Study of interactions between lubricant components and tribomaterial surfaces

Titel in Übersetzung: Untersuchung der Interaktionen zwischen Schmierstoff Komponenten und tribologischen Oberflächen

Kartik Pondicherry

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Die vorliegende Doktorarbeit beschreibt die Interaktionen zwischen den drei Hauptkomponenten des tribologischen Systems Gleitlagerung einer Verbrennungskraftmaschine. Diese sind der Schmierstoff, das Lagermaterial und der Wellenwerkstoff. Zur systematischen Untersuchung der Interaktionen wurden zunächst tribologische Untersuchungen auf Modellmaßstab an einem Rotationstribometer mit einer ring-on-disc Testkonfiguration durchgeführt. Im Anschluss an die tribometrischen Untersuchungen erfolgte eine umfassende Schadensanalyse mittels verschiedener Analysetechniken, wie Lichtmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie (REM/SEM) inklusiver energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX), Atomkraftmikroskopie (AFM) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS). Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden drei grundlegende Lagermaterialgruppen – auf Basis von Aluminium, Kupfer und Kunststoff – charakterisiert. Der Gegenwerkstoff ist dabei, entsprechend für eine Kurbelwelle, ein Vergütungsstahl. Für einige ausgewählte Untersuchungen dienten jedoch auch alternative Materialien wie Titan- und Nickelbasislegierungen als Gegenwerkstoff. Der primäre Zweck für die Untersuchungen an alternativen Werkstoffen war die Bewertung der Funktionalität von Schmierstoffadditiven, wie Zinkdialkyldithiophosphat (ZDDP), unter den vorherrschenden Kontaktbedingungen, bei denen der nominelle Kontaktdruck unter 5 MPa liegt. Diese Additive sind unter Hertz´schen Kontaktbedingungen, die bis zu zwei Größenordnungen höhere Kontaktdrücke aufweisen, äußerst wirksam. Dabei werden schmierfähige Oberflächenschutzschichten, sogenannte Tribofilme, gebildet. Basierend auf den tribometrischen Ergebnissen und den Erkenntnissen der anschließenden Oberflächenanalytik konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass zwei Arten von Interaktionen zwischen tribologischen Systemkomponenten existieren. Positive Interaktionen beinhalten die selektive Bildung von schützenden Tribofilmen auf Stahloberflächen sowie auf sekundären Hartphasen von Lagermaterialen, wie Al2Cu und Si. Die Systemvorrausetzungen für die selektive Bildung dieser Schichten sind in der Arbeit detailliert erläutert, wobei beobachtet werden konnte, dass die Bildung auf einem form-when-needed Ansatz basiert. Auf der anderen Seite verursacht die Spaltung von ZDDP, dessen Reaktionsprodukte zur Bildung von Tribofilmen führen, auch tribochemische Reaktionen mit der Oberfläche von CuSn Lagermaterialien, wodurch Reaktionsschichten auf deren Oberflächen gebildet werden. Diese spröden Reaktionsschichten erwiesen sich als ungünstig für das Betriebsverhalten der getesteten tribologischen Systeme. Gezielte Veränderungen der Schmierstoffchemie konnten jedoch diese Thematik lösen. Schlussendlich kann mit den vorliegenden Untersuchungen aufgezeigt werden, dass eine optimale Leistungsfähigkeit des Systems eine gezielte Synergie der drei Komponenten einer Gleitlagerung erfordert.
Titel in ÜbersetzungUntersuchung der Interaktionen zwischen Schmierstoff Komponenten und tribologischen Oberflächen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Grün, Florian, Beurteiler A (intern)
  • Ebner, Reinhold, Beurteiler B (extern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2012

Bibliographische Notiz

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