Reaktionsschichtbildung auf bleifreien Bronze- und Messingwerkstoffen im Kontakt von Zylinder und Steuerscheibe einer Axialkolbenpumpe

Paulus, Andreas; Murrenhoff, Hubertus; Jacobs, Georg

doi:HT019452238

Reaktionsschichtbildung auf bleifreien Bronze- und Messingwerkstoffen im Kontakt von Zylinder und Steuerscheibe einer Axialkolbenpumpe = Tribolayer Formation on Lead-Free Bronze and Brass Materials in the Contact between Cylinder and Valve Plate in an Axial Piston Pump

Paulus, Andreas

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Andreas Paulus

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (III, 141 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Jacobs, Georg (Thesis advisor) ; Murrenhoff, Hubertus (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-07-27

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-07792
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/698527/files/698527.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/698527/files/698527.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung (411710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Axialkolbenpumpe (frei) ; Bronze (frei) ; Messing (frei) ; Reaktionsschichtbildung (frei) ; axial piston pump (frei) ; brass (frei) ; tribolayer (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Ziel dieser Arbeit ist es, im Kontakt zwischen Zylinder und Steuerscheibe einerAxialkolbenpumpe die bleihaltige Legierungen durch bleifreie Legierungen zu substituieren,ohne dass die Leistungsfähigkeit oder Lebensdauer der Axialkolbenpumpe herabgesetzt wird.Um dieses Ziel zu erreichen, muss die verschleißmindernde Wirkung des Bleianteils imoberflächennahen Werkstoffbereich auf andere Art und Weise erzielt werden. EineMöglichkeit dazu besteht in der gezielten Erzeugung funktionaler oberflächennaherWerkstoffbereiche (sogenannter Grenzschichten), die durch eine tribologische Belastungi. Allg. in Kombination mit Schmierstoffen entstehen und in Zahnrädern und Wälzlagernsowohl Reibung als auch Verschleiß reduzieren können.Im Rahmen dieser Arbeit wurde in experimentellen Versuchen gezeigt, dass Grenzschichtenauch in geschmierten Gleitkontakten auf Bronze- und Messingwerkstoffen entstehen undReibung und Verschleiß reduzieren können. Es wurde eine Methodik entwickelt, mit Hilfederer es möglich ist, bestimmte tribologische Systeme hinsichtlich der Bildung und Wirkungvon Grenzschichten zu untersuchen. Diese Methodik wurde erfolgreich angewendet, um diebleihaltige Bronze im Kontakt zwischen Zylinder und Steuerscheibe in einerAxialkolbenpumpe durch einen bleifreien Bronze- oder Messingwerkstoff zu ersetzen.Nach der Analyse des tribologischen Systems und der Definition von geeignetenErsatzsystemen wurden fünf bleifreie Bronze- und Messingwerkstoffe sowie zwei additivierteSchmierstoffe untersucht. Neben experimentellen Modell- und Komponentenversuchenwurden die Grenzschichten in mikroanalytischen Untersuchungen systematisch analysiert.Die bleifreie Legierung CuSn12Ni2 wurde in den Versuchen als mögliche Alternative zu derbleihaltigen Serien-Legierung qualifiziert. Die positiven Eigenschaften der LegierungCuSn12Ni2 beruhen unter anderem auf der Ausbildung eine stabilen Grenzschicht im Betrieb,die mit Hilfe der hier vorgestellten Methodik untersucht und gesteuert werden kann.

The purpose of this work is to replace the lead-containing alloy by lead-free alloys in thecontact between the cylinder and the valve plate of an axial piston pump. This has to beachived without loss in performance or service life of the axial piston pump. In order toachieve this goal, the wear-reducing effect of the lead content in the surface region of thematerial has to be substituted. One possibility for this is the targeted generation of functionalsurface layers (so-called boundary layers), which are caused by a tribological load, incombination with lubricants. Those layers can reduce both friction and wear in gears androlling bearings.Within the scope of this study, experiments have shown that boundary layers are alsogenerated in lubricated sliding contacts on bronze and brass materials and can reduce frictionand wear. A methodology has been developed with the aid of which it is possible to examinecertain tribological systems with regard to the formation and effect of boundary layers. Thismethodology has been successfully applied to replace the lead-containing bronze in thecontact between the cylinder and the valve plate in an axial piston pump by a lead-free bronzeor brass material.After the analysis of the tribological system and the definition of suitable replacementsystems, five lead-free bronze and brass materials as well as two additivated lubricants wereinvestigated. In addition to experimental model and component tests, the boundary layerswere analyzed systematically in microanalytical investigations.The lead-free alloy CuSn12Ni2 was qualified in the tests as a possible alternative to the leadcontainingseries alloy. The positive properties of the CuSn12Ni2 alloy are based, inter alia,on the formation of a stable boundary layer in operation, which can be investigated andcontrolled using the methodology presented here.

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