Dry Sliding and Rolling Tribotests of Carbon Black Filled EPDM Elastomers and Their FE Simulations

Trockene Gleit- und Rolleigenschaften von rußgefüllten EPDM Elastomeren und FE-Simulationen der entsprechenden tribologischen Prüfungen

  • Unlubricated sliding systems being economic and environmentally benign are already realized in bearings, where dry metal-plastic sliding pairs successfully replace lubricated metal-metal ones. Nowadays, a considerable part of the tribological research concentrates to realize unlubricated elastomer-metal sliding systems, and to extend the application field of lubrication-free slider elements. In this Thesis, characteristics of the dry sliding and friction are investigated for elastomer-metal sliding pairs. In this study ethylene-propylene-diene rubbers (EPDM) with and without carbon black (CB) filler were used. The filler content of the EPDMs was varied: EPDMs with 0-, 30-, 45- and 60 part per hundred rubber (phr) CB amount were investigated. Quasistatic tension and compression tests and dynamic mechanical thermal analysis (DMTA) were carried out to analyze the static a viscoelastic behavior of the EPDMs. The tribological properties of the EPDMs were investigated using dry roller (metal) – on – plate (rubber) type tests (ROP). During the ROP tests the normal load was varied. The coefficient of friction (COF) and the temperature were registered online during the tests, the loss volumes were determined after certain test durations. The worn surfaces of the rubbers and of the steel counterparts were analyzed using scanning electron microscope (SEM) to determine the wear mechanisms. Because possible chemical changes may take place during dry sliding due to the elevated contact temperature the chemical composition of the surfaces was also analyzed before and after the tribotests. For the latter investigations X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), sessil drop tests and Raman spectroscopy were used. In addition, the dry sliding tribotests were simulated using finite element (FE) codes for the better understanding of the related wear mechanisms. Finally, as the internal damping effect of the elastomers plays a great role in the sliding wear process, their viscoelasticity has been taken into account. The effect of viscoelasticity was shown on example of rolling friction. To study the rolling COF for the EPDM with 30 phr CB (EPDM 30) an FE model was created which considered the viscoelastic behavior of the rubber during rolling. The results showed that the incorporated CB enhanced the mechanical and tribological properties (both COF and wear rate have been reduced) of the EPDMs. Further on, the CB content of the EPDM influences fundamentally the observed wear mechanisms. The wear characteristics changed also with the applied normal load. In case of the EPDM 30 a rubber tribofilm was found on the steel counterpart when tests were performed at high normal loads. Analysis of the chemical composition of the surfaces before and after the wear tests does not result in notable changes. It was demonstrated, that the FE method is powerful tool to model both, the dry sliding and rolling performances of elastomers.
  • Trockenlaufende Gleit- Reibpaare sind wirtschaftlich und umweltfreundlich. Aus diesem Grunde werden in zunehmendem Maße geschmierte Stahl/Stahl (Metal/Metal) Reibsysteme durch ungeschmierte Stahl/Polymer Kombinationen im ersetzt. Diese Entwicklung gilt auch für Gleit- Reibsysteme, die aus Metall- und Elastomerteilen bestehen. Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Trockenreibung und dem Verschleißverhalten von Stahl/Elastomer Kombinationen Schwefelvulkanisierte Ethylen-Propylen-Dien Verschnitte mit und ohne Russfüllung wurden bezüglich derer Reib- und Verschleißeigenschaften untersucht. Der Russgehalt der EPDM-Elastomere wurde variiert. Es wurden EPDM Werkstoffe mit 0, 30, 45 und 60 Gewichtsprozent Ruß hergestellt. Die mechanischen und viskoelastischen Eigenschaften der EPDM Gummiwerkstoffe wurden bei quasistatischer Zug und Druckbelastung, sowie durch dynamisch-mechanische Thermoanalyse (DMTA) ermittelt. Die tribologischen Eigenschaften der EPDM Mischungen wurden in einer Testvorrichtung des Typs rotierender Zylinder (Stahl) auf Platte (Elastomer) (ROP) bestimmt. In den Versuchsreihen wurde die Normalkraft variiert. Der Reibungskoeffizient und die Temperatur der Kontaktoberfläche wurden während der Versuche kontinuierlich registriert. Der Volumenabtrag wurde in verschiedenen Zeitintervallen ermittelt. Die Verschleißoberflächen der EPDM Proben und der Stahlzylinder wurden im Rasterelektronenmikroskop (REM) inspiziert um charakteristische Verschleißmechanismen abzuleiten. Weiterhin erfolgte mittels Röntgenphotoelektronspektroskopie, Raman-Spektroskopie und Kontaktwinkelmessungen eine Analyse der Reiboberfläche, um (aufgrund der hohen Temperaturen) mögliche chemische Änderungen zu beurteilen. Des Weiteren wurde der Verschleißvorgang mit der Methode der finiten Elementen (FE) modellhaft untersucht. Der Einfluss der Viskoelastizität wurde am Beispiel der Rollreibung von EPDM mit 30 Gewichtsprozent Ruß studiert. Durch ein erstelltes FE-Modell konnte der Verlauf des Reibungskoeffizienten während reversierender Rollbewegung im Einklang mit den Testergebnissen interpretiert werden. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die mechanischen und tribologischen Eigenschaften der EPDM Gummiwerkstoffe mit zunehmendem Russgehalt deutlich verbessert wurden. Der Russgehalt hat die vorliegenden Verschleißmechanismen maßgeblich beeinflusst. Die Variation der Normalkraft führte ebenfalls zu veränderten Verschleißmechanismen. Beim ROP-Test des EPDM mit 30 Gewichtsprozent Ruß konnte die Entstehung eines Gummi-Tribofilms an der Stahlzylinderoberfläche nachgewiesen werden. Die angewendeten analytischen Methoden konnten keinen eindeutigen Beweis für eine chemische Veränderung der EPDM Verschleißoberflächen erbringen. Die erstellten FE-Modelle erwiesen sich als sehr nützliche „Werkzeuge“ für ein besseres Verständnis des Gleitverschleißes und der Rollreibung von Elastomeren.

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Metadaten
Author:Dávid Felhös
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-23113
Advisor:József Karger-Kocsis
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:English
Year of Completion:2008
Year of Publication:2008
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2008/12/16
Tag:Rollreibung
EPDM ; Finite Elementes ; elastomer ; rolling friction; sliding wear ; tribology ; viscoelasticity
GND-Keyword:EPDM ; Elastomer ; Finite-Elemente-Methode ; Gleitverschleiß; Tribologie ; Viskoelastizität
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 12793 $