Lebensdauer von Maschinenelementen aus Kunststoff verlängern

Maschinenelemente aus Kunststoff wie Gleitlager und Zahnräder sind Relativbewegungen unterworfen, die Reibungs- und Verschleißprozesse bedingen. Auf einem Stift-Scheibe-Prüfstand wurden nun...

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Maschinenelemente aus Kunststoff wie Gleitlager und Zahnräder sind Relativbewegungen unterworfen, die Reibungs- und Verschleißprozesse bedingen. Auf einem Stift-Scheibe-Prüfstand wurden nun kommerziell erhältliche, gleitmodifizierte und für die Anwendung in Maschinenelementen prädestinierte Kunststoffe auf ihre tribologischen Eigenschaften sowohl unter technisch trockenen Bedingungen als auch geschmiert untersucht.Besonders im technisch trockenen Zustand wird durch die Reibung Wärme erzeugt, die aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffes nur verzögert abtransportiert werden kann. Starke Temperaturüberhöhung im Gleitkontakt führt zu einem erhöhten Verschleiß. Da Zahnflanken von Zahnrädern jeweils nur einer kurzen Reibungsbeanspruchung beim Zahneingriff unterliegen, kann die erzeugte Wärme beim freien Lauf dann an die Luft abgegeben werden. Es treten in der Regel nur weniger temperaturgefährdete Verschleißprozesse auf (Bild 1). Bei Gleitlagern bleibt die Reibkontaktfläche konstant an der gleichen Stelle, so dass die Wärmeabfuhr im Wesentlichen nur durch Wärmeleitung erfolgen kann. Im stabilen Gleitzustand stellt sich eine im Vergleich zur Körpertemperatur hohe Gleitflächentemperatur ein. Neben dem Verschleiß ist oft eine thermische Schädigung des Werkstoffes festzustellen (Bild 1).Die Lebensdauer von Maschinenelementen aus Kunststoff kann mit der Verbesserung der tribologischen Eigenschaften der Werkstoffe beispielsweise durch Gleitmodifizierung gesteigert werden. Im Idealfall wird die Verschleißfestigkeit erhöht, die Reibungszahl gesenkt und damit der reibungsbedingte Wärmeeintrag und die thermische Belastung des Werkstoffes vermindert. Eine weitere Möglichkeit der Reduzierung der Werkstoffbelastung ist die äußere Schmierung.Im Modellsystem wurde untersucht, wie die Reibungs- und Verschleißeigenschaften von Kunststoffen sowohl durch inkorporierte als auch durch äußere Schmierung verbessert werden können. Polyoxymethylen (POM) ist aufgrund der geringen Feuchteaufnahme auch unter wechselnden Umgebungsbedingungen maßstabil und wird deshalb bei hohen Anforderungen an die Maßgenauigkeit verwendet. POM ist in verschiedenen Gleitmodifizierungen mit Zusatzstoffen wie Molibdändisulfid, PTFE und Kreide auf dem Markt (Tabelle 1).Polyamid (PA) ist ein oft verwendeter, vergleichsweise rauheitsunempfindlicher Konstruktionswerkstoff mit dem Nachteil der unterschiedlichen Feuchteaufnahme bei entsprechenden Umgebungsbedingungen. Für die Untersuchungen wurde das PA luftfeucht konditioniert. Die Werkstoffe wurden mit den in Tabelle 2 angegebenen Parametern im Spritzgussverfahren zu Platten in der Größenordnung 110 mm 3 110 mm 3 4 mm verarbeitet, aus denen die Probekörper für die tribologischen Untersuchungen mit den Abmaßen 4 mm 3 4 mm 3 6 mm spanend entnommen wurden.Mit Hilfe der DSC-Analyse wird als Funktion der Temperatur die Wärmemenge bestimmt, die bei einer physikalischen oder chemischen Umwandlung eines Stoffes aufgebracht werden muss oder entsteht. Anhand entsprechender Messkurven lassen sich zum Beispiel Glasübergangs-, Schmelz- und Kristallisationsbereiche ermitteln und so Kunststoffe identifizieren und bewerten. Aus der Form des Peakbereiches kann auf die Größe der Kristallite und deren Verteilung geschlossen werden.Für eine DSC-Messung (DIN EN ISO 11357-1) wurden einige Milligramm des zu untersuchenden Materials unter Inertatmosphäre definiert erhitzt (1. Fahrt), abgekühlt und erneut erhitzt (2. Fahrt). In der 1. Fahrt werden Einflüsse einer unterschiedlichen thermischen Vorgeschichte zum Beispiel durch die Verarbeitung sichtbar. Die Messungen wurden mit einem Messgerät des Typs DSC 7 der Firma Perkin Elmer durchgeführt.Beurteilung der Gefügestruktur und des TribosystemsZur Beurteilung der Gefügestruktur in Abhängigkeit der verwendeten Füllstoffe wurden Proben in kalthärtendes EP-Harz eingebettet. Nach der Aushärtung wurden 10µm dicke Dünnschnitte mit einem Mikrotom abgetragen und mit Aquatex präpariert. Zur Beurteilung der Morphologie und der Füllstoffverteilung erfolgte dann die Betrachtung mit einem Axioplan-Mikroskop mit unpolarisiertem und polarisiertem Licht.Zur tribologischen Bewertung muss das Tribosystem angegeben und gekennzeichnet werden. Mit dem verwendeten Stift-Scheibe-Prüfstand werden unter Berücksichtigung der wichtigsten Einflussgrößen wie Reibpartner, Oberflächenrauheit, Flächenpressung, Gleitgeschwindigkeit und Temperatur, die reproduzierbar eingestellt und kontrolliert werden können, die tribologischen Eigenschaften gemessen. Stift-Scheibe-Prüfstände sind besonders für den Vergleich von Werkstoffen bei unterschiedlichen thermischen und tribologischen Beanspruchungen geeignet.Die Reibpaarung besteht aus einem feststehenden Prüfstift aus Kunststoff 4 mm 3 4 mm 3 6 mm und einer rotierenden Reibscheibe aus rostfreiem Stahl mit der Rauheit RZ Die Reibpaarung ist in einer abgedichteten Kammer untergebracht, durch die ein temperiertes Medium gepumpt werden kann, sodass sich die Reibpaarung ständig in einem 2 bis 3 mm dicken Flüssigkeitsfilm befindet. Die Flüssigkeit wird extern temperiert und umgewälzt, eine Mediumtemperatur bis 200 °C ist realisierbar. Die tribologischen Eigenschaften der untersuchten Kunststoffe wurden unter Wasser als auch unter Öl (DEA 5045) bestimmt. Die mechanischen und die tribologischen Eigenschaften von Kunststoffen werden von ihrer Kristallinität beeinflusst. Die Steigerung der Kristallinität bedeutet in der Regel auch eine Verbesserung der Verschleißfestigkeit. Deshalb wurde mit Hilfe der DSC-Analyse über die Schmelzenthalpie als Fläche unter dem Schmelzpeak (Bild 2) der Kristallisationsgrad unter Berücksichtigung des Füllstoffgehaltes bestimmt (Tabelle 3). Im Vergleich zum nicht modifizierten POM wird der Kristallisationsgrad durch PTFE nicht beeinflusst. POM plus Kreide weist einen höheren Kristallisationsgrad auf. Der Schmelzpeak wird breiter und höher und die Peaktemperatur verschiebt sich leicht zu höheren Temperaturen. Dies kann als Hinweis auf größere Kristallite gelten [1]. Durch Zugabe von Molibdändisulfid lässt sich dieser Effekt nicht erzielen. Hier sinkt der Kristallisationsgrad deutlich ab. Werden Dünnschnitte von den mit MoS2 und Kreide modifizierten POM-Typen im Mikroskop betrachtet, zeigt sich die unterschiedliche Ausbildung und Verteilung der Zusatzstoffe (Bild 3): Die MoS2-Partikel (schwarze Partikel) sind faserförmig, hinsichtlich ihrer Größe sehr unterschiedlich und erreichen in ihrer größten Abmessung etwa 50 µm. Im Gegensatz dazu sind die Kreidepartikel (weiße Partikel) sehr klein, kugelförmig und fein verteilt.Bedingt durch die guten Schmiereigenschaften von PTFE können sowohl der Verschleißkoeffizient als auch die Reibungszahl durch Zusatz von PTFE gesenkt werden (Bilder 4 und 5). Hinsichtlich der Steigerung der Verschleißfestigkeit erweist sich eine PTFE-Modifizierung als sehr effektiv: Der Verschleißkoeffizient sinkt auf ein Drittel des Wertes für das nichtmodifizierte POM.Wasser verringert Verschleiß nicht bei jedem WerkstoffIn wesentlich geringeren Füllstoffgehalten liegen MoS2 und Kreide in den entsprechend modifizierten POM-Typen vor. Die tribologischen Eigenschaften korrelieren gut mit dem Kristallisationsgrad. Mit erhöhtem Kristallisationsgrad bei Kreidezusatz vermindert sich der Verschleißkoeffizient um ein Drittel. Die Reibungszahl sinkt unter 0,2. In Übereinstimmung mit der Verringerung des Kristallisationsgrades können durch MoS2 die Reibungs- und Verschleißeigenschaften von POM nicht verbessert werden.Aufgrund der reibungsbedingten Erwärmung und der mit steigender Temperatur sinkenden Werkstofffestigkeit sollte eine verbesserte Wärmeabführung die thermische Belastung des Kunststoffes verringern und zur Reduzierung des Verschleißkoeffizienten beitragen. Wird in das Tribosystem temperiertes Wasser mit 23°C eingebracht, ist dieser erwartete Effekt bei PA zu beobachten. Bei allen untersuchten POM-Typen steigt jedoch der Verschleißkoeffizient unter Wasser im Vergleich zum technisch trockenen Zustand auf etwa 14 ? 10-6 mm3/Nm an. Mit Ausnahme des nicht modifizierten Werkstoffes ergibt sich unter Wasser eine füllstoffunabhängige Reibungszahl von etwa 0,5.Der Verschleißmechanismus von POM bedingt dieses Verhalten unter Wassereinfluß. Bei der Bestimmung des überdeckenden Verschleißes und unter technisch trockenen Bedingungen mit Stahl als Reibpartner sind die Abriebpartikel vom POM sehr fein. Sie setzen die Rauheitsunterschiede beim metallischen Gegenpartner zu. Beim POM entsteht eine sehr glatte Oberfläche, die über die mit Abriebpartikel aufgefüllte Metalloberfläche gleitet. Nach einer Einlaufzeit sind Verschleißkoeffizient und Reibungszahl klein. Es wird kaum noch Material abgetragen. Werden nun durch das Zwischenmedium Wasser die POM-Abriebpartikel ununterbrochen entfernt, befindet sich die Reibpaarung, verglichen mit dem technisch trockenen Zustand, ständig im Einlaufprozess mit erhöhtem Verschleiß.Nachhaltig werden die Reibungs- und Verschleißeigenschaften durch Öl als Zwischenmedium beeinflusst. Sowohl die Verschleißkoeffizienten als auch die Reibungszahlen sinken auf einen sehr geringen Wert. Es werden Reibungszahlen unter 0,1 und Verschleißkoeffizienten unter 0,5 ? 10-6 mm3/Nm erreicht. Der positive Einfluss auf die tribologischen Eigenschaften ist bei POM weit ausgeprägter als bei PA. Die untersuchten POM-Werkstoffe sind unter Öl hinsichtlich ihrer tribologischen Eigenschaften kaum noch zu differenzieren.Bei Festkörperkontakt unter Relativbewegung werden Adhäsivkontakte getrennt und an anderer Stelle neu gebildet. Die dadurch begründete Verlustarbeit beim Gleitvorgang kann durch die Oberflächenspannungen der beteiligten Stoffe beschrieben werden [4]. Bisher untersuchte Zusammenhänge von Oberflächenspannung und Gleitreibungszahl bei Reibung unter technisch trockenen Bedingungen und unter Schmierstoffen zeigen einen Abfall der Reibungszahl, wenn die Oberflächenspannung eines beteiligten Stoffes erniedrigt wird [2 und 3]. Bei den modifizierten POM-Typen können an den geschliffenen Oberflächen nur geringfügige Unterschiede der Oberflächenspannung gemessen werden (Bild 6), denen eine deutliche Reduzierung der Reibungszahl im technisch trockenen Zustand bei Zusatz von PTFE und Kreide gegenübersteht. Die Oberflächenspannung liefert hier keine ausreichende Erklärung für dieses Verhalten. Fluide im Tribosystem bestimmen bei den untersuchten Kunststoffen das Reibungsverhalten, das dann kaum noch durch inkorporierte Schmierung beeinflusst werden kann. Bei Gleitbewegung unter flüssigen Medien mit unterschiedlichen Oberflächenspannungen führt die Absenkung der Oberflächenspannung des Fluids in Übereinstimmung mit der Theorie auch immer zu einer niedrigeren Reibungszahl. PA hat gegenüber POM nur eine leicht höhere Oberflächenspannung. Der polare Anteil ist jedoch deutlich größer. Bedingt durch die höhere Polarität ist die Reibungszahl unter Wasser und Öl ebenfalls höher als bei POM.Öl reduziert Reibung und VerschleißkoeffizientenÄußere Schmierung mit Öl reduziert den Verschleißkoeffizienten und die Reibungszahl wie keine Variante der inkorporierten Schmierung. Sollten Kunststoffbauteile unter Wasser angewendet werden, ist bezüglich des Verschleißes trotz der im Vergleich zu POM geringeren Maßstabilität aufgrund der Wasseraufnahme PA vorzuziehen. Bei POM steigt der Verschleiß unter Wasser an, da die Verschleißpartikel ständig ausgespült werden und sich der Werkstoff im steten Einlaufprozess befindet. Bei PA 6 überwiegt der positive Effekt der Kühlung der Gleitfläche, auch unter Wasser sinkt der Verschleißkoeffizient, während die Reibungszahl im Vergleich zum technisch trockenen Zustand nahezu konstant bleibt.In vielen Anwendungen muß jedoch auf eine äußere Schmierung verzichtet werden. Dann sind gute Trocken- und Notlaufeigenschaften gefordert. Unter technisch trockenen Bedingungen lassen sich durch PTFE und Kreidezusatz die Verschleißfestigkeit steigern und die Reibungszahl vermindern. Eine positive Wirkung von Molibdändisulfid auf die tribologischen Eigenschaften von POM ist nicht nachzuweisen.Die Betrachtung der Oberflächenspannungen der beteiligten Stoffe kann bei Modifizierungen von POM für die Unterschiede des Reibungsverhaltens im Gleitkontakt unter technisch trockenen Bedingungen keine ausreichende Erklärung liefern. Diese Werkstoffe sind durch die Oberflächenspannung nicht genügend zu differenzieren. Ist ein Zwischenmedium im Tribosystem vorhanden, führt eine geringere Oberflächenspannung des Fluids auch zu einer geringeren Reibungszahl. Literatur[1]Ehrenstein, G.W., G. Riedel und P. Trawiel: Praxis der thermischen Analyse von Kunststoffen. München: Carl Hanser Verlag 2000.[2]Lee, L.-H.: Effect of Surface Energetics on Polymer Friction and Wear. Advances in Polymer Friction and Wear. New York: Plenum Press 1974.[3]Rabinowicz, E.: Surface Energy Approach to Friction and Wear. Product Engineering (1965) 15, S. 95-99.[4]Erhard, G.: Zum Reibungs- und Verschleißverhalten von Polymerwerkstoffen. Dissertation Universität Karlsruhe 1980.