Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6532
Main Title: Tribologisch induzierte Oberflächenveränderungen im Reib-Verschleiß-Kontakt Kolbenring gegen Zylinderlaufbahn
Translated Title: Tribologically induced surface changes in the friction and wear contact of piston ring versus cylinder liner
Author(s): Biberger, Julian
Advisor(s): Reimers, Walter
Referee(s): Reimers, Walter
Füßer, Hans-Jürgen
Genzel, Christoph
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: In Verbrennungsmotoren ist der Tribokontakt Topring gegen Zylinderlaufbahn einer der am höchsten beanspruchten Kontakte. Die Anforderungen an Reibungsoptimierung und geringen Verschleiß bei gleichzeitig hoher Laufzeit erfordern ein detailliertes Verständnis dieses tribologischen Kontaktes. Aus diesem Grund ist es erforderlich, unterschiedliche Kolbenringbeschichtungen auf ihr tribologisches Verhalten hin zu prüfen und das Tribosystem Kolbenring gegen Zylinderlaufbahn in Bezug auf die Reibung und den Verschleiß zu verstehen. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Testmethodik zur außermotorischen, realitätsnahen und einzelparameterabhängigen Reib-Verschleiß-Analyse zu entwickeln und unterschiedliche Kolbenringbeschichtungen im außermotorischen tribologischen Modelltest mit der neu entwickelten Zylinderlaufbahnbeschichtung NANOSLIDE® und einem zukünftigen Motoröl tribologisch zu charakterisieren. Als Kolbenringbeschichtungen werden die elektrochemisch aufgebrachte Serienbeschichtung GDC® 50 als Vertreter der Hartchrom Schichten mit in Mikrorissen eingelagerten Diamant-Feststoffpartikeln sowie die im Kathodisch-Arc-Verfahren aufgetragenen Nitrid-Beschichtungen Arc-PVD Chromnitrid und Arc-PVD Molybdännitrid untersucht. Des Weiteren werden die neuartigen Kolbenringbeschichtungen Arc-PVD Molybdänkupfernitrid mit unterschiedlichem Kupfergehalt als Weiterentwicklung des MoN-Schichtsystems als und als Vertreter der Nanocomposite-Beschichtungen analysiert. Als Schmierstoff wird ein zukünftiges, vollformuliertes First Fill Motoröl verwendet. Die mit einem Rotations-Reib-Verschleiß-Tribometer durchgeführten Versuche charakterisieren das schichtspezifische Reib-Verschleiß-Verhalten der auf Topring-Segmenten aufgebrachten Serienbeschichtung GDC® 50 in Abhängigkeit von der motorrelevanten Testparameter Versuchsdauer, Gleitgeschwindigkeit, Normalkraft, Ringtemperatur und Gleitweg vollständig. Ferner wird anhand dieser Versuche die Realitätsnähe der Rotations-Reib-Verschleiß-Testmethodik zum realen motorischen Tribosystem Kolbenring gegen Zylinderlaufbahn aufgezeigt. Das Reib-Verschleiß-Verhalten der Nitridschichten Arc-PVD Chromnitrid und Arc-PVD Molybdännitrid sowie das Reib-Verschleiß-Verhalten der Nanocomposite-Varianten Arc-PVD Molybdänkupfernitrid unterschiedlichen Kupfergehalts werden mit der Serienbeschichtung GDC® 50 verglichen und hieraus resultierende Optimierungspotentiale aufgezeigt. Die tribologisch induzierten Oberflächenveränderungen der Kolbenringbeschichtungen werden mittels unterschiedlicher Analysemethoden charakterisiert und im Hinblick auf die Korrelation mit der Tribologie bewertet. Mittels röntgenografischer Eigenspannungsanalysen werden die tribologisch induzierten oberflächennahen Schichteigenspannungen analysiert.
Within combustion engines, the tribocontact top ring versus cylinder liner constitutes one of the highest stressed contacts. The requirements of optimization of friction as well as of low wear allowing for long lifetime call for an explicite understanding of this specific tribological contact. For this reason, it is necessary to analyze different piston ring coatings for their tribological behavior and to understand the tribological system piston ring versus cylinder liner in terms of friction and wear. The objective of this PhD thesis is to develop a test method for an out-of-engine, realistic and single parameter-dependent analysis and to characterize tribologically different piston ring coatings in combination with the newly developed cylinder liner coating NANOSLIDE® as well as by use of a future engine oil. In respect of the test materials, the electrochemically deposited series piston ring coating GDC® 50 as a representative of hard chrome with solid diamond particles embedded in the microcracks as well as the cathodic arc nitride coatings Arc-PVD Chrome Nitride and Arc-PVD Molybdenum Nitride are analyzed. Furthermore, within the framework of the further development of the molybdenum nitride coating system, novel Arc-PVD Molybdenum Copper Nitride coatings with different contents of copper are analyzed as representives of nanocomposite coatings. A fully formulated first fill engine oil is used as lubricant. The tribological tests conducted by use of a rotational tribometer for sliding wear and friction testing thoroughly characterize the coating-specific friction and wear behavior of the series coating GDC® 50 in dependence on test duration, sliding speed, normal force, ring temperature and sliding distance within the scope of the predefined testing parameters. Moreover, these experiments demonstrate the closeness of the rotational tribometer testing method to the real engine tribological system piston ring versus cylinder liner. In addition, the friction and wear behavior of the nitride coatings Arc-PVD Chrome Nitride and Arc-PVD Molybdenum Nitride as well as of the nanocomposite variants Arc-PVD Molybdenum Copper Nitride is compared to the series coating GDC® 50 and thereof resulting optimization potentials are revealed. The tribologically induced surface changes of the piston ring coatings are characterized by use of different methods of surface analysis. Further, these are evaluated in respect of the correlation with the tribological behavior. The tribologically induced near-surface residual stresses are analyzed by means of roentgenographic residual stress analysis.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/7256
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6532
Exam Date: 5-Oct-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 8-Dec-2017
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Tribologie
Kolbenring
Zylinderlaufbahn
Reibung
Verschleiß
tribology
piston ring
cylinder liner
friction
wear
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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