Tribologische Wechselwirkungen von selbstschmierenden Gleitelementen basierend auf Kupferlegierungen und Graphit-Öl-Schmierstoffen

Abstract

Gegenstand dieser Arbeit sind selbstschmierende Gleitsysteme.<br />Deren Grundkörper bestehen aus Kupferlegierungen, die Gegenkörper aus gehärteten Stählen. Die Schmierstoffversorgung erfolgt über Schmierstoffdepots, die in makroskopischen Bohrungen an den tribologisch aktiven Oberflächen verteilt sind. Es existiert eine Vielzahl geometrischer Ausführungen, die jedoch alle diesem Grundprinzip folgen.<br />Die Bauformen bewähren sich bei langsamen Gleitgeschwindigkeiten und verhältnismäßig hohen nominellen Pressungen. Meist ist die Bewegung oszillierend. Das spezifische Know-how bei der Konstruktion solcher Gleitelemente liegt in der Zusammensetzung und Anordnung der Schmierstoffdepots. Diese bestehen meist aus einer im weiteren Sinn porösen Struktur, die flüssigen Schmierstoff speichert und im Betrieb an den Tribokontakt abgibt. Zusätzlich enthalten die Schmierstoffdepots meist Komponenten mit trockenschmierenden Eigenschaften oder bestehen sogar aus solchen.<br />Zentrale Fragestellung war, welche Rolle die Komponenten der Schmierstoffdepots (fest, flüssig) bei der Schmierung haben und welche Wechselwirkungen die Einbringung derselben in den Schmierspalt steuern.<br />"Einbringung" ist im Sinne der "Selbstschmierung", ohne zusätzliche Schmiermittel zu verstehen.<br />Der Austritt flüssigen Schmierstoffs aus den Schmierstoffdepots und dessen Verteilung an den Kontaktoberflächen werden durch kapillare und Benetzungs-Wechselwirkungen bestimmt. Die relevanten chemisch-physikalischen Größen sind: Wärmeausdehnung, Viskosität, Oberflächenenergie und Benetzungswinkel sowie die mikroskopische Struktur von Oberflächen und Poren. Der Betriebstemperatur kommt dabei eine wesentliche Rolle zu.<br />Festschmierstoff gelangt durch adhäsiven Übertrag in den tribologischen Kontakt. Daher ist die Menge durch den Verschleißabtrag limitiert. Auf Basis der durchgeführten Untersuchungen und Analysen kommt der Autor zu dem Schluss, dass der Effekt des Festschmierstoffes gegenüber dem des flüssigen Schmierstoffs für die hier diskutierten Gleitsysteme sekundär ist.<br />Die wichtigsten angewandten Methoden und analytischen Verfahren sind:<br />Benetzungsuntersuchungen und Oberflächenenergiemessung, photographische Dokumentation mit anschließender elektronischer Bildauswertung, Rasterelektronenmikroskopie mit energiedispersiver Röntgen-Spektroskopie (EDX), Metallographie, Raman-Mikroskopie, Röntgen-Photoelektronen Spektroskopie (XPS), Atomkraft-Mikroskopie (AFM), Infrarot (IR)-Spektroskopie, Inductively coupled plasma (ICP)-Spektrometrie und Tribometrie.<br />

Subject of this work are self-lubricating sliding systems. The first bodies consist of copper-alloys, the mating surfaces of hardened steels. The lubricants are supplied by lubricant deposits which are arranged in macroscopic bores at the tribologically active surface. A wide variety of structural shapes exists, all of them, however, follow the similar basic principle. Those configurations work fine at low sliding velocities and comparably high specific loads. In most cases the movement is oscillatory.<br />The specific know-how for the design of sliding elements of the kind described above is in the composition and arrangement of the lubricant deposits. Those usually consist of porous structures (in a wider sense of meaning) storing liquid lubricant and providing lubricant to the tribological contact when in operation. Additionally the lubricant deposits in most cases contain components known for their dry lubricating properties or even consist of such materials.<br />The main target was to clarify which function the different components (solid, liquid) of the lubricating deposits fulfil in the lubricating process and which interactions control the delivery of the components to the lubrication gap. "Delivery" is understood as "self-lubrication" without external lubrication devices.<br />The discharge of liquid lubricant from the deposits and its distribution on the mating surfaces are controlled by capillary and wetting interactions. The relevant physical-chemical values are: thermal expansion, viscosity, surface energy and wetting angle as well as the microscopic structure of surfaces and pores. Operation temperature plays an important role in this context.<br />Solid lubricant reaches the tribological contact by adhesive transfer.<br />Thus the quantity is limited by material removal due to wear. Based on investigations and analyses presented in this work the author comes to the conclusion that the effect of the solid lubricant is secondary in comparison to the one of the liquid lubricant for the sliding devices discussed here.<br />The most important methods and analytical techniques applied are:<br />wetting studies, determination of surface energy, photographical documentation and subsequent electronic image processing, scanning electron microscopy (SEM) including energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), metallography, Raman microscopy, X-ray photo electron spectroscopy (XPS), atomic force microscopy (AFM), infrared (IR) spectroscopy, inductively coupled plasma (ICP) spectroscopy and tribometrology.