Enhance ZDDP tribofilm growth and fatigue lifetime of rolling bearings by Laser Surface Texturing

Abstract

Laser surface texturing (LST) is a fast and precise surface engineering method capable of improving the frictional performances of machine elements, thus contributing to an increase in energy efficiency. However, not many studies have carried out research of LST in the boundary lubrication regime, likely due to concerns of higher contact stresses that can occur with the increasing surface roughness. This study aims to improve the fatigue lifetime of rolling bearings in the boundary lubrication condition by LST combined with ZDDP-added lubrication. Firstly, the ZDDP antiwear tribofilm was characterized. The composition of the tribofilm and the difference between the blue- and the brown-colored region was revealed. Moreover, the analyses by high resolution methods indicated a sulfur enrichment at the interface between the tribofilm and the steel substrate. Secondly, the LST patterns were verified to reduce wear due to the capacity of lubricant storage and the enhanced growth of ZDDP tribofilm. The pressure distribution on the textured surface was calculated by a contact simulation, and the increase of normal stress led to a promotion of the tribofilm. Finally, the rolling bearings with the LST patterns demonstrated an increase in fatigue life.

Die Laseroberflächenstrukturierung (eng.: Laser Surface Texturing (LST)) ist ein schnelles und präzises oberflächentechnisches Verfahren, welches es erlaubt die Reibung von Maschinenelementen zu reduzieren und somit zur Steigerung der Energieeffizienz beiträgt. Außerdem können die LST-Strukturen die Verwendung eines üblichen Verschleißschutzadditivs wie Zinkdialkyldithiophosphat (ZDDP) unterstützen. Allerdings ist der Einsatz von LST im Grenzreibungsregime noch nicht etabliert. Ziel dieser Arbeit war es, die Lebensdauer von Wälzlagern unter Grenzreibung durch eine Kombination aus LST und ZDDP-Einsatz zu verlängern. Zunächst wurde die chemische Beschaffenheit der Verschleißschutz-Triboschicht charakterisiert. Messungen mittels Atomsonden-Tomographie zeigen eine Anreicherung von Schwefel in der Grenzschicht zwischen Grund und Gegenkörper. Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass die LST-Strukturen den Verschleiß aufgrund von Schmiermittelspeicherung und einer verstärkten Triboschichtbildung verringern. Die Druckverteilung auf einer strukturierten Oberfläche wurde durch eine Kontaktsimulation berechnet, und die Zunahme der Normalspannung führt zu einer Förderung des Triboschichtbildung. Schließlich zeigten die Wälzlager mit den LST-Strukturen eine dreifache Ermüdungslebensdauer.