1 Einleitung und Projektziel Dieser Beitrag präsentiert die ersten Ergebnisse des Forschungsprojekts „Gezielte Verbesserung von PTFE-haltigen Transferfilmen zur Reibung und Verschleißreduzierung“. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, die Transferfilmbildung von Polytetrafluorethylen (PTFE) Aus Wissenschaft und Forschung 5 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 4/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0019 achwissen- Altphilologie unikationsche Sprachment \ Alt- Bauwesen \ \ Tourismus ulturwissen- Anglistik \ \ Wirtschaft Über die Güte von PTFE-basierten Transferfilmen und deren Einfluss auf die tribologische Leistungsfähigkeit Andreas Keller, Marco Enger, Stanislav Trubnykov, Jürgen Molter* Eingereicht: 20.8.2020 Nach Begutachtung angenommen: 16.9.2020 Aus der Praxiserfahrung und vorangegangen wissenschaftlichen Studien ist bekannt, dass Polymertransferfilme in trocken-laufenden Gleitlagerungen einen großen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Tribosystems nehmen. Grundsätzlich scheinen nur Transferfilme, welche dünn, gleichmäßig deckend und mit hoher Haftung am Gegenkörper verbleiben, die Gleiteigenschaften zu verbessern. Würde es gelingen die Bildung dieser Transferfilme in gewissen Rahmen zu verstetigen oder gar zu steuern, könnte dies den allgemeinen Einsatzbereich von selbstgeschmierten Gleitsystemen deutlich erweitern. Hierzu ist es jedoch zunächst notwendig, ein grundlegendes Verständnis über die mechanischen und chemischen Gesetzmäßigkeiten, welche die Transferfilmbildung bestimmen, aufzubauen. Zudem wird erforscht, ob durch die Zugabe von nanoskaligen Partikeln eine Steuerung des Transferfilms ermöglicht werden kann. Diese Ziele verfolgt das öffentlich geförderte Kooperationsprojekt „Gezielte Verbesserung von PTFE-basierten Transferfilmen zur Reibungs- und Verschleißreduzierung“, dessen erste Ergebnisse hier vorgestellt werden sollen. Schlüsselwörter Tribologische Systeme, Materialwissenschaften, Tribometrie, Polymere, trockene Gleitreibung, Nanopartikel Quality of PTFE containing transfer films and their impact on tribological performance From previous scientific research and experience in practical applications, it is well known that polymer transfer films exhibit a tremendous impact on the friction and wear properties of polymers when sliding against steel under dry lubrication. The general tenor is that only high quality films (thin, coherent and well-adhered) promote optimal sliding. Huge potential arises when the transfer film quality becomes, within certain limits, a controllable factor. In depth understanding of the basic mechano-chemical rules/ laws of transfer film formation/ establishment and all related impact factors is still an open subject of current research. Furthermore, there is no widely acknowledged rule on how to qualitatively and quantitatively evaluate transfer film properties. This article presents the early research results of a collaboration project with the title “targeted improvement of PTFE containing transfer films for friction and wear reduction”. Main goal of the project is to better understand the rules behind the transfer film formation process and how the transfer film quality can be characterized and linked to friction and wear responses measured in simple model up to application simulation experiments. Within these experiments we also investigate the effect of adding nanoparticles to the polymer compound. Keywords tribological systems, materials science, tribometry, polymers, dry kinetic friction, nanoparticles Kurzfassung Abstract * Andreas Keller, M.Sc. Stanislav Trubnykov, M.Sc. Prof. Dr.-Ing. Jürgen Molter Hochschule Mannheim, Kompetenzzentrum Tribologie 68163 Mannheim Dr. Marco Enger Senior Tribologist, GGB Heilbronn GmbH 74078 Heilbronn ausreichend groß ist, um von der umgebenden Gegenflächentopographie und Rauheitsstruktur unterscheidbar zu sein. • Identifizierung von Oxidationsprodukten und anderen chemischen Reaktionsprodukten mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) sowie der Bestimmung von mikrostrukturellen Merkmalen unter Verwendung von Rasterelektronenmikroskopie (REM) und fokussiertem Ionenstrahl (FIB) [ENGER2017]. • Messung des Füllstoffgehalts des Films (EDX) und zusätzlich der Filmhärte mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) [YE2013]. • Mechanische Charakterisierung von Transferfilmen unter Verwendung von Eindringversuchen auf Nanoebene [YE2014-2]. • Bestimmung der geometrischen Verhältnisse zwischen mit Film bedeckten Bereichen und der insgesamt beanspruchten Oberfläche des Gegenkörpers [KAHRE 2010; YE2014; HAIDAR2017]. Typischerweise verwendet dieser Ansatz digitale Mikroskopie oder REM zum Aufnehmen kontrastreicher Bilder von Transferfilmen in Kombination mit einer Bildverarbeitungssoftware. Insbesondere das letztere Verfahren, beschrieben von H.S. Khare zur Berechnung der „mean free space length“ („mittlere freie Weglänge“) zwischen Polymeranhaftungen scheint vielversprechend zu sein. J.Ye et al. [YE2014] und D.R. Haidar et al. [HAIDAR2017] fanden unter Verwendung dieser Methode bei mehrerer Polymer/ Stahl-Gleitpaarungen Korrelationen zwischen Verschleißraten und der oben genannten „freien Weglänge“. In diesem Artikel wird die tribologische Leistungsfähigkeit des eingesetzten Referenzmaterials anhand eines Pin-On-Disc-Versuchsaufbaus grundlegend charakterisiert. Zudem werden erste, mit Nanopartikeln modifizierte Varianten dieses Referenzmaterials unter ausgewählten Beanspruchungskollektiven untersucht. Die dabei entstanden Transferfilme werden mittels unterschiedlicher Verfahren dokumentiert und die strukturellen Merkmale qualitativ bewertet. Zudem wird die Eignung dieser Bildgebungsverfahren für eine im späteren Projektverlauf anstehende quantitative Auswertung untersucht. 2 Systemanalyse und Versuchsaufbau Bei der Auswahl von Testparametern für einen Tribometer-Test wird es allgemein als sinnvoll angesehen, Lastfälle aus realen Anwendungen abzuleiten. Bei Gleitlagern sind die primären Beanspruchungsgrößen die anliegenden Gleitgeschwindigkeiten sowie die auftretenden Flächenpressungen. Die Gleitgeschwindigkeit wird von der thermischen Belastbarkeit der Gleitlagermate- Aus Wissenschaft und Forschung 6 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 4/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0019 als Basismaterial oder Füllstoff besser zu verstehen und mit geeigneten Methoden zu beschreiben. Das damit gewonnene Verständnis des Filmbildungsprozesses könnte möglicherweise eine Kontrolle der Filmqualität erlauben. Qualitativ hochwertige Transferfilme können Reibung und Verschleiß in tribologischen Teilsystemen reduzieren und so die Energieeffizienz, Systemzuverlässigkeit und Lebensdauer erhöhen. Spezifische wissenschaftliche Ziele sind: • Bestimmung der entscheidenden Faktoren des Transferfilmbildungsprozesses. • Entwicklung eines theoretischen Modells basierend auf empirischen Ergebnissen von Modell- und Komponententests zur Beschreibung und potenziellen Kontrolle der Transferfilmbildung. Dies beinhaltet Simulationsmodelle zur Vorhersage des Materialverhaltens in den nicht getesteten Lastszenarien. • Wissenstransfer hin zu anwendungsorientierten Komponententests der Prüfkategorie IV und Validierung der Theorie und Polymerleistungsfähigkeit in industriellen Anwendungsversuchen. Die Kontrolle über Filmbildung und Filmqualität erscheint auf der Grundlage von drei Ansätzen denkbar: • Verwendung von Nanopartikeln wie Al 2 O 3 [SAWY 2003], Kohlenstoffnanoröhren [KAND2012; KAND 2014] oder Graphen [KAND2012; KAND2014]. • Chemische Kopplung an die Gegenfläche (Chelatbildung) durch gezielte Aktivierung der PTFE-Moleküle [ONED2014; HARR2015]. • Hochenergiebehandlung des PTFE-Materials [ENGE 2013; HOFF2014]. Aktuelle Veröffentlichungen geben Anlass zu der Annahme, dass die klassische Hypothese zur Filmbildung, wie die mechanische / adhäsive Verankerung alleine das Anhaften von PTFE-Fragmenten auf der gegenüberliegenden Oberfläche [CZIC2015] nicht angemessen beschreibt. Neuere Beobachtungen zeigen, dass auch chemische Wechselwirkungen eine wichtige Rolle spielen. Begriffe wie dünn, kontinuierlich und gleichmäßig werden häufig verwendet, um das wünschenswerte äußerliche Erscheinungsbild von Transferfilmen zu charakterisieren. Diese mikrostrukturellen Begriffe sind jedoch nur zur qualitativen Beschreibung nützlich. In Anbetracht dessen besteht ein klarer Bedarf an einer Methode zur quantitativen Beschreibung der Filmeigenschaften mit guter Reproduzierbarkeit bei gleichzeitig hoher Objektivität. Folgende Methoden sind den Autoren bekannt: • Bestimmung der Filmdicke mittels Kontaktprofilometrie oder Weißlichtinterferometrie [LAUX2013]. Dies setzt immer voraus, dass die vorhandene Filmdicke rialien begrenzt. Die statische und dynamische Tragfähigkeit hängt von der Beständigkeit des Polymers gegen plastische Verformung ab. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache wird der p*v-Wert häufig zur Auslegung trocken laufender Gleitlagerkontakte verwendet. Der p*v-Wert wird aus dem Produkt aus Anpressdruck p und Gleitgeschwindigkeit v berechnet [CZIC2015]. Viele moderne Polymere, die als Gleitlagermaterialien verwendet werden, sind auf maximale p * v-Werte zwischen 1 und 4 ausgelegt, wenn diese gegen eine Stahlwelle gleiten und durch Einbau in ein metallisches Gehäuse eine ausreichende Wärmeabfuhr gewährleistet ist. Tabelle 1 zeigt die gesamte Matrix der möglichen p * v- Kombinationen, die in den Pin-on-Disk-Versuchen untersucht werden können. Moderne Gleitlager weisen jedoch bei geringer Belastung eine bereits ausreichend lange Lebensdauer auf - unter solchen Belastungsbedingungen haben Verbesserungen keinen wirtschaftlichen Wert. Daher konzentrieren sich die Tests auf moderate bis hohe Lastszenarien, wie in Tabelle 1 hervorgehoben. Das Spektrum an möglichen Gegenlaufpartnern ist mannigfaltig - dazu gehören verschiedene Stahllegierungen und andere Metalle (z.B. Aluminium) oder Beschichtungen (metallisch, keramisch, polymer) mit jeweils spezifischen Eigenschaften hinsichtlich Härte, Elastizität, thermischen Leitfähigkeit, Oberflächenenergie. Die Gegenflächentopographie hat ebenfalls maßgebend Einfluss auf die Lebensdauer von trockenlaufenden Gleitlagerungen daher spezifizieren Lagerhersteller häufig die maximal zulässige Rauheit der Gegenfläche. Übliche Werte liegen im Bereich von R z 1 bis 6 µm. In dieser Versuchsreihe werden als Gegenfläche 100Cr6- Scheiben nach DIN 51834-2 verwendet. Die Gegenflächen wurden sowohl mit konzentrischen und kreuzendem Schleifmustern versehen. Die erzielten Rauheitswerte decken sich mit den Spezifikationswerten (poliert bis rau: R z <1 µm und R z ~ 6 µm). Alle grundlegenden Untersuchungen werden an einer Modelltestkonfiguration gemäß der Prüfkategorie VI [CZIC2015] durchgeführt. Diese ist kosteneffizient, nutzt einfach zu handhabende Prüfkörpergeometrien und ermöglicht eine schnelle und aussagekräftige Charakterisierung der zu untersuchenden Materialien. Die Versuche wurden mit einem „Bruker Universal Material Tester“ durchgeführt. Als Kontaktkonfiguration wurde „Pin-On-Disk“ (PoD) gewählt (siehe Bild 1). Die Pins weisen hierbei einen Durchmesser von 6 mm auf und kreisen auf einem mittleren Durchmesser von 7,5 mm. Das Kontaktverhältnis von Grund zu Gegenkörper (ε) wurde auf 0,2 eingestellt, was im Vergleich zu üblichen Pin-on-Disk Anordnungen groß ist. Dadurch sollen die typischen Verhältnisse von tatsächlichen Radiallagerkontakten näherungsweise nachgestellt werden (ε = 0,33 basierend auf einem Eingriffswinkel von 120°). Die Normal- und Tangentialkräfte werden mit einem 2-Achs-DMS-Kraftsensor aufgezeichnet. Die Kontakttemperatur wurde unter Verwendung eines mitschleifenden Thermoelements vom Typ-K nahe dem Auslauf der Pinprobe auf der Gegenkörperscheibe erfasst. Messwerte der Temperaturmessung werden jedoch aus Umfangsgründen in dieser Publikation nicht dargestellt. Der lineare Verschleiß wird über die geometrische Annäherung des Stifthalters an die Gegenfläche ermittelt. Die Gleitstrecke wurde auf 10 km festgelegt, um gleiche Zykluszahlen für alle getesteten Geschwindigkeiten sicherzustellen. Die Umgebungstemperatur betrug ~24 °C bei 25 - 35 % relative Feuchte. Die Teststatistik betrug 3 Wiederholungen. Ein klassisches Polymercompound ist Gegenstand dieses Forschungsprojekts. Die Verbindung besteht aus einer spritzgegossenen thermoplastischen Polymermatrix, die mit PTFE und später mit einer Kombination aus PTFE und keramischen Nanofüllstoffen modifiziert ist. Der Glasübergangsbereich des Standardcompounds ist durch folgende Temperaturen definiert 63-79 °C. Die Aus Wissenschaft und Forschung 7 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 4/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0019 Gleitgeschwindigkeit Flächenpressung 0.035 m/ s 0.1 m/ s 0.3 m/ s 1 MPa 5 MPa 11,3 MPa 20 MPa Tabelle 1: Für Versuche in Betracht gezogene Flächenpressung und Gleitgeschwindigkeit (p*v-Werte) - Graue Unterlegung zeigt genutzte Kombinationen an Bild 1: a) Vollständiger Versuchsaufbau; b) Detaildarstellung des PoD-Kontakts und Position des Temperatursensors; c) Polymerpin-Adaption; d) Scheibenbefestigung reagieren können, wurde dieser Effekt unter Verwendung technisch üblicher Oberflächentopografien und den damit einhergehenden Rauheitskenngrößen für Lageranwendungen untersucht. Die Ergebnisse sind in Bild 2 zusammengefasst. Es ist offensichtlich, dass die Anfangsbzw. Einlaufreibungsniveaus im Vergleich zur stationären Reibung unabhängig von der getesteten Oberflächenrauheit häufig erhöht sind. Die höchsten Einlaufreibwerte treten auf, wenn das Material mit einer polierten Gegenflächen gepaart wurde. Dies ist vermutlich hauptsächlich auf eine Erhöhung des adhäsiven Reibungsanteils zurückzuführen. Das Reibwert-Zeitdiagramm in Bild 3 unterstützt diese Aussagen und zeigt eine ausgeprägte Spitze zu Versuchsbeginn. Die Reibung Aus Wissenschaft und Forschung 8 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 4/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0019 tatsächliche Glasübergangstemperatur liegt bei 73 °C. Spezifische Materialzusammensetzungen können zu diesem Zeitpunkt jedoch nicht offengelegt werden. 3 Versuchsergebnisse und Diskussion 3.1 Ergebnisse der Referenzmaterialien Die Leistungsfähigkeit trockenlaufender Lagerungen wird durch eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst. Da aus Literaturrecherche und Systemanalyse bekannt ist, dass die untersuchten Polymercompounds sehr empfindlich auf Topographievariationen der Gegenkörperfläche Bild 2: Reibungs- und Verschleißcharakteristik in Abhängigkeit der Gegenkörperrauheit; Lastbedingungen 11,3 MPa und 0,035 m/ s (p*v-Wert = 0,4) nimmt typischerweise mit fortschreitendem Gleitvorgang ab, und es wird eine geringeres stationäres Reibungsniveau erreicht. Das Referenzmaterial zeigt dabei konstante Reibwerte im Bereich von 0,10 bis 0,15. Dies ist ein typisches und bekanntes Verhalten für diese Polymer-Stahl-Paarungen unter Gleitbeanspruchung. Es kann auf verschiedene Effekte zurückgeführt werden: •Einen zunächst hohen Anteil an deformativen und adhäsiven Interaktionen zwischen beiden Gleitpartner innerhalb der erst Reibungszyklen. •Der Bildung eines stabilen und trennenden Polymertransferfilms, der zuvor beschriebene Interaktionen deutlich verringert. Bild 3: Exemplarische Reibungskurven des Referenzcompounds beim Gleiten gegen eine polierte und eine auf R z 1 µm aufgeraute 100Cr6-Oberfläche • Möglicherweise auch Passivierung und/ oder Oxidation der Polymer als auch der Stahl-Oberfläche, welche das Potential für chemische und adhäsive Interaktionen reduziert. Wie erwartet, sind die Änderungen im Verschleißverhalten stärker ausgeprägt (Bild 2 rechts). Dargestellt sind folgende Verschleißkennwerte: Der initiale Materialkonsum, auch bekannt als Einlaufverschleißtiefe, sowie die initiale und stationäre Verschleißrate. Die initialen Verschleißraten sind deutlich höher als in der stationären Betriebsphase, was durch die zuvor beschriebenen Einlaufprozesse erklärt werden kann. Ein Verschleißoptimum wurde für moderat raue Gegenkörper gefunden (R z = 1 µm). Der geringere Verschleiß äußert sich in allen wichtigen Verschleißkennwerten. Für diesen Rauigkeitsbereich liegt möglicherweise ein Gleichgewicht zwischen adhäsiven und deformativen Wechselwirkungen vor, der zu diesem Verhalten führt. Zudem ist bekannt, dass die Gegenkörpertopographie Einfluss auf die Transferfilmbildung hat. Daher kann folgende Annahme formuliert werden: mäßig raue Oberflächen fördern die Bildung eines robusten Transferfilms. Die höchsten Verschleißkennwerte wurden für sehr raue und sehr glatte Oberflächen gemessen. Bei glatten Oberflächen kommt es zu starken adhäsiven Wechselwirkungen, die zu erhöhtem Verschleiß führen können. Zudem bieten solche Oberflächen nicht genügend Rauheitstäler für eine ausreichende mechanische Verankerung des Transferfilms und führen somit zu einer schwachen Filmhaftung, da primär lediglich adhäsive Bindungen genutzt werden können. Dies führt zu einem ständigen Wechsel zwischen Auf- und Abbau des Transferfilms und könnte den enormen initialen Materialkonsum erklären. Jedoch stabilisiert sich auch dieses System, was eine geringere Verschleißrate zur Folge hat. Bei hohen Rauheitsgraden basiert der Hauptverschleißmechanismus auf verformenden bis abrasiven Wechselwirkungen, die wiederum zu höherem Verschleiß führen. Das Hohlraumvolumen rauer Oberflächen ist im Verhältnis sehr groß. Daher wird mehr Material benötigt, um die Hohlräume zu füllen. Bei rauen Oberflächen bleiben die operativen Verschleißwerte hoch, was möglicherweise auf einen unzureichenden Deckungsgrad des Transferfilms zurückzuführen ist. Die Zerspanungswirkung der Gegenfläche würde damit weiter dominieren. Ähnliche Beobachtungen wurden in [ENGE2019] dokumentiert. Änderungen im Beanspruchungskollektiv haben häufig eine Veränderung der Reibungs- und Verschleißantworten zur Folge. Hohe Gleitgeschwindigkeiten sind für trockenlaufende Polymer-Gleitlager aufgrund des hohen Energieeintrags häufig besonders kritisch, weil die dabei entstehende Wärme nicht durch ein Schmiermedium abgeführt werden können. Die mechanischen Eigenschaften des Polymers werden durch die Temperaturspitzen dabei stark beeinflusst, was sich direkt auf die Reib- und Verschleißantworten auswirkt. Bild 4 zeigt die Reibungs- und Verschleißreaktionen in Abhängigkeit der Relativgeschwindigkeit. Die Reibungsniveaus nehmen tendenziell mit zunehmenden Relativgeschwindigkeiten leicht zu, was auf temperaturbedingte Änderungen des Polymers zurückzuführen ist, die zu höheren adhäsiven Reibungsanteilen führen. Die abnehmende Verschleißfestigkeit mit steigender Gleitgeschwindigkeit kann ebenfalls mit einer thermischen Änderung der mechanischen Eigenschaften erklärt werden. Die Verschleißänderung bei hohen Geschwindigkeiten ist so massiv, dass davon ausgegangen werden muss, dass Temperaturen im Bereich der Glasübergangstemperatur der Polymermatrix während des Tests erreicht wurden. Aus Wissenschaft und Forschung 9 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 4/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0019 Bild 4: Reibungs- und Verschleißkennwerte in Abhängigkeit von Gleitgeschwindigkeit bei einer Gegenkörperrauheit von R z = 3 µm und 11,3 MPa Flächenpressung (p*v-Werte: 0,4; 1,13; 3,4) Zugabe von Nanopartikeln die mechanischen Eigenschaften der Polymerverbindung verbessert, was zu einer höheren Beständigkeit gegen abrasive Verschleißwirkungen führt. Eine beschleunigte Transferfilmbildung könnte dies ebenfalls erklären. Ein sich schnell entwickelnder und beständiger Transferfilm bietet einen frühen Schutz der Polymeroberfläche vor den angreifenden Verschleißwirkungen der Gegenfläche. Insgesamt scheinen die Verschleißverbesserungen hinsichtlich des Volumenanteils der Nanopartikel nahezu unabhängig zu sein. Die Reibwerte zeigen allerdings ein gegenläufiges Verhalten. Bei geringem Volumenanteil ist die Auswirkung auf die Reibung vernachlässigbar - die initiale Reibung ist vergleichbar, die Werte nach dem Einlauf sind minimal höher. Bei hohen Volumenanteilen kann ein Anstieg der Reibungswerte zu Beginn der Gleitbeanspruchung und im stationären Zustand um bis zu 200 % gemessen werden. Dies legt nahe, dass die Nanopartikel die reibungsmindernden Effekte der PTFE- Modifikation verhindern. Möglicherweise wirken diese als Barriere für das zwischenmolekulare Abgleiten der PTFE-Lamellen untereinander (unter der Annahme eines bestimmten Grads an Partikelagglomeration). Daher wären die Reibungsniveaus näher an den Reibungswerten, die normalerweise für das reine Matrixpolymer gemessen werden. Eine andere mögliche Erklärung ist, dass Compounds mit einer relativ hohen Menge an Nanopartikeln in Folge von Partikelagglomeration verstärkt abrasiv wirken und somit den Filmbildungsprozess nachteilig beeinflussen bzw. stören. Ein höherer Grad an abrasiven bzw. deformierenden Wechselwirkungen würde ebenfalls zu einer höheren Reibung führen. Aus Wissenschaft und Forschung 10 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 4/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0019 3.2 Ergebnisse der Versuche mit Nanocompounds Die vorherigen Ergebnisse zeigen, dass das Standardcompound bei hohen Geschwindigkeiten bzw. in Kombination mit sehr glatten und sehr rauen Oberflächen deutliche Einschränkungen hinsichtlich seiner Einsatzmöglichkeiten aufweist. Dieses Kapitel umfasst die Reibungs- und Verschleißergebnisse der ersten modifizierten Polymervarianten. Das Polymer wurde hierbei durch Beimischung von nanoskaligen, keramischen Partikeln in unterschiedlichen Volumenkonzentrationen modifiziert, um dessen tribologischen Leistungsfähigkeit zu verbessern. Die Ergebnisse sind in Bild 5 dargestellt. Die Tests wurden bei 11,3 MPa Flächenpressung in Kombination mit einer kontinuierlichen Gleitgeschwindigkeit von 0,1 m/ s - der zuvor bestimmten p * v-Grenze der Referenzverbindung - durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Zugabe von Nanopartikeln vielversprechende Effekte zeigt, insbesondere hinsichtlich des Verschleißverhaltens: • Deutliche Reduzierung des anfänglichen Materialverbrauchs auf bis zu ~ 23 % des Basispolymerwerts. • Die anfänglichen Verschleißraten werden auf ~ 35 % des Basispolymerwerts reduziert. • Die stationären Verschleißraten sind ebenfalls bis zu viermal niedriger. Der verringerte anfängliche Materialverbrauch und die geringen Einlaufverschleißraten legen nahe, dass die Bild 5: Reibungs- und Verschleißkennwerte in Abhängigkeit des Nanopartikelvolumenanteils bei einer Gegenkörperrauheit R z = 3 µm, sowie 11,3 MPa Flächenpressung und 0,1 m/ s Gleitgeschwindigkeit (p*v Wert = 1,13) Wie in Kapitel 3.1 dargestellt hat das Referenzmaterial beim Gleiten auf sowohl sehr glatten als auch sehr rauen Oberflächen eine unzureichende Verschleißbeständigkeit (Bild 2 rechts). Durch die Zugabe der Nanopartikel wird eine deutliche Reduzierung der Verschleißkennwerte auch unter diesen ungünstigen Rauheitsbedingungen erreicht (siehe Bild 6). 4 Analytik des Transferfilms Die auf den Gegenkörpern erzeugten Transferfilme wurden unter Verwendung von Rasterelektronenmikroskopie, digitaler Mikroskopie und Weißlichtinterferometrie (WLI) untersucht (siehe Bild 7). Die spezifischen Vor- und Nachteile jeder Methode können wie folgt zusammengefasst werden: • Die digitale Mikroskopie ist ein einfaches und schnell zu handhabendes Werkzeug, weist jedoch deutliche Einschränkungen hinsichtlich der möglichen Vergrößerung auf. Zusätzlich erschweren die schwachen Kontrastunterschiede zwischen Transferfilm und Umgebung die Transferfilmerkennung, insbesondere wenn raue Gegenflächen untersucht werden. Diese Probleme disqualifizieren diese Methode als Grundlage für die quantitative Bewertungsmethode, wie die Bestimmung der mittleren freien Weglänge („mean free space length“) zwischen den Transferfilmflecken von H.S. Khare [KAHRE2010]. Aus Wissenschaft und Forschung 11 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 4/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0019 Bild 7: Vergleich von Digitalmikroskopie (A), REM-Bildgebung (B) und WLI (C) bezüglich der Sichtbzw. Detektierbarkeit von Transferfilmen (gleiche Probe) Bild 6: Einfluss der Rauheit auf die Verschleißbeständigkeit der nanopartikel-modifizierten Polymere; Lastbedingungen: Flächenpressung = 11,3 MPa und Gleitgeschwindigkeit = 0,1 m/ s (p*v-Wert = 1,13) A B C volumenanteils ist in Bild 8 dargestellt (entsprechende tribologische Leistungsfähigkeit siehe Bild 5). Ohne Zugabe von Nanopartikeln erscheint der Transferfilm schwach und dünn. Die Aufnahme zeigt auch viele Lücken ohne Transferfilm. Die Zugabe von Nanopartikeln liefert einen wesentlich kohärenteren Film. Die Transferfilmstruktur scheint dicker zu sein, aber gut zu haften. Der unter Verwendung der Polymerverbindung mit hohem Volumenanteil an Nanopartikeln gebildete Film zeigt immer noch einen ausreichenden Deckungsgrad. Diese Aufnahme deutet aber auch auf eine mögliche Furchung hin, die die zuvor getätigte Hypothese zur Schleifwirkungen bestätigen würde. Wenn viele Nanopartikel beim Compoundieren agglomerieren, könnten sie eher abrasive Partikel bilden, welche anschließend zu abrasiven Verschleiß führen. Bild 9 zeigt die auf glatten bis rauen, kreuzgeschliffenen Oberflächen gebildeten Transferfilme (entsprechende Verschleißergebnisse sind in Bild 6 dargestellt). In diesem Fall scheint die Gesamtmenge und -größe der Polymerpatches signifikant verringert zu sein, wenn die mit Nanopartikeln modifizierten Varianten verwendet werden. Der Film sieht einheitlicher aus - dies gilt insbesondere für polierte Oberflächen (A und D).Die verbesserte Verschleißbeständigkeit bei Verwendung von glatten bis mäßig rauen Gegenflächen kann möglicherweise auf eine verbesserte Transferfilmqualität zurückgeführt werden. Eine Verbesserung bei hoher Rauheit ist eher auf eine höhere Robustheit gegenüber abrasiven Wechselwirkungen zurückzuführen, da die REM-Bilder keine eindeutigen Hinweise auf eine höhere Filmqualität liefern. Aus Wissenschaft und Forschung 12 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 4/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0019 • Die REM-Bildgebung ist im direkten Vergleich relativ langsam und arbeitsintensiv, bietet jedoch eine qualitativ hochwertige, kontrastreiche Bildgebung des Transferfilms, die für die weitere quantitative Analyse mithilfe einer Bildverarbeitungssoftware geeignet ist. Der verbaute Elektronenrückstreuungsbeugungsdetektor (engl.: Electron backscatter diffraction, EBSD) bietet einen zusätzlichen Vorteil gegenüber der Standard-Sekundärelektronendetektion (SE), da hiermit auch der Rückstreuelektronenkontrast dargestellt werden kann (engl. backscattered electrons, BSE). Das BSE-Bild betont den Materialkontrast und unterdrückt gleichzeitig Topografiedetails. • Obwohl z.B. Laux K.A. [LAUX2013] WLI zur Messung der Filmdicke erfolgreich verwendeten, waren unsere Versuche nur sehr begrenzt erfolgreich. Die in dieser Arbeit erzeugten Transferfilme sind oft sehr dünn und teilweise transparent. Daher zeigt diese optische Messmethodik ähnliche Probleme wie die Digitalmikroskopie. Filmbelegte Flächen im inneren der Gleitzone können kaum von der Oberflächenrauheit unterschieden werden, während große und undurchsichtige Partikel an den Rändern der Gleitzone erfasst werden (siehe 7C). Obwohl dicke und undurchsichtige Filme leicht gemessen werden können, sind solche Filme in realen Anwendungen nicht wünschenswert, da sie vermutlich weniger robust gegen tribologische Beanspruchungen sind und während der Einlaufphase vermutlich auch mehr Material verbrauchen, und dadurch der Einlaufverschleiß unzulässig hoch wird. Die erzeugten Transferfilme wurden daher primär mittels REM untersucht. Der Einfluss des Nanopartikel- Bild 8: REM/ BSE Aufnahmen (obere Reihe x500 Vergrößerung, untere Reihe x2000 Vergrößerung) der Transferfilme. Vergleich des Basiscompounds mit zwei modifizierten Varianten nach Belastung mit 11,3 MPa und 0,1 m/ Gleitgeschwindigkeit (p*v-Wert: 1,13; R z 3 µm konzentrisch geschliffener Gegenkörper) 5 Zusammenfassung • Die grundlegende Untersuchung des Referenzpolymers zeigte dessen eingeschränkte Belastbarkeit bei Beanspruchungen außerhalb seiner „Komfortzone“:  Das Polymer reagiert sehr empfindlich auf Veränderungen der Topografie der angreifenden Gegenkörperfläche. Sowohl extrem niedrige Rauheiten (polierte Oberflächen) als auch technisch eher raue Oberflächen R z > 3 µm führen zu erhöhtem Verschleiß.  Hohe Geschwindigkeiten führen auch zu einem erhöhten Verschleiß und einer erhöhten Reibung, insbesondere wenn die thermischen Belastbarkeitsgrenzen des Basispolymers bzw. dessen Glasübergangstemperatur erreicht werden. • Die Ergebnisse zeigten, dass durch Inkorporieren von Nanopartikeln die Verschleißbeständigkeit des Polymers verbessert wird. Die Ergebnisse zeigten auch, dass bereits ein geringer Volumenanteil ausreicht, um den Verschleiß zu verringern, jedoch das günstige niedrige Reibungsniveau der ursprünglichen Verbindung zu erhalten. • Die Rauheit spielt eine zusätzliche Rolle und fördert einen fleckigen Film, der hauptsächlich in Umfangsrichtung angeordnet ist (geringe Rauheit und polierte Oberflächen). Bei hohen Rauheiten ähnelt der Transferfilm eher dem generellen Schliffcharakter und scheint aus der Rauheitstälern heraus anzuwachsen. • Die ausgewählten Oberflächenuntersuchungsmethoden weisen bei rauen Oberflächen deutliche Einschränkungen auf, was eine quantitative Beurteilung des Transferfilms erschwert. Unter allen verfügbaren Analysemethoden scheint nur die Rasterelektronenmikroskopie mittels der durch den BSD-Detektor verfügbaren BSE-Aufnahmen geeignet zu sein, um konsistente sowie kontrastreiche Bilder für die Bildverarbeitung und quantitative Differenzierung der Transferfilme im weiterführenden Projektverlauf bereitzustellen. Aus Wissenschaft und Forschung 13 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 4/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0019 Bild 9: REM/ BSE Aufnahmen (x500 Vergrößerung) der Transferfilme. Vergleich von Basiscompound und modifiziertem Compound; A/ D = R z ≤ 0,1 µm; B/ E = R z 1 µm; C/ F=Rz 6 µm; Lastkollektiv: 11,3 MPa und 0,1 m/ s (p*v-Wert: 1,13) tive surface films. Macromolecules 2015, 48, 3739-3745 HOFF2014 T. Hoffmann; D. Lehmann: Chemisch modifiziertes PTFE als EP/ AW Additiv in Schmierstoffen; Tribologie und Schmierungstechnik 61 (2014); 11- 16 KAHRE2010 H.S. Khare, D.L. Burris: A quantitative method for measuring nanocomposite dispersion; Polymer 51 (2010) 719-729 KAND2012 Kandanur, S.S.; Rafiee, M.A.; Yavari, F.; Schrameyer, M.; Yu, Z.-Z.; Blanchet, T.A.; Koratkar, N.: Suppression of wear in graphene polymer composites; Carbon 2012, 50, 3178-3183 KAND2014 Kandanur, S.S.; Schrameyer, M.A.; Jung, K.F.; Makowiec, M.E.; Bhargava, S.; Blanchet, T.A.: Effect of activated carbon and various other nanoparticle fillers on PTFE wear. Tribol. Trans. 2014, 57, 821-830. LAUX2013 Laux K.A., Schwartz C.J.: Influence of linear reciprocating and multi-directional sliding on PEEK wear performance and transfer film formation; Wear 301 (2013) 727-734 ONOD2014 Onodera, T.; Kawasaki, K.; Nakakawaji, T.; Higuchi, Y.; Ozawa, N.; Kurihara, K.; Kubo, M.: Chemical reaction mechanism of polytetrafluoroethylene on aluminum surface under friction condition; J. Phys. Chem. C 2014, 118, 5390- 5396 SAWY2003 Sawyer, W.G.; Freudenberg, K.D.; Bhimaraj, P.; Schadler, L.S.: A study on the friction and wear behavior of PTFE filled with alumina nanoparticles; Wear 2003, 254, 573-580. YE2013 J. Ye, H.S. Khare, D.L. Burris: Transfer film evolution and its role in promoting ultra-low wear of a PTFE nanocomposite; Wear 297 (2013) 1095-1102 YE2014 J. Ye, H.S. Khare, D.L. Burris: Quantitative characterization of solid lubricant transfer film quality; Wear 316 (2014) 133-143 Ye, J. Characterizing PTFE Transfer Film Properties to Elucidate Transfer Film’s Role in Ultra-Low Wear Sliding of Polymer Nanocomposites. Ph.D. Thesis, University of Delaware, Newark, DE, USA, 2014. Aus Wissenschaft und Forschung 14 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 4/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0019 Danksagung Dieser wissenschaftliche Beitrag beruht auf den Ergebnissen und Erkenntnissen des öffentlich geförderten Kooperationsprojekts (FHprofUnt) „Gezielte Verbesserung von PTFE-haltigen Transferfilmen zur Reibung und Verschleißreduzierung“ (FKZ: 13FH149PX6) mit dem Projektpartner GGB GmbH. Dieses Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) auf Beschluss des Deutschen Bundestages finanziert. Literatur CZIC2015 Czichos, H.; Habig, K-H: Tribologie-Handbuch; Springer Vieweg-Verlag, 4. Auflage, 2015, ISBN: 978-3-8348-1810-2; Seiten 404- 406,459 ENGE2013 Th. Engelhardt; D. Lehmann; Th. Hoffmann; A. Träger; H. Marks; Upcycling von PTFE und der Einsatz als Additive für Hochleistungskunststoffe und -schmierstoffe; 21- Seminar „Kunststoffrecycling in Sachsen“; Vortrag; 2013 ENGER2017 M. Enger, J. Erlewein, T. Ziegler, J. Eder: Structural and chemical alterations in transfer films; Tagungsband: 58. Tribologie-Fachtagung 2017; Gesellschaft für Tribologie e.V.; ISBN 978-3- 9817451-2-2 ENGE2019 M. Enger, P.-F- Cardey, T. Ziegler: “Counter face micro-geometry and its impact on bearing performance”, Tagungsband: 60. Tribologie- Fachtagung 2019; Gesellschaft für Tribologie e.V.; ISBN: 978-3-9817451-4-6 HAIDAR2017 Haidar D.R., Ye J., Moore A.C., Burris D.L.: Assessing quantitative metrics of transfer film quality as indicators of polymer wear performance; Wear 380-381 (2017) 78-85 HARR2015 Harris, K.L.; Pitenis, A.A.; Sawyer, W.G.; Krick, B.A.; Blackman, G.S.; Kasprzak, D.J.; Junk, C.P.: PTFE tribology and the role of mechanochemistry in the development of protec-