Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-944
Main Title: Untersuchungen zur in situ Bildung oxidischer Verschleißschutzschichten bei Temperaturen bis 800 °C im Stoffsystem SiC-TiC-TiB2 und Entwicklung eines Verschleißmodells
Author(s): Yarim, Rasim
Advisor(s): Schubert, Helmut
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Das tribologische Verhalten an selbsthergestellten keramischen Partikelverbundwerkstoffen im quasiternären Stoffsystem SiC-TiC-TiB2 einschließlich der quasibinären Randsysteme SiC-TiC und SiC-TiB2 wurde untersucht. Die Herstellung der Probekörper erfolgte mittels drucklosem Sintern, Gasdrucksintern und Spark-Plasma-Sintern. Nach Bestimmung der chemischen und physikalischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe wurde das Reibungs- und Verschleißver-halten mit der Pin-on-disk-Versuchsanordnung unter oszillierender sowie kontinuierlicher Gleitbewegung bei einer Normalkraft von 10 N charakterisiert. Die Experimente wurden überwiegend mit der Schwingungsverschleißmethode durchgeführt. Dabei fand die Untersuchung in Luft mit einer Schwingweite von 0,8 mm und einer Zyklenzahl von 105 und 6?105 bei Frequenzen von 10 und 20 Hz bei Raumtemperatur unter Variation der relativen Luftfeuchte von 1 bis 100 % sowie bei Umgebungstemperaturen bis 800 °C. Als Ge-genkörper wurden SiC- und Al2O3-Kugeln eingesetzt. Der Einfluss der Porosität sowie der Koh-lenstoffadditivmenge der Probekörper auf das tribologische Verhalten wurden untersucht. Er-gebnisse bei Raumtemperatur zeigen eine Abnahme der Reibungszahl mit zunehmender relati-ver Feuchte. SiC-reiche Zusammensetzungen zeigen auch eine Abnahme des Gesamtverschleiß-koeffizienten mit zunehmender relativer Feuchte. Hochtemperaturversuche wurden mit einer Schwingweite von 0,8 mm und einer Zyklenzahl von 105 mit einer Frequenz von 20 Hz bei Um-gebungstemperaturen bis 800 °C durchgeführt. Die Reibungszahl steigt im allgemeinen mit zu-nehmender Umgebungstemperatur. Der Verschleiß durchläuft je nach Zusammensetzung bei höheren Temperaturen ein Maximum und nimmt bei weiterer Temperaturerhöhung wieder ab. Nach Untersuchung des statischen Oxidationsverhaltens eines ausgesuchten Verbundwerkstof-fes wurde der Einfluss der Voroxidation bei 800 °C von drei ausgesuchten Zusammensetzungen bei Raumtemperatur untersucht. Die Zusammensetzungen S50 (SiC-TiC-TiB2; 50:25:25 mol %) und S100 (SSiC) wurden für Gleitverschleißversuche ausgewählt. Dabei wurde die Paarung SSiC/S50 sowie zu Vergleichs-zwecken auch SSiC/S100 untersucht. Die Beanspruchung erfolgte in Luft zwischen 22 °C und 800 °C bei Gleitgeschwindigkeiten von 0,1 m/s bis 4 m/s. Der Einfluss der Flächenpressung wurde bei p0 = 1 484 MPa und p0 = 1 244 MPa untersucht. Der Gleitweg lag zwischen 2 000 m und 97 567 m. Nach einem Gleitweg von 97 567 m und einer Gleitgeschwindigkeit von 3,9 m/s bei 800 °C wurde eine Reibungszahl von f = 1,1 und ein Gesamtverschleißkoeffizient von k = 3,57?10-7 m³/Nm ermittelt. Der geringe Verschleiß ist auf den im Laufe des Versuches in der Grenzfläche in situ gebildeten Oxidfilm zurückzuführen. Voroxidierte Probekörper wurden bei einer Umgebungstemperatur von 800 °C unter Variation der Gleitgeschwindigkeit von 0,1 m/s bis 4 m/s untersucht. Verschiedene oberflächensensitive Analysemethoden wurden zur Charakterisierung der Aus-gangsmaterialien sowie der Verschleißflächen und -produkte für die Bestimmung der Ver-schleißmechanismen eingesetzt. Theoretische Abschätzungen sowie Beobachtungen der Rei-bungswärme mittels Infrarot-Kamera wurden durchgeführt. Im Laufe der tribologischen Bean-spruchung bildet sich bei der Gleitpaarung SSiC/S50 bei Umgebungstemperaturen von 800 °C in einem Gleitgeschwindigkeitsbereich von 2 m/s ? v ? 4 m/s ein kontinuierlich ausgeweiteter Oxidfilm in der tribologischen Grenzfläche. Nach vollständiger Benetzung der Grenzfläche do-miniert der Oxidfilm das tribologische Verhalten. Der Oxidfilm lässt sich nach Analysenergeb-nissen in zwei Zonen aufteilen. Die Zone 1 besteht aus einer amorphen Si-B-Ti-C-O-Matrix mit eingebetteten Kristalliten aus TinO2n-1, TiO2 und SiO2. Die Zone 2, die zwischen der Zone 1 und dem nichtoxidischen keramischen Grundmaterial liegt, besteht ausschließlich aus einer amor-phen Schicht. In der Zone 2 herrschen hauptsächlich durch das Vorhandensein von Kohlenstoff reduzierende Bedingungen, wodurch sie bis 800 °C amorph bleibt und auf dem nichtoxidischen Grundmaterial haftet.
Tribological behaviour of self-mated particulate ceramic composites in the ternary system SiC-TiC-TiB2 including the binary systems SiC-TiC and SiC-TiB2 has been investigated. The test bodies have been manufactured via pressureless sintering, gas pressure sintering and spark-plasma-sintering. After determination of chemical and physical properties of the composite ma-terials the friction and wear behaviour has been characterized under oscillating as well as continuous sliding wear conditions by a normal force of 10 N. The experiments were carried out mainly by the oscillating sliding test method. The investiga-tions were fulfilled in air with a stroke of 0.8 mm and a number of cycles 105 to 6?105 and a frequency of 10 Hz and 20 Hz at room temperature under variation of relative humidity as well as at temperatures up to 800 °C. As a counter body SiC and Al2O3 balls were used. The test pa-rameters were varied according to a wear mapping. The effect of porosity as well as carbon ad-ditive on the wear behaviour was investigated. Results at room temperature show a decrease of friction coefficient with increasing relative humidity. SiC-rich composites show also a decrease of wear with increasing relative humidity. High temperature tests were carried out with a stroke of 0.8 mm and a number of cycles of 105 and a frequency of 20 Hz at surrounding temperatures up to 800 °C. The friction coefficient rises in general with increasing temperature. The wear passes a maximum at higher temperatures depending on composition and it decreases again at further temperature rise. After investigation on static oxidation behaviour of a chosen composite material the effect of pre-oxidation on three different compositions at room temperature was investigated. The samples S50 (SiC-TiC TiB2; 50:25:25 mol %) and S100 (SSiC) were selected for continu-ous sliding wear tests. The sliding pairs SSiC/S50 and SSiC/S100 were investigated. Experi-ments were carried out in air from 22 °C to 800 ° C at sliding velocities between 0.1 m/s and 4m/s. The effect of pressure was examined via variation of hertzian pressure from p0= 1484MPa to p0 = 1244 MPa. Sliding distance was varied between 2 000 m and 97 567 m. At Temperatures of 800 °C with a sliding velocity of 3.9 m/s and a sliding distance of 97 567 m a friction coeffi-cient of f = 1.1 and a total wear coefficient of k = 3.57?10-7 mm³/Nm were determined. Preoxi-dised samples were tested at 800 °C via variation of sliding velocity from 0.1 m/s to 4 m/s. Different surface sensitive analysis methods were used for characterising the virgin test bodies as well as wear tracks and wear particles for determination of wear mechanisms. Theoretical estimates and observations were carried out by means of infrared camera for frictional heating. The low wear has to be lead back to the in situ formation of an oxide film in the interface. Dur-ing the tribological experiment at the sliding pair SSiC/S50 at temperatures of 800 °C and slid-ing velocities between 2 m/s ? v ? 4 m/s an oxide film will be formed in the interface. After complete covering the interface the oxide film dominates the tribological behaviour. The oxide film can be subdivided into two zones. The zone 1 consists of an amorphous Si-B-Ti-C-O-matrix with embedded crystallites of TinO2n-1, TiO2 and SiO2. The zone 2 consists of only an amorphous layer which is located between the zone 1 and the nonoxidic ceramic bulk material. Reducing conditions dominates in the zone 2 mainly because of the existence of carbon which is responsible for the non-crystalline state in the zone 2 and for its adhesive behaviour.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-8447
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1241
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-944
Exam Date: 8-Apr-2004
Issue Date: 29-Sep-2004
Date Available: 29-Sep-2004
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): Festschmierstoff
Hochtemperatur
Reibung
SiC
TiB2
TiC
Tribologie
Verschleiss
Friction
SiC
Solid lubricants
Sürtünme
TiB2
TiC
Tribology
Wear
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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