| Titel | Tribological improvement of elastomers using plasmapolymeric coatings |
| Autor | Dominik Paulkowski, Klaus Vissing |
| Infos zum Autor | Dr. Dominik Paulkowski, Dr.-Ing. Klaus Vissing Fraunhofer IFAM, Wiener Str. 12, 28359 Bremen |
| Inhalt | Zusammenfassung Die tribologischen Eigenschaften von Elastomeren sind von besonderem Interesse für eine Vielzahl von industriellen Produkten wie O-Ringen und anderen Dichtringen. Die Reduzierung der Reibung von Dichtringen im Automobil ermöglicht beispielsweise eine unmittelbare Reduzierung der CO2-Emission da weniger Energie zur Überwindung der Reibung aufgebracht werden muss. Die Elastomerreibung wurde mithilfe eines Universal Material Tester (UMT3) Systems mit oszillierender Pin-on- Plate Kontaktgeometrie erforscht. Dabei wurden beschichtete und unbeschichtete Elastomerplatten verwendet. Die Elastomere wurden mit einer ungefähr 1 µm dünnen, plasmapolymeren Beschichtung (SiOxCyHz) versehen, welche in einer plasma gestützten chemischen Gasphasenabscheidung (PECVD) hergestellt wurde. Als Gegenkörper in den tribologischen Tests kamen 440C Stahlkugeln mit einem Durchmesser von 9,5 mm zum Einsatz. Die tribologischen Tests wurden trocken unter Umgebungsbedingungen mit einer Geschwindigkeit von 200 mm/s, einem Hub von 11 mm und einer Normalkraft von 4,7 N durchgeführt. Die genutzte Normalkraft repräsentiert eine initiale Hertz’sche Flächenpressung von 1,5 MPa. Auf der einen Seite wurde im Beschichtungsprozess das Mischungsverhältnis der Prozessgase Hexamethyldisiloxan (HMDSO) und Sauerstoff (O2) von 1:1 bis 1:6 variiert. Drei unterschiedliche Elastomertypen der gleichen Shorehärte wurden damit beschichtet. Es handelte sich dabei um ein Acrylatkautschuk (ACM), einen Fluorkautschuk (FKM) sowie einen Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR). Der Reibwert µ konnte durch die plasmapolymere Beschichtung um 84 % im Vergleich zum unbeschichteten Elastomer von 1,24 zu 0,20 reduziert werden. Die Nanohärte sowie das Elastizitätsmodul, die Oberflächenenergie und die chemische Zusammensetzung der Beschichtungen wiesen einen linearen Zusammenhang in Bezug auf das Gasmischungsverhältnis auf. Das bedeutet, dass die Verschleißresistenz in Relation zum Dämpfungsverhalten der Elastomere maßgeschneidert werden kann. Die Beschichtungen sind ausreichend flexibel, um der Deformation der Elastomere zu folgen. Im selben Maße zeigen die plasmapolymeren Beschichtungen ein stützendes Verhalten in Bezug auf die Dämpfungseigenschaften der Elastomere. Die Eindringtiefe der Gegenkörperkugel wurde von 97 auf 43 µm (56 %) reduziert. Abstract The tribological properties of elastomers are of crucial interest for several industrial products like O-rings or other sealing rings. E.g. the reduced friction of sealing rings in an automobile realizes the reduction of CO2 emission due to energy saving. The friction of elastomers was investigated using an Universal Material Tester (UMT3) system with oscillating Pin-on-plate contact geometry. The studied coated and uncoated elastomers were tested as flat plates. The elastomers were coated with an approximately 1 µm thin plasmapolymeric coating (SiOxCyHz) in a plasma enhanced chemical vapour deposition (PECVD) process. The counterpart in the tribological tests was a 440C steel ball with a diameter of 9.5 mm. The tribological tests were runned dry in ambient conditions with a velocity of 200 mm/s, a stroke length of 11 mm, and normal force of 4.7 N. The used normal force represents an initial Hertzian pressure of 1.5 MPa. On the one hand in the deposition process the mixing ratio of the process gases Hexamethyldisiloxan (HMDSO) and oxygen (O2) was varied from 1:1 to 1:6. On the other hand three different types of elastomers with similiar hardness but different damping behavior were investigated. These types were acrylic rubber (ACM), fluororubber (FKM), and nitrile butadiene rubber (NBR). It was found that the coefficient of friction µ could be reduced by 84 % of the uncoated elastomers from 1.24 to 0.20 using plasmapolymeric coatings. The nanohardness as well as the Young’s modulus, the surface energy and the chemical composition of the coatings exhibit a linear dependency. That means the wear resistance could be tailored in relation to the damping behavior of the elastomers. The coatings are sufficient flexible to follow the deformation of the elastomers. In the same way the plasmapolymeric coatings exhibited a supporting behavior regarding the damping properties of the elastomers. The penetration depth of the counterpart ball was reduced from 97 to 43 µm (56 %). |
| Datum | 2011 |
