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Verschleißanalyse von Lagerschalen

Lagerschalen haben die Funktion, Wälzkörper abzurollen und abzustützen. In Viertaktmotoren beispielsweise rotiert das Pleuel, das den Kolben mit der Kurbelwelle verbindet, in einem Lager. Dieses ist mit Öl geschmiert, was die Reibung und damit Verschleißerscheinungen vermindert. Im Schmierstoff sind jedoch verschiedene Restschmutzpartikel enthalten, die sich in der Lagerschale festsetzen können.

In der Vergangenheit waren die Lagerschalen meist mit Blei beschichtet. Als weiches Metall hat es den Vorteil, dass es harte Schmutzpartikel wie Aluminiumoxid, Siliziumdioxid oder Stahl aufnehmen und damit unschädlich machen kann. Aufgrund des EU-Verbots für die Verwendung von Blei müssen Hersteller von Lagerschalen auf andere weiche Materialien, wie Zinn, für die Beschichtung dieser Bauteile zurückgreifen.

In unserem Labor testen wir die Qualität und den Verschleiß der Lagerschalen und untersuchen, inwieweit harte Partikel eingebettet werden können. Damit unterstützen wir die Hersteller bei der Entwicklung neuer Lager-Beschichtungen. Die folgende Abbildung wurde mit einem Elektronenmikroskop (REM-EDX) aufgenommen und zeigt den Ausschnitt einer Lagerschale, in der harte Stahlpartikel (Eisen-Chrom) eingedrückt sind. Unser Labor ist in der Lage, eine komplette Lagerschale zu präparieren und die Eindrücke über die gesamte Lauffläche zu zählen und chemisch zu charakterisieren.

REM-Analyse eines in die Lauffläche eingedrückten Stahlpartikels (Länge ca. 20 µm), links ist die Topographie im SE-Detektor zu sehen, rechts ist der Elementkontrast im BE-Detektor zu sehen.

Informieren Sie sich über die SEM-EDX-Systeme von FEI-Aspex  sowie über unseren akkreditieren Analysenservice.

Kleiner Schmutzpartikel – katastrophale Wirkung

Welche Probleme kleinste Restschmutzpartikel anrichten können, hat vor Kurzem ein deutscher Automobilhersteller erfahren: Er musste zahlreiche Fahrzeuge wegen Fehlfunktionen im Motor zurückrufen. Grund waren Fertigungsrückstände bestehend aus harten Partikeln, die zu einem kapitalen Motorschaden führen – im schlimmsten Fall zu brennenden Autos.

Harte Restschmutzpartikel stammen meist aus der Feinbearbeitung von Oberflächen durch Glasstrahlen, Gleitschleifen, Honen oder Trowalisieren. Mit diesen Arbeitsschritten sollen Bauteile gezielt veredelt sowie die Maß- und Formgenauigkeit verbessert werden. Als Fertigungsrückstände verbleiben die Partikel auf der Oberfläche, sofern nicht adäquat gereinigt wird.

Harte Partikel wirken äußerst abrasiv, d.h. sie zerreiben andere Werkstoffe und schädigen dadurch Funktionsschichten und Oberflächen. Außerdem können harte Restschmutzpartikel in die Gleitflächen von Lagern und Laufbahnen gelangen, diese verklemmen und dadurch zur völligen Zerstörung eines Motors führen.

Unser Team konnte dem Hersteller Hilfestellung leisten, indem es  die Härte und Herkunft der Fertigungsrückstände verschiedener Einzelteile der betroffenen Motoren mit einem automatischen SEM-EDX-Mikroskop der Marke FEI-Aspex untersucht hat (siehe Abbildung). In Kurbelwelle, Pleuel und Zylinderkopf wurden Korunde und Silicium-Carbide mit einer Moh’schen Härte > 8 ermittelt. Zum Vergleich: Diamant hat eine Moh’sche Härte von 10.

SEM-Bilder von harten Restschmutzpartikeln wie Korund und Silicium-Carbide

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Wie rein ist destilliertes Wasser?

Destilliertes Wasser findet im Alltag vielfache Anwendung, beispielsweise als Kühlwasser im Auto oder im Dampfbügeleisen. Es hat den Ruf, reiner zu sein als Leitungswasser, weswegen auch bei der Sauberkeitsanalytik im Labor mit destilliertem Wasser gearbeitet wird. Rückstände im Wasser würden die Proben während der Analyse verunreinigen und die Ergebnisse verfälschen. Bevor wir destilliertes Wasser für unsere Analysen verwenden, filtern wir zunächst die Rückstände heraus, um fehlerfreie Ergebnisse zu garantieren.

Wir haben stichprobenartig getestet, wie rein destilliertes Wasser im Anlieferungszustand tatsächlich ist. Zu diesem Zweck haben wir das Wasser über eine 0.4 µm Porenmembrane gefiltert. Das Filter wurde anschließend mit einem vollautomatischen Rasterelektronenmikroskop mit Röntgenelementanalyse (SEM-EDX) gescannt. In zehn Liter destilliertem Wasser konnten wir verschiedene anorganischer Restpartikel bis zu einer Größe von über 100 µm feststellen (siehe Abbildung). Darunter fand sich eine große  Anzahl Partikel aus hochlegiertem Stahl (HL-Stahl), vermutlich vom Typ 18/10 Cr/Ni-Stahl, sowie Rückstände eines niedriglegierten Stahls (NL-Stahl) vom Typ 100Cr6. Außerdem wurde eine deutliche Belastung durch mineralische Partikel und Sande festgestellt.

Abbildung: Restschmutzpartikel in destilliertem Wasser
Abbildung: Restschmutzpartikel in destilliertem Wasser

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Basiskurs VDA-19.1 über Prüfung der technischen Sauberkeit jetzt online

Unser Basiskurs VDA-19.1 ist jetzt vollständig online, hier sind die Themen im Überblick:

  1. Standardisierte Analyse der Bauteilsauberkeit
  2. Partikelextraktion von der Bauteiloberfläche
  3. Filtration der Restschmutzpartikel
  4. Ausrüstung für Extraktion und Filtration
  5. Gravimetrische Analyse der Partikelmasse
  6. Scanner und Mikroskop für Standardanalyse
  7. Optische Analyse von Restschmutzpartikeln
  8. Partikelanalyse ab 50 Mikrometern
  9. Darstellung der partikulären Sauberkeit
  10. Restschmutzanalyse mittels SEM-EDX

Basiskurs VDA-19.1: Restschmutzanalyse mittels SEM-EDX

Unter den zahlreichen Verfahren der erweiterten Partikelanalyse, die im VDA-Band 19.1 beschrieben sind, wird insbesondere die automatische Rasterelektronenmikroskopie mit Röntgenelementanalyse (SEM-EDX) für die Identifizierung von Restschmutzpartikeln eingesetzt. Vor allem für den Nachweis kleiner Schleifpartikel, welche aufgrund ihrer Abravisität eine hohes Schädigungspotential aufweisen, hat sich die Methode bestens bewährt.

Der ASPEX Explorer von FEI ist ein Instrument, das speziell auf die Partikelanalyse im Bereich der technischen Sauberkeit zugeschnitten ist. Das System ist in der Lage, eine große Anzahl von Materialklassen vollautomatisch für Partikel bis zu einer Größe von unter 1 µm in erstaunlicher Geschwindigkeit zu unterscheiden (siehe Abbildung). Sauberkeitslabore, die nicht in ein SEM-EDX investieren möchten, können ihren Analysenbedarf in unser akkreditiertes Prüflabor auslagern.

Materialtypisierung und Partikelgrößenhistogramm gemessen durch automatisches SEM-EDX
Materialtypisierung und Partikelgrößenhistogramm gemessen durch automatisches SEM-EDX

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Basiskurs VDA 19.1: Darstellung der partikulären Sauberkeit

Die Größenverteilung der Partikel wird typischerweise für jede Partikelart gegen die maximal erlaubte Anzahl von Partikeln in einem Histogramm aufgetragen (siehe Abbildung).

Darstellung der Partikelgrößenverteilung als Histogramm im Sauberkeitsbericht
Darstellung der Partikelgrößenverteilung als Histogramm im Sauberkeitsbericht

Definitionsgemäß wird jedes Teilchen, das auf dem Filter detektiert wird, als Partikel bezeichnet. Die Partikel werden darüber hinaus in weiche Fasern und feste Granulen eingeteilt. Oftmals werden die weichen Fasern für die Sauberkeitsspezifikation vernachlässigt, da ihr Schädigungspotential als gering betrachtet wird.

Die automatische Unterscheidung zwischen Fasern und Granulen basiert auf einer einfachen Formerkennung. Zusätzlich sind die optischen Instrumente in der Lage, metallische Reflektionen auf den Partikeln zu detektieren. Es hat sich durchgesetzt, zwischen matten und metallisch glänzenden Partikeln zu unterscheiden. Diese Typisierung soll eine genauere Einschätzung des Schädigungspotentials ermöglichen.

Zu betonen ist jedoch, dass die Identifikation von Metallen durch lichtoptische Methoden eher einer „Schätzung“ gleichkommt und in keinem Fall eine belastbare Materialanalyse darstellt. Besonders wenn die Partikel eine korrodierte Oberfläche haben, was häufig der Fall ist, sind keine metallischen Reflektionen erkennbar. Umgekehrt können sich metallische Pseudo-Reflektionen bei glänzenden Plastik- oder Glaspartikeln ergeben. Wenn das Material von Partikeln und damit deren Herkunft zuverlässig identifiziert werden soll, haben sich andere Methoden wie SEM-EDX oder Raman-Spektroskopie als fehlerfrei bewährt.

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Basiskurs VDA-19.1: Partikelanalyse ab 50 Mikrometern

Der Trend weg von der Analyse kleinster Partikel ab 5 µm ist eine weitere Entwicklung, die in der überarbeiteten VDA-19.1 Norm aufgenommen wurde. Für viele praktische Schädigungsszenarien sind Partikel zwischen 5 und 50 µm irrelevant. Die Analyse solch kleiner Partikel ist dagegen sogar hinderlich, da sie den apparativen Aufwand der Messtechnik und die Komplexität der Analyse erhöht.

Die VDA-Arbeitsgruppe ist daher den folgerichtigen Weg gegangen und hat die Partikelanalyse für die technische Sauberkeit für Partikel größer als 50 µm standardisiert, kleinere Partikel sind nur in besonderen Fällen von Interesse (siehe erweiterte Analyse).

Mit dem Partikelscanner steht eine einfache und kostengünstige Geräteklasse für die Partikelanalyse nach VDA-19.1 zur Verfügung (siehe Abbildung).

MicroQuick-Partikelscanner für Standardanalyse nach VDA-19.1
MicroQuick-Partikelscanner für Standardanalyse nach VDA-19.1

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Basiskurs VDA 19.1: Optische Analyse von Restschmutzpartikeln

Für die granulometrische Standardanalyse werden optische Scanner und Mikroskope im VDA-Band 19.1 als gleichwertig betrachtet unter der Voraussetzung, dass das betreffende Instrument in der Lage ist, die festgelegte Methode korrekt anzuwenden (siehe Abbildung).

Einstellung der Geräteparameter für die optische Partikelanalyse (Quelle VDA-19.1)
Einstellung der Geräteparameter für die optische Partikelanalyse (Quelle VDA-19.1)

Bei der Abbildung der beladenen Membrane wird zuerst die Beleuchtungsstärke so eingestellt, dass die mittlere Helligkeit des Filterhintergrunds bei 50 bis 60% der Grauwerteskala zu liegen kommt. Dieser Ansatz stellt sicher, dass der Filterhintergrund stets gleich hell abgebildet wird, unabhängig davon, wie stark die Membrane durch die Partikelfracht belegt ist.

Danach werden die beiden Schwellwerte zur Detektion der dunkleren Restschmutzpartikel (unterer Schwellwert) und der hellen metallischen Reflektionen (oberer Schwellwert) gesetzt. Die Methode legt fest, dass der untere Schwellwert bei 70% und der obere bei 145% relativ zur gemessenen Helligkeit des Filterhintergrunds einzustellen ist. Nach der Binarisierung des Bildes werden Anzahl, Größe und Art der Partikel mittels mathematischer Verfahren der Granulometrie berechnet.

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Basiskurs VDA 19.1: Scanner und Mikroskop für Standardanalyse

Der überarbeitete VDA-Band 19.1 hat den Trend hin zu einfachen Geräten für die Partikelanalyse aufgegriffen, wie etwa dem optischen Scanner.

Während des Revisionsprozesses hat der Industrieverbund VDA-19.1 einen Sternversuch mit etablierten automatischen Lichtmikroskopen und dem MicroQuick-Partikelscanner durchgeführt. Ziel dieser Versuchsreihe war es, einen Satz von Einstellparametern für alle Instrumente zu etablieren, um eine möglichst hohe Vergleichbarkeit der Messergebnisse zu erreichen.

Es hat sich herausgestellt, dass durch eine vereinheitlichte Wahl der Beleuchtungsstärke und der Schwellwerte für die Segmentierung eine hohe Übereinstimmung zwischen Mikroskopen und Scanner erreicht werden kann.

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Basiskurs VDA 19.1: Gravimetrische Analyse der Partikelmasse

Die absolute Masse der Partikel kann relativ einfach durch eine Präzisionswaage ermittelt werden. Die Grundidee ist, den Filter vor und nach dem Beladen zu wiegen. Der Gewichtsunterschied entspricht dabei der absoluten Partikelmasse. Um korrekte Ergebnisse zu erzielen ist es wichtig, die Membrane vor der Messung zu konditionieren:

  1. Eintauchen des Filters in die Extraktionsflüssigkeit
  2. Trocknen des Filters im Ofen
  3. Lagern des Filters für eine definierte Zeit im Exsikkator

Allerdings kann es technisch relativ schwierig sein, ein Restschmutzgewicht unter drei Milligramm zu bestimmen, da die ermittelte Masse des Filters von den Umgebungsbedingungen (Temperatur, Luftfeuchte) beeinflusst wird. Als Abhilfe ist in diesem Fall angeraten, den Umfang des geprüften Loses entsprechend zu erhöhen.

Mikrowaage für Filteranalyse (Quelle Sartorius AG)
Mikrowaage für Filteranalyse (Quelle Sartorius AG)

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