Study of the wear processes and tribological relevant properties of engineering thermoplastics

Abstract

Kurzfassung Tribologie, eine Wissenschaft, die sich mit Reibung, Verschleiß und anderen flächenbezogenen mechanischen Phänomenen beschäftigt, hat sich historisch von Untersuchungen auf metallischen Werkstoffen entwickelt, insbesondere Stahl, und weitet sich der Zeit zu anderen Werkstoffen wie Polymeren aus. Polymeren werden in verschiedenen Formen als Bulkware, Filme oder Kompositen hergestellt und in Anwendungen wie Reifen, Schuhe, Bremsen, Getrieben, Lagern und künstlichen Gelenken eingesetzt, wo ihre Reibungseigenschaften, Verschleißresistenz, und andere oberflächenbezogene Eigenschaften ausgenutzt werden. Die Forschungsarbeit in dieser Dissertation befasst sich mit der Charakterisierung des tribologischen Verhaltens von thermoplastischen Polymere wie ultrahochmolekulares Polyethylen (PE-UHMW), Polyetheretherketon (PEEK); Polyoxymethylen (POM), und Polybutylenterephthalat (PBT). Da diese Polymeren oft in Anwendungen vorkommen, wo ihre Verschleiß- und Reibungseingenschaften kritisch für die Leistungsfähigkeit des Systems sind, ist es sehr wichtig, ein umfassendes Verständnis ihrer tribologischen Verhaltens unter einer Bandbreite von Bedingungen herzustellen. Um das Wissen über etablierten tribologischen Untersuchugsmethoden zu nutzen, wurden zuerst Untersuchungen auf ein Martensit Stahl (42CrMo4) durchgeführt, die als Referenz für weitere tribologische Untersuchungen an Polymeren verwendet wurden. Bei der Untersuchung der Verschleißentwicklung auf Metallen wurde zwischen zwei tribologischen Systemen unterschieden (2-und 3-Körper-Systeme). Das ermöglichte uns den entscheiden Einfluss von diesen verschiedenen Systemen auf das Verschleißverhalten von Werkstoffen zu verstehen. Aufbauend auf den gewonnen grundlegenden Erkenntnissen über das tribologische Verhalten von Stahlen, setzt diese Studie mit der tribologischen Charakterisierung von PE-UHMW, PEEK, POM und PBT fort, mit Hilfe der -ball on plate- Methode (2-gleitende Körper-System). Ziel ist einerseits die graduelle Bildung von Verschleißmechanismen zu studieren und andererseits den Einfluss von verschiedenen Materials- und Systemeigenschaften auf die Verschleißresistenz von Polymeren zu verstehen. Die Neuigkeit in dieser Forschungsarbeit liegt in der Auswahl der Testkonfiguration, die uns ermöglicht die Metall-Polymer-Paarung zu charakterisieren, wenn eine Stahlkugel gegen eine Polymerplatte gleitet. Dadurch werden die Verschleißmechanismen und Reibungsverhalten von Polymeren unter solchen Bedingungen hervorgehoben. Dieser detaillierte Ansatz führt zu einem besseren und tiefen Verständnis des tribologischen Verhaltens von Polymeren und eventuell zu einer Erweiterung ihrer Einsatzmöglichkeiten. Tests wurden ausgeführt, um die graduelle Entwicklung von Verschleiß zu beobachten. Zusätzlich wurde Alterungsverfahren angewendet, um die Degradation des Polymers simulieren und die Effekte zu studieren, die die Alterung auf die Verschleißresistenz von PE UHMW haben könnte. Des Weiteren wurden bei der Untersuchung zwei Hauptgruppen von Parametern betont. Die erste Gruppe bezieht sich auf angewendete tribologische Bedingungen (Last, Druck, Drehzahl), Rauheit und Kontaktmechanik (jedes Polymer weist einen bestimmten Kontaktdruck bei einer bestimmten angelegten Last) und die zweite Gruppe umfasst die Oberflächen-mechanischen-Eigenschaften (Härte, E-Modul, usw.) und die morphologischen Parameter, die sich durch Verarbeitung und den Umgebungsbedingungen ändern lassen. Es wurde herausgefunden, dass, die Entstehung von Verschleißmechanismen vor allem durch drei Polymereigenschaften diktiert wird: - Glasübergangstemperatur (Tg) - Eine Testtemperatur unter Tg bewirkt einen spröden Zustand, oberhalb Tg einen gummiartigen Zustand. - Steckgrenze - Kontaktdruck unterhalb der Streckgrenze resultiert in visko-elastischer Zustand und oberhalb in Kaltumformung und dauerhafte Verformung. - Anteil der kristallinen Bereiche Darüber hinaus wird die Verschleißresistenz eines Polymers wird hauptsächlich durch folgende Faktoren beeinflusst: die Entwicklung des Verschleißmechanismus, die tribologische Testbedingungen (2-Körper- oder 3-Körper-System, Paarungskonfiguration, Last, Druck, Temperatur, usw.) und Oberflächenwechselwirkung (Rauheit, Kontaktmechanik). Basierend auf die Vielfalt der verwendeten Materialien und Methoden in dieser Untersuchung wird ein komplexes und umfassendes Bild von Verschleißprozesse auf Polymeren dargestellt, und damit einen Beitrag zur Schließung der Wissenslücke zwischen verschiedenen tribologischen Systemen geleistet.

Abstract Tribology, a science which deals with friction, wear, and other surface-related mechanical phenomena, historically evolved from applications on metallic materials, especially steels, and is currently expanding into others materials like polymers. Polymers have been used in various forms such as bulk, films, and composites in applications such as tires, shoes, brakes, gears, bearings and artificial human joints where their friction, wear resistance and other surface related properties have been effectively utilized. The current research deals with characterizing the tribological response of thermoplastic like ultra-high molecular polyethylene (PE-UHMW); polyetheretherketone (PEEK); polyoxymethylene (POM), and polybutylene terephthalate (PBT). As these polymeric materials are often engaged in applications where their wear and friction behavior is critical to the performance of the system, it is important to have a more comprehensive understanding of their tribological behavior under a range of conditions. In order to utilize knowledge about tribological approach, investigations were conducted on martensitic steel - 42CrMo4 - which were used as reference to further tribological studies on polymers. By studying the wear evolution on metals, different tribological systems were used - 2-and 3-body conditions - which allowed understanding their influence on materials performance and the importance to establish the difference between them. Having gained fundamental knowledge on tribological behavior of steels, the study continues in applying it to tribological characterization of PE-UHMW, PEEK, POM and PBT using a ball on plate (2-body sliding) method. The aim is to understand the gradual formation of wear mechanisms on one hand and the influence of different material and system properties on wear resistance of polymers on the other hand. The novelty of this research lies in the choice of testing configuration which enables the metal-polymer pairing characterization when a steel ball is sliding against a polymer plate, highlighting the wear mechanisms formation and frictional behavior of polymers under such condition. This detailed approach results in better understanding polymers tribological response and perhaps expand their application fields. Tests were performed to observe the gradual evolution of wear. Additionally, an accelerated aging method was applied to simulate the polymer-s degradation and observe possible effects that aging could have on the wear resistance of PE UHMW. Furthermore, investigations continued in emphasizing on two main groups of parameters. The first group is related to tribological conditions used (load, pressure, revolutions), surface roughness, and contact mechanics (each polymer exhibits a certain contact pressure by a certain applied load) and the second group incorporates surface mechanical properties and morphological parameters that change with the processing and environmental conditions. It was found out that the formation of wear mechanisms is mainly dictated by polymer glass transition temperature (Tg) - below Tg hard rigid state, above Tg rubbery state - yield strength due to defined contact pressure - below visco-elastic deformations, above strain hardening and permanent deformations - and by the amount of crystalline regions. The wear resistance of a polymer is mainly influenced by: the development of wear mechanism; tribological testing conditions (2-body or 3-body, pairing configuration, load, pressure, temperature, etc.) and surface interaction (roughness, contact mechanics). Based on the variety of materials and methods used within this study, a complex and comprehensive picture of wear processes is offered, closing the gap of knowledge for intertwining deformation mechanisms in different tribological systems.