Vergleich des Verschleißes thermoplastischer Verbundwerkstoffe auf Stahl-, Messing- und Aluminiumoberflächen

Prüfung thermoplastischer Verbundwerkstoffe gegen Stahl

Um die Wechselwirkung zwischen Kunststoffen und Metallen zu verstehen, führten wir kontrollierte Tests durch, bei denen thermoplastische Verbundwerkstoffe mit gegenzugwalzten AISI-1141-Stahl-Gegenläufen gepaart wurden. Überraschenderweise erzeugten die glattesten Metalloberflächen (8–12 µin) den höchsten Verschleiß an den Verbundwerkstoffen, bedingt durch Adhäsions-Deformations-Reibung. Der Bereich von 12–16 µin lieferte die niedrigsten Verschleißkennwerte, während 50–70 µin-Oberflächen für die meisten Verbundwerkstoffe mittlere Werte ergaben. Unverstärkte Formulierungen verhielten sich anders.

PTFE-geschmiertes, glasfaserverstärktes Polycarbonat war der einzige Verbundwerkstoff, der eine erhöhte Rauheit auf dem Stahl-Gegenlauf zeigte; alle anderen Verbundwerkstoffe reduzierten die Oberflächenrauheit um bis zu ein Achtel, während die Metalloberfläche in allen Tests durchgängig aufrautete.

Verschleißverhalten

Wir untersuchten das Verschleißverhalten thermoplastischer Verbundwerkstoffe gegen rostfreie Stahl- und Messing-Gegenläufe bei zwei Rauheitsstufen. Entsprechend den Erwartungen erhöhte die Erhöhung der 304-Edelstahl-Oberflächenrauheit von 8–16 µin auf 50–70 µin die Verschleißkennwerte für alle Verbundwerkstoffe. Interessanterweise sanken die entsprechenden Reibungskoeffizienten bei größerer Metallrauhigkeit.

Verschleißkennwerte

Verschleißkennwerte und Reibungskoeffizienten waren generell höher für 440-Edelstahl als für 304. Der erhöhte Verschleiß der 440-Legierung resultiert wahrscheinlich aus ihrem Fehlen von Verfestigung während des Einsatzes. Bei Kombination mit 8–16 µin-Messingoberflächen entsprachen die Verschleißkennwerte denen bei Edelstahl, doch Messing wies bei Glas- oder Kohlefaser-verstärkten Verbundwerkstoffen bis zu 80-mal höhere Verschleißraten auf. PTFE-geschmiertes Nylon 6/6 und seine Aramidfaser-Variante erzielten extrem niedrigen Verschleiß gegen Messing, wobei die resultierende Oberflächenrauheit in einigen Fällen bis zu viermal größer war als bei Edelstahl-Gegenläufen.

Aluminiumlegierung 2024 als Gegenlauf bot ein engeres Toleranzfenster und lieferte durchgängig akzeptable Verschleißkennwerte für die Verbundwerkstoffe. Die optimale Oberflächenbeschaffenheit lag bei 12–16 µin, was den geringsten Verschleiß ergab.

PTFE

PTFE-geschmiertes unverstärktes Nylon 6/6 und sein aramidfaserverstärktes Pendant lieferten die niedrigsten Verschleißraten unter allen Aluminium-Paarungen. Dennoch blieben die Verschleißkennwerte für Verbundwerkstoffe gegen Aluminium höher als jene gegen Stahl, Edelstahl oder Messing. Alle thermoplastischen Verbundwerkstoffe erlitten übermäßigen Verschleiß auf Phosphorbronze-Gegenläufen – mit Ausnahme der beiden PTFE-geschmierten Formulierungen.

Verschleißverhalten fluoropolymerbasierter Verbundwerkstoffe

Fluoropolymer-Verbundwerkstoffe mit anorganischen Füllstoffen – Graphitpulver, Koksmehl und gemahlene Glasfasern – zeigten höheren Verschleiß gegen Aluminium als gegen Stahl. Umgekehrt erzielten PTFE-Verbundwerkstoffe mit Bronze und MoS₂ synergistisch niedrigeren Verschleiß auf Aluminium im Vergleich zu Stahl. PTFE-Verbundwerkstoffe mit organischen Füllstoffen wie PPS, Polyoxybenzoat und aromatischem Verstärkungspolymer (ARP) wiesen vergleichbaren Verschleiß und Oberflächenrauheit auf beiden Metallen auf. Bei allen Fluorpolymer-Varianten waren die Reibungskoeffizienten auf Aluminium höher als auf Stahl.

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