Untersuchungen über bevorzugte Kristallorientierungen in den Grenzschichten metallischer Wälzflächen PDF
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FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTF ALEN Nr. 2735/Fachgruppe Maschinenbau/Verfahrenstechnik Herausgegeben im Auftrage des Ministerprasidenten Heinz Kuhn vom Minister fUr Wissenschaft und Forschung Johannes Rau Prof. Dr. -Ing. Hans Krause Dr. -Ing. Ahmet Halim Demirci Lehrgebiet: Abnutzung der Werkstoffe der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen Untersuchungen tiber bevorzugte Kristallorientie rungen in den Grenzschichten metallischer WalzfHichen Westdeutscher Verlag 1978 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Krause, Hans Untersuchungen tibe~ bevorzugte Kristall orientierungen in den Grenzschichten metallischer Walzflachen / Hans Krause ; Ahmet Halim Demirci. - 1. Aufl. - Opladen Westdeutscher Verlag, 1978. (Forschungsberichte des Landes Nordrhein Westfalen ; Nr. 2735 : Fachgruppe Maschinen bau, Verfahrenstechnik) ISBN 978-3-531-02735-7 ISBN 978-3-322-88408-4 (eBook) DOl 10.1007/978-3-322-88408-4 NE: Demirci, Ahmet Halim: © 1978 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag ISBN 978-3-531-02735-7 Inhalt 1 • Einleitung, Problemstellung 6 1.1. EinfluBgr5Ben eines Reibungssystems 9 1.2. Realer Aufbau der Randschichten 10 metallischer Reibungsk5rper 2. R5ntgeno~raphische Untersuchungen an 11 der auBeren Grenzschicht 2.1. Zusammensetzung der Reaktionsschicht sowie 11 ihre ~nderung mit der Walzbeanspruchung 2.1.1. UntersuchungsdurchfUhrung 11 2.1.2. Untersuchungsergebnisse; Vergleich mit 13 denen aus der Literatur 2.2. EinfluB der Reaktionsschicht auf das 17 Reibungsverhalten 3. Laufflachenrauheit bei der Walzreibung 21 4. Harteverteilung in walzbeanspruchten 33 Randschichten 4.1. Hartesteigerung mit der Walzbeanspruchung 34 4.2. Richtungsabhangigkeit der Walzflachenharte 40 4.3. Hartemessungen am Rad/Schiene-System 42 4.3.1. MeBergebnisse 42 5. Versuch einer Erklarung des VerschleiBmechanismus im betrachteten Reibungssystem anhand von elek- tronenmikroskopischen Untersuchungen 46 5.1. VerschleiBmechanismen 47 5.2. Versuchsk6rper - Vorbereitung 50 5.3. Untersuchungsergebnisse 51 - 4 - 6. Plastische Verformungen im Walzflachenbereich 65 - hervorgerufen durch Reibungsbeanspruchung 6.1. Experimentelle Bestimmung der plastischen 66 Verformung in Abhangigkeit von der Bean spruchungsdauer 6.1.1. Untersuchungsdurchflihrung und -auswertung 66 6.1.2. MeBergebnisse 72 6.2. Theoretische Betrachtung der plastischen Ver 75 formung; Einbeziehung der Literaturergebnisse; Diskussion der MeBergebnisse 6.3. Folgerung aus den MeBergebnissen 83 7. Ermittlung "scheinbarer" KristallitgroBen und 84 Gitterverzerrungen in Randschichten aus der Verbreiterung der Rontgenreflexe 7.1 . Berechnungen 84 7.2. Untersuchungsergebnisse 88 7.3. Der EinfluB der anisotropen Grenzschichteigen 91 schaften auf die MeBergebnisse 7.4. D~skussion 102 8. Texturuntersuchungen in den walzbeanspruchten 103 Randschichten 8.1. Richtungsabhangigkeit des Reibungsverhaltens 103 metallischer Werkstoffe 8.2. Texturuntersuchung an Walzkorpern 109 8.2.1. untersuchungsdurchflihrung 109 8.2.1.1. Walzreibungsversuche - Probenvorbereitung 109 8.2.1.2. Versuchswerkstoffe 112 8.2.1.3. Texturmessungen 113 8.2.2. Untersuchungsergebnisse 116 8.2.2.1. Texturausbildung im Kontaktflachenbereich infolge der Walzreibung 116 8.2.2.2. Vergleich mit anderen beobachteten Verformungs und theoretisch ermittelten Schertexturen an kubischraumzentrierten Metallen 123 - 5 - 8.2.2.3. Die Abhangigkeit der Reibungstextur von der 127 Dauer der Walzbeanspruchung (vom Walzweg) 8.2.2.4. Reibungstexturanderung Gber die Tiefenschichten 133 8.2.2.4.1. Probenbehandlung 133 8.2.2.4.2. Untersuchungsergebnisse 134 8.2.2.5. Zusammenhang zwischen Texturparameter 137 und der Reibungszahl 8.2.2.6. Oberflachentextur kubischflachenzentrierter 139 Metalle nach einer Walzbeanspruchung - am Beispiel von Cu/Cu- und Ni/Ni-Paarungen 8.2.2.6.1. Untersuchungsergebnisse 139 8.2.2.6.2. Texturinhomogenitat im Reibungsflachen 146 bereich von Cu- und Ni-Rollen 8.3. Texturuntersuchung an Schienenfahrzeug 149 radreifen und Schienen 8.3.1. Untersuchungen an Radreifen 150 8.3.1.1. Untersuchungsergebnisse 150 8.3.2. Untersuchungen an Schienen 157 8.3.2.1. Untersuchungsergebnisse 158 9. Zusammenfassung 169 10. Literaturverzeichnis 175 11. Anhang 189 11.1. Formelzeichen 189 11. 2. Kurzbeschreibung der angefGhrten Schienen fahrzeuge 192 11.3. Zerlegbarer PrGfk6rper fur elektronen mikroskopische Untersuchungen 194 - 6 - 1. Einleitung, Problemstellung Mit weiter steigenden Anforderungen an Reibungssysteme im Rahmen der technischen Entwicklung wachst auch das Problem tibermaBiger Beanspruchung von Kontaktflachen. Urn optlmale L6sungen im Hlnbllck auf beanspruchungsgerechte Werkstoffauswahl Erh6hung der Lebensdauer bzw. Zuverlassig keit von reibungsbeanspruchten Maschinenteilen Energieeinsparung bei Reibungsvorgangen zu erlangen, sind Grundlagenuntersuchungen unerlaBlich. Die Gtiltigkeit theoretischer Ansatze zum Reibungs- und Ver schleiBverhalten technischer Werkstoffe ist nur begrenzt aus sagefahig. Die Ursache hierzu ist in den vielfaltigen stoff lichen und technologischen EinfluBfaktoren eines Reibungs systems zu suchen. Praxisversuche scheiden im allgemeinen auBer wegen der sehr hohen Kosten und des groBen Zeitaufwandes auch besonders wegen der sich gegenseitig beeinflussenden Faktoren, die sich ganz oder teilweise einer Messung entziehen, aus. Eine Vertiefung der Kenntnisse tiber die der Reibung und Abnutzung zugrundeliegenden Vorgange ist daher oft nur in Modellversuchen m5g1ich. Hier k6nnen die wesentlichsten EinfluBfaktoren wahrend der Versuchsdauer konstant gehalten werden. Die Funktionsverlaufe der KraftschluBbeiwerte und VerschleiBbetrage unter bestimmten Bedingungen und weitgehender Trennung einzelner wichtiger EinfluB faktoren k6nnen untersucht werden. Die gewahlten Modellversuche sind jedoch erst dann von Nutzen, wenn Gesetze zur Ubertragung der experimentellen Ergebnisse aus Laborversuchen in die Praxis gefunden werden k5nnen. - 7 - Die aus der Literatur bekannten Grundlagenuntersuchungen wurden unter definierten/1+S/ und zum Teil idealen (z.B. an Einkristall proben /6,7/) Versuchsbedingungen durchgefUhrt, so daB eine di rekte generelle Ubertragung der gewonnenen MeBergebnisse in die Praxis ohne wei teres nicht m6glich ist. In einzelnen F~llen wurde versucht, die Ubertragung einzelner EinfluBgr6Ben (z.B. Rauheit, Beanspruchungszeit) vom Modell prUfstand auf Originalprobenversuche zu erm6glichen. Die auf Modellversuchseinrichtungen gefundenen Werte lagen sehr nahe bei denen, die auch bei Versuchen am Original gefunden wur den /8/. Die Erarbeitung eines allgemeingUltigen Ubertragungsgesetzes ist bisher jedoch ausgeblieben. Um eine Gesetzm~Bigkeit fUr die Uber tragung der MeBergebnisse aus Laborversuchen in die Praxis abzu +eiten, sind z.B. bei der Walzreibung zwei Theorien bekannt (Haft zonentheorie /9/, Gleitzonentheorie/10/). Einmal wird zugrunde gelegt, daB die Reibungszahl unabh~ngig von der Gleitgeschwindig keit ist. Zum zweiten ist die Reibungszahl eine Funktion der 6rt lichen Gleitgeschwindigkeit. Zu beiden Theorien wird von plastisch unverformten Reibungsk6rpern ausgegangen. Im praktischen Betrieb treten jedoch plastische Verformungen in den Randschichten auf, deren Eigenschaften von denen eines Ideal kristalles erheblich abweichen. Diese nicht idealen Eigenschaften tribologisch beanspruchter Oberfl~chen beeinflussen das Reibungs- und Abnutzungsverhalten 1m praktischen Betrieb entscheidend. Die MeBwertUbertragung von PrUfstandsergebnissen unter idealen Versuchsbedingungen in die Praxis ist daher nicht ohne weiteres gegeben. Sie setzt die BerUcksichtigung des Einflusses, der in starken Veranderungen an und in der Oberflache zum Ausdruck kommt, voraus. - 8 - Dies kann nicht durch eine isolierte Betrachtung der Ver~nderun gen einzelner MeBgroBen erfolgen. Die Einfltisse verschiedener Faktoren auf das Reibungs- und VerschleiBverhalten mtissen - unter Einbeziehung reibungsbedingter werkstofflicher Veranderungen - in ihrer Gesamtheit betrachtet und diskutiert werden. In dieser Arbeit wurde daher zur Untersuchung der reibungsbe dingten Veranderungen im Oberflachenbereich von einem bestimmten Reibungssystem, das das Rad/Schiene-System simulieren solI, aus gegangen. Uber die Texturausbildungen im Oberflachenbereich polykristalliner Reibungskorper, die durch die entstandene Anisotropie aIle mecha nischen und chemischen Eigenschaften des Grenzbereiches zur Folge haben, liegen bisher keine systematischen Untersuchungen vor. Im Rahmen dieser Untersuchungen wurde daher der Textur eine besondere Bedeutung beigemessen. Ferner solI versucht werden, die bestehenden Diskrepanzen zwischen Theorie und Praxis sowie experimentellen Ergebnissen tiber das Reibungs- und VerschleiBverhalten polykristalliner Werkstoffe zu klaren, indem die reibungsbedingten Ver~nderungen im Kontaktbe reich, von einem bestimmten System ausgehend, systematisch erfaBt werden. Weiterhin sollen in dieser Arbeit Anregungen dazu gegeben werden, das Reibungs- und VerschleiBverhalten der Werkstoffe bei einem gegebenen System unter neueren Gesichtspunkten, wie die Bertick sichtigung plastischer Materialverschiebung w~hrend des Reibungs geschehens und der Anisotropie durch die Reibungstextur zu be handeln und gleichwertig mit den Aussagen tiber Werkstoff, Reak tionsschicht, Rauheit, Harte, BeteiligungsgroBe der VerschleiB komponente, Eigenspannung, KristallgroBe und Gitterverzerrung in der Kontaktzone zur Beurteilung des Reibungssystems heranzuziehen. - 9 - 1.1. Einflu8gr68en eines Reibungssystems Ein Reibungssystem wird von der Gesamtheit der am Reibungs geschehen beteiligten Gr68en gebildet. Die Vielzahl dieser Gr68en ist aus Bild 1 ersiehtlich. Railulgssystom I I I I I I -1 Umgebung ZWischenmedoum ReIu1gskOrper Bewegung Beansprucllung I -. -F-orm der- Aufbaudes Werkstoff Relbungspartner OberIICicherlleretches .. """'- ....... Grenzschlcht ""' ....... EigeI'IlChaften ~'d'l1Cht I I I '"E"~"ig onschcehmafotescn h a EMlaegknlreistlcShCehse s uFnedId Art da-._r, . .B.... e wegung Formder~ Nournmda l- In Abhanggked von Intermdtwend RadioaktlVe Tangenbal- Oruc:tc, T"'1*'QI1I Glelehl'OfIIIIg SlrahIung Kraft Fl4Jthl~ Bild 1: EinfluBgr68en eines Reibungssystems /3/ Trotz der Versehiedenartigkeit kann man sie entspreehend ihrer Wirkung in fUnf Hauptgruppen einteilen: 1. Reibungsk6rper 2. Beanspruchung 3. Bewegung 4. Zwischenmedium 5. umgebung Wenn die eine oder andere Einflu8gr6Be mehr als nur einer dieser Gruppen zugeordnet werden kann, so zeigt das nur, wie komplex das Reibungsgeschehen an sleh 1st. Diese Mannigfaltigkeit der EinfluBgr68en l!Bt aueh leicht ein sehen, daB die Reibungskraft nlcht dureh eln allgemelngUltiges Gesetz bestimmt werden kann. - 10 - 1.2. Realer Aufbau der Randschichten metallischer K5rper In der Technik verwendete Eisenwerkstoffe haben keine reine metallische Oberfl!che. Sie sind meistens von einer dUnnen Adsorptionsschicht Uberzogen. Diese bildet zusammen mit der Oxid- bzw. Reaktionsschicht die !uBere Grenzschicht. Mecha nische Beanspruchung ruft zus!tzliche Ver!nderungen und somit Eigenschafts!nderungen in den Randschichten der Werkstoffe hervor. Es entsteht die sogenannte innere Grenzschicht, Bild 2. Adsorptionsschicht Reiboxldation ~ Oxidations- u :.c IW/tnnd dor u VI bzw. Vor1ormung ) CN ~ <.:l Niedrigtemperatur Reaktionsschicht oxidation Plastisch verformte Schicht Anderung der physikol~ Y. c:hemlschen EI90nsehofton. I U. Q. Gotuge, Harl., Fostigkoit, Eigonspon ..." ,'l u. T• •l ur.) Ungesti:irtes Grundgefuge Bild 2: Schematische Darstellung des Aufbaus metallischer Reibungsk5rperoberfl!chen im Bereich kompakter Deckschichten *> - in Anlehnung an /11 + 13/ Die physikalischen und chemischen Eigenschaften dieser Grenz schichten weichen erheblich von denen des metallischen Grund werkstoffes abo ~) (Die Schichtdickenangaben beziehen sich auf eigene W!lz reibungsuntersuchungen an unlegierten C-St!hlen.)
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