Einfluss der Oberflächengüte des Substrats auf Reibung und Verschleißverhalten beschichteter Kolbenbolzen – Teil 5

Von Martin Kommer, HTW Aalen

Die Rauheit der nach dem DLC-Beschichten vorliegenden Oberfläche hat entscheidenden Einfluss auf den Verschleiß beim Gegenkörper, während sich die Härte der Schicht nicht entscheidend auswirkt. Rauere Oberflächen führen zum sogenannten Einlaufen, wodurch allerdings bereits zu Beginn ein mehr oder weniger starker Verschleiß auftritt. Die Art der Oberfläche hat allerdings noch dahingehend einen Einfluss auf den Gesamtverschleiß, dass unterschiedliche Adhäsionsneigungen auftreten. Diese können beim Anlaufen erhebliche Materialanteile aus der Oberfläche herausreißen. DLC-Schichten zeigen hier aufgrund geringer Adhäsionsneigungen Vorteile.

Effect of Substrate Surface Finish on Friction and Wear of Plated Piston Gudgeon Pins – Part 5

Surface roughness after DLC coating significantly affects wear behaviour with a given counterface. By contrast, coating hardness is much less important. Rough surfaces result in so-called running-in behaviour, characterised by an initially higher wear rate. The nature of the surface will affect the overall wear behaviour, including any tendencies to stick. In such cases, significant amounts of material can be torn away from the surface. DLC coatings with their lower sticking propensity, are beneficial in this respect.

Fortsetzung aus WOMag 7/2014

5.3.2 Reibungs- und Verschleißcharakterisierung ungebürsteter Oberflächen

Die Ergebnisse der Reibwertkurven lassen im Vergleich zu den gebürsteten Kolbenbolzen keine Relation zwischen den unterschiedlichen Oberflächengüten der beschichteten Kolbenbolzen und ihrem Reibverhalten zu. Die ermittelten Werte­ entsprechen wiederum einem durchschnittlichen Wert der letzten zehn Minuten des Tribotests. So weisen die Kolbenbolzen mit der rauen Oberflächengüte (OFG 3) den höchsten Reibungskoeffizienten von etwa 0,04 bis 0,05 auf, während die Kolbenbolzen mit der OFG 4 und OFG 6 ­einen nahezu identischen Reibungskoeffizienten von etwa 0,026 bis 0,028 zeigen.

Auffallend bei allen Reibwertkurven ist der bereits in der Einreibphase stark degressiv fallende Verlauf, der sich vor allem bei der OFG 4 und OFG 6 während der weiteren Versuchsdauer kaum noch ändert. Eine zunehmende Oberflächenqualität (nach dem Endbearbeitungsprozess) hat bis zu einer bestimmten Rauheit (OFG 4) eine Erniedrigung des Reibungskoeffizienten zur Folge. Durch eine weitere Reduzierung der Oberflächenrauheit (im Falle OFG 6) kommt es zu keiner weiteren Erniedrigung des Reibungskoeffizienten, der sich demzufolge bei ungefähr 0,027 einpendelt (Abb. 50). Auch hier zeigt sich wieder, dass eine unterschiedliche Ausgangshärte der Kolbenbolzen keinen direkten Einfluss auf das Reibverhalten hat. Abbildung 50 zeigt die Reibwertkurven der ungebürsteten Kolbenbolzen getrennt nach den Substrathärten 52 und 57 HRC.

Beim Vergleich der Kurven kann nur bei der OFG 3 ein höherer Reibwert bei geringerer Substrathärte festgestellt werden, die Kurven der anderen OFG zeigen einen annähernd gleichen Verlauf.

Der Einfluss der drei unterschiedlichen Schichthärten auf das Reibverhalten kann ebenfalls vernachlässigt werden, da die ermittelten Reibungskoeffizienten auch hier annähernd identische Werte zeigen (Abb. 51). Hier sei erwähnt, dass die Reibungskoeffizienten der tribolgischen Systeme mit ungebürsteten Kolbenbolzen im Vergleich zu den gebürsteten einen deutlich geringeren Wert aufweisen.

Die ungebürsteten Kolbenbolzen und die zugehörigen Gegenkörper wurden nach den geschmierten Tribotests analog zu den gebürsteten Kolbenbolzen auf Verschleißerscheinungen überprüft. In Bezug auf die Kolbenbolzen konnten auch hier keine Anzeichen von Verschleißvorgängen auf der Oberfläche der belasteten Kolbenbolzen festgestellt werden. Es wurde lediglich eine stärker ausgeprägte Glättung der Ober­flächenrauheit der Kolbenbolzen festgestellt. In Abbildung 52 sind exemplarisch die Oberflächen vor und nach den geschmierten Tribotests gezeigt.

Auch hier können sowohl vor als auch nach dem Tribotest die durch den Herstellungsprozess bedingten Schleifstrukturen mit Vorzugsrichtung erkannt werden. Eventuelle Verschleißerscheinungen konnten trotz der Grenz- beziehungsweise Misch­reibungsbedingungen auf keiner der untersuchten Oberflächen ermittelt werden.

Die DLC-Schicht besitzt eine wesentlich höhere Härte als der 100Cr6-Gegenkörper­ und somit kann das abrasive Einwirken des Gegenkörpers auf die DLC-Schicht ausgeschlossen werden. Der adhäsive Verschleiß kann aufgrund des unlegierten Schmierstoffs und der geringen Adhäsionsneigung­ der DLC-Beschichtung vernachlässigt werden. Des Weiteren konnten auch hier kein Sauerstoff auf der Reibspur und keine Rissnetzwerke oder Grübchen auf der Oberfläche festgestellt werden, wodurch tribochemische Reaktionen und Oberflächenzerrüttungsprozesse ebenfalls außer Acht gelassen werden können. Schließlich können die durch Reibung erzeugte Wärme und eventuell entstandene Abriebpartikel mit Hilfe des Schmierstoffs schnell aus der Kontaktzone abtransportiert werden. So kann die Entstehung von Blitztemperaturen und zusätzlicher Teilchenfurchung auf ein Minimum reduziert werden.

Bei der Betrachtung des Gegenkörpers zeigte sich ein beträchtlicher Unterschied zu den gebürsteten Kolbenbolzen. So konnte analog zu den ungebürsteten Kolbenbolzen eine deutlich höhere Rauheitsabnahme beziehungsweise Glättung der Gegenkörper mithilfe der Messmethoden ermittelt werden. Der aber weitaus bedeutendere Unterschied zu den Ergebnissen der gebürsteten Kolbenbolzen ist die entstandene Verschleißspur, welche für ausgewählte Beispiele in Abbildung 53 dargestellt ist. Dabei konnte rein visuell eine deutlich tiefere und breitere Form der Spur beobachtet werden.

Zur Aufklärung der wirksamen Verschleißmechanismen konnten auch hier die ersten Erkenntnisse mit der spezifischen Schmierfilmdicke angenähert werden. Diese ergeben für die geschmierten Versuche mit ungebürsteten Kolbenbolzen λ-Werte zwischen 0,27 bis 0,6, welche im Vergleich zu den Werten der gebürsteten Kolbenbolzen minimal geringer sind. Bei λ < 1,5 treten bekanntlich primär adhäsive und abrasive Verschleißprozesse auf. Die Analysenergebnisse zeigen auch bei den ungebürsteten Kolbenbolzen, dass die Hauptverschleißmechanismen Adhäsion, Oberflächenzerrüttung und Tribooxidation überwiegend vernachlässigt werden können. Der hauptsächlich auftretende Verschleißvorgang ist auch hier die abrasive Wirkung der Rauheitsspitzen der Kolbenbolzen auf den weicheren Gegenkörper.

Zur Ermittlung der Verschleißintensität wurden die Gegenkörper mit der taktilen und optischen Methode analysiert, wobei in diesem Falle das genormte Messverfahren eindeutige Resultate erbrachte. Abbildung 54 zeigt exemplarisch die Auswertung der zwei Messverfahren.

Die Resultate zeigen auf, wie entscheidend der serienmäßig durchgeführte Nachbearbeitungsprozess Bürsten auf das Reibungs- und Verschleißverhalten der DLC-beschichteten Kolbenbolzen ist. Während bei den Versuchen mit gebürsteten Kolbenbolzen maximale Verschleißspurtiefen von 0,6 μm auftreten, weisen die Gegenkörper bei den Versuchen mit ungebürsteten Kolbenbolzen enorme Tiefen von 3,5 µm bis 6,4 μm auf. Inwieweit neben dem fehlenden Bürstprozess noch weitere fertigungsbedingte­ Einflüsse für den hohen Verschleiß verantwortlich sind, kann mit den folgenden Überlegungen dargelegt werden.

Der Stellenwert der zwei verschiedenen Substrathärten (52 und 57 HRC) kann wiederum vernachlässigt werden, da keinerlei Zusammenhänge mit dem Verschleißverhalten festgestellt wurden. Abbildung 55 zeigt den Gegenkörperverschleiß in Abhängigkeit von der Rauheitsabnahme auf den ungebürsteten Kolbenbolzen.

Einen Zusammenhang zwischen den Kolbenbolzen mit verschiedenen Schichthärten und der Verschleißintensität des Gegenkörpers, wie er bei den gebürsteten Kolbenbolzen festzustellen ist, besteht den Ergebnissen zufolge nicht, wie die bei sämtlichen Kolbenbolzen ermittelte Streuung der Ergebnisse nahelegt. Ein deutlicher Effekt ist aber die vergleichsweise hohe Abnahme beziehungsweise Glättung der Oberflächenrauheit der Kolbenbolzen durch die Tribotests. Dies zeigt sich an der Reduzierung der Kenn­größen Rz und Rpkx im Test (Abb. 55).

Auffallend ist hier vor allem die zunehmende Reduzierung der Rauheit Rz mit abnehmender Schichthärte. Die Reduzierung der maximalen Rauheitsspitzen Rpkx findet hingegen bei allen Härtevarianten der DLC-Beschichtung statt. Somit kann davon ausgegangen werden, dass hier der Verschleiß nicht von der Härte, sondern entscheidend von der Rauheit (Rz und Rpkx) der DLC-Beschichtung abhängt.

Analog zu der Rauheitsabnahme der Kolbenbolzen kann bei den Gegenkörpern neben der erhöhten Verschleißwirkung auch eine verstärkte Glättung der Oberflächenrauheit festgestellt werden. Abbildung 56 veranschaulicht diese Erkenntnis in Abhängigkeit der zugehörigen Reibungskoeffizienten.

Verantwortlich für die zunehmende Verschleißerscheinung und Glättung der Gegenkörper sind die hohen Rpkx-Werte der ungebürsteten Kolbenbolzen vor den Tribo­tests (Abb. 55). Diese besitzen­ bekanntlich ein hohes Verschleißpotential und sind im Vergleich zu den gebürsteten Kolbenbolzen um ein Vielfaches höher (Abb. 48, 49 und 55). Die hohen Rpkx-Werte deuten auf ein ungleichmäßiges Ober­flächenprofil der Kolbenbolzen hin, wodurch sich die Oberflächen der Kontaktpartner im Grenz- beziehungs­weise Mischreibungszustand nur an wenigen Stellen innerhalb der nominellen Kontaktfläche berühren. Demzufolge ist auch hier der Einfluss des Schmierstoffs, welcher sich in den Profiltälern befindet, limitiert. Aufgrund der hohen Flächenpressungen kommt es über plastische Deformation und Furchung der durch die harte DLC-Beschichtung stabilisierten Rauheitsspitzen zu erhöhtem abrasiven Verschleiß des Gegenkörpers. Dieses als Einschleifen bekannte Phänomen, also das Angleichen der Rauheit der Kontaktpartner, erklärt somit die steile Abnahme der Reibungskoeffizienten (von ca. 0,12) am Anfang der tribologischen Versuche. Nach erfolgtem Einschleifen ändern sich die Werte der Reibungskoeffizienten nur noch geringfügig und pendeln sich nahe den Absolutwerten, also den gemittelten Werten der letzten zehn Minuten, ein (Abb. 48). Dabei weisen die Tribosysteme, bei denen der Gegenkörper verstärkt geglättet wird einen vergleichsweise höheren Reibungskoeffizienten auf (z. B. OFG 3, 20 GPa).

Werden bei den vorhandenen Ergebnissen der Verschleißuntersuchungen also nur die unterschiedlichen Oberflächengüten­ betrachtet, so zeigt sich auch hier wieder eine abnehmende Verschleißintensität mit abnehmender Rauheit im Anlieferungs­zustand der Kolbenbolzen (Abb. 57).

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass der Gegenkörperverschleiß bei den geschmierten tribologischen Versuchen mit ungebürsteten Kolbenbolzen um mehrere Größenordnungen höher ausfällt als bei denen mit gebürsteten Kolbenbolzen. Verantwortlich für diese erheblichen Unterschiede sind die vergleichsweise deutlich höheren Rpkx-Werte, die einen maßgeblichen Anteil an der abrasiven Wirkung der beschichteten Kolbenbolzen auf den 100Cr6-Gegenkörper besitzen. Eine geringere Ausgangsrauheit führt bekanntlich zu geringerem Verschleiß. Diese Erkenntnis trifft auch bei den tribologischen Systemen mit ungebürsteten Kolbenbolzen zu (Abb. 57).

Die als Referenz dienenden unbeschichteten Kolbenbolzen zeigten wiederum im Bereich der Grenz- beziehungsweise Mischreibung ein anderes Reibungs- und Verschleißverhalten; sie werden im folgenden Kapitel näher behandelt.

5.3.3 Reibungs- und Verschleißcharakterisierung unbeschichteter Oberflächen

Bei der Auswertung der Reibkurven der unbeschichteten Kolbenbolzen konnte zum ersten Mal ein Einfluss der Substrathärte auf das Reibverhalten beobachtet werden. So zeigen die Kolbenbolzen mit der niedrigeren Härte (52 HRC) stets einen höheren Reibungskoeffizienten (Abb. 58).

Weiterhin kann anhand der Kurven festgestellt werden, dass die Kolbenbolzen mit OFG 6 keine typische Einlaufphase zeigen, der Reibungskoeffizient allerdings höher als erwartet bei etwa 0,052 bis 0,058 liegt. Somit weisen die Kolbenbolzen mit OFG 4 den niedrigsten Reibungskoeffizienten auf, der abhängig von der Substrathärte in den letzten zehn Minuten der Tests zwischen 0,042 und 0,047 liegt. Die zu beobachtende Einlaufphase ist bei dieser Oberflächengüte nach etwa der Hälfte der Testdauer abgeschlossen und ändert sich ab hier nur noch geringfügig. Bei der OFG 3 ist eine deutlich länger anhaltende Einlaufphase zu erkennen und die Reibungskoeffizienten der ­unterschiedlichen Substrathärten liegen hier mit 0,060 und 0,068 relativ hoch.

Bei der genauen Untersuchung der belasteten Kolbenbolzen und Gegenkörper konnten im Vergleich zu den beschichteten­ Kolbenbolzen deutliche Unterschiede festgestellt werden. So war nach den Tribotests eine sichtbare Verschleißspur auf den Kolbenbolzen und auf den Gegenkörpern zu beobachten. Abbildung 59 zeigt die belastete Oberfläche des Kolbenbolzens im Lichtmikroskop, die klar die Verschleißspur aufgrund einer farblichen Veränderung im Vergleich zur unbelasteten Stelle zeigt. Dass die farblichen Veränderungen aufgrund hoher Temperaturentwicklung entstanden sind, kann aufgrund des verwendeten Schmierstoffs bezweifelt werden.

Bei der Betrachtung des 100Cr6-Gegenkörpers konnte dieses Phänomen ebenfalls nachgewiesen werden; es ist in Abbildung 60 beispielhaft dargestellt. Hier ist die für diese Versuche typische Verschleißspur auf den Gegenkörpern erkennbar. Die Verschleißerscheinungen sind auf die Materialeigenschaften und Affinität der Reibpartner 20MnCr5-Stahl/100Cr6-Stahl zurückzufüh­ren. In diesem Fall ist der 100Cr6-Gegenkörper geringfügig härter, als der unbeschichtete Kolbenbolzen. Angesichts der gleichen Oberflächengüten der unbeschichteten Kolbenbolzen im Vergleich zu den gebürsteten und ungebürsteten Kolbenbolzen kann auch hier von überwiegend adhäsiven und abrasiven Verschleißvorgängen nach der spezifischen Schmierfilmdicke ausgegangen werden.

Die farblichen Veränderungen der Stahl/Stahl-Reibpaarung sind auf starkes plastisches Fließen während der tribologischen Versuche zurückzuführen. Dieser Vorgang­ tritt vor allem bei Stahl/Stahl-Kontakten im Bereich der Grenzreibung bei gleichzeitig vorhandenem Furchungsverschleiß durch Rauheitsspitzen (Abrasion) auf, wenn die Flächenpressung einen bestimmten kriti­schen Wert der Schubspannung überschreitet. Bei diesen lokal überlagerten Kontakt- und Eigenspannungen der Rauheitsspitzen der Reibpartner kommt es zu erhöhtem plastischen Scheren, so dass Materialbereiche des Gegenkörpers in Rotationsrichtung des Kolbenbolzens verschoben werden können (Abb. 60, links unten). Der adhäsive Verschleiß lässt sich bei artgleichen Stahl/Stahl-Reibpartnern nicht ausschließen. EDX-Messungen zeigen allerdings keine Anzeichen von erhöhtem Materialübertrag der Kontaktpartner (z. B. Mikroverschweißungen), soweit dies mit den vorhandenen Untersuchungsmöglichkeiten (zu geringe Vergrößerung des Rasterelektronenmikroskops) zugänglich war. Abbildung 61 zeigt eine unbelastete und belastete Stelle des unbeschichteten Kolbenbolzens.

Es lassen sich bei beiden Aufnahmen die Schleifstrukturen durch den Endbearbeitungsprozess der Kolbenbolzen feststellen (helle Riefen). Beim belasteten Kolbenbolzen sind zusätzlich im Bereich der Reibspur tiefere Kratzer beziehungsweise Mulden zu erkennen, (Abb. 61 rechts, dunkle Riefen), die sowohl durch abrasive Verschleißprozesse als auch durch Adhäsivverschleiß entstanden sein könnten. Zum adhäsiven Verschleiß kommt es, wenn die Kohäsionskräfte in einem der beiden Kontaktpartner geringer als die Adhäsionskräfte in der Kontaktfläche sind. Beim Ausführen einer Relativbewegung werden so Partikel aus dem kohäsionschwächeren Werkstoff unter Zurücklassen von Mulden beziehungsweise Löchern herausgerissen und auf den kontaktierenden Werkstoff übertragen [19]. Die detektierten Verschleißprozesse führen zu einer Zunahme der Oberflächenrauheit der Kolbenbolzen.

Die Bestimmung der Verschleißspurtiefe auf den 100Cr6-Gegenkörpern zeigt bei den unbeschichteten Kolbenbolzen im Vergleich zu den gebürsteten und ungebürsteten Kolbenbolzen mittelmäßigen Verschleiß von etwa 0,3 µm bis 1,7 μm Tiefe. Besitzen Grund- und Gegenkörper in etwa die gleiche Ausgangsrauheit ist die Verschleißintensität des Gegenkörpers relativ gering, bei höherer Rauheit der Kolbenbolzen kommt es allerdings zu deutlichen Verschleißerscheinungen. Weiterhin wirken sich die verschiedenen Ausgangshärten der Kolbenbolzen deutlich auf den Verschleiß aus. So zeigen die härteren Kolbenbolzen (57 HRC) tendenziell immer einen höheren Gegenkörperverschleiß. Abbildung 62 zeigt den Zusammenhang zwischen den verschiedenen Substrathärten, den Änderungen der Oberflächenrauheit von Grund- und Gegenkörper und der Verschleißtiefe.

Aus Abbildung 62 ist auch ersichtlich, dass aus einer erhöhten Rauheitsabnahme der Gegenkörper ein geringerer Verschleiß resultiert (braune Balken). Dies gilt vor allem bei den Kolbenbolzen mit niedrigerer Härte­ (52 HR C). Ein möglicher Grund könnte hier die Zähigkeit der unterschiedlich gehärteten Einsatzstähle sein. Mit zunehmender Härte verlieren Werkstoffe an Duktilität, was sich auch im Verschleißverhalten bemerkbar macht. Bei den weicheren Kolbenbolzen (52 HRC) könnte der elastische Verformungsanteil der Rauheitsspitzen aufgrund höherer Zähigkeit der plastischen Deformation überwiegen und so den verstärkten Glättungseffekt und niedrigeren Verschleiß begründen. In Relation zu den ermittelten Reibungskoeffizienten, analog­ zum Vergleich zwischen den gebürsteten­ und ungebürsteten Kolbenbolzen, ist ein niedrigerer Reibungskoeffizient bei erhöhten Verschleißvorgängen festzustellen.­ Diese Beobachtung kann anhand der gebürsteten Kolbenbolzen nach Variante C (Bürstprozess der Serienbearbeitungslinie­ mit kurzer Taktzeit) ebenfalls bestätigt ­werden.

Bei der Betrachtung der Reibwertkurven von seriengebürsteten Kolbenbolzen kann durchgehend ein geringerer Reibungskoeffizient als bei den übrigen gebürsteten Varianten festgestellt werden. Abbildung 63 zeigt die Reibwertkurven der drei Oberflächengüten OFG 3, OFG 4 und OFG 6. Eine Unterscheidung in Substrat- und Schichthärten war nicht möglich, da diese Kolbenbolzen nachträglich in die Versuchsreihe aufgenommen wurden. Diese Kolbenbolzen der Substrathärte 52 HRC wurden alle mit der harten a-C:H-Funktionsschicht (26 GPa) beschichtet.

Die Reibwertkurven zeigen vom Verlauf her ein identisches Verhalten wie bei den anderen gebürsteten Kolbenbolzen, mit dem Unterschied, dass die Absolutwerte der Reibungskoeffizienten hier niedriger­ liegen. Diese niedrigeren Reibungskoeffizienten äußern sich, wie auch bei den ungebürsteten Kolbenbolzen, in verstärkter Glättung und höherem Verschleiß des Gegenkörpers, während der Kolbenbolzen nur eine verschwindend geringe Glättung erfuhr. Abbildung 64 zeigt die Verschleißtiefe des Gegenkörpers in Abhängigkeit von der Oberflächenrauheit der Kontaktkörper.

Abb. 64: Rauheitsänderung Rz und Rpkx der gebürsteten Kolbenbolzen, Rz der 100Cr6-Gegenkörper und die Verschleißtiefe des 100Cr6-Gegenkörpers

Dabei kann, wie bei allen Varianten vorher auch, eine zunehmende Verschleißspurtiefe des Gegenkörpers mit steigender Oberflächenrauheit der Kolbenbolzen im Anlieferungszustand beobachtet werden. Der hauptsächlich auftretende Verschleißmechanismus beruht auch hier auf dem abrasiven Wirken der durch die harte­ DLC-Beschichtung stabilisierten Rauheitsspitzen des Kolbenbolzens auf den weicheren 100Cr6-Gegenkörper.

Im direkten Vergleich zu den tribologischen Systemen mit gebürsteten Kolbenbolzen zeigen die hier verwendeten Kolbenbolzen­ erhöhte­ Rpkx-Werte. Der entscheidende Grund für die höheren Werte ist auf die unzureichende Bürsteffizienz der in Serie­ verwendeten Bürstmaschine zurückzuführen. So nehmen diese tribolgischen Systeme bezüglich des Reibungs- und Verschleißverhaltens eine gesonderte Stellung zwischen den Systemen mit gebürsteten und ungebürsteten Kolbenbolzen ein. Die in Korrelation zum Verschleiß auftretende Gegenkörperglättung lässt auf ein ähnliches Einschleifverhalten wie bei den ungebürsteten Kolbenbolzen schließen, wobei die Verschleißintensität aufgrund der niedrigeren Rpkx-Werte (im Vergleich zu den ungebürsteten Kolbenbolzen) geringer ausfällt. In der Praxis war dieses Einlaufverhalten früher ein gewünschter Effekt, um die in Kontakt stehenden Bauteile optimal aneinander anzupassen. Heutzutage wird dieser Effekt durch den der Beschichtung folgenden Bürstprozess der Kolbenbolzen gänzlich ersetzt. Durch diesen Nachbearbeitungsprozess kann auch bei langen Lastzyklen unter Grenz- beziehungsweise Mischreibungsbedingungen, wie sie zum Beispiel bei Start-Stopp-Motoren häufig auftreten, die Verschleißintensität auf ein Minimum reduziert werden.

– wird fortgesetzt –

Literatur

[19] B. Heine: Werkstoffprüfung; Fachbuchverlag Leipzig, Aalen, 2003, S. 88 ff, S. 287 ff

DOI: 10.7395/2014/Kommer5

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