18 Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 3/ 2017 Aus Wissenschaft und Forschung * Prof. Dr.-Ing. habil. Annett Dorner-Reisel B. Eng. Michael Scholz, Dr.-Ing. Stefan Svoboda Hochschule Schmalkalden, D-98574 Schmalkalden PTA-auftragsgeschweißte WC-NiBSi-Schichten: Trockener und geschmierter Schwingreibverschleißtest gegen Al 2 O 3 - oder WC11Co-Kugeln A. Dorner-Reisel, M. Scholz, S. Svoboda, R. Hepp, G. Reisel* Eingereicht: 27. 9. 2016 Nach Begutachtung angenommen: 15. 2. 2017 Wolframkarbid (WC) verstärkte NiBSi Schichten wurden durch Plasma-Auftragsschweißen auf Stahlsubstraten S235 aufgebracht. Der WC-Gehalt betrug 60 %. Eine häufig verwendete Verschleißprüfung für auftragsgeschweißte Schichten ist der ASTM G65 Test. Er ist Stand der Technik und bietet eine sehr gute Vergleichbarkeit der tribologischen Beständigkeit gegenüber Abrasion. In praktischen Beanspruchungen kommen häufig überlagerte Verschleißgrundmechanismen vor. Hier bietet sich die Schwingreibverschleißprüfung mit harten Gegenkörpern auf der WC/ NiBSi-Schicht an. Es wird ein hoher Anteil an Gleiten simuliert. Für einige Anwendungsfälle sind die Prüfbedingen angemessener oder ergänzen den ASTM G65. Im Beitrag werden WC-Co- und Al 2 O 3 - Kugeln als Gegenkörper der WC/ NiBSi-Schicht betrachtet. Die Gleitverschleißprüfungen finden im trockenen und im durch Motoröl geschmierten Zustand statt. Unter Schmierung mit Motoröl ist der Reibungskoeffizient am geringsten. Dennoch wurde am Tribosystem WC-NiBSi/ WC11Co mit Motoröl als Zwischenstoff eine höhere Verschleißrate als im trockenen Zustand ermittelt. Bei sandigen Ölen überlagern sich Verschleißmechanismen des gleitenden Gegenprüfkörpers und der Mikroabrasion durch Sandpartikel. Hier spielen die Fluideigenschaften des Öles in Bezug auf Viskosität, Partikeltransport oder -benetzung eine wichtige Rolle. Schlüsselwörter Schwingreibverschleiß, Plasma transferred Arc (PTA) Auftragsschweißen, Woframkarbid-NiBSi-Schichten, Motorölschmierung Tungsten carbide (WC) reinforced NiBSi coatings were deposited on mild steel S 235 by plasma transferred arc welding. The WC fraction was 60 %. A commonly used testing routine for hardfacings is ASTM G65 rubber wheel abrasion test. In practical applications, there are usually combinations of the basic wear mechanisms. The translatory oscillation test with hard counterbodies may be an additional or alternative test according to the special envisaged practical application. There is a high degree of sliding applied. For some applications such test conditions may be more suitable or are a good supplement to ASTM G65. In the present contribution WC-Co and Al 2 O 3 balls were used as counterbodies against WC/ NiBSi-coated flats. The wear tests are performed under dry conditions or engine oil lubrication. Although, the coefficient of friction (COF) is lowest under engine oil lubrication, a higher wear rate was evident on the WC-NiBSi PTA cladded overlay, if engine oil is used. In the case of sandy oils, there are sliding of the counterbody ball against the PTA coating as well as microabrasion due to moving sand particles. The fluid properties of the oil in terms of viscosity, wettability of the sand particles and its transport in the oil may be essential Keywords translatory oscillation wear testing, Plasma Transferred Arc (PTA) deposition welding, Tungsten Carbide-NiBSi coatings, engine oil lubrication Kurzfassung Abstract Dipl.-Ing. (FH) Rolf Hepp Dr.-Ing. Guido Reisel Oerlikon Metco WOKA GmbH Barchfeld, D-36456 Barchfeld T+S_3_17 03.04.17 15: 12 Seite 18 Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 3/ 2017 1 Problematik und Zielsetzung Auftragsschweißen von wolframkarbidverstärkten Nickellegierungsschichten bietet sich bei stark abrasivem Verschleiß, z. B. bei landwirtschaftlichen Geräten, in der Rohstoffgewinnung und -verarbeitung, bei Erd- und Sandfördertechniken an [1]. Weiterhin liegt ein großes Potential im automobilen Bereich [2]. Häufig kommen die Schichten im motorischen Bereich mit Schmierstoffen und Ölen oder Verschmutzungen in Kontakt, die das Verschleißverhalten weiterhin beeinflussen. In den meisten praktischen Anwendungsfällen überlappen sich die Verschleißgrundmechanismen Abrasion, Adhäsion, Kurz- und Langzeitermüdung. Häufig findet im labortechnischen Alltag bei der Prüfung derart harter Schichten die gut bewährte Abrasionsprüfung gemäß der Amerikanischen Prüfvorschrift ASTM G65 Anwendung. Während einer Gleitverschleißbeanspruchung kann sich das tribologische Verhalten im Vergleich zu reiner Abrasion ändern. Durch weitere, an den jeweiligen praktischen Anwendungsfall angepasste Testmethoden lassen sich mehr Erkenntnisse zur Eignung bestimmter Schichten für konkrete Belastungssituationen gewinnen. Das ermöglicht es dem Schichthersteller, sich genauer auf die Bedürfnisse des Kunden einzustellen. Bach, Möhwald u. a. [3] nutzten zum Messen der Verschleißbeständigkeit von WC-verstärkten Metallschichten das Tribometer Wazau TRM 5000 in der Kugel- Scheibe-Versuchsanordnung. Dabei testeten sie mittels einer Kugel aus WC11Co, deren Durchmesser von 10 mm betrug, und unter Wirkung einer Normalkraft von 40 N das tribologische Verhalten. Die Lineargeschwindigkeit betrug 0,1 m/ s. In diesen Versuchen rotieren die Proben 2500 bis 10000 mal. Bei anschließender Betrachtung der Proben im Auflichtmikroskop können an WC-verstärkten Metallschichten keine Verschleißerscheinungen festgestellt werden. Für derartige tribologisch hochbeständige Schichten bietet sich der Schwingreibverschleiß mit höheren Belastungen und eine verfeinerte optische Aufzeichnung der Verschleißspur durch Laser Scanning Mikroskopie sowie Messung des Verschleißvolumens mit demselben Verfahren an. In der vorliegenden Studie wurden harte WC-NiBSi Schichten im Schwingreibverschleiß gegen Hartmetall- Kugeln (WC11Co) oder keramische Kugeln aus Al 2 O 3 geprüft. Die Verschleißspuren wurden mit dem Laser Scanning Mikroskop ZEISS LSM 700 und elektronenmikroskopisch im Rasterelektronenmikroskop ZEISS EVO MA 15 charakterisiert. 2 Experimentelle Vorgehensweise Auftragsschweißen der WC-NiBSi Schichten Ein Wolframkarbid-NiBSi Pulver der Firma Oerlikon Metco WOKA GmbH mit einem Anteil von 60 % WC wurde durch Auftragsschweißen mit dem PTA-Verfahren (PTA: Plasma transferred Arc) auf S235 Stahlsubstraten aufgebracht. Das Pulver ist ein speziell designtes Material für diese Untersuchungen. Daneben bietet die Firma bewährte Standardprodukte an, die vielfältig u. a. auch in der Öl- und Gasindustrie angewendet werden [4]. Die Wolframkarbid-Partikel sind einphasige Karbide mit kantiger Form und einer Härte zwischen 1600 HV 0,1 und 2200 HV 0,1. Das Matrix-Pulver der selbstfließenden NiBSi-Legierung wird durch Gasverdüsung hergestellt und zeigt daher eine runde Morphologie. Die Korngrößen der verarbeiteten WC-NiBSi-Partikelfraktion lagen zwischen 63 µm und 150 µm. Für die Beschichtung wurden geometrisch vorbestimmte Stahlsubstrate aus S235 hergestellt, weil diese eine standardisierte Verschleißprüfung ermöglichen. Hierbei handelt es sich um scheibenförmige Prüfkörper mit einem Durchmesser von 24,0 mm ± 0,5 mm und einer Höhe von 7,8 mm ± 0,1 mm. Das PTA- Auftragsschweißen erfolgte mit einer Pulverförderrate von 16,5 g/ min, sowie einem Schweißstrom von 105 A unter Nutzung eines Deloro Stellite Schweißsystems mit HPM250 Brenner. Es wurden einlagige Schweißraupen erzeugt. Verschleißuntersuchungen Verschleißtests wurden mit dem Schwingreibverschleißprüfstand SRV III der Firma Optimol Instruments GmbH, München durchgeführt. Auf Bild 1 sind Grundprüf- und Gegenprüfkörper in der Prüfkammer abgebildet. Es sind außerdem der Grundprüfkörper-Halter und ein Teil des Oszillationsantriebgestänges zu erkennen. Der Aufbau des Prüfstandes ist detailliert in DIN 51834-1: 2010-11 beschrieben. Anstelle des Grundkörpers aus 100Cr6H gemäß der DIN 51834-1: 2010-11 wurde in dieser Studie als Material für die Scheibe der Baustahl S235 mit PTA- Schicht eingesetzt. Die Oberfläche der PTA-Schweißraupe wurde plan geschliffen. Dies entspricht dem tatsächlichen Oberflächenzustand im praktischen Einsatz der WC-NiBSi-Schichtwerkstoffe. Die als Gegenkörper verwendeten Kugeln sind aus Al 2 O 3 (99,9 %) oder aus WC11Co. Sie lagen im polierten Oberflächenzustand vor. 19 Aus Wissenschaft und Forschung Bild 1: S235 Stahlprobe mit WC-NiBSi-Schweißraupe und WC-Kugel im Schwingreibverschleißprüfstand T+S_3_17 03.04.17 15: 12 Seite 19 20 Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 3/ 2017 Der Schwingungsweg s betrug 1000 μm, wobei die Normalkraft von 50 N, die Frequenz 10 Hz und eine Testzeit von 150 min gewählt wurden. Vor dem Test wurden Kugel und Schichtoberfläche mit Ethanol gereinigt. Die Verschleißprüfungen wurden bei Raumtemperatur durchgeführt. Die tribologischen Tests erfolgten trocken oder mit Zwischenstoff. Als Zwischenstoff kam Motoröl und durch Sand verunreinigtes Motoröl zum Einsatz. Die Prüfbedingungen sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Für den Zwischenstoff „Motoröl+Sand“ wurde zu 5 ml Motoröl 1 g Quarz-Sand mit einer Korngröße von 220 - 350 µm (Bild 2) zugegeben. Versuchsnummer 6 simuliert mit „Motoröl+Sandschicht“ als Zwischenstoff stark öligen Sand. Auf eine geschlossene Sandschicht wurde Motoröl getropft. Rasterelektronenmikroskopie (REM) Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der Verschleißspuren und -partikel wurden mit dem Gerät ZEISS EVO MA 15 der Carl Zeiss Microscopy GmbH durchgeführt. EVO MA 15 bietet eine Tischbewegung von 125 x 125 x 60 mm (XYZ) und eine maximale Probenhöhe 145 mm. Die EVO Detektor-Technologie ermöglicht variable Kammerdrücke und Environmental Rasterelektronenmikroskopie. Dieses FE-REM (FeldEmissionsRasterElektronenmikroskop) ist mit einer GEMINI Säule ausgestattet. Die Aufnahmen wurden durch Sekundärelektronen erhalten. Laser Scanning Mikroskopie (LSM) Rauheit, Oberflächentopographie und Verschleißvolumen können exakt durch Laser Scanning Mikroskopie abgebildet werden. Das LSM 700 der Carl Zeiss Microscopy GmbH ist ein lichtmikroskopisches System, das mittels Laserlicht in einem konfokalen Strahlengang definierte optische Schnitte von einer Materialprobe aufnimmt und zu einem dreidimensionalen Bildstapel zusammenfügt. Mit dem LSM 700 wurde ein violetter 5 mW Laser (405 nm) zur kontaktfreien Aufnahme von Oberflächendetails eingesetzt. Von der Probenoberfläche wird das Laserlicht reflektiert und passiert das Objektiv, wird in einer Tubuslinse gesammelt, wodurch der Laserstrahl einen zweiten, optisch konjugierten Fokus erhält. Die Lochblende in dieser konfokalen Ebene stellt sicher, dass nur Laserlicht aus der Brennebene am Detektor abgebildet wird. Die Lichtanteile aus darunter oder darüber liegenden Bereichen werden ausgeblendet, wodurch der lichtmikroskopische Kontrast und die laterale sowie axiale Auflösung wesentlich steigen. Das Laserlicht im violetten Wellenlängenbereich und die ZEISS Präzisionsoptik mit hoher Apertur und empfindlichen Detektoren ermöglichen feinste laterale Details bis zu ca. 120 nm Linienbreite optisch aufzulösen. Oberflächentopographien von wenigen zehn Nanometern sind örtlich zuordenbar. Der Laserstrahl wird in X- und Y-Richtung über die Probe gelenkt, wodurch sich ein optischer 2-dimensionaler Schnitt durch die Topographie ergibt. Schrittweise wird die Z-Position um 1 µm modifiziert und zu einem 3D Bilder Stapel rechnerisch verarbeitet. 3 Ergebnisse und Diskussion In der vorliegenden Studie wird Gleitverschleiß mit einem standardisierten Prüfstand (DIN 51834) an PTA Aus Wissenschaft und Forschung Tabelle 1: Übersicht zu den tribologischen Prüfbedingungen Nr. Grundprüf- Gegenprüf- Zwischen- Normalkraft Schwing- Prüfzeit Frequenz körper körper* stoff F N [N] weg s [µm] t [min] [Hz] 1 Stahl S235 WC-Co - 50 1000 150 10 2 WC-NiBSi WC-Co - 50 1000 150 10 3 WC-NiBSi Al 2 O 3 - 50 1000 150 10 4 WC-NiBSi WC-Co Motoröl 50 1000 150 10 5 WC-NiBSi WC-Co Motoröl 50 1000 150 10 + Sand 6 WC-NiBSi WC-Co Motoröl 50 1000 150 10 + Sandschicht Bild 2: Sand als Anteil im Zwischenstoff Motoröl der Versuche 5 und 6 T+S_3_17 03.04.17 15: 12 Seite 20 Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 3/ 2017 auftragsgeschweißten WC/ NiBSi-Schichten gegen unterschiedliche Kugelprüfkörper WC11Co-Hartmetall-, Al 2 O 3 -Kugeln getestet. Die tribologischen Untersuchungen erfolgen im trockenen Zustand und unter Schmierung mit reinem und verunreinigtem Motoröl. Es ist erkennbar, dass die unter Standardbedingungen abgeschiedene Schicht wesentliche Unterschiede ihres Verschleißverhaltens zeigen kann. Bild 3 und Tabelle 2 fassen die Verschleißvolumina, -koeffizienten und Rauheiten in der Verschleißspuren zusammen. Wird ein Gegenprüfkörper aus WC11Co-Hartmetall verwendet, zeigt die PTA-Beschichtung aus WC/ NiBSi einen Verschleißkoeffizienten von 0,48 · 10 -5 mm 3 / Nm. Sie verschleißt unter gleicher Beanspruchung nur ca. 1/ 3 so viel wie die ungeschützte S235 Stahloberfläche, deren Verschleißkoeffizienten 1,64 · 10 -5 mm 3 / Nm beträgt. In der Verschleißspur der ungeschützten Stahloberfläche sind umgeformte und unter dem zyklischen Gleiten der Hartmetallkugel flach gedrückte Metallschuppen zu erkennen 21 Aus Wissenschaft und Forschung Tabelle 2: Verschleiß- und Rauheitskenngrößen (Laser Scanning Mikroskop ZEISS LSM 700) Nr. Grund- & Zwischen- Verschleiß- Verschleiß- Ra [µm] Rz [µm] Gegenprüfmedium volumen koeffizient körper [mm 3 ] [mm 3 / Nm] längs quer längs quer 1 Stahl 235-Scheibe / WC-Co-Kugel - 0,08837 1,64 ·10 -5 12,197 10,964 20,75 18,177 2 WC-NiBSi-Schicht/ - 0,02605 0,48 ·10 -5 0,820 0,827 7,782 3,460 WC-Co-Kugel 3 WC-NiBSi-Schicht/ - 0,03016 0,56 ·10 -5 1,462 1,750 6,221 9,386 Al 2 O 3 -Kugel 4 WC-NiBSi-Schicht/ Motoröl 0,04585 0,85 ·10 -5 0,900 0,865 5,833 4,808 WC-Co-Kugel 5 WC-NiBSi-Schicht/ Motoröl 0,05235 0,97 ·10 -5 0,661 1,114 5,891 3,697 WC-Co-Kugel mit Sand 6 WC-NiBSi-Schicht/ Motoröl 0,1117 2,07 ·10 -5 4,421 3,449 39,447 30,744 WC-Co-Kugel mit Sandschicht Bild 3: Tribologisches Verhalten der PTA-Schicht unter verschiedenen Beanspruchungen Bild 4: Verschleißspur in Stahl S235; Gegenprüfkörper: WC-Co-Kugel, (a) REM-Aufnahme: Übersicht, (b) LSM-Aufnahme, (c) REM-Detailaufnahme T+S_3_17 03.04.17 15: 12 Seite 21 22 Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 3/ 2017 (Bilder 4a, c). Mit dem LSM werden im Stahl S235 bis 45 µm tiefe Verschleißspuren und hohe Rauheiten (R z : 20,75 µm längs und 18,18 µm quer in der Verschleißspur, Bilder 4b, 5 und Tabelle 2) festgestellt. Die Rauheiten längs und quer in der Verschleißspur (R z : 7,78 µm längs und 3,46 µm quer in der Verschleißspur) sind dahingegen in den WC/ NiBSi-Schichten wesentlich geringer. Im REM ist eine geglättete Oberfläche zu erkennen (Bild 6a). Das 3-dimensionale LSM Bild der Verschleißspur zeigt zwar nur eine Vertiefung von wenigen Mikrometern (Bild 6b), bildet den Abtrag aber hervorragend ab. Die Detailaufnahme Bild 6c lässt erkennen, dass in der metallischen NiBSi-Matrix die Bearbeitungsriefen des Planschleifen geglättet sind. Auf den eckigen Wolframkarbiden sind teilweise NiBSi-Schuppen aufgetragen, die aber viel kleiner als die Schuppen des S235 Grundwerkstoffes in Bild 4c sind. Gegenüber dem Gegenprüfkörper WC11Co-Kugel zeigt die Al 2 O 3 -Kugel ein deutlich spröderes Werkstoffverhalten. Dies äußert sich in einem höheren Verschleißkoeffizienten der Werkstoffpaarung Al 2 O 3 -Kugel gegen WC/ NiBSi-Schicht von 0,56 · 10 -5 mm 3 / Nm im gleitenden Trockenlauf. Die Beanspruchungsbedingungen reichen aus, um Al 2 O 3 -Partikel aus der harten, aber spröden Al 2 O 3 -Kugel zu lösen. Diese wurden durch EDX-Analysen der Verschleißpartikel im REM identifiziert. Das zyklische Kratzen der harten Al 2 O 3 -Partikel und die auf der Kugeloberfläche entstehenden Rauheitsspitzen bedingen eine deutliche andere Verschleißmorphologie. Bild 7a und c zeigen Riefen und Kratzer im der NiBSi-Matrix und ausgebrochene Segmente der Wolframkarbide. Bild 7b stellt wiederum die LSM Aufnahme der Verschleißspur dar. Das Zerkratzen der WC-NiBSi-Oberfläche und der Abtrag von Zwischenschichten oder schmierenden Tribofilmen durch die inerten Al 2 O 3 -Partikel äußert sich in einem ausgesprochen unregelmäßigen und hohen Reibungskoeffizienten (Bild 8a). Tribosysteme mit Wolfram und Kohlenstoff können unter bestimmten Bedingungen selbstschmierende Tribofilme bilden. Cartier u. a. [4] führen bereits 1991 an, dass eine Art Selbstschmiereffekt durch Kohlenstoff, der entweder während der Schichtherstellung als Zersetzungsprodukt des Wolframkarbides oder infolge tribologischer Beanspruchung der karbidreichen Schicht entsteht, günstig zur Erzielung niedriger Reibungskoeffizienten während des Gleitens ist. Der freie Kohlenstoff im Tribokontakt wirkt in diesem Falle schmierend. Der Einfluss bestimmter Wolframoxide auf den Reibungskoeffizienten wird umfangreich in der Literatur diskutiert [5-7]. Einige Autoren [5,6] beschreiben einen positiven Effekt von WO 3 und Kohlenstoff zur Erzielung niedriger Reibungskoeffizienten. WO 3 mit gering unterstöchiometrischer Zusammensetzung zeigt ähnlich Graphit eine Schichtstruktur, die als Magnéli Phase bezeichnet wird [5]. Die Schichten des WO 3 sind untereinander nur durch schwache Bindungskräfte gebunden. Das sichert ein leichtes Abgleiten und wird von einigen Autoren als Ursache für den geringen Reibungskoeffizienten von Wolfram ent- Aus Wissenschaft und Forschung Bild 5: Rauheit längs in der Verschleißspur mit dem ZEISS LSM 700 gemessen Bild 6: Verschleißspur in WC-NiBSi-Schicht; Gegenpfügkörper: WC-Co-Kugel, (a) REM-Aufnahme: Übersicht, (b) LSM-Aufnahme, (c) REM-Detailaufnahme T+S_3_17 03.04.17 15: 12 Seite 22 Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 3/ 2017 haltenden Oberflächen benannt [5,6]. Rapoport u. a. [7] führen an, dass zu große Mengen an WO 3 wiederum zum Anstieg des Reibungskoeffizienten führen können, weil die reale Kontaktfläche steigt. Wesmann und Epallargas [5] weisen zudem nach, dass amorphe Oxide und Mischoxide wie CoO-WO x im Tribofilm zum Anstieg des Reibungskoeffizienten beitragen. Für Anwendungen im Motorbereich ist das tribologische Verhalten der WC-Ni-Systeme im trockenen und beölten Zustand von Relevanz. Verschmutzungen durch Abrasive sind im motorischen Bereich nicht auszuschließen. Obwohl die Oberfläche in der Verschleißspur glatter wird, steigt der Verschleißkoeffizient, wenn Motoröl als Zwischenstoff im Tribosystem WC-Co-Kugel und WC/ NiB- Si-Schicht eingesetzt wurde. Der Verschleißkoeffizient beträgt mit Motoröl 0,85 · 10 -5 mm 3 / Nm und ist damit nahezu doppelt so groß wie im trockenen Zustand. Bei Verwendung von reinem Motoröl als Zwischenstoff im Schwingreibverschleiß der WC-NiBSi-Schicht und der WC11Co-Kugel treten allerdings die niedrigsten Reibungskoeffizienten µ auf. Tabelle 3 weist µ 15 von 0,123 oder einen µ 120 von 0,118 aus. Außerdem wird eine sehr gleichmäßige Reibung erreicht (Bild 8b). Dahingegen ist der Reibungskoeffizient des Systems WC-NiBSi- Schicht und WC11Co-Kugel im trockenen Zustand mehr 23 Aus Wissenschaft und Forschung Bild 7: Verschleißspur in WC-NiBSi-Schicht; Gegenpfügkörper: Al 2 O 3 -Kugel, REM-Aufnahme: Übersicht, (b) LSM-Aufnahme, (c) REM-EDX-Analyse der Verschleißpartikel & Übersicht Verschleißpartikel (Replikatechnik) Bild 8: Reibungskoeffizienten a)WC-NiBSi-Schicht/ Al 2 O 3 -Kugel, trocken b)WC-NiBSi-Schicht/ WC11Co-Kugel in Motoröl c)WC-NiBSi-Schicht/ WC11Co-Kugel, trocken d)Stahl S235/ WC11Co-Kugel, trocken T+S_3_17 03.04.17 15: 13 Seite 23 24 Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 3/ 2017 als doppelt so groß (Tabelle 3). Nach 15 min und auch bei 120 min betragen die Reibungskoeffizienten µ 15 bzw. µ 120 0,290. Direkt beobachtet werden konnte, dass im beölten Tribosystem WC-NiBSi-Schicht und WC11Co- Kugel kaum Verschleißpartikel um die Verschleißspur vorlagen. Beim trockenen Gleiten der Werkstoffpaarung unter ansonsten gleichen Bedingungen sind Verschleißpartikel um die Spur zu finden. Anzunehmen ist, dass diese sich während des Tests wieder in die relativ duktile Schichtmatrix NiBSi einpressen ließen. Die Verschleißspur ist, wie bereits erwähnt, geglättet (Bilder 6a, 6c). Der Zwischenstoff Öl führt eher zum Abtransport der Partikel. Die Verschleißspur ist trotz geringer Reibung tiefer. Am größten ist der Reibungskoeffizient zwischen dem Stahl und der WC11Co-Kugel im trockenen Schwingreibverschleißtest. Die Reibungskoeffizienten µ 15 und µ 120 betragen 0,423 und 0,502 (Tabelle 3). Der schuppenartige Aufbau des durch ständiges zyklisches Überrollen und die dadurch auftretende Kaltverfestigung versprödeten Metalls führt zu den bereits beschriebenen Schuppen und Rissen (Bilder 4a, 4c). Das schollenartige Verschieben von Metallschuppen zeigt sich anschaulich im zeitlichen Verlauf des Reibungskoeffizienten (Bild 8d). Nur gering steigt der Reibungskoeffizient, wenn durch Sand verschmutztes Öl oder ein Film aus öligem Sand als Zwischenstoffe eingesetzt werden. Die Reibungskoeffizienten µ 15 und µ 120 betragen für WC-NiBSi-Schicht gegen WC11Co-Kugel in öligem Sand 0,128 und 0,122 (Tabelle 3). Bild 9a stellt den zeitlichen Verlauf des Reibungskoeffizienten dar. Im Vergleich zu sauberem Motoröl zeigen sich geringe Schwankungen des Reibungskoeffizienten. Im Falle einer öligen Sandschicht sind µ 15 und µ 120 0,133 und 0,129. Der zeitliche Verlauf des Reibungskoeffizienten ist durch etwas größere Schwankungen gekennzeichnet (Bild 9b), jedoch relativ gleichmäßig. Das augenscheinlich gut benetzende Motoröl befindet sich auf den Sandkörnern, bewirkt deren leichtes Abgleiten und einen geringen Reibungskoeffizienten. Dennoch erhöht sich der Verschleißkoeffizient durch Sandzusatz enorm. Bilder 10 und 11 stellen die Verschleißspuren in der Tests mit verschmutztem Motoröl oder öligem Sand als Zwischenstoffe dar. Aus Wissenschaft und Forschung Tabelle 3: Verschleiß- und Rauheitskenngrößen (SRV III/ IV Tester) Nr. Grund- & Zwischen μ 15 µ 30 µ 90 µ 120 Gegenprüfkörper -medium Reibungs- Reibungs- Reibungs- Reibungskoeffizient koeffizient koeffizient koeffizient nach 15 min nach 30 min nach 90 min nach 120 min 1 Stahl 235-Scheibe / - 0,423 0,449 0,465 0,502 WC-Co-Kugel 2 WC-NiBSi-Schicht/ - 0,290 0,305 0,281 0,290 WC-Co-Kugel 3 WC-NiBSi-Schicht/ - 0,373 0,372 0,497 0,372 Al 2 O 3 -Kugel 4 WC-NiBSi-Schicht/ Motoröl 0,123 0,121 0,117 0,118 WC-Co-Kugel 5 WC-NiBSi-Schicht/ Motoröl 0,128 0,124 0,123 0,122 WC-Co-Kugel mit Sand 6 WC-NiBSi-Schicht/ Motoröl 0,133 0,131 0,131 0,129 WC-Co-Kugel mit Sandschicht Bild 9: Reibungskoeffizienten in verschmutztem Öl und öligem Sand; a)WC-NiBSi-Schicht/ WC11Co-Kugel in sandigem Motoröl *5ml Motoröl und 1 g Sand b)WC-NiBSi-Schicht/ WC11Co-Kugel in öligem Sand (Sandschicht mit Öl getränkt) T+S_3_17 03.04.17 15: 13 Seite 24 Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 3/ 2017 Die Verschleißspur in der WC/ NiBSi-Schicht ist bei Schmierung mit Motoröl und mit sandigem Öl schwer abbildbar. Die Laserscanning Mikroskopie erlaubt die Vermessung von Verschleißspuren kleinster Abmessung. Auf Grundlage der LSM-Messungen wird eine Verschleißrate von 0,85 · 10 -5 mm 3 / Nm (Tabelle 2) bei Verwendung von Motoröl als Zwischenmedium ermittelt. Motoröl mit Sandzusatz bedingt einen erhöhten Verschleißkoeffizienten von 0,97 · 10 -5 mm 3 / Nm. Bei Betrachtung der Verschleißspuren im REM kann bei Öl und sandigem Öl eine glatte Schwingspur der Kugel identifiziert werden (Bilder 10a, b, c). Schuppen und Materialauftrag werden nicht identifiziert. Jedoch fällt an den in sandigem Motoröl verschlissenen PTA-Oberflächen auf, dass wenige 10 µm entfernt von der Schwingspur nadelstichartige, wenige 10 nm breite Löcher in großer Anzahl auftreten (Bild 10a). Es ist denkbar, dass hier Sandpartikel zyklisch während des Schwingens der WC11Co-Kugel aufprallten. Für das Verschleißgeschehen in verschmutzten Motorölen ist die Strömung und Bewegung des Motoröles und dessen Viskosität sowie Ab- und Weitertransport der Partikel essentiell. Wirkt eine ölige Sandschicht als Zwischenmedium, bleiben die Reibungskoeffizienten erstaunlich niedrig, µ 15 und µ 120 betragen 0,133 und 0,129 (Tabelle 3). Der Verschleißkoeffizient ist allerdings mit 2,07 · 10 -5 mm 3 / Nm groß. Auch die Rauheiten der Verschleißspur dokumentieren extreme Materialbeanspruchung (R z : 39,447 µm längs und 30,744 µm quer in der Verschleißspur, Tabelle 2). Bild 12 veranschaulicht die extreme Rauheit und belegt im Vergleich zum Profil der tiefen Verschleißspur im unbeschichteten Stahl S235 25 Aus Wissenschaft und Forschung Bild 10: Verschleißspur in WC-NiBSi-Schicht; Gegenpfügkörper: WC11Co-Kugel in Motoröl + Sand (5ml Öl und 1g Sand) REM-Aufnahme: Übersicht, (b) LSM-3D Verschleißspur, (c) LSM-High mapp Bild 11: Verschleißspur in WC-NiBSi-Schicht; Gegenpfügkörper: WC11Co-Kugel in Motoröl + Sandschicht REM-Aufnahme: Übersicht, (b) LSM-3D Verschleißspur, (c) LSM-High mapp T+S_3_17 03.04.17 15: 13 Seite 25 26 Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 3/ 2017 (Bild 5) völlig andere Verschleißmechanismen. Der Verschleiß durch aufprallende Sandpartikel steht im Vordergrund (Mikroabrasion). Die Sandpartikel werden durch die Dynamik der zyklischen Schwingbewegung des Gegenprüfkörpers WC11Co-Kugel in Relativbewegung zur WC/ NiBSi-Schicht gesetzt und tragen diese auch im Umfeld der Schwingspur ab. Das Profil (Bild 11) der Verschleißspur ist rau, sehr flach und deutlich größer als die Schwingspur. 7 Zusammenfassung und Ausblick Unter Standardbedingungen sind aus einem kommerziell verfügbaren Pulver WC/ NiBSi-Schichten durch PTA aufgeschweißt worden. Die Verschleißbeständigkeit wurde mittels eines Schwingverschleißprüfstandes unter verschiedenen Bedingungen ermittelt. WC-Systeme bilden unter bestimmten Bedingungen einen schmierenden Tribofilm aus, der C und geeignete Oxide enthält. Bedingungen, die zur Zerstörung des Tribofilms beitragen, wie kratzende inerte Al 2 O 3 -Partikel, sind zu vermeiden. Alternativ könnte unter diesen Beanspruchungsbedingungen eine intensivierte Eigenschmierung, z. B. durch C-Überschuss oder CaF2-Zusatz [8,9] Abhilfe schaffen. Niedrige Reibungskoeffizienten korrelieren nicht zwangsläufig mit einem geringen Verschleißkoeffizienten. Die Fluideigenschaften des Zwischenstoffes, im vorliegenden Fall Motoröl, bestimmen den Transport, die Benetzung der WC/ NiBSi-Oberfläche mit Additiven, aber auch die Wirkung von Abrasiva wie Verschmutzungen oder Sandpartikeln. Zwischenstoffe können auch dazu beitragen, harte oder duktile Verschleißpartikel zu bewegen, aus der Schwingspur zu transportieren und andernorts abzulagern. Außerdem wird die Eigenschmierung durch das Motoröl verändert. In zukünftigen Arbeiten sind die Tribofilme der Verschleißsysteme genauer zu charakterisieren. Literatur [1] M. F. BUCHELY, J.C. GUTIERREZ, L.M. LEON, A. TORO: The effect of microstructure on abrasive wear of hardfacing alloys. Wear 25: 52-61, 2005. [2] X. WANG, L. ZHOU, Z. ZHOU, G. LIU, E. LIU, Z. ZENG, X. WU: Tribological properties of WC-reinforced Ni-Based coatings under different lubricating conditions. J. Thermal. Spray Technol. 24: 1323-1332, 2015. [3] F.-W. BACH, K. MÖHWALD, T. Bause, M. 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