TY - THES

T1 - Experimentelle Evaluierung der Fresstragfähigkeit von Kolbenringen mit verschiedenen chrombasierten Schichten

AU - Breitegger, Matthias

N1 - gesperrt bis 03-05-2029

PY - 2024

Y1 - 2024

N2 - Kolbenmaschinen finden in zahlreichen Gebieten in unterschiedlichsten Größen des modernen Lebens Anwendung. Dies reicht von der Automobilbranche bis hin zum Generatorbau. Hierbei werden unterschiedliche Kraftstoffe, wie Diesel, Benzin und auch Gas eingesetzt. Um diese Maschinen im Hinblick auf Nachhaltigkeit zu optimieren, ist es notwendig die Verluste der Kolbenmaschinen und somit den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Ein wichtiger Bereich ist hierbei die tribologische Optimierung der Kolbengruppe, da in diesem Bereich ein großer Teil der Energie für die Reibungsüberwindung verwendet wird. Durch Verbesserung der Kontakteigenschaften zwischen Kolbenring und Zylinderwand, kann hierbei eine signifikante Menge an Energie eingespart werden. Um dies zu erzielen werden die Topologie der Reibpartner verbessert, niedrigviskose Schmierstoffe eingesetzt und verbesserte Beschichtungen der Ringe verwendet. Zusätzlich dazu soll die Leistungsdichte der Kolbenmaschine erhöht werden, was zumeist zu höheren Drücken führt. Dies ergibt hohe Beanspruchungen der Kolbenringe und deren Beschichtungen, was die Gefahr des Fressens der Ringe erhöht. In dieser Arbeit werden daher unterschiedliche Beschichtungen von Kolbenringen für große Gasmotoren in Generatoren genauer betrachtet und die Fresstragfähigkeiten ermittelt und verglichen.Die hierbei betrachteten Beschichtungen sind Chrom mit Aluminiumoxidpartikel, Chrom mit Nanodiamanten und durch physikalische Gasphasenabscheidung erstellte Chrom-Stickstoff-Kohlenstoff Schichten. Für die Zylinderproben wurde ein Zylinder aus Gusseisen mit Sphärographit verwendet. Um einen Vergleich vor und nach den Versuchen gewährleisten zu können, wurde ein Lichtmikroskop verwendet, um die Oberfläche der Proben, als auch die Querschnitte genauer betrachten zu können. Des Weiteren wurden Analysen in einem Rasterelektronenmikroskop durchgeführt, um auch die Materialzusammensetzung durch energiedispersive Röntgenspektroskopie genauer analysieren zu können.Die Versuche wurden in einem Lineartribometer durchgeführt. Nach einem langen Einlaufvorgang wurde hierbei die Kraft immer wieder nach 45 min um 50 N erhöht. Das Überschreiten der Fresstragfähigkeit ist durch einen plötzlichen starken Anstieg des Reibkoeffizienten gekennzeichnet. Um die Versuche bei Versagen abzubrechen, wurde daher ein Grenzwert des Reibkoeffizienten von 0,25 definiert. Während den Versuchen wurden mehrere Aufzeichnungen durchgeführt, welche dann genauer analysiert wurden. Da die Ringe unterschiedliche Geometrien hatten, mussten die Fresstragfähigkeiten auf die projizierten Flächen bezogen werden, um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten.Der hierbei berechnete Druck spiegelt die realen Verhältnisse in der Kolbenmaschine auch besser wider, da das Anpressen der Kolbenringe an die Zylinderwand über einen aufgebrachten Druck erfolgt. Der ermittelte nominelle Druck war bei Ringen mit einer durch physikalische Gasphasenabscheidung erstellten Schichten am größten. Der Unterschied zu Ringen mit einer Chromschicht mit Aluminiumoxid betrug 49 %. Ringe mit Nanodiamanten anstelle von Aluminiumoxidpartikel in der Chromschicht hatten einen 15 % höheren nominellen Druck. Ringe mit PVD-Beschichtung hatten höhere Spitzen im Reibkoeffizienten bei Krafterhöhung als die anderen geprüften Ringe. Des Weiteren konnte durch Analysen im Lichtmikroskop und im Rasterelektronenmikroskop das Vorhandensein von Triboschichten und Materialübertrag durch adhäsiven Verschleiß zwischen Zylinder und Ring nachgewiesen werden. Dieser adhäsive Verschleiß war bei Ringen mit PVD-Beschichtung nicht so stark vorhanden wie bei den anderen geprüften Ringen, was womöglich auf das Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung und den in der Schicht vorhandenen Stickstoff zurückzuführen ist.In weiteren Arbeiten könnte der adhäsive Verschleiß und die starke Erhöhung des Reibkoeffizienten bei Krafterhöhungen von Kolbenringen mit PVD-Beschichtungen genauer analysiert werden. Von Interesse wären auch Verschleißtests der unterschiedlich beschichteten Ringe. Der Effekt von alternativen Kraftstoffen auf das Versagen der unterschiedlichen Ringe könnte auch geprüft werden.

AB - Kolbenmaschinen finden in zahlreichen Gebieten in unterschiedlichsten Größen des modernen Lebens Anwendung. Dies reicht von der Automobilbranche bis hin zum Generatorbau. Hierbei werden unterschiedliche Kraftstoffe, wie Diesel, Benzin und auch Gas eingesetzt. Um diese Maschinen im Hinblick auf Nachhaltigkeit zu optimieren, ist es notwendig die Verluste der Kolbenmaschinen und somit den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Ein wichtiger Bereich ist hierbei die tribologische Optimierung der Kolbengruppe, da in diesem Bereich ein großer Teil der Energie für die Reibungsüberwindung verwendet wird. Durch Verbesserung der Kontakteigenschaften zwischen Kolbenring und Zylinderwand, kann hierbei eine signifikante Menge an Energie eingespart werden. Um dies zu erzielen werden die Topologie der Reibpartner verbessert, niedrigviskose Schmierstoffe eingesetzt und verbesserte Beschichtungen der Ringe verwendet. Zusätzlich dazu soll die Leistungsdichte der Kolbenmaschine erhöht werden, was zumeist zu höheren Drücken führt. Dies ergibt hohe Beanspruchungen der Kolbenringe und deren Beschichtungen, was die Gefahr des Fressens der Ringe erhöht. In dieser Arbeit werden daher unterschiedliche Beschichtungen von Kolbenringen für große Gasmotoren in Generatoren genauer betrachtet und die Fresstragfähigkeiten ermittelt und verglichen.Die hierbei betrachteten Beschichtungen sind Chrom mit Aluminiumoxidpartikel, Chrom mit Nanodiamanten und durch physikalische Gasphasenabscheidung erstellte Chrom-Stickstoff-Kohlenstoff Schichten. Für die Zylinderproben wurde ein Zylinder aus Gusseisen mit Sphärographit verwendet. Um einen Vergleich vor und nach den Versuchen gewährleisten zu können, wurde ein Lichtmikroskop verwendet, um die Oberfläche der Proben, als auch die Querschnitte genauer betrachten zu können. Des Weiteren wurden Analysen in einem Rasterelektronenmikroskop durchgeführt, um auch die Materialzusammensetzung durch energiedispersive Röntgenspektroskopie genauer analysieren zu können.Die Versuche wurden in einem Lineartribometer durchgeführt. Nach einem langen Einlaufvorgang wurde hierbei die Kraft immer wieder nach 45 min um 50 N erhöht. Das Überschreiten der Fresstragfähigkeit ist durch einen plötzlichen starken Anstieg des Reibkoeffizienten gekennzeichnet. Um die Versuche bei Versagen abzubrechen, wurde daher ein Grenzwert des Reibkoeffizienten von 0,25 definiert. Während den Versuchen wurden mehrere Aufzeichnungen durchgeführt, welche dann genauer analysiert wurden. Da die Ringe unterschiedliche Geometrien hatten, mussten die Fresstragfähigkeiten auf die projizierten Flächen bezogen werden, um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten.Der hierbei berechnete Druck spiegelt die realen Verhältnisse in der Kolbenmaschine auch besser wider, da das Anpressen der Kolbenringe an die Zylinderwand über einen aufgebrachten Druck erfolgt. Der ermittelte nominelle Druck war bei Ringen mit einer durch physikalische Gasphasenabscheidung erstellten Schichten am größten. Der Unterschied zu Ringen mit einer Chromschicht mit Aluminiumoxid betrug 49 %. Ringe mit Nanodiamanten anstelle von Aluminiumoxidpartikel in der Chromschicht hatten einen 15 % höheren nominellen Druck. Ringe mit PVD-Beschichtung hatten höhere Spitzen im Reibkoeffizienten bei Krafterhöhung als die anderen geprüften Ringe. Des Weiteren konnte durch Analysen im Lichtmikroskop und im Rasterelektronenmikroskop das Vorhandensein von Triboschichten und Materialübertrag durch adhäsiven Verschleiß zwischen Zylinder und Ring nachgewiesen werden. Dieser adhäsive Verschleiß war bei Ringen mit PVD-Beschichtung nicht so stark vorhanden wie bei den anderen geprüften Ringen, was womöglich auf das Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung und den in der Schicht vorhandenen Stickstoff zurückzuführen ist.In weiteren Arbeiten könnte der adhäsive Verschleiß und die starke Erhöhung des Reibkoeffizienten bei Krafterhöhungen von Kolbenringen mit PVD-Beschichtungen genauer analysiert werden. Von Interesse wären auch Verschleißtests der unterschiedlich beschichteten Ringe. Der Effekt von alternativen Kraftstoffen auf das Versagen der unterschiedlichen Ringe könnte auch geprüft werden.

KW - Tribologie

KW - Kolbenringe

KW - chrombasierte Beschichtungen

KW - CKS

KW - GDC

KW - PVD

KW - TE77

KW - Fresstragfähigkeit

KW - tribology

KW - piston ring

KW - chromium-based coating

KW - CKS

KW - GDC

KW - PVD

KW - TE77

KW - scuffing limit

M3 - Masterarbeit

ER -