eJournals Tribologie und Schmierungstechnik 66/4-5

Tribologie und Schmierungstechnik
0724-3472
2941-0908
expert verlag Tübingen
10.30419/TuS-2019-0019
Diese Untersuchung befasst sich mit dem in der Praxis häufig auftretenden, riefenförmigen Verschleiß gehärteter Wellen im Dichtkontakt mit Radialwellendichtringen (RWDR) aus Fluorkautschuk (FKM). Ziel ist es, die Verschleißmechanismen an einer gehärteten Stahlwelle im geschmierten tribologischen Kontakt mit einem elastomeren FKM-Radialwellendichtring anhand experimenteller Modellsysteme aufzuklären. Weiterhin wird die Wechselwirkung des Dichtringverschleißes und Wellenverschleißes aufgrund der sich ständig verändernden Oberflächenmorphologie der Kontaktpartner oberflächenanalytisch charakterisiert. Das entstandene Schadensbild kann simulativ nachgestellt werden und zeigt eine gute Übereinstimmung mit dem tribologischen Experiment.
2019
664-5 Jungk

Nachbildung und Analyse von Schadensmechanismen bei Dichtringen im tribologischen Ersatzsystem

2019
Christoph  Burkhart
Stefan  Emrich
Balázs Magyar
Michael  Kopnarski
Bernd  Sauer
1 Einleitung Radialwellendichtringe (RWDR) werden eingesetzt, um ein Gehäuse mit drehender Welle gegen Ölverlust und Schmutzeintritt abzudichten. Die Anwendungen können sehr vielseitig sein und reichen von Kurbelwellen bis hin zu Getrieben. Verschleiß zwischen den beiden Kontaktpartnern Welle und Dichtring tritt auf und kommt für gewöhnlich zum Stillstand, wenn der Einlaufvorgang abgeschlossen ist [1]. Die fertigungsbedingten Rauheitsspitzen auf der Stahlwellenoberfläche werden von der elastomeren Dichtringkante geglättet [3]. Der RWDR verschleißt im Prozess und entwickelt eine raue Struktur, die für die Funktion des Fördermechanismus von Bedeutung ist [2]. Es findet so eine Optimierung der Kontaktgeometrie statt [3]. Nach M ÜLLER [4] kann in solchen Systemen nach 1000 Betriebsstunden ca. zehn Mikrometer tiefer Verschleiß auf der Welle auftreten. Anderseits gibt es Fälle und Anwendungen bei denen auf der Welle bereits nach kürzesten Laufzeiten sehr tiefe Verschleißriefen bis zu Tiefen von ca. 100 µm zu finden sind, die oftmals die Ursache für Leckagen sind. Es ist demnach mit Umweltbelastungen durch austre- Aus Wissenschaft und Forschung 9 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 4/ 5/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0019 Nachbildung und Analyse von Schadensmechanismen bei Dichtringen im tribologischen Ersatzsystem Christoph Burkhart, Stefan Emrich, Balázs Magyar, Michael Kopnarski, Bernd Sauer* Diese Untersuchung befasst sich mit dem in der Praxis häufig auftretenden, riefenförmigen Verschleiß gehärteter Wellen im Dichtkontakt mit Radialwellendichtringen (RWDR) aus Fluorkautschuk (FKM). Ziel ist es, die Verschleißmechanismen an einer gehärteten Stahlwelle im geschmierten tribologischen Kontakt mit einem elastomeren FKM-Radialwellendichtring anhand experimenteller Modellsysteme aufzuklären. Weiterhin wird die Wechselwirkung des Dichtringverschleißes und Wellenverschleißes aufgrund der sich ständig verändernden Oberflächenmorphologie der Kontaktpartner oberflächenanalytisch charakterisiert. Das entstandene Schadensbild kann simulativ nachgestellt werden und zeigt eine gute Übereinstimmung mit dem tribologischen Experiment. Schlüsselwörter Schadensmechanismen bei Radialwellendichtringen, Oberflächen- und Schichtanalyse, Tribologische Untersuchung, Wellenverschleiß, Nanoindentation This study deals with the grooved wear of hardened shafts in the sealing contact by radial shaft seals (RSS) made out of fluorocarbon rubber (FKM). This unexplained phenomenon occurs often in industrial applications in combination with synthetic lubricants. The aim of the conducted tribological experiments in combination with surface-analytical investigations is the elucidation of main wear mechanisms of shaftwear. The observed wear phenomenon was confirmed by a simulation using input data generated by surface analysis. Keywords Failure modes of radial shaft seals, surface and thinfilm analysis, tribological experiments, shaft wear, nanoindentation Kurzfassung Abstract * Dipl.Ing. Christoph Burkhart orcid-iD: https: / / orcid.org/ 0000-0002-5485-893X Prof. Dr.-Ing. Bernd Sauer orcid-iD: https: / / orcid.org/ 0000-0002-3489-5805 Technische Universität Kaiserslautern Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik (MEGT) 67663 Kaiserslautern Dr.-Ing. Balázs Magyar orcid-iD: https: / / orcid.org/ 0000-0003-1092-674X ZF Friedrichshafen AG Corporate Research and Development, 88045 Friedrichshafen Dr.-Ing. Stefan Emrich Prof. Dr. Michael Kopnarski Institut für Oberflächen-und Schichtanalytik (IFOS) 67663 Kaiserslautern TuS_4_5_2019.qxp_T+S_2018 23.08.19 13: 15 Seite 9 2 Experimentelle Arbeiten Der Wellenverschleiß wurde im Labor bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen am Ringflächentribometer (RFT) experimentell nachgestellt. Die eingesetzten Materialien und das Versuchsprogramm werden nachfolgend beschrieben. 2.1 Materialien Anhand der Erfahrungen mit Wellenverschleiß aus der Praxis [14, 16 bis 19, 21] wurde eine typische Materialkombination ausgewählt, die bekanntermaßen Wellenverschleiß provoziert. Als Elastomer kam demnach ein industriell eingesetzter Fluorkautschuk (FKM) zum Einsatz. Für den Einsatz im Ringflächentribometer (RFT) wurden ringförmige Proben mit einem Innendurchmesser von 50 mm und einem Außendurchmesser von 75 mm aus 2 mm starken Elastomerplatten mit Hilfe eines nach [22] entwickelten zweigeteilten Stanz- und Drehprozesses hergestellt. Das Stechen der Dichtkante mit einem Skalpell ist dabei an den Produktionsprozess der RWDR mit gestochener Dichtkante angelehnt. Als Wellenkegelmaterial wurde in Anlehnung an in der Praxis üblichen Getriebewellen [23, 24] ein MnCrlegierter Einsatzstahl (16MnCr5 , 1.7131) eingesetzt. Zur Herstellung der Wellenkegel wurden diese zunächst mit einer Bearbeitungszugabe vorgedreht und auf mindestens 60 HRC (Einhärtetiefe 0,8 mm) einsatzgehärtet. Abschließend wurden die Laufflächen der Wellenkegel auf Endmaß geschliffen. Dieser Prozess wurde, wie in DIN 3760 [25] spezifiziert, mit dem Einstichschleifverfahren durchgeführt, um drallfreie Oberflächen zu erzeugen. Während des Schleifens kann ein synthetischer Kühlschmierstoff (ZuboraTDD) zum Einsatz. Die Oberflächenkenngrößen nach DIN EN ISO 25178 [26] wurden berührungsfrei mit einem Konfokal-Mikroskop (Nano-Focus, µsurf) bestimmt. Alle Versuchswellen lagen innerhalb der Vorgabe von DIN 3760 [25]. Als Schmierstoff für die Verschleißuntersuchungen kam ein Polyalphaolefin (PAO) der Klasse SAE 0W20 zum Einsatz. Es handelt sich um einen niedrig additivierten Modellschmierstoff für Referenzuntersuchungen, der aus zwei reinen Polyalphaolefinen (PAO4, 18.4 wt. % und PAO6, 65 wt. %) und einem Ester Aus Wissenschaft und Forschung 10 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 4/ 5/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0019 tenden Schmierstoff und in letzter Konsequenz mit Maschinenausfall zu rechnen. Dieses Phänomen [5] wurde bereits von G ENT [6, 7] in einer dichtungsfremden Testkonfiguration beschrieben. Es können in zwei Arten von Wirkmechanismen beim Wellenverschleiß unterschieden werden: Eine erste Form von starkem Verschleiß im Dichtsystem kann von Schmutzpartikeln oder Staub ausgehen, die sich nach der Theorie in das Elastomer einbetten und die Gegenlauffläche beim Gleitprozess wie eine Schleifscheibe bearbeiten [4, 8]. Der Einfluss von unterschiedlichem Schmutzklassen auf den Verschleiß und die Leckage von Radialwellendichtringen wurde von K AISER [9] untersucht. Steigende Anteile an Verschmutzung im Öl und auch die Partikelgröße sind dabei Einflussfaktoren [10]. Auch die Zugabe von Aluminiumoxidpartikeln in das Öl kann zu einem erhöhten Verschleiß der Gegenlauffläche führen [11]. Die zweite Form von Wellenverschleiß in Kombination mit RWDR tritt in Umgebungen auf, in denen keine offensichtliche Verschmutzung vorhanden ist. Als Ursache für Wellenverschleiß sind hier Füllstoffe im Elastomer unter Verdacht [12, 13]. Weiterhin hat sich mit der vermehrten Verwendung von synthetischen Schmierstoffen [14] wie Polyglykolen [15] und Polyalphaolefinen (PAO) [16] in Kombination mit Radialwellendichtringen aus Fluorkautschuk (FKM) und gehärteten, geschliffenen Gegenlaufflächen aus 16MnCr5, gehäuft starker Wellenverschleiß eingestellt, welcher bisher, trotz vieler Untersuchungen, nicht vollständig aufgeklärt werden konnte [16 bis 19]. In diesem Fall steht die schlechtere Benetzungsfähigkeit derartiger Schmierstoffsysteme und/ oder Elastomerwerkstoffe im Verdacht, starken Wellenverschleiß zu begünstigen [15, 16, 20]. Ziel der Untersuchung ist es, lebensdauerbeeinflussende morphologische Ausprägungen des Wellen- und Dichtringverschleißes mit Hilfe des Modellsystems „Ringfächentribometer“ (RFT) zu erzeugen und anschließend oberflächenanalytisch zu charakterisieren. Die Resultate hieraus fließen als quantifizierte Eingangsgrößen in die simulative Bestimmung der tribologischen Beanspruchung ein. ! ! $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $$ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $$ # # ## $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $$ $ # # $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $$ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $$ $$ $ 345*)'(6,788# $)+5'),# 9.: ## V*: -=c/ $ C$ M)/ J6/ O26)/ #; "-$ 4"-@$? "0>)0"'U'<$L\iW$ ++ G [0$ Hg<gF$ 4"-@$? "0>)0"'U'<$F\\iW$ ++ G [0$ X<FS$ ? "0>)0"'U'0"-=#e$ C$ GH\$ ? "0>)0"'U'0>/ 600#$$$ YKQ$? V$ LS$ ! "12'#$5#"$GNiW$ >9[+ H $ gHG$ aAh$$ +24)^[9$ \<\G$ Tabelle 1: Physikalische Daten des untersuchten Schmierstoffes ! ! $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $$ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $$ # # ## $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $$ $ # # $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $$ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $$ $$ $ ## $ $ $ $ $ $$ TuS_4_5_2019.qxp_T+S_2018 23.08.19 13: 15 Seite 10 (Plastomoll DNa, 10 wt. %) zusammensetzt ist. Als Additive sind ein Dispersionsmittel und ein Viskositätsverbesserer beigemischt (Viscoplex ® 6-850: Dispersant Polyalkyl Methacrylate (PAMA), 6.4 wt. %). Die technischen Daten des Schmierstoffes sind in Tabelle 1 zusammengefasst. 2.2 Versuchsprogramm und Durchführung Zur Verschleißerzeugung wurde ein Ringflächentribometer (RFT) eingesetzt (Bild 1). Es handelt sich hierbei um ein tribologisches Ersatzsystem eines Radialwellendichtringes. Es wurde in der ersten Version von G ASTAUER [27] im Jahr 2009 entwickelt und von F RÖLICH [28] erstmals simulativ optimiert. Die Machbarkeit solcher Untersuchungen am Tribometer wurden von P ETUCHOW , W ILKE und W OLLESEN bereits mehrfach erfolgreich gezeigt [29 bis 33]. Ein ähnliches Tribometer wurde von F RICK zur Analyse verschiedener Arten von Polymeren vorgestellt [34]. Herzstück des RFT ist eine einfache Ringprobe aus Elastomer, die während des Versuchs auf einer kegeligen Prüfwelle gleitet. Durch die konische Welle werden die Kontaktwinkel und damit die Kontaktbedingungen bei einem RWDR annähernd abgebildet. Es können bis zu vier Proben gleichzeitig untersucht werden. Die Prüfwellen werden über ein Riemengetriebe von einem Elektromotor angetrieben. Durch externe Sollwertvorgabe sind auch Drehzahlprofile möglich. Das gesamte System ist dabei über ein Reservoir oberhalb der Prüfwelle ölgeschmiert. Der Ölsumpf kann über Heiz- und Kühlelemente konstant temperiert werden. Mittels Gewichten kann die Probe mit einer Linienlast im Dichtkontakt belastet werden. Die Linienlast wird dabei wie in [35] beschrieben aus der gemessen Radialkraft beim RWDR mit dem Zweibackenverfahren [36] bei vorgesehener Prüftemperatur ermittelt und auf die Kontaktlänge umgerechnet. Bei Verschleiß wird die gesamte Belastungseinheit axial nachgeführt. Anders als beim Radialwellendichtring ist die Belastung damit über die Versuchsdauer stets konstant. Die Überwachung der Einheit während des Versuchs und die anschließende Auswertung erfolgt über das Reibmoment, den Verschleißbetrag in axiale Richtung sowie optional die Kontakttemperatur. Tabelle 2 fasst die Prüfbedingungen zusammen, die für die Nachbildung der Schadensmechanismen verwendet wurden. Die Verschleißuntersuchungen wurden bei jeweils konstanter Drehzahl durchgeführt. Aus Wissenschaft und Forschung 11 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 4/ 5/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0019 Parameter Einheit Kombination Elastomer - FKM Wellenmaterial - 16MnCr5 ( 1.7131) Schmierstoff - PAO Wellendurchmesser(Kontakt) mm 50 Radialkraft N 25,1 Linienlast N/ mm 0,16 Relativgeschwindigkeit m/ s 1, 5, 10 Versuchsdauer h 336 ,672, 1008 Sumpftemperatur des Öls °C 70, 90 Tabelle 2: Material- und Betriebsparameter der tribologischen Untersuchungen Bild 1: Prinzipskizze des Ringflächentribometers. TuS_4_5_2019.qxp_T+S_2018 23.08.19 13: 15 Seite 11 lich in axialer Richtung verschiebt, wie in Abschnitt 3.2 später noch gezeigt wird. So werden stets „neue Einläufe“ auf der Welle initiiert. Aus der Praxis ist bekannt, dass der Wellenverschleiß zu sehr unterschiedlichen Laufzeiten auftritt. Teilweise konnte dieser schon nach wenigen hundert Kilometern Wegstrecke festgestellt werden. In anderen Fällen war die Welle selbst nach über 1000 Stunden tribologischer Beanspruchung lediglich geglättet. Eine Riefenbildung auf den Stahlkegeln führte am RFT stets zu Leckage am Prüfstand. Das nachfolgende Bild 3 zeigt beispielhaft die sich nach Beanspruchung im Ringflächentribometer einstellende Topografie der Reibkörper. Dargestellt sind mittels Aus Wissenschaft und Forschung 12 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 4/ 5/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0019 3 Ergebnisse 3.1 Wellenverschleiß Zum experimentellen Nachstellen des in der Praxis beobachteten riefenförmigen Wellenverschleißes wurde im Ringflächentribometer die Materialkombination FKM- Elastomerring / 16MnCr5-Stahlwelle / PAO-Schmierstoff in Abhängigkeit der Relativgeschwindigkeit untersucht. Bei einer Geschwindigkeit von 1 m/ s ist bis auf eine Einebnung der Rauheitsspitzen kein erhöhter Verschleiß an der Welle messbar. Die elastomere Ringprobe verschleißt jedoch verhältnismäßig stark. Mit Erhöhung der Gleitgeschwindigkeit und damit steigender thermischer und adhäsiver Beanspruchung kann partiell Wellenverschleiß auf den Wellenkegeln in der Laufspur festgestellt werden (Bild 2), jedoch verschleißen von allen untersuchten Proben insgesamt lediglich 10 %. Erklärt wird dies zum einen durch die sehr guten Schmierungsbedingungen im Tribokontakt, da die Schwerkraft den Schmierstoff entgegen der Förderwirkung durch den horizontalen Aufbau nach unten zieht. Hinzu kommt, dass sich die Dichtkante der Ringprobe verschleißbedingt kontinuier- Bild 2: Topographien der Wellenkegel im Bereich der Verschleißriefe bei auftretendem Wellenverschleiß (oben) und zugehöriger Profilschnitt durch die Verschleißriefe (unten). Bild 3: Topografien in der kontaktzone der korrespondierenden Reibkörper nach tribologischer Beanspruchung im Ringflächentribometer. TuS_4_5_2019.qxp_T+S_2018 23.08.19 13: 15 Seite 12 Weißlichtinterferometrie berührungslos gemessene dreidimensionale Abbildungen der korrespondierenden FKMbzw. Stahloberflächen im Bereich des Dichtkontaktes und eine Gegenüberstellung der jeweiligen Oberflächenprofile mit jeweils gleicher Größenskalierung. Demnach können die auf den Stahlkegeln in Umfangsrichtung entstandenen Riefen den Profilen auf den FKM-Ringen zugeordnet werden, deren Konturen sich - ähnlich einem Negativabdruck - in der Form der Riefen komplementär abzubilden beginnen. 3.2 Analyse des Schadenmechanismus Zur Aufklärung potentieller Wirkmechanismen, die der beobachteten Riefenbildung auf einer Stahloberfläche nach tribologischen Kontakt der Elastomerringprobe aus Fluorkautschuk zugrunde liegen, wurden Mikrobereichsanalysen durchgeführt. Bild 4 zeigt rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen (REM) im Bereich der Tribospur auf einem Wellenkegel des tribologischen Ersatzsystems. Die Breite des tribologisch beanspruchten Bereiches ist mit ca. 1,5 mm deutlich größer als die korrespondierende Kontaktfläche des FKM-Ringes (s. Bild 4 oben links). Ursächlich hierfür ist ein prüfstandbedingtes Driften der Ringprobe in axialer Richtung während des tribologischen Experimentes. Die Zone des höchsten Verschleißes kann im vorliegenden Fall auf der Luftseite am Rand der Tribospur in Form einer ca. 4 µm tiefen Riefe lokalisiert werden. Hochaufgelöste REM-Aufnahmen vom Riefengrund zeigen in Umfangsrichtung verlaufende, wellenförmige Strukturen, deren Ursache möglicherweise auf einen „Stick-Slip-Effekt“ der Reibungspartner zurückgeführt werden kann (s. Bild 4 oben rechts). Ioneninduzierte Sekundärelektronenbilder am Focused-Ion-Beam (FIB)- Querschnitt weisen im oberflächennahen Bereich bis zu einer Tiefe von ca. 5 µm keinerlei Anzeichen einer strukturellen Gefügeschädigung, beispielsweise in Form eines an den Korngrenzen voranschreitenden korrosiven Angriffs oder tiefgreifender, mechanisch verursachter Gefügeänderungen, auf. Die bereits oben durch topografische Messungen gezeigten wulstförmigen Erhebungen im Bereich der Dichtkante des Elastomers werden in Bild 5 mit Hilfe von rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen (REM) visualisiert Aus Wissenschaft und Forschung 13 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 4/ 5/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0019 Bild 4: Elektronenmikroskopische aufnahmen im Be-reich der Tribospur (oben links), im Riefengrund (oben rechts) und am FiB-Querschnitt (unten). Bild 5: Rasterelektronenmikroskopische Visualisierung der Dichtkante der Ringprobe vor (oben) und nach tribologischer Beanspruchung (unten). TuS_4_5_2019.qxp_T+S_2018 23.08.19 13: 15 Seite 13 Elastizitätsmodul bzw. die Poisson-Zahl. Die maximale Eindringkraft bei diesem Verfahren liegt im Bereich von 20 µN (2 mg) bis 20 mN (2 g), die Eindringtiefe zwischen 5 nm bis einige Mikrometer. Im Vergleich zu FKM-Oberflächenbereichen außerhalb der tribologisch beanspruchten Zonen wurde auf dem Wulst mit Aus Wissenschaft und Forschung 14 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 4/ 5/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0019 und mit dem Ausgangszustand des FKM-Ringes vor tribologischer Beanspruchung verglichen. Die chemische Charakterisierung der nahe der Dichtkante detektierten Materialanhäufungen mittels energiedispersiver Röntgenanalytik (EDX), legt den Schluss nahe, dass es sich hierbei um organische Ablagerungen handelt (Bild 6). Die in diesem Bereich aufgenommenen EDX-Elementkonzentrationsverteilungsbilder zeigen, dass sich die wulstförmige Erhebung aus Kohlenstoffverbindungen zusammensetzt, die sich von dem Fluorkautschuk mit seinen Füllstoffen aus Si- und Ca-Oxidverbindungen deutlich abheben. Überprüft und bestätigt wurde dieser Befund durch weitere chemisch-strukturelle Untersuchungen. So zeigen FIB- Querschnittsanalysen im Übergangsbereich der tribologisch beanspruchten FKM-Oberfläche zur wulstförmigen Erhebung, dass die beobachtete Anhäufung keinerlei charakteristische Füllstoffpartikel aufweist und es sich demnach hier nicht um Aufwerfungen von originärem Fluorkautschukmaterial (FKM) handeln kann. Transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen (TEM) an einer mittels FIB aus der wulstförmigen Erhebung entnommenen Probenlamelle zeigen im oberflächennahen Bereich ebenfalls keine Füllstoffbestandteile. Die chemische Analyse dieses Bereiches mittels Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) weist Kohlenstoff-Sauerstoffverbindungen mit Spuren von Schwefel nach (Bild 7). Hinsichtlich der Erfassung der mechanischen Eigenschaften der wulstförmigen Erhebung wurden Nanoindentationsanalysen durchgeführt. Diese ermöglichen das gleichzeitige Bestimmen der Härte und des so genannten reduzierten Elastizitätsmoduls (E r ). Im Fall der Polymere ist E r : E/ (1-ν 2 ). Hier sind E und ν der Young’sche Bild 6: Chemisches Elementinventar im Bereich der wulstförmigen Erhebung unmittelbar nahe der Dichtkante des FkM-Rings mit chemischer analyse im Bereich der wulst-förmigen Erhebung (rechts). Bild 7: Chemisch-strukturelle analysen im Bereich der wulstförmigen Erhebung. Unten: FiB - Querschnitt im Grenzbereich zwischen Wulst und Elastomer legt eine FkM-fremde ablagerung offen, die mittel TEM als Ölkohleablagerung identifiziert werden konnte. TuS_4_5_2019.qxp_T+S_2018 23.08.19 13: 15 Seite 14 0,35 GPa ein fünffach höherer reduzierter E-Modul gemessen (Bild 8). Die aus der Oberflächenanalytik resultierenden topografischen und mechanischen Daten flossen als Eingangsgrößen in das integrierte Gesamtmodell des Ringflächentribometers in der Simulationsumgebung A BAQUS ein (Bild 9). Es basiert auf den Arbeiten von F RÖLICH et. al. [28] und wurde um eine verformbare Welle, zwei Verschleißgesetze und für Welle und Dichtring und einer Kontakttemperatursimulation nach [37] erweitert. Dieses axialsymmetrische Simulationsmodell besteht aus einer Ringprobe (FKM), die in einen Hauptkörper, eine Anschlusszone und einen fein vernetzten Kontaktbereich untergliedert ist. Die Materialdaten für das hyperplastische Verhalten des Elastomers stammen aus den Arbeiten von [17, 38]. Die Ringprobe ist wie im Prüfstand oben und unten fest eingespannt. Der Wellenkegel wurde als linear-elastischer Körper aus Stahl (16MnCr5, 1.7131), ebenfalls mit einer fein vernetzten Kontaktzone, modelliert. Der Wulst ist als Doppelhöcker in das bestehende Modell des Ringflächentribometers mittel geometrischer Daten aus Bild 8 eingearbeitet und parametriert. Obwohl in der Praxis sich diese Ablagerung erst im Laufe der Beanspruchung durch chemische-thermische Effekte ausbilden kann, wurde vereinfachend angenommen, dass der Wulst schon bei Simulationsbeginn in der finalen Form existiert. Das Simulationsmodell arbeitet iterativ in vier Schritten. Nach Ermittlung des Dichtring- und Wellenverschleißbetrags, wird ein thermischer Schritt zu Berechnung der Kontakttemperatur und des Temperaturfeldes ausgeführt. Final wird der Wellenkegel durch eine Verschiebungsrandbedingung auf die Ringprobe montiert (Bild 9). Die in diesem Schritt ermittelte Kontaktpressung und Spannungsverteilungen dienen dann weiter als Berechnungsgrundlage für den Verschleiß in der nächsten Iteration. Die Simulation wird nach Erreichen des vorher definierten Gleitwegs beendet. Aus Wissenschaft und Forschung 15 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 4/ 5/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0019 Bild 8: Links: ausschnitt des linken Höckers des Wulstes, aufgenommen mittel Weißlichtinterferometer. Rechts: Nanoindentationskurven von Wulst und Referenzstelle. Der Wulst weist bei gleicher Härte eine fünffach größeren reduzierten E-Modul auf. Bild 9: Links: komponenten und Randbedingungen des axialsymmetrischen Simulationsmodells des Ringflächentribometers in aBaQUS. Rechts: Spannungsverteilung in der ausschnittsvergrößerung des fein vernetzten kontaktbereichs zwischen Wellenkegel in Ringprobe mit abgelagertem Wulst. TuS_4_5_2019.qxp_T+S_2018 23.08.19 13: 15 Seite 15 Die durchgeführten chemisch-strukturellen Untersuchungen an der wulstförmigen Erhebung auf der FKM- Oberfläche legen den Schluss nahe, dass es sich hierbei nicht um aufgeworfenes Fluorkautschukmaterial handelt, sondern um organische Ablagerungen, möglicherweise aus Reaktionsprodukten einer triboinduzierten Öloxidation. Im Rahmen mechanischer Untersuchungen konnte in dieser Zone gegenüber eines tribologisch nicht beanspruchten Oberflächenbereiches der identischen FKM-Ringprobe ein fünffach höherer reduzierter E- Modul gemessen werden. Die Interaktion zwischen dem Wulst und der Welle führt zu einer umlaufenden Riefe am Wellenkegel. Simulationen mit Materialdaten aus mikromechanischen Analysen bestätigten diese Beobachtung zum Ort und Ursache der Entstehung der umlaufenden Riefe in der Stahloberfläche. 5 Danksagung Die Autoren bedanken sich bei Dr. Alexander Brodyanski und Dipl.-Ing. Christine Wagner für die Durchführung der mechanischen und chemisch-strukturellen Oberflächenanalysen sowie bei der Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Unterstützung der Forschung innerhalb der Projekte MA 6719/ 1-1 und KO 1220/ 26- 1: „Verschleiß von Stoffpaarungen im Dichtkontakt“. Literatur [1] Wälzlagerdichtungen II. Schutzdichtungen für Wälzlager II, Forschungsvorhaben FVA Nr. 432 II, Ottink, K. u. Poll, G., Frankfurt am Main [2] Wälzlagerdichtungen. Schutzdichtungen für Wälzlager, Forschungsvorhaben FVA Nr. 432 I, Wennehorst, B., Poll, G., Frankfurt am Main 2008 Aus Wissenschaft und Forschung 16 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 4/ 5/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0019 Dabei zeigte sich in Bild 10 Mitte, dass der Ort des Verschleißes und die Ursache der Riefe auf dem Wellenkegel eindeutig dem entstandenen, organischen Wulst zugewiesen werden kann. Die Ringprobe verschleißt während des Gleitprozesses im Vergleich zum Wellenkegel verhältnismäßig stark. Das hat Auswirkungen auf die Kontaktpressung zwischen den beiden Körpern. Das Pressungsmaximum reduziert sich mit steigendem Gleitweg, auch die Berührbreite nimmt zu. 4 Zusammenfassung und Ausblick Der in der Praxis zu beobachtende Wellenverschleiß konnte bei Verwendung eines Polyalphaolefin-Grundöls im RWDR-Ersatzsystem (Ringflächentribometer) nachgestellt werden. Im Gegensatz zu Bauteilversuchen mit Radialwellendichtringen [39] ist jedoch die Reproduzierbarkeit der Schadensbilder nicht optimal. Es können keine typischen, tiefen Verschleißriefen erzeugt werden, was vor allem auf einen Drift der Dichtkante der Ringprobe zurückzuführen ist. Untersuchungen zur Morphologie der Reibkontaktoberflächen ergaben, dass die Profile der riefenförmigen Vertiefungen auf der Wellenoberfläche und die Konturen der wulstartigen Erhebungen des FKM-Gegenkörpers zueinander komplementäre Ausprägungen aufweisen. Mikrobereichsanalysen an einer im RFT beanspruchten Probe zeigen bei Verwendung von PAO-Grundöl im Riefengrund keinerlei strukturelle Anzeichen auf etwaige Rissnetzwerke infolge eines potentiellen korrosiven Angriffs oder mechanisch induzierter Materialermüdung. Auffallend sind hier die wellenförmigen Oberflächenstrukturen im Riefengrund, deren Ursache möglicherweise auf einen „Stick-Slip-Effekt“ der Reibungspartner zurückgeführt werden kann. Bild 10: Links: Veränderung der kontur der Ringprobe und der Ölkohleablagerung über die iterationsanzahl. Mitte: ausbildung einer Verschleißriefe auf dem Wellenkegel in der kontaktzone zwischen ablagerung und Wellenkegel. Rechts: kontaktpressung zwischen Ringproben und Wellenkegel in abhängigkeit des Gleitweges. TuS_4_5_2019.qxp_T+S_2018 23.08.19 13: 15 Seite 16 [3] Horve, L.: The correlation of rotary shaft radial lip seal service reliability and pumping ability to wear track roughness and microasperity formation. SAE Technical Papers 910530, S. 19-26 [4] Müller, H. K. u. Nau, B.: www.fachwissen-dichtungstechnik.de. Waiblingen: Medienverlag Ursula Müller 2016 [5] Zhang, S.-W.: Tribology of elastomers. Tribology and interface engineering series, Bd. 47. Amsterdam: Elsevier 2004 [6] Gent, A. N. u. Pulford, C.T.R.: Wear of steel by rubber. Wear 49 (1978), S. 135-139 [7] Gent, A. N. u. Pulford, C. T. R.: Wear of metal by rubber. 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