Rollreibung und -verschleiß von verschiedenen Elastomeren und ihre Modellierung mittels Finite-Elemente-Simulation

Elastomers and their various composites, and blends are frequently used as engineering working parts subjected to rolling friction movements. This fact already substantiates the importance of a study addressing the rolling tribological properties of elastomers and their compounds. It is worth noting that until now the research and development works on the friction and wear of rubber materials were mostly focused on abrasion and to lesser extent on sliding type of loading. As the tribological knowledge acquired with various counterparts, excluding rubbers, can hardly be adopted for those with rubbers, there is a substantial need to study the latter. Therefore, the present work was aimed at investigating the rolling friction and wear properties of different kinds of elastomers against steel under unlubricated condition. In the research the rolling friction and wear properties of various rubber materials were studied in home-made rolling ball-on-plate test configurations under dry condition. The materials inspected were ethylene/propylene/diene rubber (EPDM) without and with carbon black (EPDM_CB), hydrogenated acrylonitrile/butadiene rubber (HNBR) without and with carbon black/silica/multiwall carbon nanotube (HNBR_CB/silica/MWCNT), rubber-rubber hybrid (HNBR and fluororubber (HNBR-FKM)) and rubber-thermoplastic blend (HNBR and cyclic butylene terephthalate oligomers (HNBR-CBT)). The dominant wear mechanisms were investigated by scanning electron microscopy (SEM), and analyzed as a function of composition and testing conditions. Differential scanning calorimetry (DSC), dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA), atomic force microscopy (AFM), and transmission electron microscopy (TEM) along with other auxiliary measurements, were adopted to determine the phase structure and network-related properties of the rubber systems. The changes of the friction and wear as a function of type and amount of the additives were explored. The friction process of selected rubbers was also modelled by making use of the finite element method (FEM). The results show that incorporation of filler enhanced generally the wear resistance, hardness, stiffness (storage modulus), and apparent crosslinking of the related rubbers (EPDM-, HNBR- and HNBR-FKM based ones), but did not affect their glass transition temperature. Filling of rubbers usually reduced the coefficient of friction (COF). However, the tribological parameters strongly depended also on the test set-up and test duration. High wear loss was noticed for systems showing the occurrence of Schallamach-type wavy pattern. The blends HNBR-FKM and HNBR-CBT were two-phase structured. In HNBR-FKM, the FKM was dispersed in form of large microscaled domains in the HNBR matrix. This phase structure did not change by incorporation of MWCNT. It was established that the MWCNT was preferentially embedded in the HNBR matrix. Blending HNBR with FKM reduced the stiffness and degree of apparent crosslinking of the blend, which was traced to the dilution of the cure recipe with FKM. The coefficient of friction increased with increasing FKM opposed to the expectation. On the other hand, the specific wear rate (Ws) changed marginally with increasing content of FKM. In HNBR-CBT hybrids the HNBR was the matrix, irrespective to the rather high CBT content. Both the partly and mostly polymerized CBT ((p)CBT and pCBT, respectively) in the hybrids worked as active filler and thus increased the stiffness and hardness. The COF and Ws decreased with increasing CBT content. The FEM results in respect to COF achieved on systems possessing very different structures and thus properties (EPDM_30CB, HNBR-FKM 100-100 and HNBR-(p)CBT 100-100, respectively) were in accordance with the experimental results. This verifies that FEM can be properly used to consider the complex viscoelastic behaviour of rubber materials under dry rolling condition.Die verbreitete Anwendung von Elastomer-Systemen als Bauteilkomponente, welche der Rollreibung ausgesetzt sind, unterstreicht die Bedeutung von Studien, fokussiert auf die tribologische Untersuchung von Elastomeren gegen verschiedene Gegenkörper. Der Schwerpunkt der bisherigen Foschungen bezüglich Reibung- und Verschleißverhaltens bei Elastmer-Werkstoffen lag bei der Abrasions- und Gleitreibung. Aus diesem Grunde wurde der Schwerpunkt der vorliegender Arbeit auf Rollreibung und -verschleiß von verschiedenen Elastomeren gegen Stahl gelegt. In dieser Arbeit wurden Rollreibung und -verschleiß von verschiedenen Elastomeren mit Hilfe zwei Arten von Kugel-auf-Platte Prüfstände, welche sich in der Bewegung der Kugel unterscheiden, im Trockenlauf untersucht. Die Materialien waren Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) mit und ohne Rußfüllung, hydrierter Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR) gefüllt mit Ruß, Siliciumdioxid und mehrwändigen Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT), gummiartige Hybridsysteme bestehend aus Kautschuk/Kautschuk bzw. Kautschuk/Thermoplast Kombinationen (Mischung aus HNBR und Fluorelastomer (HNBR-FKM), bzw. aus HNBR und zyklischen Butylen Terephthalat Oligomeren (HNBR-CBT)). Die Versagensmechanismen beim Rollverschleiß wurden durch Untersuchungen der Verschleißflächen mittels Rasterelektronenmikroskop (REM) analysiert, und in Abhängigkeit der Rezeptur und Untersuchungsbedingungen analysiert. Dynamische Differenzkalorimetrie, dynamisch-mechanische Thermoanalyse (DMTA), Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), zusammen mit anderen Hilfstechniken wurden zur Bestimmung der Phasenstruktur und Netzwerk-Eigenschaften von den untersuchten Systemen verwendet. Die eingesetzten Änderungen bei Rollreibung und -verschleiß als Funktion des Elastomertyps und Menge der Füllstoffe wurden untersucht. Der Reibungsvorgang von ausgewählten Elastomeren wurde auch mit Hilfe der Methode der finiten Elemente (FE) modellhaft untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Zugabe von Füllstoffen die Reibung, der Verschleißwiderstand, die Härte, die Steifigkeit (Speichermodul) und die Vernetzung der jeweiligen Elastomere (EPDM-, HNBR- und HNBR-FKM basierend) verbessert, aber keine Auswirkung auf ihre Glasübergangstemperatur hat. Die Füllstoffzugabe ermäßigt normalerweise den Reibungskoeffizient. Anderseits zeigten die tribologischen Parameter eine starke Abhängigkeit von dem Maschinentyp und der Prüfungsdauer. Mit dem Auftritt der Schallamach-Muster erhöhte sich die Verschleißrate. Bei den Mischungen (HNBR-FKM und HNBR-CBT) liegt eine Zweiphasenstruktur vor. Der Fluorelastomer im HNBR-FKM ist in Form von großen Mikrodomänen in der HNBR Matrix eingebettet. Diese Struktur verändert sich durch die Additivierung mit MWCNT nicht, die MWCNT wird bevorzugt in die HNBR-Matrix eingebaut. Durch die Zumischung von FKM verschlechtert sich die Steifigkeit und reduziert sich die Vernetzungsdichte der HNBR-FKM-Mischungen (infolge einer „Verdünnung“ der Vernetzungsadditive durch die Zugabe von FKM). Je höher der Anteil an Fluorelastomer ist, desto kleiner wird die Vernetzungsdichte. Der Reibungskoeffizient steigt mit zunehmendem Anteil an Fluorelastomer an. Die spezifische Verschleißrate ändert sich jedoch nur geringfügig. Die dynamisch mechanischen Eigenschaften stellen nicht die Summe der Einzeleigenschaften dar. Im Hybrid HNBR-CBT übernimmt HNBR die Rolle der Matrix. Über die Polymerisation von CBT ergibt sich im Sinne eines aktiven Füllstoffes eine deutliche Steifigkeitserhöhung. Der Reibungskoeffizient und die spezifische Verschleißrate sinken mit zunehmendem CBT Gehalt der jeweiligen Rezepturen. Die FEM-Ergebnisse, erzielt an EPDM, HNBR-FKM Mischungen und HNBR-CBT Hybridsystemen stimmen mit den experimentellen Resultaten gut überein. Dies zeigt, dass die FEM zielgerecht eingesetzt werden kann um das komplexe viskoelastische Verhalten von Elastomeren bei Rollreibung zu beschreiben, quantifizieren