Betrachtung der individuellen tribologischen Phänomene im Rahmen der Partikelerosion

Abstract

Die insbesondere durch Partikeleinfall, z.B. durch Sand in der Wüste, verursachte Erosion von Oberflächen führt immer wieder zu Ausfällen von Bauteilen an technischen Geräten bis hin zu dem Ausfall kompletter technischer Anlagen. Dieses Wissen ist ein wichtiger Grund, mittels wissenschaftlicher Methoden und dem Einsatz experimenteller Untersuchungen ein besseres Verständnis über die Mechanismen zu erlangen, die zu diesen Ausfällen führen. Deshalb besteht ein wesentliches Ziel darin, Erkenntnisse zu gewinnen, wie solche Ausfälle zukünftig vermieden werden können. Mit dieser Arbeit werden hierfür Grundlagen dargelegt, indem die wesentlichen Wechselwirkungen von Partikeln mit einer Oberfläche beschrieben und charakterisiert werden. Zu diesem Zweck wird zunächst die Oberfläche verschiedener Werkstoffe nach dem Einfall eines Partikelkollektivs untersucht, um die einzelnen Verschleißmechanismen identifizieren zu können. Die experimentellen Untersuchungen der unterschiedlichen Oberflächen (Edelstahl, Kupfer, DLC-Schicht) werden mit unterschiedlichen Einfallsbedingungen durchgeführt, wobei die Geschwindigkeit, der Winkel und die Einfallsdauer variiert werden. Anschließend werden Methoden vorgestellt, mit denen Mechanismen anhand der Wechselwirkung von einzelnen Partikeln mit den Oberflächen untersucht werden können. In vielen aktuell vorliegenden Arbeiten wurde die Änderung der Adhäsion eines Partikels durch die Oberflächenrauheit untersucht, wobei aber der Einfluss des Partikelverschleißes außer Acht gelassen wurde. Dieses wird in der vorliegenden Arbeit nachgeholt und die Änderung der Partikeloberfläche durch Abrieb wird in die Untersuchungen miteinbezogen. Die hierauf basierenden Auswertungen belegen, dass nur die gesamthafte Betrachtung der abgeriebenen Oberfläche in Kombination mit dem verschlissenen Partikel zu einer nachvollziehbaren Änderung führen. Im Wesentlichen begründet sich dieser Sachverhalt daraus, dass einzelne Kontaktsituationen sich auf diesen Skalen von Position zu Position sehr stark ändern können, so dass der Einfluss des Partikelabriebes zu vernachlässigen ist. Für die Beschreibung des Verschleißmechanismus Abrasion wird der Reibungskoeffizient durch einen Kratztest mit dem Nanoindenter auf Oberflächen bestimmt, die zum einen durch den Einfall von Sandpartikeln Erosion erfahren haben und zum anderen auf unverschlissenen Oberflächen. Dabei erfolgen die Kratztests sowohl mit einem kommerziell erworbenen Indenter, als auch mit einem selbstgebauten Indenter, auf den ein beliebiger Partikel aufgeklebt werden kann. Die Ergebnisse zeigen, dass sich der Reibungskoeffzient durch den Einfall der Partikel ändert und dass der selbstgebaute Indenter für diese Art der Messungen geeignet ist. Als weiterer Verschleißmechanismus wurde die auf Ermüdung basierende Oberflächenzerrüttung beobachtet, die in der Vergangenheit bisher nur mit großem Aufwand untersucht werden konnte. In dieser Arbeit wird hierfür die „reference method“ des Nanoindenters genutzt, die es erlaubt den Indenter bei einer Frequenz von 220 Hz schwingen zu lassen und dadurch die Oberfläche zu ermüden. Da die mit dieser Methode erzielten Untersuchungsergebnisse sehr gut mit denen der klassischen Ermüdungsforschung übereinstimmen eröffnet die „reference method“ ebenfalls eine weitere Möglichkeit die Ermüdung von Werkstoffoberflächen zu untersuchen. Durch diese Arbeit werden Grundlagen und Messmethoden für experimentelle Untersuchungen entwickelt, die die Einzelmechanismen des erosiven Verschleißes beschreiben. Auf dieser Basis werden Möglichkeiten eröffnet Wirkungszusammenhänge zwischen einfallenden Partikeln und einer Oberfläche grundlegend zu verstehen, um Entscheidungen für die Auswahl von Werkstoffen in erosiven Anwendungen besser treffen zu können.

The erosion of surfaces caused due to particle impact, for example through sand in desserts, leads to failure of technical equipment components up to the failure of whole technical facilities. This knowledge is an important argument to use scientific methods and experimental research to achieve a deeper insight into the mechanisms which cause these failures. Hence, a substantial aim is to gain an understanding of how such failures can be avoided in future. This work demonstrates a basis by describing and characterizing the main interactions between particles and surfaces. For that purpose, surfaces of different materials are investigated after the impact of a particle collective to identify the individual wear mechanisms. The experimental tests on various surfaces (stainless steel, DLC-coating, copper) are conducted with different conditions of impact, whereby the velocity, the angle and the test duration are varied. Subsequently, methods are introduced which allow examining the interaction of single particles with the surfaces. Various current works analyse the change in adhesion by the surface roughness, whereby the influence of the particle wear is not considered. In the present work, that topic was caught up on and the change of the particle surface due to wear is included in the investigations. The analysis of the results shows that only the consideration of the whole system of the worn surface in combination with the worn particle leads to a change in adhesion. Primarily, this context is based on the fact that every single contact situation differs from position to position and therefore, the particle wear can be neglected. To describe the wear mechanism abrasion, the friction coefficient is determined by a scratch test conducted with the nanoindenter. These tests are implemented on surfaces which are impacted by erosion through particles and on not worn surfaces. Thereby the scratch tests are performed with a commercially available indenter as well as a self-built indenter on which an arbitrary particle can be glued on. The results show that the friction coefficient changes through particle impact and that the self-built indenter is suitable for the measurements. As a further wear mechanism, the fatigue based on surface spalling is examined, which in the past was only possible with great effort. In this work the reference method of the nanoindenter is used which allows the indenter to oscillate with a frequency of 220 Hz and to fatigue the surface. As the obtained results are in good agreement with the “classic” fatigue research, the reference method opens up a new opportunity to investigate fatigue of material’s surfaces. With the current work, a new basis and experimental methods to describe the single mechanisms of erosive wear are developed. On this basis, opportunities are offered to understand cause-effect relationships fundamentally between impacting particles and a surface, which help to make the right decision regarding the material selection for erosive applications.