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Friction reduction due to plasma polymeric coating in spite of lubrication deficiency

 
: Schmidt, Stefanie; Paulkowski, Dominik; Vissing, Klaus

Tribologie und Schmierungstechnik 64 (2017), No.4, pp.57-62
ISSN: 0724-3472
ISSN: 0036-6218
English
Journal Article
Fraunhofer IFAM ()
plasmapolymere Beschichtung; Mangelschmierung; Elastomer; Gummi-Metall-Verbund; Reibungsreduzierung; Energieeinsparung; plasmapolymeric coating; lubrication deficiency; elastomer; rubber; energysaving; friction reduction

Abstract
Reibungsreduzierung und dadurch Energieeinsparung sind von besonderem Interesse für viele Industrien wie beispielsweise den Automobilbereich, Windenergie und alle anderen Bereiche in denen elastomere Komponentenwie Dichtringe verwendet werden. Mangelschmierung kann unvorhersehbar auftreten und die Dichtung schädigen. Durch das Aufbringen einer plasmapolymeren Beschichtung auf Elastomere kann die Reibung reduziert werden. Vier Elastomertypen (Acrylatkautschuk, Fluorkautschuk sowie zwei Nitril-Butadien-Kautschuke) wurden jeweils mit und ohne plasmapolymere Beschichtung untersucht. Die Experimente wurden mit flachen beschichteten und unbeschichteten Elastomerplatten durchgeführt und die Reibung mit Hilfe eines Universal Material Tester (UMT3) Systems in oszillierender Pin-on-Plate Kontaktgeometrie gemessen. Die Stirnseite eines zylindrischen Radlagers mit einem Durchmesser von 6 mm wurde als Gegenkörperverwendet. Diese Kontaktgeometrie wurde sowohl wegen der Differenzierbarkeit von Schmierstoffen im oszillierenden Test, als auch wegen der 104mal größeren Kontaktfläche im Vergleich zu einer Dichtlippe eines Radialwellendichtrings ausgewählt. Die tribologischen Untersuchungen wurden unter Umgebungsbedingungenmit einer Geschwindigkeit von 200 mm/s und einem Hub von 11 mm durchgeführt. Die verwendete Normalkraft von 10,6 N repräsentiert eine initiale Flächenpressung von 0,5 MPa. Um Mangelschmierung zu erreichen, wurden die Tests mit verschiedenen kleinen Mengen eines voll additivierten Getriebeöles bis hin zur kompletten Vermeidung von Schmierstoffdurchgeführt. Die beschichteten Elastomere zeigten eine reduzierte Reibung im Vergleich zu den unbeschichteten Proben. Bei den beschichteten Proben zeigten die Messungen ohne Schmierung die geringste Reibung. Reibungskoeffizienten bis hinunter zu 0,17 wurden erreicht. Im Vergleich mit 0,48 bei trockenem Lauf unbeschichteter Proben ergibt sich damit eine Reibungsreduzierung um 65 %. Dies demonstriert die Notlaufeigenschaft für plasmapolymer beschichtete Komponenten. Für die geschmierten Messungen ergaben sich Unterschiede für die verschiedenen Schmierstoffmengen. Die plasmapolymere Beschichtung und damit die Reibungsreduzierung sind durch Anwendung der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung(PECVD) zu geringen Kosten verfügbar. Mittels PECVD ist es problemlos möglich komplexe 3D-Geometrien,wie beispielsweise Dichtringe, zu beschichten. Der Prozess wurde bereits für Radialwellendichtringe aufskaliert um eine Serienproduktion zu ermöglichen.

 

Reducing friction and thereby saving energy is of special interest for several industries like automotive, wind energy and any other section using elastomeric components, for example sealing rings. Unpredictable, deficient lubrication can occur and damage the sealing. Applying a plasma polymeric coating on elastomers the friction can be reduced. Four elastomer types (acrylic rubber, fluoric rubber and two different nitrile butadiene rubbers) were investigated each with and without plasma polymeric coating. The experiments were performed on coated and uncoated flat elastomer plates and the friction reduction was measured using a Uni-Kurzfassungversal Material Tester (UMT3) system with oscillating Pin-on-plate contact geometry. The face of a cylindric wheel bearing with 6 mm in diameter was used as counterpart. The contact geometry was chosen due to the differentiability of lubricants in oscillating tests as well as the 104 times bigger contact area compared with the sealing lip of a radial shaft sealing. The tribological tests were done under ambient conditions with a velocity of 200 mm/s and a stroke length of 11 mm. The used normal force of 10.6 N represents an initial contact pressure of 0.5 MPa. The tests were performed using different small amounts of fully formulated gear oil down to avoiding lubricants to demonstrate the effect of lubrication deficiency. The coated elastomers showed a reduced friction compared to the uncoated ones. Ifa coating was applied to the elastomers the measurements without any lubrication showed the lowest friction. Friction coefficients down to 0.17 were achieved. Compared to 0.48 for the dry measurement with uncoated substrate, a friction reduction of 65 % was reached. This demonstrates emergency running properties for plasmapolymeric coated components. For the lubricated measurements differences between the different lubrications appeared. The plasmapolymeric coating and therewith the friction reduction is available at low costs using a plasma enhanced chemical vapor deposition technique (PECVD). With PECVD it is easily possible to apply coatings on complex 3D-geometrieslike sealing rings. The process was already scaled up for radial shaft sealings to enable series production.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-474168.html