10. Juli 2020

Verschleißverhalten von fettgeschmierten Thermoplasten im Ring-Scheibe-Tribometer

© Fraunhofer IWM
Abb. 1: Ring-auf-Scheibe Prüfaufbau für Reib- und Verschleißmessungen. Oben links: Prüfkörper, unten links: Probenaufnahme mit Temperiereinheit (RT – 100°C).

Dr.-Ing. Christof Koplin

Kunststoffe werden in der Antriebstechnik – zum Beispiel in Spindel- und Schneckenantrieben – häufig mit Fetten geschmiert, wobei das anfangs eingebrachte Schmierfett während der Lebensdauer des Bauteils für das gewünschte tribologische Einsatzverhalten sorgen muss. Begrenzungen der Einsatzmöglichkeiten von Polymeren ergeben sich aus einem nicht ausreichend hohen E-Modul, einer kritischen Erwärmung des Bauteils durch Aufstauen von Reibwärme und dem Versagen der Schmierung durch Degradation des Schmierstoffs oder des Polymers. Fette haben gegenüber Flüssigkeiten ein anspruchsvolles rheologisches Verhalten. Etablierte tribologische Tests an Kunststoffen verwenden häufig Stift-auf-Scheibe- oder Kugelkontakt-Belastungen. Beide Belastungsformen sind nicht besonders gut geeignet, um die Bewegungsform im Kontakt eines Spindelantriebs darzustellen und um das Langzeitverhalten von Fetten im Modellexperiment zu erproben. Ein sich drehender, mit fettgeschmierter Ring bietet den Vorteil, dass keine Kante dem Kontakt vorauseilt, welche die Fettmasse aufsammelt, weder liegt ein Wälzanteil vor, noch wird eine oszillierende Pressung erzeugt. Das reine Gleiten des Ringes bildet somit sehr gut den Spindelkontakt und dessen Fettschmierung ab, einschließlich des möglicherweise kritischen Aufstauens von Reibwärme.

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Abb. 2: getrocknetes PA46 wurde öl- und fettgeschmiert für Polyalkylenglykole mit deutlich unterschiedlicher Polarität (p: polar, u: unpolar) untersucht. Der gemessenen Verschleißrate wurden zughörige Haftreibungswerte und Energien gegenübergestellt.

Ein universell einsetzbares Modellexperiment setzt voraus, dass Prüfkörper für eine Vielzahl von Kunststoffen einfach hergestellt werden können. Hierfür wurden ringförmige Kunststoff-Prüfkörper mit 15 mm Außendurchmesser bei einer Mindeststärke von 3mm gewählt, die am Institut effektiv über Mikrowasserstrahlschneiden aus Campus-Zugstäben entnommen werden können. Diese liegen in der Regel für die Kunststoffcharakterisierung für jedes technisch genutzte Material vor.

Das Verhalten von ölgeschmierten Kunststoffen ist im Vergleich mit fettgeschmierten insoweit besser verstanden, als dass man weiß, dass spreitende Systeme mit Werten <=5mN/m in der Regel eine geringe Grenzreibung und geringen Adhäsivverschleiß zeigen. Ebenso ist es typisch, dass eine thermische Auslagerung des Systems mit zunehmender Interaktionsenergie mit Werten <=5mN/m zu einem erhöhten Verschleiß des Polymers führen kann. Vergleicht man das tribologische Verhalten von zwei mit Grundölen geschmierten Systemen mit dem Verhalten der Systeme, die mit den aus den Grundölen gewonnenen Fetten geschmiert wurden, wird deutlich, dass die Bewertung der Fettschmierung ungleich komplexer ist. In diesem Fall vermindert ein besser spreitendes Schmieröl unter Umständen die erwünschte Bulk-Verscherung des Fettfilms durch ein aus dem Fett austretenden dünnen Ölfilm.

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Abb. 3: in Öl ausgelagertes PA46 wurde öl- und fettgeschmiert für Polyalkylenglykole mit deutlich unterschiedlicher Polarität (p: polar, u: unpolar) untersucht. Der gemessenen Verschleißrate wurden zughörige Haftreibungswerte und Energien gegenübergestellt.

Mit dieser Methode können in Zukunft die Fragen zur optimalen Systemwahl, des Einlauf- und Degradationsverhaltens und der Wirkung von Temperatur mit dem Schwerpunkt Spindel- und Schneckenantriebe untersucht werden. Für das Verhalten von Fett gibt es noch viele offene Fragen, die in diesem Prüfaufbau behandelt werden können.

 

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