Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Schmierstoff-Kunststoff-Wechselwirkungen und mechanischen sowie tribologischen Eigenschaften zur verbesserten Materialauswahl

 

Kurztitel: Schmierstoffverträglichkeit

Trotz langjähriger Untersuchungen zum tribologischen Verhalten von Kunststoffen kommt es immer wieder zu unerwarteten Ausfällen und den damit verbundenen Folgekosten. Ursachen sind Änderungen der Additivpakete der Kunststoffe durch Rohstoffhersteller, die Verwendung neuer Kunststoffmaterialien oder anderer Schmierstoffe, die große Variationsbreite von Stand- und Betriebszeiten oder extreme thermische Belastungen.

Um eine verbesserte Prüfmethodik (kostengünstigere Tests) und Empfehlungen für günstige Werkstoff/Schmierstoff-Paarungen abzuleiten, soll im Projekt erforscht werden, welche Wechselwirkungen zwischen Polymeren und Schmierstoffen bestehen und wie dadurch Materialeigenschaften und tribologische Eigenschaften von Polymerwerkstoffen beeinflusst werden. Hierzu sind Charakterisierungsmethoden, wie Mikrohärte, mechanische Prüfung im Medium, Sorptionsmessungen, Gelpermeationschromatographie, IR-Mikroskopie und Thermoanalyse, mit tribologischen Prüfungen (z. B. Ring-auf-Ring, Stift-Scheibe, Triborheoversuche) zu kombinieren. Die Prüfmethoden sind hinsichtlich ihrer Aussagekraft zu bewerten. Anhand von ausgewählten Schmierstoff-Kunststoff-Kombinationen und Alterungsversuchen sind Auswahlregeln für günstige Paarungen zu erarbeiten.

Die Ergebnisse des Projektes sollen den Firmen helfen, kritische Schmierstoffkomponenten zu identifizieren und günstige bzw. ungünstige Werkstoff/Schmierstoff-Paarungen zu erkennen. Dies soll bestehende Hemmnisse bei den KMU überwinden, die bisher vielfach die riskante Auslegung von geschmierten Systemen vermieden haben. Die geplanten Forschungsergebnisse sollen eine gezielte Rezepturentwicklung und Additivierung der Kunststoffe und Schmierstoffe ermöglichen. Nutzen für die KMU entsteht durch die Verkürzung der Zeiten bis zur Markteinführung, eine längere Lebensdauer und einen verringerten Prüfaufwand in der Produkt- und Systementwicklung sowie durch Schaffung firmenübergreifender Standards.

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt wurden Zusammenhänge zwischen der Schmierstoff-Polymerwechselwirkung und tribologischen Eigenschaften untersucht. Die Experimente wurden exemplarisch an den für tribologische Anwendungen typischen Polymeren Polyoxymethylen (POM), Polyketon (PK) und Polyamid 4.6 (PA46) in Kombination mit polaren und unpolaren Polyalkylenglykol-Ölen (pPG bzw. uPG), einem esterbasierten Öl (EST) und einem Öl auf Basis von Polyalphaolefin (PAO) durchgeführt. Die Alterung der Polymere im Öl erfolgte bei 100°C, 130°C und 160°C unter Luftatmosphäre sowie unter Ausschluss von Sauerstoff für Zeiträumen zwischen 4 und etwa 100. Analysiert wurden u. a. Abriebrate und Haftreibung, Schubmodul und Mikrohärte (ortsaufgelöst), Sorption (z. T. ortsausgelöst) und Diffusion sowie Molmasse, Kristallinität und Grenzflächenenergien.

Zusammenhänge zwischen alterungsbedingten Veränderungen der Polymere und ihrem tribologischen Verhalten wurden für die Sorption (Quellung), die Mikrohärte, den Schubmodul und Grenzflächenenergien gefunden. Bei quellenden Systemen (POM+pPG, POM+uPG, POM+EST, PK+pPG) lässt sich der Zusammenhang zwischen Eigenschaftsveränderungen der Materialien und dem tribologischen Verhalten durch die Weichmachung der Kunststoffe durch die Absorption der Schmierstoffe erklären und mit empirischen Formeln beschreiben. Für die untersuchten Systeme ergibt sich z. B. mit zunehmender Quellung der Polymere eine Abnahme von Schubmodul, Mikrohärte und Abriebrate. Für die nicht-quellenden Systeme sind diese Abhängigkeiten meist schwächer ausgeprägt, wobei z. B. Oberflächenrauigkeit oder Anpressverhalten zu betrachten sind.

Es wurde ein Handlungsablauf zur Beurteilung der Wirkung von Schmierstoffen auf tribologische Eigenschaften von Kunststoffen ableiten und ein Vorschlag für einen Prüfablauf entwickelt. Dies kann Firmen helfen, die Eignung einer Schmierstoff-Polymer-Kombination für tribologische Anwendungen mit einfachen Experimenten abzuschätzen.

Das Ziel des Projektes wurde erreicht.