26 Tribologie + Schmierungstechnik 63. Jahrgang 2/ 2016 1 Problemstellung - Ziel Im Gegensatz zu Tribosystemen, die im Gebiet der Flüssigkeitsreibung arbeiten, besteht bei den zunehmend an Bedeutung gewinnenden Anwendungen im Grenzreibungsgebiet wie z. B. fettgeschmierte Maschinenelemente in Windkraftanlagen, der Aufbereitungstechnik oder der Stahlindustrie hinsichtlich einer optimalen Gestaltung und Dimensionierung ein Wissensdefizit. Das Grenzreibungsgebiet ist häufig durch geringe Gleitwege, niedrige Geschwindigkeiten und instationäre Belastungen gekennzeichnet. Für den störungsfreien Betrieb Aus Wissenschaft und Forschung * Nicole Borgböhmer, CARL BECHEM GMBH, Entwicklung Gleitlacke, 58089 Hagen Dr. Jochen Kurzynski, VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH, Abt. Prozesstechnik Umform- und Veredelungsanlagen, 40237 Düsseldorf Jörg Keuntje, ThyssenKrupp Steel Europe AG, Technische Dienstleistungen & Energie - Anlagentechnik - Tribotechnik, 47166 Duisburg Christoph Krücken, Eich Rollenlager GmbH, 45525 Hattingen Sebastian Meiß,ThyssenKrupp Steel Europe AG, Rohstahl - Brammenerzeugung Beeckerwerth, 47166 Duisburg Florian Paland, CARL BECHEM GMBH, Leiter Entwicklung Gleitlacke & Leiter tribologisches Prüffeld, 58089 Hagen Optimierung von hochbeanspruchten Gleitkontakten durch den Einsatz innovativer Beschichtungs- und Oberflächenkonzepte N. Borgböhmer, J. Keuntje, J. Kurzynski, C. Krücken, S. Meiß, F. Paland* Eingereicht: 30. 10. 2015 Nach Begutachtung angenommen: 15. 11. 2015 Gleitkontakte im Grenzreibungsgebiet (geringe Gleitwege und -geschwindigkeiten; hohe instationäre Belastungen, aggressive Umgebungsbedingungen) sind in vielfältigen Anwendungen wie z. B. fettgeschmierten Lagerungen in Windkraftanlagen, der Stahlindustrie oder Anlagen der Aufbereitungstechnik anzutreffen. Im Rahmen eines Gemeinschaftsprojektes wurde der Gleitkontakt eines Hybridlagers für Rollen in Stranggießanlagen (Stahl) optimiert. Ziele waren neben der Schaffung der Voraussetzung für eine Lebensdauerschmierung eine Verbesserung des Betriebsverhaltens. Die Untersuchungen erfolgten entsprechend dem Prinzip der tribologischen Prüfkette durch unterschiedliche Modellprüfungen, Bauteilähnliche Prüfungen, Bauteilversuche und eine abschließende Bewertung durch einen Betriebsversuch in einer Stranggießanlage. Getestet wurden unterschiedliche Gleitlacksysteme und alternative Beschichtungssysteme. Mit der Anwendung von PTFE-haltigen Gleitlacksystemen konnte im Vergleich zum geschmierten Referenzsystem (Stahl - Stahl) eine deutliche Verbesserung des tribologischen Verhaltens erreicht werden. Schlüsselwörter Hybridlager, Gleitkontakt, Grenzreibung, Lebensdauerschmierung, Tribologische Prüfung, Stranggießanlage, Beschichtungssysteme, Gleitlack Sliding contacts in the boundary friction area (short sliding paths and low sliding speeds, high unsteady stresses, aggressive ambient conditions) can be found in a number of applications as, for instance, in greaselubricated bearings of wind power plants, the steel industry or in plants of materials preparation technology. The sliding contact of a hybrid bearing for rolls in a continuous steel casting plant was optimized. In addition to the establishing of conditions for lifetime lubrication, it was an objective to improve the operating behavior. The examinations were carried out according to the principle of the tribological testing chain by different model tests, componentrelated tests, component tests and a concluding assessment by a field test in a continuous casting plant. Different lubricant varnish systems and alternative coating systems were examined and tested. In comparison to the lubricated reference system (steel - steel), a significant improvement of the tribological behavior could be achieved by applying lubricant varnish systems containing PTFE. Keywords hybrid bearing, sliding contact, boundary friction, lifetime lubrication, tribological testing, continuous casting plant, coating systems, lubricant varnish Kurzfassung Abstract T+S_2_16 05.02.16 14: 23 Seite 26 Tribologie + Schmierungstechnik 63. Jahrgang 2/ 2016 solcher Systeme sind u. a. geringe Haftreibungszahlen und ein gutes Stick-Slip-Verhalten von Bedeutung. Die Untersuchungen wurden am Beispiel des Gleitkontaktes (Kugelsegment - Kugelkalotte) eines Hybrid-Einstelllagers (Bild 1) für Stranggießrollen durchgeführt. Hohe Lasten, diskontinuierliche Bewegungsabläufe mit geringen Gleitwegen sowie aggressive Umgebungsbedingungen führen bei den zur Zeit fettgeschmierten Gleitkontakten zu Grenzreibungsbedingungen verbunden mit hohen Gleit- und Haftreibungszahlen. Durch das geringe Spaltmaß ist die für den Wälzkontakt verwendete Nachschmierung kaum wirksam. Aus einer daraus resultierenden Behinderung der Winkeleinstellbarkeit resultieren extreme Lagerbeanspruchungen, die zu einem hohen Verschleiß der Lagerkomponenten bis hin zum Lagerbruch, verbunden mit entsprechenden Folgeschäden (Qualitätsverlust, Störung mit kostenintensivem Produktionsausfall) führen können. Voraussetzungen zur Lebensdauerschmierung des Wälzkontaktes des Lagers wurden im Rahmen eines BMBF- Projektes [1], durch die Entwicklung neuer Schmierungs- und Dichtungskonzepte sowie einer konstruktiven Optimierung des Lagers erarbeitet. In diesem Projekt wurde der Gleitkontakt des Hybridlagers als eine mögliche Ursache für Lagerschäden identifiziert. Wesentliche Zielstellungen des hier vorgestellten Gemeinschaftsvorhabens, waren die Erhöhung der Nutzungsdauer der Lager durch eine Verbesserung des tribologischen Verhaltens des Gleitkontaktes sowie die Schaffung von Voraussetzungen für eine Substitution der zurzeit üblichen Fett-Verlustschmierung durch eine Lebensdauerschmierung. Die Lösung der Aufgabenstellung erfolgte in enger interdisziplinärer Zusammenarbeit eines Forschungsinstituts mit einem Lager- und Schmierstoffhersteller sowie einem Anlagenbetreiber. 2 Lösungsansatz Die Lösung der Aufgabenstellung erfolgte durch eine beanspruchungsgerechte Auswahl und Weiterentwicklung innovativer Beschichtungskonzepte. Insbesondere wurden unterschiedliche Gleitlack-Systeme überprüft bzw. optimiert. Gleitlacke bieten für die Beispielanwendung „Gleitkontakt eines Hybridlagers“ u.a. folgende Vorteile: • Reduzierung des Reibwertes, • Gute Anpassbarkeit an unterschiedliche tribologische Beanspruchungen, insbesondere durch die Wahl des Feststoffschmierstoffs, • Voraussetzung für eine Lebensdauerschmierung (keine zusätzliche Fettschmierung erforderlich), • Zusätzlicher Korrosionsschutz, • Zusätzliche Dämpfungseigenschaften durch das Polymer, • Einfache Applikation. Zusätzlich zum standardmäßig verwendeten ungeschmierten System (100Cr6) wurden als Referenz unterschiedliche metallische Schichten, ein polymeres Dünnschichtsystem sowie eine DLC (ta-C) - Schicht untersucht. Die Prüfung bzw. Optimierung der Beschichtungssysteme erfolgte entsprechend dem Prinzip der „tribologischen Prüfkette“ [2] mit unterschiedlichen Modellversuchen (Prüf-Kategorie 6), Bauteil-ähnlichen Prüfungen (Prüf-Kategorie 3) sowie mit einem im Rahmen des Projekts entwickelten Bauteilprüfstand (Prüf-Kategorie 2), der den Einsatz von Originallagern unter definierten Prüfbedingungen erlaubte. Eine abschließende Bewertung erfolgte durch einen Betriebsversuch in einer Stranggießanlage. 27 Aus Wissenschaft und Forschung Bild 1: Winkeleinstellbares Hybridlager (Fa. Eich Rollenlager GmbH) Innerer Gleitkontakt (Kugelsegment) T+S_2_16 05.02.16 14: 23 Seite 27 28 Tribologie + Schmierungstechnik 63. Jahrgang 2/ 2016 3 Ermittlung der Beanspruchungsbedingungen Basis zur Auswahl der Gleitlack-Systeme sowie für die Wahl der Prüfbedingungen war eine Analyse der auftretenden Beanspruchungen. Analog zu den in [1] durchgeführten Arbeiten erfolgten die Untersuchungen am Beispiel von Rollenlagern eines Segments im hoch beanspruchten Gießbogen der Stranggießanlage 2 (TKSE, Beeckerwerth, Segment 7, Bild 2). Resultierend aus dem Eigengewicht des Stranges, den Biegekräften und dem ferrostatischen Druck des noch nicht erstarrten Stahls tritt hier die höchste Lagerbelastung auf. Das Segment befindet sich innerhalb der Kühlkammer und wird damit zusätzlich mit Prozesswasser und Zunderpartikeln (Abrasion, Korrosion) belastet. Aus der hohen Beanspruchung resultiert eine deutlich größere Häufigkeit von Lagerausfällen im Vergleich zu anderen Rollensegmenten in der Anlage. Dies wurde bei der Auswertung von Instandhaltungsdaten bestätigt. Eine detaillierte Analyse von mehr als 25 Lagern (Produktionsleistung 4 Millionen Tonnen Stahl, entspricht ca. 2 Jahre) zeigte teilweise folgende Schädigungen: • örtlich begrenzte Korrosionsschäden, • starke Pittingbildung in der Lastzone des Wälzkontaktes, • unsymmetrische Tragbilder über die Lagebreite, • Ausbrüche am Lager- Innenring. Sowohl die Ausbrüche am Bord des Innenringes, wie Aus Wissenschaft und Forschung Bild 3: Oben: Einprägung Kreuzschliff, links: Foto, rechts: 3D-Topografie (1 mm x 1 mm), unten: Profilschnitt auf Riefen-Erhebung A-A (links: unbeansprucht, rechts: beansprucht) µ m 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4 4 . 5 5 5 . 5 6 Länge = 2.04 mm Pt = 0.549 µm Maßstab = 4.00 µm 0 0 . 5 1 1 . 5 2 m m µ m - 2 - 1 . 5 - 1 - 0 . 5 0 0 . 5 1 1 . 5 2 Bild 2: Stranggießanlage - Segmente im Gießbogen (markiert) T+S_2_16 05.02.16 14: 23 Seite 28 Tribologie + Schmierungstechnik 63. Jahrgang 2/ 2016 auch die unsymmetrischen Tragbilder, deuten auf eine Behinderung der Winkeleinstellbarkeit hin. Ursachen könnten neben einer unzureichenden Schmierung mechanische Bewegungshemmungen durch Einprägungen des zur Verbesserung des Reibungsverhaltens vorhandenen Kreuzschliffes (innerer Gleitkontakt, 100Cr6) in den weicheren äußeren Lagerring (Bild 3) sein. Zur Ermittlung der Hertzschen Pressung in Abhängigkeit des vorgegebenen Toleranzbereiches wurden basierend auf den in [1] ermittelten Lagerkräften FEM-Berechnungen durchgeführt. Als Vergleichsgröße wurden die maximalen Von-Mises- Spannungen im Lastbereich des Gleitkontakts verwendet (Bild 4). Mit der Simulation wurde im Hauptlastbereich eine Pressung von 65 MPa ≤ p ≤ 85 MPa (Kleinstspiel - Größtspiel) ermittelt. Die Ergebnisse zeigen den Einfluss der vorliegenden Toleranzen und die beim Einsatz von Gleitlacken vorhandenen Belastungsreserven. Hinsichtlich der Temperaturbeanspruchung wurde ein Bereich TB ≤ 70 °C ermittelt. 4 Untersuchte Schichtsysteme Neben den im Fokus des Projektes stehenden Gleitlacken wurden zum Vergleich unterschiedliche Chrom-Schichten, Chemisch Nickel-Dispersionsschichten, eine amorphe Kohlenstoffschicht DLC (ta-C) und ein polymeres Dünnschichtsystem geprüft. Die Chemisch Nickel- PTFE-Dispersionsbeschichtung erfolgte beim BFI im Labormaßstab. Einen Überblick zu allen untersuchten Schichtsystemen gibt Tabelle 1. Gleitlacke gehören zu den Feststoffschmierstoffen und bestehen aus den Komponenten • Festschmierstoffe (z. B. MoS 2 , Graphit, PTFE), • Bindemittel (Epoxid-, Polyurethan-, Amid-Imid-, Silikonharz), • Lösungsmittel (z. B. organische Lösungsmittel, Wasser) und • Additive (z. B. Dispergierung, Lackverlauf, UV-Beständigkeit, Korrosionsschutz). Durch Variation der Komponenten, eine an das Lacksystem und Bauteil angepasste Oberflächentopografie sowie eine geeignete Applikationstechnik können Gleitlacke in einem weiten Bereich den Beanspruchungsbzw. Einsatzbedingungen angepasst werden. Durch ihr zusätzlich gutes Dämpfungsvermögen sind sie für die Beispielanwendung ideal geeignet. Die Auswahl / Optimierung der Gleitlack-Systeme erfolgte mehrstufig. Entsprechend der durchgeführten Beanspruchungsanalyse wurden die in Tabelle 2 angegebenen Basisprodukte für den Gleitkontakt des Hybridlagers ausgewählt. 29 Aus Wissenschaft und Forschung Bild 4: Oben: Maximale Von-Mises-Spannung im Kraftfluss - unten: Verteilung in der Lastzone des Gleitkontaktes (Normalspiel) F Verschiebung Sphärische Gleitflächen der Lageraußenringe σ Vmax T+S_2_16 05.02.16 14: 23 Seite 29 30 Tribologie + Schmierungstechnik 63. Jahrgang 2/ 2016 Im Ergebnis der Tribometer- und Korrosionsuntersuchungen erfolgte eine Eingrenzung auf die Basisprodukte Berucoat AF 320 und AF 732. Beim System AF 732 ist durch die Feststoff-Kombination MoS 2 / PTFE ein niedriger Reibwert über einen weiten Beanspruchungsbereich (PTFE - niedrige Flächenpressung, MoS 2 - hohe Flächenpressung) gegeben. Ein weiteres Auswahlkriterium ergab sich durch die bei der Beispielanwendung vorliegende geringe Relativbewegung, die keine bzw. eine nur geringe Ausbildung eines Transferfilmes erwarten lässt. Die gewählten Schichtsysteme zeigen bereits zu Beginn der Beanspruchung (ohne Einlauf) ein gutes Reibverhalten. 5 Bewertung der Schichtsysteme durch Modellprüfungen Neben der Bewertung von Oberflächenveränderungen durch den Beschichtungsprozess (Traganteilkurve, Isotropie usw.), der Haftfestigkeit (Gitterschnitt) und dem Korrosionsverhalten (Tauchversuch in Prozesswasser, Aus Wissenschaft und Forschung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` ND` Diamor® 8$8&"$V&,4-.$D"#H&[.$D aH.C$)48H114-.,-.8D/ 8"5@2 Z\@DD/ 8"5@2 M9D5DG9D0["D` ND` Tabelle 2: Basisprodukte für den zu optimierenden Gleitkontakt Tabelle 1: Überblick Beschichtungssysteme (* Herstellerangaben) Berucoat AF 291 organisch 215°C Graphit Berucoat AF 320 organisch >130°C PTFE Berucoat AF 379 Wasser 140°C PTFE Berucoat AF 481 organisch 215 MoS 2 / Graphit Berucoat AF 534 organisch 200°C MoS 2 / Graphit/ PTFE Berucoat AF 732 organisch 200°C MoS 2 / PTFE t l Produk Lösemitte Härtung bei Festschmierstoff T+S_2_16 05.02.16 14: 23 Seite 30 Tribologie + Schmierungstechnik 63. Jahrgang 2/ 2016 Salzsprühtest) wurden zur Simulation eines weiten Beanspruchungsbereiches unterschiedliche tribologische Modellprüfungen durchgeführt: • Schwing-Reib-Verschleißuntersuchungen SRV (Linienkontakt, Optimol SRV IV) • Stick-Slip- / Haftreibungsprüfungen (SSP02, H3P, Ziegler Instruments) • Ball-on-Disc (Gleitreibung, -Verschleiß, Stick-Slip- Verhalten) • Abrasiv-Gleitverschleiß (Gummiradverfahren ASTM G 64-94 [4]- hohe Beanspruchung, Verschleißtopfverfahren - niedrige Beanspruchung) • Kombinierte Beanspruchung Abrasion - Korrosion (Verschleißtopfverfahren) • Kavitationserosion nach ASTM G 32-92 [5] (Oberflächenzerrüttung, Haftung) Die Untersuchungen erfolgten entsprechend dem Anwendungsspektrum der unterschiedlichen Beschichtungsarten (metallisch, Polymer-, DLC-Schichten) teilweise mit unterschiedlichen Parametern. Hinsichtlich des Korrosionsverhaltens zeigten die Gleitlacksysteme mit einem PTFE-Anteil sowie die Chemisch Nickel-Schichten das beste Verhalten. Im Folgenden können nur exemplarisch ermittelte Ergebnisse dargestellt werden. Alle Untersuchungen erfolgten im ungeschmierten (wesentlich für eine Lebensdauerschmierung) und geschmierten (KP 2 N-20, Mehrzweckfett auf Basis Mineralöl / Lithiumseife) Zustand. Bild 5 zeigt das gute Verhalten des optimierten Gleitlacksystems (AF 320; 5 % PTFE) bei den SRV-Prüfungen. Auch gegenüber dem geschmierten Referenzsystem wurde eine deutliche Reduzierung der Reibung erreicht. Ebenfalls ein gutes Reibungsverhalten wurde bei der Chemisch Nickel-PTFE-Dispersionsschicht ermittelt. Auch bei den mit Segmenten des Realbauteils durchgeführten H3P-Prüfungen zeigte das optimierte Gleitlacksystem (AF 320; 5 % PTFE) bezüglich der Haftreibung das beste Verhalten. Prüfstand und die erhalten Ergebnisse im geschmierten Zustand sind im Bild 6 dargestellt. Deutlich höhere Flächenpressungen und lange Beanspruchungszeiten wurden mit einem Ball-on-disc Prüfstand realisiert. Durchgeführt wurden ein Langzeitversuch (4 Stunden) und eine Prüfung mit unterschiedlichen Laststufen (zum Realbauteil bis zu 10-fache Belastungen). Auch bei diesen Prüfungen zeigte das optimierte Gleitlack-System ein sehr gutes Reibungsverhalten (Bild 7). Das Verschleißverhalten wurde beim Langzeitversuch durch die Ermittlung der Kugelabplattung (Gegenkörper) bewertet. Einen sehr niedrigen Gegenkörperverschleiß zeigten die untersuchten Gleitlacke und die Chemisch Nickel-Dispersionsschichten. Ein Verschleiß an der beschichteten Scheibe konnte bei keinem System festgestellt werden. Bei abrasiver Beanspruchung (Verschleißtopfverfahren, Gummiradverfahren) zeigten erwartungsgemäß die untersuchten Chrom-Schichten und die DLC-Schicht das beste Verschleißverhalten. 31 Aus Wissenschaft und Forschung 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 100Cr6 AF 320; 5% PTFE Hart-Chrom Chrom-Dispersion Chrom-Diamant Tribo-Chrom CN CN BN CN PTFE DLC (ta-C) Polymer Reibwert µ (Gleitreibung) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 100Cr6 AF 320; 5% PTFE Hart-Chrom Chrom-Dispersion Chrom-Diamant Tribo-Chrom CN CN BN CN PTFE DLC (ta-C) Polymer Reibwert µ (Haftreibung) Bild 5: SRV-Ergebnisse (ungeschmiert) - links: mittlere Gleitreibungswerte, rechts: Haftreibungswerte 400 s - 600 s 600 s - 800 s 800 s - 1000 s 400 s - 600 s 600 s -800 s 800 s - 1000 s T+S_2_16 05.02.16 14: 23 Seite 31 32 Tribologie + Schmierungstechnik 63. Jahrgang 2/ 2016 6 Bauteilprüfung und Betriebsversuch Zur Bewertung ausgewählter Beschichtungssysteme unter praxisnahen, definierten Beanspruchungsbedingungen mit Originallagern wurde ein Bauteil-Prüfstand entwickelt (Bild 8). Ziel war die Ermittlung des Reibmomentes bei der am Hybridlager auftretenden Schwenkbewegung. Die Lastaufbringung erfolgte über ein Axial-Pendelrollenlager. Analog zu den Bedingungen in einer Stranggießanlage wurde bei den Prüfungen eine zyklische Beanspruchung (mehrere Ruhe- / Bewegungsphasen) bei unterschiedlichen Normalkräften simuliert. Die Erfassung des Reibmomentes erfolgte am Hebelsystem über Dehnmessstreifen. Ein Vergleich der für die untersuchten Schichtsysteme ermittelten mittleren Reibmomente zeigt Bild 9. Auch bei der Bauteilprüfung konnten mit dem Einsatz von Gleitlack-Systemen im Vergleich zum Referenzsystem 100Cr6 deutliche Verbesserungen ermittelt werden. Das unerwartet schlechte Verhalten der amorphen Kohlenstoff-Schicht DLC (ta-C) kann auf einen Materialübertrag (Adhäsion) von Abriebpartikeln des weicheren Gegenkörpers (C40) zurückgeführt werden. Eine Verbesserung könnte hier durch eine Anpassung der Oberflächentopografie erreicht werden. Bis auf die DLC- Schicht und das Referenzsystem wurde weder bei den Gleitlacken noch bei den Chemisch Nickel-Dispersions- Aus Wissenschaft und Forschung 0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 Maximaler Reibwert µ [-] 2 2 2 Bild 6: H3P-Prüfung - links: Versuchsaufbau, rechts: Ergebnisse (geschmiert) 1 mm/ s 2 mm/ s 4 mm/ s 8 8 mm/ s 16 mm/ s 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 100Cr6 AF320 AF481 AF732 AF 320; 5% PTFE Reibwert µ [ - ] 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Reibwert µ [ - ] Bild 7: Ergebnisse Ball-on-disc - Langzeitversuch (ungeschmiert) Beginn nach 85 m nach 170 m Beginn nach 85 m nach 170 m Abschnitt des Kugelsegments (Originallager) T+S_2_16 05.02.16 14: 23 Seite 32 Tribologie + Schmierungstechnik 63. Jahrgang 2/ 2016 des Projektes beim nächsten Ausbau des Segmentes erfolgen. 7 Zusammenfassung - Ausblick Mit den untersuchten und weiterentwickelten Gleitlack- Systemen konnte eine deutliche Verbesserung des tribologischen Verhaltens der Beispielanwendung „Gleitkontakt eines Hybridlagers für Stranggießrollen“ erreicht werden. Selbst im ungeschmierten Zustand zeigt das optimierte Gleitlacksystem ein im Vergleich zum Referenzsystem (100Cr6, geschmiert) deutlich besseres Reibungsverhalten. Damit ist die Voraussetzung für eine Substitution der zurzeit üblichen Fett-Verlustschmierung durch eine Lebensdauerschmierung gegeben. Das bessere tribologische Verhalten lässt außerdem eine deutliche Verbesserung der Winkeleinstellbarkeit des Lagers erwarten, was zu einer Vermeidung kostenintensiver La- 33 Aus Wissenschaft und Forschung Bild 8: Bauteilprüfstand - Aufbau 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Referenz AF 732 AF 320; 5% PTFE CN Bornitrid CN PTFE DLC (ta-C) Reibmomen MR [Nm] 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Referenz AF 732 AF 320; 5% PTFE CN Bornitrid CN PTFE Polymer DLC (ta-C) Reibmomen MR [Nm] Bild 9: Bauteilprüfstand - Ergebnisse, F N = 20 kN, (links: ungeschmiert, rechts: geschmiert) schichten ein messbarer Verscheiß an der Schicht bzw. am Gegenkörper identifiziert. Zur abschließenden Bewertung erfolgt ein Betriebsversuch in der Stranggießanlage 2 (TKSE, Beekerwerth). Dazu wurde ein Segment im hochbeanspruchten Gießbogen mit Referenz-Lagern und Lagern, die mit den PTFE-haltigen Gleitlack-Systemen AF 320 und AF 732 beschichtet wurden, bestückt. Die aus einer Fertigungs- Charge stammenden Lager wurden hinsichtlich geringer Abweichungen von der Nenn-Toleranz ausgewählt. Der Einbau in die Stranggießanlage „Beeckerwerth“ erfolgte während eines Produktionsstillstandes im 1. Quartal 2015. Mit dem Betriebsversuch erfolgt der generelle Funktionsnachweis. Bis zum heutigen Zeitpunkt arbeitet das Segment störungsfrei. Eine abschließende Bewertung durch das Projekt-Konsortium kann erst nach Abschluss T+S_2_16 05.02.16 14: 23 Seite 33 34 Tribologie + Schmierungstechnik 63. Jahrgang 2/ 2016 gerausfälle, verbunden mit Qualitätsverlusten bzw. kostenintensiven Produktionsausfällen beitragen kann. Auch im geschmierten Zustand zeigen die Gleitlacke ein sehr gutes tribologisches Verhalten. Damit besteht ein Anwendungspotenzial hinsichtlich Mangelschmierung bzw. Notlaufeigenschaften. Hier können durch eine optimale Abstimmung Gleitlack - Fett noch Verbesserungen erreicht werden. Die untersuchten Chemisch Nickel-Dispersionsschichten (insbesondere mit PTFE Partikeln) zeigten ebenfalls ein sehr gutes tribologisches Verhalten. Vorteile liegen insbesondere in der auf Grund der Festigkeit höheren Beständigkeit gegenüber abrasiver Beanspruchung. Auch für diese Schichten besteht ein hohes Anwendungspotenzial. Die Ergebnisse sind auf eine Vielzahl ähnlicher beanspruchter Anwendungen in der Stahlindustrie und anderen Branchen übertragbar. Die Forschungsarbeiten wurden gefördert durch das Land NRW im Rahmen des Ziel-2-Programms 2007- 2013 (EFRE). Literatur [1] Bergmans, E.; Deters, L.; Fenske, C.; Gräbing, K.-P.; Keuntje, J.; Knapp, M.; Krücken, C.; Kuhn, M.; Kurzynski, J.; Stache, H.: Optimierung von hochbeanspruchten Wälzlagerungen. Schlussbericht BMBF-Vorhaben, 2011 [2] GfT-Arbeitsblatt 7: Tribologie - Verschleiß, Reibung, Definitionen, Begriffe, Prüfung, Gesellschaft für Tribologie e.V. (GfT), Moers, 2002 [3] Horst Czichos, Karl-Heinz Habig: Tribologie - Handbuch. Vieweg+Teubner Verlag; Auflage: 3., überarbeitet u. erweiterte Auflage 2010 (27. April 2010) [4] ASTM G65-04 Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/ Rubber Wheel Apparatus. 2010 [5] ASTM G 32-92: Standard Test Method for Cavitation Erosion Using Vibratory Apparatus. Annual Book of ASTM Standards 1992 Aus Wissenschaft und Forschung Alterung von Schmierstoffen Oxidation Roll Tester OXI-T200-P2 Für die Entwicklung und Anwendung eines Schmierstoffs spielt die Kenntnis über die ablaufenden Alterungsmechanismen eine zentrale Rolle. Erst das Verständnis der stattfindenden Prozesse ermöglicht die gezielte Auswahl einer geeigneten Kombination aus Grundöl, Verdicker und Additiven und damit die Formulierung eines optimalen Schmierstoffs. Um die Eigenschaften eines Schmierstoffs unter Beweis zu stellen, existieren eine Vielzahl von Prüfverfahren. Ein für die Untersuchung von Alterungsvorgängen geeignetes Prüfgerät sollte einen Schmierstoff, ähnlich oder härter als im realen Einsatz, mechanisch und thermisch belasten. Solche Prüfgeräte sind allgemein bekannt, wie z. B. der Shell Roll Tester nach ASTM D 1831 zur Bestimmung der Scherstabilität. Neben der mechanischen und thermischen Belastbarkeit spielt die Oxidationsstabilität bei der Alterung von Schmierstoffen eine mitentscheidende Rolle. Die bislang bekannten Verfahren zur Untersuchung der Oxidation von Schmierstoffen sind nur unzureichend in der Lage, das Alterungsverhalten unter einer Kombination der o. a. Einflussfaktoren abzubilden. Genau diese Lücke füllt der neue Oxidation Roll Tester OXI-T200-P2. Basierend auf der ASTM D 1831 bietet der Oxidation Roll Tester die Möglichkeit, während des Prüflaufs einen einstellbaren Gasvolumenstrom durch den rotierenden Prüfbehälter zu leiten. Dadurch steht eine große Oberfläche der zu untersuchenden Schmierstoffprobe kontinuierlich, sowohl mit der oxidierenden Atmosphäre, als auch mit einer katalytisch wirkenden Metalloberfläche, in Kontakt. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, das durchgeleitete Gas aufzufangen und ablaufende chemische Prozesse (Oxidation, chem. Zersetzung, u. a. ) mittels nachgeschalteter Analytik genauer zu untersuchen. Die Variation der Randbedingungen wie Gaszusammensetzung, Temperatur und Dauer des Prüflaufs, schaffen eine einzigartige Basis für die Analyse der Alterung eines Schmierstoffes und bieten eine gute Grundlage für zielgenaue Optimierungen. Der Oxidation Roll Tester ist für Beanspruchungen von Schmierfetten und Schmierölen bei Temperaturen bis 200 °C ausgelegt. Während eines Prüfvorgangs können 2 Proben von je 50 g Schmierstoff zeitgleich bearbeitet werden. Die Steuerung erfolgt über ein frontseitiges Touchpanel, über das alle relevanten Prüfparameter angezeigt und variiert werden können. Prüfabläufe von mehreren hundert Stunden sind mit dem Oxidation Roll Tester problemlos realisierbar. Kontakt: Albers Engineering GmbH Peter Albers Tel.: 05323 - 9896-60 www.albers-engineering.de Anzeige T+S_2_16 17.02.16 12: 14 Seite 34