Einfluss der Oberflächengüte des Substrats auf Reibung und Verschleißverhalten beschichteter Kolbenbolzen – Teil 6

Von Martin Kommer, HTW Aalen

Die Betrachtung des Einflusses der Schmieröle zeigt, dass sich erwartungsgemäß die Dicke des Schmierfilms ändert und beim SAE 20W/50 eine reine Flüssigkeitsreibung ohne Belastung der vorliegenden Festkörperoberflächen besteht. Aus diesem Grund nimmt der Verschleiß mit steigender Viskosität des Öls ab. Mit steigender Viskosität der Öle bildet sich ein tragfähiger Schmierfilm aus, der die Oberflächen der Reibpartner teilweise beziehungsweise vollständig voneinander trennt und so der überwiegend auftretende abrasive Verschleiß auf ein Minimum reduziert wird. Mit dem hier simulierten Reibungs- und Verschleißverhalten konnte zudem aufgezeigt werden, dass sich mit dem Einsatz einer Laufbuchse im System DLC-beschichteter Kolbenbolzen – Pleuelauge unter Grenz- beziehungsweise Mischreibungsbedingungen keine zusätzlichen tribologischen Vorteile ergeben und somit auf die Laufbuchse aus Kupfer-Zinn-Knetlegierungen verzichtet werden kann.

Effect of Substrate Surface Finish on Friction and Wear of Plated Piston Gudgeon Pins – Part 6

Examining the effect of lubricating oil shows that, as might be expected, the thickness of the lubricant film can change and in the case of SAE 20W/50, a purely liquid friction situation obtains with no wear of the solid surfaces present. For this reason, wear decreases with increasing viscosity of the lubricating oil. With increasing viscosity of the oil, a load-bearing lubricating film is formed which sometimes partially, sometimes completely separates the two solid surfaces thus reducing abrasive wear to a minimum. Using the simulated friction and wear behaviour described here, it could be shown that using a sleeve with DLC-coated piston gudgeon pins-con rod bearings, under conditions of limiting or mixed friction conditions, brought no additional tribological benefits and there is thus no benefit from using copper-tin alloy shells.

Fortsetzung aus WOMag 8/2014

5.4 Tribologische Versuche im geschmierten Zustand

Die durchgeführten Versuche mit unterschiedlichen Schmierölen bestätigen, dass mit einer niedrigeren Ölviskosität das Reibungs- und Verschleißverhalten des tribologischen Systems aus Kolbenbolzen und Gegenkörper nachteilig beeinflusst wird. Durch die Versuche mit unterschiedlichen Gegenkörpern wurde das tribologische Verhalten von beschichteten Kolbenbolzen gegen einen Pin aus CuSn8, welcher im realen Tribosystem die Laufbuchse darstellt, untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass ein vergleichsweise weicher Gegenkörper trotz guter tribologischer Eigenschaften (z. B. Gleitverhalten oder Warmfestigkeit) gegen eine harte DLC-Schicht wirkungslos bleibt.

5.4.1 Einflussfaktoren auf die tribologische Kontaktzone

Eine Abschätzung der im Kontakt Kolbenbolzen – Gegenkörper auftretenden Hertzsche Pressung ergibt für den Einsatzstahl 17Cr3 eine Flächenpressung von etwa 217 MPa. Beim Sonderfall von CuSn8-Pin als Gegenkörper (E-Modul: 115000 N/mm²) liegt die Flächenpressung für den Linienkontakt beschichteter Kolbenbolzen – CuSn8-Pin rein rechnerisch bei 186 MPa.

Unter Einsatz der Schmieröle SAE 20W/50, FVA 1, FVA 2 und FVA 3 ergeben sich auf Basis der verfügbaren Zusammenhänge die in Tabelle 20 zusammengestellten, minimalen und spezifischen Schmierfilmdicken. 

5.4.2 Reibungs- und Verschleißcharakterisierung mit unterschiedlichen Schmierölen

Die durchgeführten Tribotests mit unter­schiedlichen Schmierölen erbrachten ein annähernd identisches Verhalten, welches­ nachfolgend exemplarisch an einem Beispiel näher betrachtet wird. Die vorgestellten Ergebnisse beziehen sich auf einen Kolbenbolzen, bei dem jeweils an vier unterschiedlichen Stellen die Tribotests mit unterschiedlichen Schmierölen durchgeführt wurden.

Bei der Betrachtung der Reibwertkurven lässt sich eine deutliche Abhängigkeit von der Viskosität des eingesetzten Schmieröls erkennen (Abb. 65). Mit sinkender Viskosität des Schmieröls kommt es zu einer Erhöhung des Reibungskoeffizienten, was auch die Werte der berechneten spezifischen Schmierfilmdicke für die verschiedenen Tribosysteme zeigen. Der ansteigende Reibungskoeffizient des geschmierten Systems, das heißt die Verschiebung entlang der Stribeck-Kurve in Richtung Festkörperreibung, korreliert mit einem stark abnehmenden Verschleißwiderstand. Dies lässt sich mithilfe der Verschleißuntersuchungen der 100Cr6-Gegenkörper aufzeigen. Abbildung 66 zeigt die Verschleißzunahme der Gegenkörper mit sinkender Viskosität der verwendeten Schmieröle.

Dabei kann ein Trend festgestellt werden: Eine zunehmende Viskosität des Schmieröls wirkt sich positiv auf den Verschleißvorgang der Gegenkörper aus; das bedeutet, je höher die Viskosität des Öls während der tribologischen Belastung ist, desto geringer ist der Verschleiß am Gegenkörper. Analog dazu verhält es sich mit der Rauheitsabnah­me der Gegenkörper. Eine mögliche Erklärung hierfür könnte sein, dass sich mit steigender Viskosität der Öle ein tragfähiger Schmierfilm ausbildet, der die Oberflächen der Reibpartner teilweise beziehungsweise vollständig voneinander trennt und so der überwiegend auftretende abrasive Verschleiß auf ein Minimum reduziert wird.

Ein Indiz für die Ausbildung eines tragfähigen Schmierfilms könnte die steigende minimale Schmierfilmdicke mit zunehmender Viskosität der Öle (Tab. 20) sein. Eine Bestätigung dieser Annahme liefert der Tribotest des Kolbenbolzens mit dem 20W/50-Motoröl, das vergleichsweise die höchste Viskosität bei Raumtemperatur besitzt. Bei diesem Versuch konnte anschließend keine Verschleißspur auf dem Gegenkörper festgestellt werden; es war lediglich eine minimale Glättung visuell zu erkennen. Vermutlich hat also die vorherrschende Vollschmierung (Flüssigkeitsreibung) eine Reduzierung der Flächenpressung zur Folge, sodass Reibung und Verschleiß nur von der Zähigkeit des Schmieröls bestimmt werden.

5.4.3 Reibungs- und Verschleißcharakterisierung bei unterschiedlichen Gegenkörpern

Die Versuche im geschmierten Zustand mit unterschiedlichen Gegenkörpern gegen die gebürsteten Kolbenbolzen zeigten die zu erwartenden Resultate. Es konnte mit abnehmender Härte ein höherer Verschleiß des eingesetzten Gegenkörpers beobachtet werden.

Beim Reibverhalten der tribologischen Systeme mit CuSn8-Gegenkörpern zeigte sich ein ähnlicher Reibwertverlauf wie bei den ungebürsteten Kolbenbolzen gegen 100Cr6. Der anfängliche hohe Reibungskoeffizient fällt bereits in den ersten Minuten des Tests stark degressiv ab und pendelt sich gegen Ende auf den absoluten Wert (gemittelt aus den letzten zehn Minuten) von 0,035 ein. Die Reibwertkurven der tribologischen Systeme mit 100Cr6-Gegenkörpern zeigen hingegen den typischen Verlauf beim Einsatz von gebürsteten Kolbenbolzen. Die anfänglichen Reibungskoeffizienten ändern sich im gesamten Verlauf der Tribotests nur geringfügig und pendeln sich bei 0,057 ein (Abb. 67).

Verschleißuntersuchungen zeigen wie beim Reibverhalten unterschiedliche Ergebnisse.­ In Abbildung 68 sind diese für die unterschiedlichen Gegenkörper vergleichend dargestellt. Dabei kann deutlich festgestellt werden, dass die Verschleißtiefen der weicheren CuSn8-Pins etwa sechsmal höher liegen als bei den 100Cr6-Pins. Während die 100Cr6-Pins eine Verschleißtiefe zwischen 0,25 µm und 0,28 µm aufweisen, zeigen die beiden CuSn8-Pins eine Tiefe von 1,37 µm bis 1,50 µm.

Abb. 68: Rauheitsänderung Rz und Rpkx der gebürsteten Kolbenbolzen B, Rz der unterschiedlichen Gegenkörper (100Cr6 und CuSn8) und die Verschleißtiefe dieser Gegenkörper

Die hohen Verschleißtiefen der CuSn8-Pins lassen sich mit dem Prinzip des Einschleifverhaltens erklären, welches sich signifikant an der Rauheitsabnahme der Gegenkörper äußert. Diese weisen vor den Tests eine relativ hohe Rauheit Rz von bis zu 1,58 µm auf, welche sich durch die Tribotests bis auf etwa 0,28 µm reduziert. Das Einschleifen ist auf die zu hohen Härte­unterschiede zwischen Grund- und Gegenkörper zurückzuführen. Die bei der harten DLC-Beschichtung (> 2000 HV) stabilisierten Rauheitsspitzen dringen furchend in den sehr weichen Gegenkörper aus CuSn8 (ca. 210 HV) ein und führen zu Material­abtrennungsprozessen in Form von Abrieb. Im Vergleich hierzu findet bei den härteren 100Cr6-Gegenkörpern (750 HV) kaum eine Reduzierung der Rauheitskennwerte Rz und Rpkx statt und die Verschleißintensität ist demzufolge relativ gering.

Mit dem hier simulierten Reibungs- und Verschleißverhalten konnte gezeigt werden, dass sich mit dem Einsatz einer Laufbuchse im System DLC-beschichteter Kolbenbolzen – Pleuelauge unter Grenz- beziehungsweise Mischreibungsbedingungen keine zusätzlichen tribologischen Vorteile ergeben und somit auf die Laufbuchse aus Kupfer-Zinn-Knetlegierungen verzichtet werden kann.

6 Zusammenfassung und Ausblick

Das primäre Ziel der durchgeführten Versuche war es, die Einflüsse unterschiedlicher Oberflächengüten der Kolbenbolzen im Anlieferungszustand auf das spätere Reibungs- und Verschleißverhalten zu überprüfen. Für eine Simulation nahe an den realen Betriebsbedingungen stand der in Kooperation von Oerlikon Balzers und der NTB Buchs entwickelte Kolbenbolzenprüfstand zur Verfügung, der nach konstruktiven Verbesserungen eine reproduzierende Versuchsdurchführung im gewünschten Reibungszustand gewährleisten konnte.

Vorangegangene Versuche bestätigten eine deutliche Abhängigkeit der tribologischen Versuche von der Luftfeuchtigkeit, weshalb für diese Versuche eine konstante relative Luftfeuchte zwischen 30 % und 40 % eingehalten wurde. Die wichtigste Optimierungsmaßnahme war die Inbetriebnahme eines neuen Schmierstoff-Dosiersystems, das eine berührungslose Jet-Dosierung niedrig- bis hochviskoser Schmiermedien bei Temperaturen bis 100 °C ermöglicht, sodass eine definierte Menge Öl (60 µL pro Versuch) über Einstellung der Ventilöffnungszeiten zugegeben werden konnte. Damit konnte unter Mangelschmierung das tribologische System im für den Verschleiß kritischen Bereich der Grenz- beziehungsweise Mischreibung getestet werden.

Für die Versuche im geschmierten Zustand standen Kolbenbolzen mit insgesamt vier unterschiedlichen Oberflächenrauheiten und zwei verschiedenen Substrathärten zur Verfügung. Um den Einfluss der Schichthärte auf das Reibungs- und Verschleißverhalten zu prüfen wurde die Balinit® DLC Star-Multilayerschicht der OC Oerlikon Balzers AG in drei verschiedenen Härtevarianten auf den Kolbenbolzen abgeschieden. Das auf den Beschichtungsprozess folgende­ Nachbearbeitungsverfahren Bürsten wurde mit insgesamt vier unterschiedlichen Varianten auf Effektivität hin geprüft. Um die Bedeutsamkeit dieses Nachbearbeitungsprozesses zu betonen, wurde eine weitere­ ungebürstete Variante der Kolbenbolzen auf dem Prüfstand getestet. Ferner wurden die als Referenz dienenden unbeschichteten Kolbenbolzen mit dem standardisierten­ 100Cr6-Gegenkörper auf dem Prüfstand ­simuliert.

Die durchgeführten Versuche mit diesen Kolbenbolzen zeigten jeweils ganz unterschiedliche Ergebnisse bezüglich des Reibungs- und Verschleißverhaltens. Der Einfluss der Oberflächenrauheit im Anlieferungszustand auf das Reibungs- und Verschleißverhalten war bei allen verwendeten Kolbenbolzen deutlich zu erkennen. So zeigte sich mit abnehmender Ausgangs­rauheit eine Reduzierung des Reibungs­koeffizienten und der Verschleißintensität. Nur bei unbeschichteten Kolbenbolzen mit niedriger Rauheit kam es aufgrund der Aufrauung während der Tests zu einem erhöhten Reibungskoeffizienten. Weiterhin konnte nur bei unbeschichteten Kolbenbolzen der Einfluss einer unterschiedlichen Sub­strathärte auf das Verschleißverhalten ­beobachtet werden.

Bei den DLC-beschichteten Kolbenbolzen waren nicht die Substrathärte, sondern vor allem die Oberflächengüte und der nachfolgende Bürstprozess die entscheidenden Faktoren für das Reibungs- und Verschleißverhalten. So waren bei den gebürsteten Varianten selbst bei langen Lastzyklen im Grenz- beziehungsweise Mischreibungszustand keine Verschleißerscheinungen auf den beschichteten Kolbenbolzen festzustellen. Die Versuche unter diesen Extrembedingungen führten bei diesen Varianten lediglich zu minimalem Gegenkörperverschleiß, der entscheidend von der Höhe, der durch die harte Beschichtung stabilisierten Rauheitsspitzen (Rpkx-Wert) und von der Oberflächenrauheit im Anlieferungszustand der Kolbenbolzen beeinflusst wird. Eine geringere Rauheit vor der Beschichtung hat einen reduzierten Gegenkörperverschleiß nach den tribologischen Versuchen zur Folge.

Die Wahl der Schichthärte zeigte zumindest bei den gebürsteten Kolbenbolzen einen Trend dahingehend, dass mit zunehmender Härte der Schicht ein höherer Gegenkörperverschleiß resultiert. Dies ist jedoch mit gleichbleibenden Bürstparametern genauer zu untersuchen, da hier ein Zusammenhang mit den unterschiedlichen Bürstvarianten besteht. Es zeigte sich vorab ebenfalls die Tendenz, dass mit abnehmender Schichthärte die Effektivität des Bürstens, also die Reduzierung der Oberflächenrauheit, gesteigert werden kann. Sollte sich diese Tendenz in weiteren Versuchen bestätigen, so kann davon ausgegangen werden, dass die Verschleißinten­sität des Gegenkörpers überwiegend durch die Effektivität der Bürstprozesse und der Oberflächengüte im Anlieferungszustand beeinflusst wird.

An ungebürsteten Kolbenbolzen konnte die Wichtigkeit des nach dem Beschichtungsprozess folgenden Bürstens verdeutlicht werden. Bei fehlendem Nachbearbeitungsprozess weist das Oberflächenprofil hohe Rpkx-Werte auf. Diese maximalen Spitzenhöhen des Rauheitsprofils, oft ausgelöst durch sogenannte Nodules (Schichtdefekte), sind im Vergleich bei den ungebürste­ten Kolbenbolzen deutlich höher, was somit auch in einem höheren abrasiven Gegenkörperverschleiß resultiert. Bei den unbeschichteten Kolbenbolzen kommt es während der tribologischen Versuche zu visuell sichtbaren Verschleißerscheinungen aufgrund der fehlenden Verschleißschutzschicht. Besitzen die Reibpartner allerdings annähernd gleiche Rauheiten hält sich die Verschleißtiefe des Gegenkörpers in Grenzen. Bei einer zu niedrigen Rauheit des Kolbenbolzens führt dies aber zu verstärkten Verschleißvorgängen und es kommt zu ­einer Aufrauung der Oberfläche während der Tribotets.

Bei den unterschiedlichen Schmierölen zeigt sich, dass bei steigender Viskosität des Schmieröls Reibung und Verschleiß abnehmen. Ist die Viskosität des Schmieröls hoch genug, kann sich ein tragfähiger Schmierfilm in der Kontaktzone ausbilden, welcher die kontaktierenden Körper fast vollständig voneinander trennt und so einen Gegenkörperverschleiß verhindert. Bei vollständiger Flüssigkeitsreibung, im Falle des SAE 20W/50 bei Raumtemperatur, werden die Reibung und der Verschleiß nur durch die Zähigkeit des Schmieröls bestimmt.

Versuche mit CuSn8 zeigten, dass der Einsatz einer Laufbuchse im System mit DLC-beschichteten Kolbenbolzen überflüssig ist. Aufgrund der hohen Härteunterschiede fand auch bei CuSn8 trotz gebürsteter Kolbenbolzen und sehr guter Gleiteigenschaften ein relativ hoher Materialabtrag durch Abrasion statt.

DOI: 10.7395/2014/Kommer6