit Abstand härteste Legierung in den vorliegenden Untersuchungen, was auf die chemische Zusammensetzung 0 100 200 300 400 500 600 700 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 Reibkoeffizient CuZn28Al4Ni3Si1Mn 0 100 200 300 400 500 600 700 Zeit in Sekunden 50 55 60 65 70 Temperatur in °C Temperaturentwicklung feingeschliffen fein feingeschliffen grob geläppt fein geläppt grob Typischer Grenzwert 0 2 4 6 8 10 12 14 Geschwindigkeit in m/ s 0 0.05 0.1 0.15 0.2 Reibkoeffizient CuZn28Al4Ni3Si1Mn feingeschliffen fein feingeschliffen grob geläppt fein geläppt grob Bild 16: Initiale Stribeckkurve der CuZn28Al4Ni3Si1Mn (rechts Temperaturentwicklung) se Rauheitsspitzen können im Reibkontakt zu einem Verhaken der Oberflächen und damit zum Aufbau hoher Reibungen führen, was auch in den Versuchen festgestellt wird (Bild 19). Der Einfluss der Reibung auf das Einlaufen der Oberfläche ist ambivalent: einerseits Aktivierung der Oberfläche, andererseits bei übermäßigem Energieeintrag Störung des angestrebten Werkstoffgleichgewichts. Geschwindigkeitseffekte führen auch bei der Legierung CuZn28Al4Ni3Si1Mn zu leicht unterschiedlichen Reibwerten bei entsprechender Geschwindigkeit in den Stribeckkurven gegenüber den Einlaufkurven. Bild 17: Einlaufvorgänge während der ersten 10 Minuten (CuZn28Al4Ni3Si1Mn), Reibgeschwindigkeit 6 m/ s, exemplarisch (je Variante 3 Versuche) 5.4 Übertragbarkeit der Tribometerversuche auf eine reale Pumpe Zur Bewertung der Übertragbarkeit der Tribometerversuche auf den Bauteilkontakt in einer Axialkolbenpumpe wurde die bleihaltige feingeschliffenen Variante ausgesucht. Die hier gezeigten Versuche wurden wie in Kapitel 4.3 durchgeführt. Dargestellt sind die Stribeck- und die Einlaufkurve mit in Absprache mit dem betreffenden Pumpenhersteller anonymisierter y-Achse. Die initiale Stribeckkurve des Kontakts Kolbentrommel - Steuerspiegel (Bild 20) weist dabei eine gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen aus den Tribometerversuchen auf. Die initiale Stribeckkurve des Kontakts Kolbentrommel - Steuerspiegel (Bild 20) weist dabei eine gute, qualitative Übereinstimmung mit den Ergebnissen aus den Tribometerversuchen auf und auch das zeitliche Verhalten des Reibkoeffizienten beim Einlaufen zeigt wie bei den Aus Wissenschaft und Forschung 29 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 1/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0003 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Materialtraganteil [%Rmr] -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 Schnittlinientiefe [μm] Abbott Kurven tangentiale Richtung 31CrMoV9 gasnitriert Neuzustand nach Stribeck 10 min eingelaufen 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Materialtraganteil [%Rmr] -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 Schnittlinientiefe [μm] Abbott Kurven tangentiale Richtung OF2212 geschliffen fein Neuzustand nach Stribeck 10 min eingelaufen Bild 18: Abbottkurven, links bleihaltiges feingeschliffenes Sondermessing geringer Rauheit, rechts Stahl Gegenscheibe Bild 19: Oberflächenaufnahmen der geläppten Tribometerscheiben mit hoher Rauheit aus CuZn28Al4Ni3Si1Mn nach der Fertigbearbeitung (a und c) und nach dem Einlaufen (b und d) Tribometerversuchen eine deutliche Reduktion des Reibwerts (Bild 21). Das Einlaufen führt wie bei den Tribometerscheiben auch hier zu einer Glättung der Oberflächen (Bild 22). Zwischen den Tribometer- und den Pumpenprüfstandsergebnissen liegt damit eine gute Übereinstimmung vor. Vor diesem Hintergrund erweisen sich Tribometerversuche als geeignetes experimentelles Werkzeug, um den Einfluss unterschiedlicher Parameter wie Werkstoff, Schmierstoff oder Oberfläche auf das Einlaufen des Kontakts Kolbentrommel - Steuerspiegel mit geringerem Zeit- und Kostenaufwand einzuschätzen, bevor in die aufwendigere Ebene von Pumpenversuchen gegangen wird. 6 Zusammenfassung Sondermessinge sind unverzichtbar für diverse Gleitkontakte in Axialkolbenpumpen. Dazu zählt auch der Kontakt Steuerspiegel-Kolbentrommel. Stoffpolitische Trends bedingen, dass die bislang mit Blei legierten Sondermessingwerkstoffe in diesem und auch anderen Reibkontakten durch gleichwertige Sondermessinge ohne Blei substituiert werden müssen. Mittels Tribometerversuchen an diesen neuen bleifreien Sondermessingen für Steuerspiegel wurde der Aus Wissenschaft und Forschung 30 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 1/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0003 Bild 20: Initiale Stribeckkurve der realen Pumpe (blau) im Vergleich zur Tribometerscheibe (rot) Bild 21: Einlaufvorgänge der realen Pumpe während der ersten 10 Minuten (blau) im Vergleich zur Tribometerscheibe (rot) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Materialtraganteil [%Rmr] g g Steuerspiegel Neuzustand nach Stribeck 10 min eingelaufen 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Materialtraganteil [%Rmr] g g Kolbentrommel Neuzustand nach Stribeck 10 min eingelaufen Bild 22: Abbottkurven, links Kolbentrommel aus CuZn40Al2Mn2Si, rechts Steuerspiegel aus Stahl Einfluss unterschiedlicher Oberflächenbearbeitungen beim Finishing auf deren Einlaufverhalten charakterisiert und dazu Verfahren (Läppen/ Feinschleifen + Gleitschleifen) sowie resultierende Rauheiten innerhalb des Bereichs variiert, der auch schon von der bleihaltigen Referenzlegierung CuZn40Al2Mn2Si bekannt ist. Für alle untersuchten bleifreien Werkstoffe ließen sich die gefinishten Oberflächen hierbei so einstellen, dass ein reproduzierbares gutes Einlaufverhalten erzielt wurde. Dabei zeigten sich die Varianten vom Feinschleifen in den Stribeckkurven und beim Einlaufen für die gewählten Einlaufbedingungen etwas positiver im Vergleich zum Läppen. Zurückgeführt wird dies auf eine positive Schmierwirkung und optimalen Energieeintrag beim Einlaufen der Oberflächen dieser Varianten. In der Praxis spielen nicht nur weitere Faktoren eine wesentliche Rolle für das Oberflächendesign (Bauteilnuten, Pulsationen, Kavitation etc.), sondern variiert auch abhängig von Hersteller und Baugruppe des Herstellers der arbeitspunktverschiedenen Oberflächen auf die Effizienz der Pumpe. Hierbei sind Geschwindigkeitseffekte besonders zu berücksichtigen und die Oberflächenvorgaben entsprechend anzupassen. Daher sind auch alle untersuchten Verfahren und Oberflächenvarianten bereits bei der bleihaltigen Serienlegierung relevant und behalten ebenso bei den bleifreien Legierungen ihre Berechtigung. Für die bezüglich Legierung, Gefüge und Härte sehr unterschiedlichen bleifreien Sondermessinge werden dabei auch spezifische werkstoffabhängige Unterschiede festgestellt:  CuZn36Mn3Al2Si1Sn: Etwas schlechteres Einlaufverhalten (Reibwert- und Temperaturentwicklung) der geläppten Oberfläche mit geringer Rauheit  CuZn28Al4Ni3Si1Mn: Für diese Legierung sind feine Oberflächen von Vorteil. Somit sind die Härte und das Verformungssowie Verfestigungsvermögen der Werkstoffe maßgebliche Faktoren für die Auswahl der Finishing-Verfahren und Zieloberflächen, damit ein gutes Einlaufen ermöglicht wird. Gutes Einlaufen bedeutet, dass sich reproduzierbar und nach möglichst kurzer Einlaufdauer stabile niedrige Reibwerte und Verschleißraten einstellen. Das kann am besten geschehen, wenn die Oberfläche für das Einlaufen ausreichend Rauheitstäler für die Schmierung und möglichst wenig Rauhheitsspitzen aufweist. Für jeden Werkstoff gibt es folglich eine optimale Kombination aus Finishingprozess, erzeugter Oberfläche und gutem Einlaufverhalten. 7 Ausblick Entscheidend für das Einlaufen sind die im Finishing erzeugten Oberflächen mit ihren Strukturen und Eigenschaften. Das Finishing lässt sich daher als Mittel zum Zweck betrachten, um diese Oberflächen zu erzeugen. In Ermangelung umfangreicherer und vor allen Dingen übergreifender Veröffentlichungen zu dem Thema empfehlen die Autoren weiterführende systematische Untersuchungen. Im ersten Schritt geht es darum, eine möglichst präzise Beschaffenheit einer Startoberfläche für ein optimales Einlaufen unter Berücksichtigung der Werkstoffeigenschaften zu liefern. Eine Beschreibung der optimalen Oberfläche ermöglicht, sich aus dem Korsett der bekannten Finishingverfahren zu lösen und dann im zweiten Schritt auch alternativen Verfahren zu betrachten, mit denen ähnlich geeignete Oberflächen unter möglicherweise wirtschaftlicheren Bedingungen erzeugt werden können. Die zurzeit angewendeten Verfahren für das Finishing von Steuerspiegeln wurden bereits vor geraumer Zeit etabliert. In der Zwischenzeit haben sich durch den technischen Fortschritt andere Verfahren wie z.B. das Bürsten zu interessanten möglichen Alternativen entwickelt. Literatur / Alb16/ Albers, A., Reichert, S., Heldmaier, S.; Untersuchung des Einlauf-Verschleißverhaltens von geschmierten Kontakten unter Berücksichtigung unterschiedlicher Fertigungsverfahren mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode, Tribologie Fachtagung, Göttingen, 2016 / ASM89/ ASM; Grinding, Honing, and Lapping. In: ASM Handbook Volume 16: Machining. ASM International, 1989 / Bla05/ Blau, P. 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