05. Juni 2020

Abriebmechanismen von Elastomeren aufklären

© Fraunhofer IWM
Abb. 1: Höhenprofil nach Kugelabrasionsversuch eines Gummis (oben), kumulativer Abrieb in Abhängigkeit von der Anzahl der Überstreichungen für vier Variationen eines Elastomercompound.

Dr. Raimund Jaeger

Die Lebensdauer von Elastomerbauteilen wird häufig durch deren Abriebbeständigkeit bestimmt: So müssen Reifen gewechselt werden, wenn das Profil abgefahren ist, und Transportbänder verschleißen im Kontakt mit Führungen oder Abstreifern. Eine abschließende Beurteilung der Abriebbeständigkeit eines Bauteils kann häufig nur durch aufwendige Praxistests erbracht werden, beispielsweise indem man neu entwickelte Reifen auf der Straße testet. Während der Materialentwicklung ist es jedoch wünschenswert, erste Aussagen zum Abriebverhalten anhand von kleinen Proben und beschleunigten Messverfahren zu gewinnen.

Verschleiß von Elastomeren durch Ermüdungsrisswachstum

Im Rahmen eines Projekts zur Entwicklung eines Synthesekautschuks, der durch Zugabe geeigneter Biomoleküle ähnliche Eigenschaften wie Naturkautschuk erreichen soll, haben Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Fraunhofer IWM einen Abriebprüfstand entwickelt, mit dem auch kleine Elastomermuster untersucht werden können. Die Versuchsanordnung ist eine Weiterentwicklung des Klingenabrasionstests, der als Methode zur Untersuchung des Elastomerabriebs etabliert ist.

Im Klingenabrasionstest überstreicht eine scharfe Klinge eine Elastomeroberfläche. Hierdurch entstehen auf der Oberfläche Riefen, die senkrecht zur Bewegungsrichtung der Klinge verlaufen. Durch das wiederholte Überstreichen dieser Strukturen mit der Klinge erfährt die Riefenstruktur eine Ermüdungsbelastung, die zur Ausbildung von Ermüdungsrissen und Ablösung von Partikeln führt, also einen Verschleiß der Oberfläche zur Folge hat. Wir haben die Klinge durch eine Stahlkugel ersetzt, die auf der Elastomeroberfläche gleitet. Diese Belastungsanordnung erzeugt ebenfalls eine Riefenstruktur und Materialabrieb durch Ermüdungsrisse. Die Spannungssituation, die durch den Kontakt mit der Kugel in der Elastomerprobe entsteht, lässt sich jedoch definierter einstellen und besser durch Finite-Elemente-Simulationen analysieren. Mit dieser Methode konnten verschiedene Modifikationen eines Elastomercompounds hinsichtlich ihrer Abrasionsbeständigkeit differenziert werden. Abbildung 1 zeigt den kumulativen Abrieb in Abhängigkeit von der Anzahl der Überstreichungen: Er steigt im Wesentlichen linear an; der Einfluss der Modifikationen auf das Abriebverhalten wird deutlich sichtbar.

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