So verbessern Sie die Verschleißfestigkeit von PA66/GF

Wie lässt sich die Verschleißfestigkeit von PA66/GF verbessern – mit PTFE, UHMWPE oder Molybdändisulfid?

Reibung und Verschleiß sind grundlegende physikalische Phänomene, denen Materialien im Betrieb ausgesetzt sind und die Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Energieeffizienz mechanischer Systeme erheblich beeinflussen. Aufgrund ihrer geringen Dichte, moderaten Kosten, guten Verarbeitbarkeit und hohen Designflexibilität bieten Polymer-Matrix-Verbundwerkstoffe hervorragende tribologische Eigenschaften und ermöglichen gleichzeitig ein geringeres Gewicht der Ausrüstung, was sie zu einer wirksamen Lösung für industrielle Reibungs- und Verschleißprobleme macht.

Als Verstärkungsphase trägt Glasfaser (GF) zur Lastverteilung bei Reibung bei, verhindert die Übertragung von Klebstoff aus der Matrix und verbessert die Wärmeleitfähigkeit und Wärmeformbeständigkeit des Verbundwerkstoffs. Obwohl glasfaserverstärkte PA-Verbundwerkstoffe in praktischen technischen Anwendungen zahlreiche Vorteile gezeigt haben, gibt es noch Raum für Verbesserungen in ihrer Verschleißfestigkeit unter schwierigen Betriebsbedingungen.

Um die Verschleißfestigkeit von Polymer-Matrix-Verbundwerkstoffen zu verbessern, werden häufig Festschmierstoffe eingesetzt, um die Reibungsgrenzfläche zu modifizieren und so den Reibungskoeffizienten und die Verschleißrate zu verringern. Typische Festschmierstoffe sind Molybdändisulfid (MoS₂), Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMWPE).

PTFE weist zwischen seinen Molekülketten nur schwache Van-der-Waals-Kräfte auf. Seine wohlgeordnete Struktur ermöglicht die Bildung schichtförmiger Kristalle, die leicht an Grenzflächen gleiten, was zu hervorragenden selbstschmierenden Eigenschaften führt. Es ist einer der am häufigsten verwendeten Festschmierstoffe.

UHMWPE hingegen bietet eine hervorragende Schlagfestigkeit und Leistung bei niedrigen Temperaturen sowie gute Selbstschmiereigenschaften und einen Reibungskoeffizienten nahe 0,1, was es zu einem hervorragenden polymeren Festschmierstoff macht.

MoS₂ ist eine anorganische Verbindung mit einer charakteristischen Schichtstruktur. Seine Molekülstruktur besteht aus -S-Mo-S-Bindungen, wobei zwei benachbarte S-Atome über und unter einem Mo-Atom positioniert sind und eine dreischichtige Atomebene aus S-Mo-S bilden. Die Bindung zwischen den Schichten ist schwach, was ein leichtes Verrutschen zwischen den Schichten und die Bildung eines Übertragungsfilms während der Reibung ermöglicht. Im Vergleich zu polymeren Festschmierstoffen wie PTFE und UHMWPE wird MoS₂ typischerweise in kleineren Mengen verwendet.

In dieser Studie wurden drei typische Festschmierstoffe – MoS₂, PTFE und UHMWPE – ausgewählt und systematisch deren Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften, den Reibungskoeffizienten und die Verschleißraten von glasfaserverstärkten PA66-Verbundwerkstoffen untersucht.

1. Der Einfluss verschiedener Festschmierstoffe auf die mechanischen Eigenschaften von PA66-GF30

Mit der Erhöhung des UHMWPE-Anteils von 3 % auf 10 % zeigte die Materialdichte einen abnehmenden Trend (von 1,36 g/cm³ auf 1,33 g/cm³), was auf die geringere Dichte von UHMWPE zurückzuführen ist. Sowohl die Zugfestigkeit als auch die Biegefestigkeit zeigten einen abnehmenden Trend, wobei die Zugfestigkeit von 185 MPa auf 164 MPa und die Biegefestigkeit von 275 MPa auf 237 MPa sanken. Auch der Biegemodul nahm entsprechend ab, was vor allem auf die geringere Festigkeit von UHMWPE selbst zurückzuführen ist. Allerdings stieg die Kerbschlagzähigkeit des Materials in einem einfach unterstützten Träger von 10,4 kJ/m² auf 13,4 kJ/m², was darauf hindeutet, dass die Zugabe von UHMWPE die Zähigkeit des Materials effektiv steigerte. Mit zunehmendem UHMWPE-Gehalt nahm der MFR deutlich ab (von 7,9 g/10 Min. auf 2,7 g/10 Min.), was mit dem hohen Molekulargewicht von UHMWPE zusammenhängt.

Im Vergleich zum UHMWPE-System hat die Einführung von PTFE einen relativ geringen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften. Nach Zugabe von 10 % und 15 % PTFE blieb die Zugfestigkeit weitgehend stabil bei 175–178 MPa, auch die Biegeeigenschaften blieben relativ stabil. Mit zunehmendem PTFE-Anteil stieg die Materialdichte von 1,43 g/cm³ auf 1,47 g/cm³, was auf die höhere Dichte von PTFE zurückzuführen ist. Darüber hinaus blieb der MFR des Materials auf einem relativ hohen Niveau, was darauf hindeutet, dass PTFE nur geringe Auswirkungen auf die Fließfähigkeit des Materials hat.

Nach der Zugabe von 2,5 % MoS₂ blieben die mechanischen Eigenschaften des Materials im Wesentlichen unverändert, mit einer Zugfestigkeit von 184 MPa und einem leichten Anstieg des Biegemoduls auf 8.915 MPa. Die Dichte stieg moderat auf 1,39 g/cm³. Bemerkenswert ist, dass der MFR des Materials auf 11,0 g/10 Min. anstieg, was darauf hindeutet, dass die Einführung von MoS₂ den Schmelzfluss effektiv verbesserte, was positive Auswirkungen auf die Verarbeitung und Formgebung hat.

2. Einfluss verschiedener Festschmierstoffe auf den Reibungskoeffizienten von PA66-GF30

In dieser Studie wurden Ring-an-Ring-Verschleißtests verwendet, um die Reibungseigenschaften von PA66-GF30-Verbundwerkstoffen zu bewerten, die mit verschiedenen Festschmierstoffen modifiziert wurden. Es wurden zwei Testbedingungen festgelegt: Niedriggeschwindigkeitsbedingungen (Last 30 kg, Gleitgeschwindigkeit 0,1 m/s) und Hochgeschwindigkeitsbedingungen (Last 30 kg, Gleitgeschwindigkeit 0,5 m/s).

Unter niedrigen Geschwindigkeitsbedingungen betrug der Reibungskoeffizient für die PA66/GF30-Basisformulierung 0,45. Als der UHMWPE-Anteil von 3 % auf 10 % anstieg, zeigte der Reibungskoeffizient einen abnehmenden Trend mit Werten von 0,43, 0,41 bzw. 0,38. Der Schmiermechanismus von UHMWPE basiert hauptsächlich auf seiner Erweichung und Migration unter dem Einfluss von Reibungswärme. Da UHMWPE weniger polar als PA66 ist, wandert es bei Reibung bevorzugt in Richtung der Gegenfläche und bildet eine Grenzschicht mit geringer Scherfestigkeit, die als Schmiermittel wirkt. Bei einem niedrigen UHMWPE-Gehalt (3 %) hat UHMWPE jedoch Schwierigkeiten, eine kontinuierliche und wirksame Schmierschicht an der Reibungsgrenzfläche zu bilden, was zu einer relativ begrenzten Reduzierung des Reibungskoeffizienten führt.

Im Vergleich zu UHMWPE weist PTFE eine stärkere Schmierwirkung auf; Bei einer Zugabe von 10 % und 15 % verringerte sich der Reibungskoeffizient auf 0,37 bzw. 0,32. PTFE hat eine extrem niedrige Oberflächenenergie und wandert bei Reibung bevorzugt zur Gegenfläche und bildet einen kontinuierlichen, dichten Transferfilm. Mit zunehmendem PTFE-Gehalt werden die Gleichmäßigkeit, Kontinuität und Integrität des Transferfilms weiter verbessert, was zu einem glatteren Grenzflächenkontakt und einer kontinuierlichen Verringerung des Reibungskoeffizienten führt.

Nach der Zugabe von 2,5 % MoS₂ sank der Reibungskoeffizient des Materials auf 0,38, ein Ergebnis, das mit dem durch die Zugabe von 10 % UHMWPE erzielten Ergebnis vergleichbar ist. Der Schmiermechanismus von MoS₂ basiert auf seiner einzigartigen Schichtstruktur: Die Bindungsstärke zwischen den Schichten von MoS₂ ist relativ schwach, wodurch es unter Scherbeanspruchung zum Verrutschen der Schichten neigt, wodurch ein wirksamer Übertragungsfilm auf der Reibungsoberfläche entsteht, der den Reibungswiderstand verringert.

Im Vergleich zu Bedingungen bei niedriger Geschwindigkeit verringerte sich der Reibungskoeffizient für alle Materialien bei Reibung bei hoher Geschwindigkeit deutlich, wobei die Werte im Bereich von 0,23 bis 0,28 konzentriert waren. Untersuchungen zeigen, dass der Mechanismus, durch den die Gleitgeschwindigkeit die Reibungseigenschaften von Polymermaterialien beeinflusst, komplex ist und in erster Linie Faktoren wie die Erzeugung und Übertragung von Reibungswärme sowie Änderungen der Grenzflächentemperatur umfasst.

Innerhalb der Last- und Geschwindigkeitsbereiche dieser Studie zeigte das PA66/GF30-System eine Abnahme des Reibungskoeffizienten mit zunehmender Gleitgeschwindigkeit. Dies kann mit dem Anstieg der Reibungsgrenzflächentemperatur, der Materialerweichung und einer gründlicheren Schmierfilmbildung unter Hochgeschwindigkeitsbedingungen zusammenhängen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Schmierleistung verschiedener Festschmierstoffe bei niedrigen Drehzahlen unterschiedlich ist, wobei PTFE die beste Leistung erbringt und MoS₂ bei einer geringeren Zugabemenge eine Schmierleistung erreicht, die mit der von 10 % UHMWPE vergleichbar ist. Unter Hochgeschwindigkeitsbedingungen tendiert die Leistung verschiedener Schmierstoffe jedoch dazu, sich anzunähern, was darauf hindeutet, dass Verbesserungen des Schmierzustands an der Grenzfläche unter Hochgeschwindigkeits-Reibungsbedingungen in erster Linie durch Reibungswärme und Grenzflächentemperatur bedingt sind.

3. Einfluss verschiedener Festschmierstoffe auf die Verschleißrate von PA66-GF30

Unter Niedriggeschwindigkeitsbedingungen betrug die Verschleißrate der PA66-GF30-Basisformulierung 6 mg. Nach der Zugabe von UHMWPE und PTFE sank die Verschleißrate des Materials deutlich auf 0,1–0,5 mg, mit einer Verschleißreduzierung von über 90 %, was darauf hinweist, dass polymere Festschmierstoffe bei niedrigen Drehzahlen eine hervorragende verschleißmindernde Leistung aufweisen.

Im Gegensatz dazu betrug die Verschleißrate nach Zugabe von 2,5 % MoS₂ 3,4 mg. Obwohl dies eine Verbesserung gegenüber der Basisformulierung darstellte, betrug die Reduzierung des Verschleißes nur 43 % und der Effekt war weitaus geringer als der von Polymerschmierstoffen.

Unter Hochgeschwindigkeitsbedingungen stiegen die Verschleißraten bei allen Materialien deutlich an, die Leistungsunterschiede zwischen den verschiedenen Schmierstoffen wurden jedoch noch deutlicher. Die Verschleißrate der Basisformulierung stieg auf 70 mg; Als der UHMWPE-Gehalt von 3 % auf 10 % anstieg, zeigte die Verschleißrate einen abnehmenden Trend und verzeichnete Werte von 36, 30 bzw. 23 mg, mit einer maximalen Verschleißreduzierungsrate von 67 %. Bei Zugabe von 10 % PTFE betrug der Verschleiß 42 mg; Als der PTFE-Gehalt auf 15 % erhöht wurde, sank er weiter auf 16 mg, mit einer Verschleißreduzierungsrate von bis zu 77 %, was die beste Hochgeschwindigkeits-Verschleißfestigkeit zeigt. Im Gegensatz dazu blieb der Verschleiß des Verbundmaterials mit 2,5 % MoS₂ bei bis zu 55 mg, wobei die Verschleißreduzierungsrate nur 21 % betrug, was auf eine begrenzte Wirksamkeit hinweist.

Das Verschleißverhalten von glasfaserverstärkten Verbundwerkstoffen beruht auf der synergistischen Wechselwirkung zwischen Matrixpolymerverschleiß und Faserverschleiß, wobei die Qualität der Transferfilmbildung und der Faserabriebverschleiß gemeinsam die Reibungseigenschaften des Materials bestimmen. Polymere Festschmierstoffe (UHMWPE und PTFE) verfügen über ausgezeichnete Filmbildungseigenschaften und Grenzflächenkompatibilität, wodurch sie schnell kontinuierliche und stabile Transferfilme auf den Passflächen bilden können. Diese Transferfolien isolieren nicht nur effektiv den direkten Kontakt an der Reibungsschnittstelle, sondern verhindern auch die Lockerung und Ablösung von Glasfasern, wodurch die Anzahl der Fälle, in denen Fasern aus der Matrix herausgezogen werden oder darin einbrechen, erheblich reduziert wird, wodurch der Gesamtverschleiß des Verbundmaterials erheblich verringert wird.

Der Verschleißmechanismus von MoS₂ ist noch komplexer. Obwohl seine Schichtstruktur die Bildung eines Transferfilms erleichtert, entstehen bei der Reibung leicht harte Schleifpartikel, die an der Reibungsgrenzfläche hängen bleiben. Diese Partikel lösen einen abrasiven Dreikörperverschleiß aus, der Mikroschneide- und Einbettungseffekte verursacht, die Spannungskonzentrationspunkte auf der Reibfläche erzeugen und die Entstehung und Ausbreitung von Mikrorissen induzieren. Unter zyklischer Belastung breiten sich Risse immer weiter aus und führen schließlich zu Materialabplatzungen und damit zu erhöhtem Verschleiß.

Darüber hinaus ist ein weiterer wichtiger Faktor, der zum erheblichen Anstieg des Verschleißes unter Hochgeschwindigkeitsbedingungen beiträgt, der Effekt des reibungsbedingten Temperaturanstiegs. Wie in Abbildung 4 dargestellt, steigt die Temperatur der Reibfläche deutlich an, wenn die Gleitgeschwindigkeit von 0,1 m/s auf 0,5 m/s ansteigt, und verdoppelt sich nahezu. Die schnelle Ansammlung von Reibungswärme verstärkt den Einfluss der viskoelastischen Eigenschaften des Materials auf die tribologische Leistung.

Nach der Reibungsübertragungstheorie nimmt mit steigender Grenzflächentemperatur die Tendenz zur Adhäsionsübertragung in Polymermaterialien zu, was dazu führt, dass mehr Matrixmaterial während des Reibungsprozesses Adhäsions-Peeling-Zyklen durchläuft, was zu einem deutlich erhöhten Verschleiß führt. Es ist erwähnenswert, dass alle drei Schmierstoffe zwar die Reibungsgrenzflächentemperatur bei niedrigen Drehzahlen wirksam senken können, sich aber bei hohen Drehzahlen und hohen Temperaturen Unterschiede in ihren Kühleffekten direkt auf die endgültige Verschleißfestigkeitsleistung auswirken.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass polymere Festschmierstoffe unter verschiedenen Betriebsbedingungen gute reibungsmindernde Wirkungen zeigen. Unter diesen weist PTFE die herausragendste Verschleißfestigkeit unter Hochgeschwindigkeitsbedingungen auf, während MoS₂ aufgrund des Vorhandenseins eines abrasiven Verschleißmechanismus unter Hochlast- und Hochgeschwindigkeitsbedingungen relativ begrenzte reibungsmindernde Wirkungen aufweist.

(1) In glasfaserverstärkten PA66-Systemen haben unterschiedliche Festschmierstoffe unterschiedliche Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften des Materials. Unter diesen haben UHMWPE und PTFE einen erheblichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften, während MoS₂ einen relativ geringen Einfluss hat.

(2) UHMWPE, PTFE und MoS₂ können alle den Reibungskoeffizienten des Materials verringern; Der Effekt ist bei niedrigen Geschwindigkeiten erheblich, wird jedoch bei hohen Geschwindigkeiten tendenziell gleichmäßiger und weniger ausgeprägt.

(3) UHMWPE und PTFE zeigen hervorragende reibungsmindernde Wirkungen, während MoS₂ nur eine begrenzte reibungsmindernde Wirkung hat. Eine Erhöhung der Reibungsgeschwindigkeit führt zu einem stärkeren Temperaturanstieg und einem deutlich erhöhten Verschleiß.