Tribologische Eigenschaften von hoher

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 13180 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Eine unzureichende Schmierung der beiden sich berührenden Oberflächen während der Reibung kann insbesondere bei der Metallzerspanung zu starkem Verschleiß führen. Daher wurde eine Oberfläche mit synergistischer Anti-Reibungswirkung von Textur und Festschmierstoff vorgeschlagen, um die Schmierung zu verbessern. Auf der Oberfläche des Schnellarbeitsstahls (HSS) wurde per Laser eine Netzstruktur mit hervorragender Benetzbarkeit hergestellt und anschließend mithilfe der elektrostatischen Beflockungstechnologie Nylonfasern vertikal in die Rillen der Textur implantiert. Der Reibungs- und Verschleißzustand verschiedener Oberflächen (glatt, strukturiert, beflockt) unter Trocken-/Ölschmierung wurde mit einem linear hin- und hergehenden Verschleißtester untersucht. Der Reibungskoeffizient (COF) unter verschiedenen Arbeitsbedingungen wurde zur Analyse der Gleiteigenschaften und die Verschleißrate zur Bewertung der Verschleißfestigkeit der Oberfläche verwendet. Die Ergebnisse zeigten, dass die tribologischen Eigenschaften der Beflockungsoberflächen besser waren als die der anderen beiden Oberflächen. Dies liegt daran, dass die Zugabe von Nylonfasern die Scherung an den Rändern der Textur erleichtert. Die gebrochenen Fasern bilden einen festen Schmierfilm auf der Probenoberfläche, der verhindert, dass die Oberfläche durch Schmutz zerkratzt wird. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass der COF mit zunehmender Belastung abnimmt. Schließlich zeigt die schnelle Benetzbarkeit der Öltröpfchen auf der Beflockungsoberfläche das große Potenzial der Oberfläche zur Schmierung und Reibungsminderung.

Verschleiß durch Reibung ist eine der Hauptursachen für den Ausfall von Geräten und Teilen1. Daher hat die Forschung zur Reibungsreduzierung die Aufmerksamkeit vieler Wissenschaftler auf sich gezogen und konzentriert sich hauptsächlich auf neue Materialien, Oberflächentexturen, Beschichtungen, Schmierstoffe und andere Aspekte. Im Bereich der spanabhebenden Metallbearbeitung reibt das Material heftig an der Werkzeugoberfläche, wodurch an der Spitze des Werkzeugs ein Hochtemperatur- und Hochdruckbereich entsteht, der das Eindringen von Schmiermittel verhindert und die Lebensdauer des Werkzeugs erheblich beeinträchtigt Werkzeug.

Aufgrund ihrer guten tribologischen Eigenschaften wurde strukturierten Oberflächen große Aufmerksamkeit geschenkt, der dargestellte Stand der Technik ist jedoch eher kurz und unvollständig. Laut Grutzmacher et al.2 haben Texturen die Funktion, Schmutz und Schmiermittel zu speichern, die tatsächliche Kontaktfläche zu verringern und zur Erhöhung des hydrodynamischen Drucks beizutragen. Cheng et al.3 untersuchten die Reibung und den Verschleiß unterschiedlich strukturierter Oberflächen und untersuchten die Auswirkungen von Tiefe, Rauheit und Belastung auf die Grenzflächenreibung mithilfe eines hybriden Elastomerschmierungsmodells. Wei et al.4 stellten vier Arten strukturierter Oberflächen mit unterschiedlichen Flächendichten her und führten Kugel-Scheiben-Verschleißtests durch. Die Ergebnisse zeigten, dass die Texturen die Verschleißfestigkeit des Substratmaterials deutlich verbesserten und der durch die Textur verursachte hydrodynamische Schmiereffekt der Hauptgrund für die Reibungsreduzierung ist. Wan et al.5 fanden heraus, dass Oberflächen mit Texturen den kleinsten COF haben und die Kurve des COF stabiler ist als die der nichttexturierten Oberfläche. Costa et al.6 analysierten die Reibung strukturierter Oberflächen in verschiedenen Anwendungen und betonten die großen Vorteile der Laserbearbeitung bei der Vorbereitung von Texturen. Allerdings wiesen Marian et al.7 darauf hin, dass sich Texturen zur Kontrolle von Reibung und Verschleiß in geschmierten Tribokontakten noch in der Versuch-und-Irrtum-Phase befinden.

Eine weitere Optimierung der Schmierung der strukturierten Oberflächen kann Reibung und Verschleiß reduzieren und so die Energieeffizienz und Nachhaltigkeit verbessern. Das Füllen der Textur mit Festschmierstoffen hat aufgrund der einfachen Zubereitung und der selbstschmierenden Eigenschaften große Aufmerksamkeit erregt. Li et al.8 lagerten weiches Metall (Silber) in der Textur ab und stellten fest, dass die Oberfläche bei Raumtemperatur keinen offensichtlichen Einfluss auf die Reduzierung der Reibung hat, während die Reibung bei 200 °C, 400 °C und 300 °C besser ist . Darüber hinaus wirkt sich die Schmierstoffspeicherung der Textur bei Temperaturen über 400 °C stärker auf die Reibungsreduzierung aus. Mi et al.9 untersuchten das Verschleißverhalten der mit WC/Cu-Festschmierstoff gefüllten strukturierten Oberfläche. Der Abrieb bildete einen Schmierfilm auf der Oberfläche der Cu-Phase und die Cu-Phase bildete einen selbstschmierenden Film auf den harten WC-Inseln. Daher verringerte die Bildung des Schmierfilms auf der Verschleißoberfläche den COF und verbesserte die Verschleißfestigkeit. Huang et al.10 verwendeten ein chemisches Beschichtungsverfahren, um Ag/MoS2-Festschmierstoff in den Vertiefungen abzuscheiden, und führten Verschleißtests durch. Die Ergebnisse zeigten, dass der COF und der Verschleiß stark reduziert wurden, da der Festschmierstoff einen Schmierfilm auf der Oberfläche bildet. Darüber hinaus sprühten Yin et al.11 nichtmetallischen Festschmierstoff (Graphitpartikel) auf eine strukturierte Oberfläche und kamen durch Verschleißtests zu dem Schluss, dass der Graphit die tribologischen Eigenschaften der Oberfläche deutlich verbesserte. Meng et al.12 untersuchten die Reibung verschiedener Arten von Festschmierstoffen (CaF2, WS2 und Graphit) in Texturen. Sie kamen zu dem Schluss, dass die mit WS2- oder Graphit-Festschmierstoffen gefüllten Texturen einen relativ niedrigen COF aufwiesen und das Vorhandensein eines Schmierfilms im Reibungsbereich die Proben vor weiteren Verschleißschäden schützte. Wang et al.13 füllten die Textur des zusammengesetzten Festschmierstoffs durch einen Druckabscheidungsprozess auf. Die Reibungstests zeigten, dass die Textur als Schmiermittelreservoir fungiert und das Schmiermittel beim Gleiten allmählich in den Gleitkontaktbereich abgibt. Die Kohlenstoffnanofasern im zusammengesetzten Festschmierstoff leisten den größten Beitrag zur Reduzierung des Reibungskoeffizienten. Hua et al.14 untersuchten die Reibungseigenschaften einer mit Polyimid als Festschmierstoff gefüllten Textur im Bereich von Raumtemperatur bis 400 °C. Die Ergebnisse zeigten, dass der COF der mit dem flexiblen Gleitmittel gefüllten strukturierten Oberfläche deutlich niedriger und stabiler war. Rosenkranz et al.15 wiesen in einer Übersicht darauf hin, dass die Kombination von Textur und Festschmierstoffen ein vielversprechender Ansatz ist, um Oberflächen mit einstellbarem Reibungs- oder Verschleißverhalten zu erreichen. Allerdings gibt es noch viele Möglichkeiten zur weiteren Verbesserung und Optimierung der Technologie, um die Synergien zwischen Texturen und Festschmierstoffen zu maximieren.

Die Gleichmäßigkeit des Festschmierstoffs hat großen Einfluss auf die tribologischen Eigenschaften der strukturierten Oberfläche. Unter dem Gesichtspunkt der Gleichmäßigkeit der Füllung ist ein effizientes, kostengünstiges und gleichmäßiges Füllverfahren von Interesse. Die elektrostatische Beflockungstechnologie gilt als neue Technik zur Oberflächenmodifikation, um die Oberflächentopographie der Probe zu verändern und die Oberflächenporosität zu erhöhen16, wodurch das Eindringen des Schmiermittels verbessert wird. McCarthy et al.17 nutzten Coulomb-Antriebskräfte, um kurze Fasern von einer Elektrodenplatte auf ein mit Klebstoff bedecktes Substrat zu schleusen und so eine dichte Anordnung von Fasern senkrecht zum Substrat zu bilden. Die elektrostatische Beflockungstechnologie wird derzeit in Marine-Antifouling18, solarbetriebenen Dampferzeugern19, Mikrofluidik-Chips für die Selbstsammlung von Strömungen20 und stoßabsorbierenden Materialien21 eingesetzt.

In diesem Artikel schlagen wir eine reibungsarme Oberfläche mit hervorragenden Benetzungseigenschaften vor. Auf der Oberfläche des Schnellarbeitsstahls wurde zunächst eine Netzstruktur hergestellt, und anschließend wurden durch die elektrostatische Beflockungstechnologie Nylonfasern als festes Schmiermittel in die Rillen der Textur implantiert. Zeng et al.22 berichteten, dass der Einsatz von Pflanzenöl in der Bearbeitung in den letzten Jahren aufgrund der Betonung einer nachhaltigen Fertigung zugenommen hat. Unter diesen weist Rizinusöl aufgrund seiner höheren Viskosität hervorragende Schmiereigenschaften auf. Der COF und die Verschleißrate der Beflockungsoberflächen wurden unter verschiedenen Schmierbedingungen mit einem hin- und hergehenden Verschleißtester verglichen. Anschließend wurden die COF-Änderungen unter verschiedenen Belastungen diskutiert. Abschließend wurden die Benetzbarkeit und der Mechanismus von hochviskosem Rizinusöl auf der Beflockungsoberfläche bewertet. Diese Studien liefern eine Referenz für die Optimierung der Benetzung und Schmierung auf der Werkzeugoberfläche.

HSS wird aufgrund seiner hervorragenden thermischen Härte und einfachen Schleifbarkeit häufig in komplexen Werkzeugen verwendet. Die Vorbereitung der Gleitoberfläche mit HSS-Substrat ist von praktischer Bedeutung für die Optimierung der Werkzeugoberfläche. Daher wird als Substrat zur Vorbereitung der Beflockungsoberfläche eine Größe von 20 mm × 10 mm × 5 mm gewählt. Die detaillierten Komponenten (Massenanteil) von HSS sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Nylon (Hexamethylenadipamid, PA-66) wird aufgrund seiner hervorragenden Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, hohen mechanischen Festigkeit und Selbstschmiereigenschaften als Festschmierstoff zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften der Oberfläche ausgewählt. Abbildung 1 zeigt die Molekülstrukturformel von Nylonmaterial. Und Nylonfasern (10 μm Durchmesser und 0,4 mm Länge) werden von Dongguan Fuhua Co., LTD geliefert.

Strukturformel aus Nylonmaterial.

Beim Schneidprozess von Edelstahl 304 (304 SS) neigt das Material aufgrund seiner schlechten Wärmeleitfähigkeit dazu, sich aufgrund von Werkzeugverschleiß mit der Werkzeugoberfläche zu verbinden. Aufgrund der schwer zu verarbeitenden Eigenschaften des Materials wird es als Stahlkugelmaterial für Verschleißtests mit HSS verwendet, was eine wertvolle Referenz für das Schneiden von 304 SS darstellt. Und Tabelle 2 listet die Hauptelemente des 304 SS auf.

Abbildung 2 zeigt den Vorbereitungsprozess der Beflockungsoberfläche. Die Beflockungsoberfläche wurde mit wasserfreiem Ethanol vorbehandelt und gereinigt, um Flecken auf der Oberfläche der Probe zu entfernen. Um die Qualität der Beflockungsoberfläche sicherzustellen, wurde ein durchscheinendes Klebeband auf die Probenoberfläche geklebt, um eine Maske zu bilden (Abb. 2a). Anschließend wurde eine H20-Lasermarkierungsmaschine (HAN'S LASER, Guangdong, China) verwendet, um die Netztextur vorzubereiten. Die Leistung der Lasermarkierungsmaschine beträgt 12 W und ihr Punkt beträgt 50 μm. Eine Rillenbreite (w) von 0,2 mm (Abb. 2b) hatte hervorragende Anti-Reibungs-Eigenschaften23, und Gachot et al.24 erzielten die beste Anti-Reibungs-Wirkung mit Flächenabdeckungen zwischen 0,3 und 0,5, also wurde die Teilung (p) eingestellt. bis 1 mm ergaben Flächendeckungen von 0,36. Die Rillentiefe wurde nach mehreren Tests in Kombination mit der Verarbeitungseffizienz auf 0,4 mm eingestellt. Die strukturierte Oberfläche wurde dann mit Sandpapier behandelt, um die verhärteten Rückstände zu entfernen, die sich an den Rändern der Rillen angesammelt hatten, und anschließend 15 Minuten lang in einem Ultraschallreiniger mit wasserfreiem Ethanol gewaschen. Nach dem Trocknen wurde 1 μl Beflockungsklebstoff (Anda Huatai New Material Co., LTD, China) mit einem Mikroinjektor in die Rillen entlang der Rille der strukturierten Oberfläche getropft (Abb. 2c). Und der Beflockungskleber ist eine milchige Flüssigkeit, der Hauptbestandteil ist Polyvinylacetat und die Viskosität beträgt 10.000–20.000 mPa·s bei einer Temperatur von 25 °C. Anschließend wurde die Probe 1 Minute lang auf einen Vibrationserreger (SA-JZ020, Wuxi SWO Technology Co., Ltd.) mit einer Frequenz von 2 kHz gelegt, um eine gleichmäßige Verteilung des Beflockungsklebstoffs zu erreichen. Wie in Abb. 2d gezeigt, wurde die Probe in der elektrostatischen Beflockungsanlage (XT-F06, Jiangsu Xintu Machinery Co., Ltd.) fixiert und Nylonfasern wurden polarisiert und vertikal zur Probe mit Nullpotential an der Oberseite geführt Beflockungsbox unter 120 kV elektrostatischer Spannung. Die mit Klebstoff gefüllten Rillen haften an der Oberfläche angehobene Nylonfasern und dieser Vorgang dauert eine Minute. Die implantierten Probefasern wurden dann 4 Stunden lang in einem Vakuumofen bei 80 °C getrocknet, um den Klebstoff auszuhärten. Anschließend wurde die Maske auf der Oberfläche entfernt (Abb. 2e) und eine Ultraschallreinigung mit Petrolether für 15 Minuten durchgeführt, um die Maskenreste zu entfernen. Abschließend abwechselnd mit wasserfreiem Ethanol und entionisiertem Wasser abspülen und vor der Verwendung erneut trocknen (Abb. 2f).

Vorbereitungsprozess der Beflockungsoberfläche: (a) Maske auftragen, (b) Laserbearbeitung der Textur, (c) Klebstoff auf die Textur auftragen, (d) elektrostatischer Beflockungsprozess, (e) Entfernung der Maske, (f) Diagramm der Beflockungsoberfläche.

Hervorragende tribologische Eigenschaften können Reibung und Verschleiß reduzieren, wenn zwischen zwei Kontaktflächen unter Überdruck starke Gleitreibung auftritt. Daher wurde ein linear hin- und hergehender Verschleißtester (Rtec 8000) verwendet, um die Gleitreibung der Probenoberflächen zu untersuchen. Und der Verschleißtest wurde unter den Umgebungsbedingungen (Temperatur 25 °C, relative Luftfeuchtigkeit 40 %) durchgeführt. Um eine Referenz für die Optimierung der Werkzeugoberfläche bereitzustellen, wurde die Oberflächenrauheit der Probe auf die gleiche eingestellt wie die der Spanfläche des Werkzeugs (Räumnadel), d. h. Ra = 0,5. Und die Rauheit wird mit einem Mitutoyo-Oberflächenprofilierer (Typ: SJ-210) gemessen. Zum Reiben an der Probenoberfläche wurde eine Kugel aus Edelstahl 304 mit einem Durchmesser von 6,35 mm verwendet. Unter Berücksichtigung der Testparameter von Edelstahl von Yang et al.25 und in Kombination mit dem Anwendungshintergrund des Niedergeschwindigkeitsschneidens wurde ein konstanter Druck von 80 N auf die Probe durch die 304 SS-Kugel ausgeübt, die sich in x-Richtung hin- und herbewegte eine Frequenz von 1 Hz (10 mm/s), der Hub betrug 5 mm und die Arbeitszeit 30 min.

Um die tribologischen Eigenschaften der in dieser Arbeit vorgeschlagenen Beflockungsoberflächen zu untersuchen, werden Vergleichstests durchgeführt. Die spezifischen Anordnungen sind in Tabelle 3 aufgeführt. Die tribologischen Eigenschaften der glatten Oberfläche, der strukturierten Oberfläche und der Beflockungsoberfläche werden im Trockenreibungstest und im Rollentest verglichen Ölschmiertest bzw. T1 bis T3 sind Trockenreibungstests, bei denen der Trockenreibungstest einer glatten Oberfläche mit SD, der Trockenreibungstest einer strukturierten Oberfläche mit TD und der Trockenreibungstest einer beflockten Oberfläche mit FD gekennzeichnet ist. Als Schmierstoff für den Reibungstest (T4 ~ T6) wird Rizinusöl unter Berücksichtigung umweltfreundlicher Pflanzenöle ausgewählt. Die glatte Oberfläche, die strukturierte Oberfläche und die beflockte Oberfläche sind jeweils mit SC, TC und FC gekennzeichnet. Um den Anforderungen einer nachhaltigen Fertigung gerecht zu werden, sind hervorragende tribologische Eigenschaften bei minimaler Schmierung hervorzuheben. Dazu werden 3 μL Rizinusöl vorab auf die Reibfläche getropft, dann belastet und getestet.

Um die tribologischen Eigenschaften der Oberflächen umfassend zu bewerten und das Reibungsverhalten der beiden Kontaktflächen zu erklären, wird die Verschleißrate der Proben und 304 SS-Kugeln gemessen. Als Bewertungsdaten wird der Durchschnittswert aus zehn wiederholbaren Tests verwendet. Darüber hinaus wird die Standardabweichung jedes Datensatzes als Fehlerbalken zur Bewertung der Wiederholbarkeit des Tests verwendet. Und bei Verschleißmessungen ist es am häufigsten, eine Verschleißrate (σ) anzugeben, die der Archard-Verschleißgleichung (Gleichung (1)) folgt:

Dabei ist ∇V das Verschleißvolumen, F die aufgebrachte Last und S der Gleitweg.

Abbildung 3 zeigt das Testsystem und die Methode zur Untersuchung der Benetzbarkeit von Rizinusöl auf verschiedenen Oberflächen. Wie in Abb. 3a dargestellt, wird ein Kontaktwinkelmessgerät (JC2000D1, Shanghai Zhongchen Digital Technology Equipment Co., LTD, China) ausgewählt, um den Prozess der Öltröpfchendesorption von der Spitze des Mikroinjektors zur Probenoberfläche zu fotografieren. Vor der Messung des Kontaktwinkels wurden alle Proben 5 Minuten lang in einem Ultraschallreiniger mit Ethylalkohol gewaschen. Nach dem Spülen mit entionisiertem Wasser wurden sie 1 Stunde lang in einem Vakuumtrockenofen (60 °C) getrocknet und anschließend der Kontaktwinkel gemessen. Abbildung 3b zeigt die spezifischen experimentellen Schritte. Zunächst wurde mit einem Mikroinjektor vorab ein 3 μL großes Tröpfchen gewonnen. Dann wird der Tropfen langsam nach unten bewegt, und wenn die Nadelspitze 1,5 mm von der Probenoberfläche entfernt ist, berührt der Boden des Tropfens gerade die Probenoberfläche. Zu diesem Zeitpunkt wurden die morphologischen Veränderungen des Öltröpfchens, das vollständig von der Nadelspitze auf die Probenoberfläche übertragen wurde, mit einer Geschwindigkeit von 10 Bildern pro Sekunde aufgezeichnet.

Testsystem für die Oberflächenbenetzbarkeit: (a) Ausrüstung für den Benetzbarkeitstest, (b) Testmethode.

Die Morphologie der Beflockungsoberfläche ist in Abb. 4 dargestellt, und Abb. 4a zeigt die Beflockungsoberfläche, aufgenommen mit einer Hochgeschwindigkeits-Digitalkamera (Typ: KEYENCE VW-9000) bei einer Vergrößerung von 100 ×. Um den Zustand der in die Nut implantierten Nylonfaser im Detail wiederzugeben, wurde der Querschnitt der Probe bei 200 × entsprechend der Richtung der Tangente in Abb. 4 aufgenommen. Wie in Abb. 4b angegeben, ist die Größe der hervorstehenden Fasern angegeben von der Oberfläche beträgt etwa 290 μm. Die Länge der ausgewählten Nylonfasern betrug 400 μm, was bedeutet, dass die Implantationslänge in der Nut etwa 110 μm beträgt. Abbildung 4c zeigt eine teilweise vergrößerte Ansicht des vernetzten Schnittpunkts bei einer Vergrößerung von 300 ×. Darüber hinaus zeigt die morphologische 3D-Charakterisierung der Beflockungsoberfläche (Abb. 4d), dass die Nylonfasern auf der gesamten HSS-Oberfläche verteilt sind und ein verbundenes und gewölbtes Netz bilden.

Charakterisierung der Beflockungsoberfläche: (a) Beflockungsoberfläche bei 100 ×, (b) Querschnitt bei 200 ×, (c) teilweise vergrößerte Ansicht bei 300 ×, (d) 3D-Morphologie der Beflockungsoberfläche bei 100 ×.

Tabelle 4 listet die tatsächliche Größe der Textur und die Dicke der Nylonbeschichtung nach dem Trocknen auf. Der tatsächliche Wert wird durch eine Hochgeschwindigkeits-Digitalkamera ermittelt, die die Abmessungen von fünf verschiedenen Positionen auf derselben Probe misst und anschließend die drei Proben separat misst.

Abbildung 5 zeigt die COF-Kurven für drei Oberflächen unter verschiedenen Schmierbedingungen. Der Verschleißtest wird unter jeder Bedingung zehnmal durchgeführt, um die Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit der Daten sicherzustellen, und eine der zehn Testgruppen wird zufällig zur Charakterisierung ausgewählt. Die in den Abbildungen markierten COF-Werte sind die durchschnittlichen COF der zehn Testgruppen. Darüber hinaus sind die COF-Kurven mit gelben gestrichelten Linien in zwei Phasen unterteilt, nämlich die Anfangsphase t0 und die stabile Phase t1. Es wird verwendet, um die tribologischen Eigenschaften jeder Oberfläche in verschiedenen Phasen zu diskutieren. Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

COF von drei Oberflächen unter unterschiedlichen Schmierbedingungen.

Im Trockenreibungszustand (Abb. 5a–c) weist TD den höchsten durchschnittlichen COF von 0,739 auf, was 3,1 % höher ist als der von SD. Allerdings ist der COF von SD im Anfangsstadium (to) deutlich kleiner als der von TD und im stabilen Stadium (t1) höher als der von TD. Der COF von FD reduziert sich durch die Implantation von Nylonfasern in die Rille auf 0,333, was 54,9 % niedriger als bei TD und 53,6 % niedriger als bei SD war. Darüber hinaus nimmt FD im t0-Stadium zunächst ab und steigt dann langsam an, und der Variationsbereich ist klein. Dies weist darauf hin, dass die Zugabe von Nylonfasern den gesamten COF verringert und außerdem die große Reibungskraft lindert, die durch die Scherung der beiden Reibungsflächen im Anfangsstadium des Materials entsteht.

Unter den Schmierbedingungen von Rizinusöl (Abb. 5d–f) ist der Gesamttrend des COF derselbe wie der der Trockenreibung, mit dem größten TC (0,225), gefolgt von SC (0,210). FC (0,175) ist der kleinste, 22,2 % niedriger als TC und 16,7 % niedriger als SC. Der Unterschied besteht darin, dass die COF-Kurve der strukturierten Oberfläche bei t1 höher ist als die der glatten Oberfläche. Da durch die Zugabe von Rizinusöl ein Teil der durch Reibung im Reibungsbereich erzeugten Ablagerungen suspendiert wird, wird die Fähigkeit der Textur, Ablagerungen zu speichern, geschwächt. In Kombination mit dem Schneidphänomen des Materials durch die scharfen Kanten der Textur ist der COF der strukturierten Oberfläche höher als der der glatten Oberfläche. Darüber hinaus führte das Vorhandensein von Rizinusöl dazu, dass sich die Reibung schneller von t1 nach t1 bewegte; dieses Phänomen ist auf der Beflockungsoberfläche deutlicher zu erkennen. Die synergistische Wirkung von Nylonfaser und Rizinusöl verbessert die Schmierung, wodurch die tribologischen Eigenschaften der Oberfläche verbessert werden.

Abbildung 6 zeigt die Mikroaufnahmen der Verschleißnarbe auf der Probe und dem 304 SS nach dem Test. Die 304 SS-Kugeln und die Probe wurden mit entionisiertem Wasser gewaschen und dann 15 Minuten lang in einem Ultraschallreinigungsgerät mit wasserfreiem Ethanol gewaschen, um Schmutz und Öl auf der Oberfläche zu entfernen. Anschließend werden die Verschleißnarben der Stahlkugeln mit einer Hochgeschwindigkeits-Digitalkamera bei 150-facher Vergrößerung beobachtet, während die Verschleißnarben auf der Probenoberfläche bei 200-facher Vergrößerung beobachtet werden. Unter trockenen Reibungsbedingungen sind die Oberflächen der SS-Kugeln rau und weisen viele Mängel auf, wobei die Oberflächenqualität der FD-Kugeln am besten ist und die Verschleißnarbenlinien klar erkennbar sind. TD liegt an zweiter Stelle, aber die Abnutzungsnarbenlinien sind nicht erkennbar. SD weist die am stärksten abgenutzte Oberfläche und die schwerwiegendsten Mängel auf.

Tragen Sie eine Narbe der Probe und der SST-Kugel.

Die Abnutzungsspuren auf den Probenoberflächen zeigen, dass der SD eine große Anzahl von Furchen aufweist. Diese Furchen werden hauptsächlich durch abrasiven Verschleiß verursacht, der durch Ablagerungen entsteht, die bei der Reibung zwischen den beiden Kontaktflächen entstehen. TD hat auch Furchen, allerdings in geringerem Ausmaß, wo die vorhandene Textur Schmutz speichert und Oberflächenschäden reduziert. FD weist keine offensichtlichen Furchen auf, aber am Rand der Rillen befinden sich Nylonfasern, die durch Ultraschallreinigung nicht entfernt werden können. Dies weist darauf hin, dass die Nylonfasern bei wiederholter Reibung gequetscht und mit der Probenoberfläche verbunden wurden.

Die Oberflächenqualität der SS-Kugel verbessert sich deutlich unter den Bedingungen der Rizinusölschmierung. Es gibt ein paar Kratzer auf der Oberfläche des SC, aber keine nennenswerten großflächigen Schäden im Vergleich zur Trockenreibung. Die Oberfläche von TC ist sauber und weist keine Kratzer auf. FC weist eine geringe Anzahl Kratzer auf, was darauf hindeutet, dass FC etwas weniger Schmutz speichern kann als TC. Durch die Beobachtung der Probenoberfläche werden die Verschleißnarben auf der Probenoberfläche durch die Schmierung mit Rizinusöl deutlich verbessert. Auf der Oberfläche von TC und FC sind keine Kratzer oder Abnutzungsspuren erkennbar, in den Rillen der Textur befinden sich jedoch zahlreiche Ablagerungen.

Abbildung 7 zeigt jeweils die Verschleißrate der Probe und der 304 SS-Kugel nach dem Test, die gemäß Gl. berechnet wird. (1). Aus dem Massenverlust und der Dichte des Materials wird das Verschleißvolumen der Probe berechnet. Der Massenverlust wird mit der elektronischen Waage (ZG-TP203) mit einer Genauigkeit von 1 mg ermittelt. Das Verschleißvolumen des 304 SS wird anhand des Durchmessers der Verschleißnarbe berechnet. Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Verschleißrate: (a) Verschleißrate an der Probe, (b) Verschleißrate an 304 SS.

Aus Abb. 7a,b ist ersichtlich, dass sich die Verschleißrate auf der Oberfläche der Probe und der 304 SS-Kugel im gleichen Trend ändert. Die Verschleißrate der beiden Kontaktflächen ist bei der Textur am höchsten, nach der Nylonfaserimplantation nimmt die Verschleißrate beider jedoch ab. Und die Abnutzungsrate der Beflockungsoberfläche wird durch die Anwendung von Rizinusöl deutlich reduziert. Im Vergleich zu glatten Oberflächen reduzieren beflockte Oberflächen die Verschleißrate bei Trockenreibung um 12,6 % und bei Rizinusöl um 63,8 %. Die obigen Ergebnisse zeigen, dass Nylonfasern die Verschleißfestigkeit der Kontaktfläche unter Rizinusölschmierung verbessern. Darüber hinaus ist die geringe Verschleißrate der HSS-Oberfläche von großer Bedeutung für die Standzeit des Werkzeugs.

Abbildung 8 zeigt den COF und den durchschnittlichen COF der Beflockungsoberfläche unter verschiedenen Belastungen. Frühere Experimente haben gezeigt, dass die Beflockungsoberfläche hervorragende Gleiteigenschaften aufweist. Um die Leistung der Beflockungsoberfläche unter verschiedenen Belastungen weiter zu untersuchen, wird ein 3-stündiger Verschleißtest mit Rizinusölschmierung durchgeführt. Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

COF der Beflockungsoberfläche unter verschiedenen Belastungen.

In den ersten 30 Minuten sind die COFs unter verschiedenen Belastungen Näherungswerte. Nach 30 Minuten steigt der COF von 20 N und 40 N schnell an, während der COF von 60 N und 80 N erst 45 Minuten später ansteigt. Bei allen Belastungen gilt: Je höher die Belastung, desto kleiner ist der COF. Nach etwa 90 Minuten zeigt der COF ein sprunghaftes Wachstum. Mit zunehmender Belastung wird sich die Zeit des sprunghaften Wachstums entsprechend verzögern, d. h. je länger die Zeit zur Aufrechterhaltung eines kleinen COF ist. In Kombination mit dem im Balkendiagramm angegebenen durchschnittlichen COF beträgt der maximale COF 0,185 bei 20 N und der minimale COF 0,176 bei 80 N. Der minimale COF ist im Vergleich zum maximalen COF um 3,8 % reduziert. Daraus wird geschlossen, dass die Beflockungsoberfläche bei einer Belastung von 80 N die besten Gleiteigenschaften aufweist, die Gleiteigenschaften jedoch bei der geringen Reduzierung der Last nicht offensichtlich sind.

Bei Vergleichstests mit der glatten Oberfläche und der strukturierten Oberfläche wurde festgestellt, dass die in diesem Experiment hergestellte Textur den COF und den Verschleiß der Oberfläche erhöhte. Abbildung 9 zeigt die Mikroaufnahmen der strukturierten Oberfläche nach den Verschleißtests, aufgenommen mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM). Bei einer 300-fachen Vergrößerung erscheinen zahlreiche Späne in den Nuten und verteilen sich hauptsächlich in den Längsnuten senkrecht zur Gleitrichtung (Abb. 9a). Diese Absplitterungen werden dadurch verursacht, dass die 304 SS-Kugel durch die Längskanten der Textur geschnitten wird. Abbildung 9b zeigt die Späne, die durch die starken Schnittphänomene am Rand der Textur entstehen (1000 ×). Diese großen Späne gingen mit der Entfernung von überschüssigem Material einher, was die Reibungskraft und schließlich den COF erhöhte.

Schneidphänomen auf strukturierter Oberfläche, (a) SEM bei 300 ×, (b) SEM bei 1000 ×.

Wie in Abb. 10a dargestellt, durchdringt ein großer Bereich der Späne die Probenoberfläche durch die relative Extrusion der beiden Kontaktflächen oder verursacht durch das Abblättern der Späne eine Oberflächenbeschädigung. Gleichzeitig verursacht ein starkes Schneidphänomen einen übermäßigen Materialabtrag an der Stahlkugel und erzeugt eine Verschleißnarbe mit großem Durchmesser. Durch das Vorhandensein der Textur werden jedoch die Späne der 304 SS-Kugel und die Ablagerungen des Probenmaterials während des Reibungsprozesses gespeichert, wodurch verhindert wird, dass sie die beiden Kontaktflächen beschädigen, und Kratzer reduziert werden, wodurch die Qualität der beiden Reibungsflächen verbessert wird.

Mechanismus der Reibung auf Oberflächen: (a) strukturierte Oberfläche; (b) Beflockungsoberfläche; (c) Beflockung der Oberfläche unter der Schmierung mit Rizinusöl.

Wie in Abb. 10b dargestellt, spielen die Nylonfasern, die sich in der Nähe der Rillenkante befinden, wenn die Nylonfasern in die Textur implantiert werden, eine dämpfende Rolle bei der Materialscherung, die durch die relative Reibung zwischen den beiden Oberflächen verursacht wird, und verlangsamen so das Schneidphänomen am strukturierten Rand. Die Scherfestigkeit von Nylonmaterial (25,2–27,8 MPa) liegt weit unter der von 304 SS (187,2–249,6 MPa), sodass die Nylonfaser im Bruch entlang der Gleitrichtung zur Überwindung der Kraft weit unter der von 304 SS liegt, wodurch die Scherfestigkeit verringert wird Reibungskraft. Darüber hinaus werden die gebrochenen Fasern von den Kontaktflächen gezogen und auf der mikroskopisch unebenen Oberfläche der Probe zusammengedrückt, um einen festen Schmierfilm26 zu bilden, der bei der Reparatur der Oberfläche und der Ebenheit und Glättung der Oberfläche eine Rolle spielt. Die flache Oberfläche verringert die Scherung zwischen den Ausbuchtungen im Kontaktbereich mit der 304 SS-Kugel und verringert die Größe von Spänen und Ablagerungen, wodurch die Reibung verringert wird. Diese winzigen Fragmente werden in einen Schmierfilm aus Nylonfasern gepresst und verhindern so Oberflächenschäden durch direkte Interaktion mit der Metalloberfläche. Und die Nylonfaser verfügt über ein hohes elastisches Rückstellvermögen27, wodurch sie im Reibungsprozess als Bürste fungiert, die Adsorption von winzigen Rückständen auf der Kugeloberfläche rechtzeitig beseitigt und verhindert, dass sie durch abrasiven Verschleiß in den Reibungsbereich gelangen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die in die Nut implantierten Nylonfasern die tribologischen Eigenschaften der Oberfläche erheblich verbessern können, indem sie nicht nur den Reibungskoeffizienten verringern, sondern auch die Oberflächenschädigung der Probe effektiv verbessern und den Durchmesser der Verschleißnarbe beim 304 SS verringern Ball.

Unter der Schmierung mit Rizinusöl (Abb. 10c) verbessert der Ölfilm auf der Oberfläche den Reibungszustand, und das relative Gleiten der beiden Kontaktflächen entfernt abgenutzte Rückstände und verbessert die Oberflächenqualität. Während des Verschleißprozesses der Beflockungsoberfläche vergrößert sich der Spalt zwischen den beiden Oberflächen aufgrund des Vorhandenseins eines festen Schmierfilms, der durch die Extrusion von Nylonfasern gebildet wird, und eines flüssigen Ölfilms, der durch Rizinusöl gebildet wird, so dass das Kontaktvolumen mikroskopisch kleine konvexe Spitzen aufweist Die beiden Oberflächen werden reduziert, und das Volumen der Materialscherung an den konvexen Spitzen wird ebenfalls reduziert, was letztendlich zu einer Reduzierung des COF führt. Darüber hinaus sättigt das Rizinusöl vor Beginn der Reibung zunächst die Oberfläche und bildet einen Ölfilm. Wenn die beim Reibungsprozess gebrochenen Nylonfasern auf der Oberfläche zusammengedrückt werden, um einen festen Schmierfilm zu bilden, entsteht zwischen dem festen Schmierfilm und dem Metallsubstrat eine Ölfilmschicht, die die Haftfestigkeit des Nylonmaterials verringert Substrat. Da die zahlreichen Ablagerungen in den festen Schmierfilm extrudiert werden, erhöht die Ansammlung dieser Ablagerungen den Widerstand zwischen dem Kugelmaterial und der Probenoberfläche. Mit zunehmendem Widerstand zieht die Oberfläche der 304 SS-Kugel das Nylonmaterial vom Untergrund weg. Durch die Reibung wird dann ein neuer Festschmierstofffilm neu gebildet. Durch die wiederholte Bildung und Ablösung des Schmierstofffilms werden große Mengen an Ablagerungen entfernt, wodurch der Oberflächenverschleiß weiter reduziert wird. Dies ist auch der Grund dafür, dass Nylonfasern nach Trockenreibung in Abb. 6 an der Oberfläche haften, während bei Ölschmierung keine Nylonfasern an der Oberfläche haften. Kalin et al.28 erforschten das tribologische Verhalten von Festschmierstoffen und Schmierölen. Es wurde bestätigt, dass sich der Festschmierstoff im Reibungsbereich verdichtete und verformte, um einen verschleißfesten und scherarmen Film zu bilden, der auch zu einer Verdickung des Grenzfilms führte. Kurz gesagt: Das Vorhandensein sowohl des festen Schmierfilms als auch des Ölfilms im Reibungsbereich vergrößert den Spalt zwischen den beiden Kontaktflächen, wodurch der Schmierfilm dicker und besser geschmiert wird. Außerdem können sie unter der Einwirkung geringer Scherkräfte den festen Schmierfilm abziehen, der eine große Menge an Ablagerungen trägt, wodurch das Auftreten von abrasivem Verschleiß reduziert wird, sodass der COF verringert wird und der Verschleißnarbendurchmesser der 304 SS-Kugel kleiner wird verringern.

Nach dem Binomialgesetz der Reibung29 ist Gleitreibung ein Prozess zur Überwindung der Adhäsion und molekularen Anziehung konvexer Spitzen auf der Oberfläche, und Reibung ist die Summe aus mechanischer Wirkung und molekularem Wirkungswiderstand, und die umfassende COF-Formel ist in der Formel ( 2).

Dabei sind α und β die Koeffizienten, die durch die physikalischen bzw. mechanischen Eigenschaften des Oberflächenmaterials bestimmt werden, A ist die tatsächliche Kontaktfläche und F ist die aufgebrachte Last. Zur weiteren Diskussion wird die Formel der aufgebrachten Last F eingeführt:

wobei P die normale Phasenlast pro Flächeneinheit ist. In Kombination mit den Formeln (2) und (3) erhält man den Ausdruck des Gesamt-COF:

Gemäß Formel (4) nimmt der COF ab, wenn P zunimmt. Dies steht im Einklang mit den experimentellen Ergebnissen in dieser Arbeit, das heißt, der COF nimmt mit zunehmendem Druck unter unterschiedlichen Belastungen ab. Darüber hinaus ist der Grad der plastischen Verformung bei Nylonfasern unter geringer Belastung gering, Nylonfasern werden von zwei Kontaktflächen entlang des Reibungsbereichs gezogen. Srinath et al.30 bestätigten, dass Nylon, wenn es auf der Metalloberfläche gleitet, einen Schmierfilm bildet und eine Rolle bei der Abschirmung des Hartmetallvorsprungs im Reibungsbereich spielt. Mit der kontinuierlichen Erhöhung der Belastung nimmt die plastische Verformung der Nylonfaser zu, bis sie in das Substrat gequetscht wird und einen Schmierfilm bildet, der die Probenoberfläche glatter und flacher macht und die flache Oberfläche den COF verringert.

Abbildung 11 zeigt die Benetzbarkeit von Öltröpfchen auf drei Oberflächen, wobei 3 μl Rizinusöltropfen auf der Probe verwendet wurden, um die Konturänderung innerhalb von 5 s zu beobachten. Die Konturen von Tröpfchen zu unterschiedlichen Zeiten werden durch Kurvenanpassung mit unterschiedlichen Farben gezeichnet. Die Art und Weise, wie Schmieröl in der Reibungspaarung als wichtiges Mittel zur Reibungsreduzierung vorhanden ist, verdient Aufmerksamkeit. Daher wird die Benetzbarkeit von grünem Pflanzenöl (Rizinusöl) mit hoher Viskosität auf der Beflockungsoberfläche untersucht und der Einfluss verschiedener Oberflächen auf die Benetzbarkeit durch Beobachtung der Infiltration von Öltropfen auf der Oberfläche charakterisiert. Jede Testgruppe wird fünfmal durchgeführt und eine Testgruppe wird nach dem Zufallsprinzip zur Charakterisierung ausgewählt.

Benetzbarkeit von Tröpfchen auf verschiedenen Oberflächen: (a) glatte Oberfläche; (b) strukturierte Oberfläche; (c) Beflockungsoberfläche.

Wenn die Öltröpfchen eine glatte Oberfläche berührten (Abb. 11a), breitete sich der Rand des Bodens schnell entlang der x-Achse aus. Nach 0,5 s breitete sich die Bodenkante auf etwa 1,5 mm aus und nach 1,5 s verlangsamte sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit. Bis zur 5. Sekunde hat sich der Rand des unteren Teils des Öltropfens auf eine Position von 3 mm ausgebreitet, während der obere Rand auf eine Position von 1,5 mm absinkt und an der Spitze des Mikroinjektors haften bleibt. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Öltröpfchen auf der strukturierten Oberfläche (Abb. 11b) war in den ersten 0,5 s ähnlich wie auf der glatten Oberfläche, und die Bodenkante breitete sich auf 1,5 mm aus. Während des Zeitraums von 1 s bis 1,5 s stoppt die Ausbreitung der Öltröpfchen in Richtung der x-Achse kurzzeitig, während die Richtung der y-Achse noch abnimmt, da die Öltröpfchen in die Nut eindringen und in der Nut fließen. Nach 1,5 s beginnt sich der Rand des Öltropfens wieder entlang der x-Achse zu bewegen, jedoch langsamer. Bis zur 4. Sekunde löste sich der Öltropfen vollständig von der Spitze des Mikroinjektors, die Kontur änderte sich jedoch kaum, nachdem sich der Öltropfen abgetrennt hatte. Nach den Untersuchungen von Wang et al.31 wird der Flüssigkeitsfluss in der Rille ohne Berücksichtigung des Einflusses der Temperatur hauptsächlich durch die Kapillarkraft Fγ, den Flüssigkeitsviskositätswiderstand Fη und die zusätzliche Spannung Fs auf der Tröpfchenoberfläche beeinflusst, wie in Formel (5) gezeigt. .

Wenn die Tropfenhöhe abnimmt, nimmt die zusätzliche Spannung Fs auf der Oberfläche ab, und wenn Formel (6) erfüllt ist, hört die Flüssigkeit auf, auf der Oberfläche zu fließen.

Wenn das Öl 0,5 s lang auf die Beflockungsoberfläche tropft, breitet sich die Unterkante langsam auf 1 mm aus (Abb. 11c). Denn wenn der Tropfen nur die Oberfläche berührt, ist die Kontaktlinie an Fasern fixiert, was die Ausbreitung des Tropfens auf der Oberfläche behindert. Diese Schlussfolgerung steht im Einklang mit der Untersuchung von Matthew et al.32, dass die Kontaktwinkelhysterese auf Kontaktlinien zurückzuführen ist, die auf mikroskopischen Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche fixiert sind. Dann nimmt die Kontur des Tröpfchens in Richtung der y-Achse schnell ab, erstreckt sich jedoch nicht mehr nach außen, wenn es sich 2 mm entlang der Richtung der x-Achse ausbreitet. Nach 2 s löste sich das Tröpfchen vollständig von der Spitze des Mikroinjektors und infiltrierte nach 3,5 s vollständig die Beflockungsoberfläche. Basierend auf früheren Untersuchungen33 wird dies auf die Tatsache zurückgeführt, dass der Spalt zwischen den Fasern in der Rille eine zusätzliche Kapillarkraft Fγ erzeugt, die es der Flüssigkeit ermöglicht, schnell in den Spalt zwischen den Fasern in der Rille einzudringen. Dies erleichtert die Vorschmierung und Lagerung des Schmierstoffs auf der Oberfläche und stellt während des Reibungsprozesses kontinuierlich ausreichend Schmierstoff für die Kontaktfläche zur Verfügung, um die tribologischen Eigenschaften der Oberfläche zu verbessern.

In diesem Artikel wurde die elektrostatische Beflockungstechnologie verwendet, um Nylonfasern in Rillen auf der Texturoberfläche zu implantieren, um das Problem der unzureichenden Schmierung im Reibungsbereich zu lösen. Die tribologischen Eigenschaften der glatten Oberfläche, der strukturierten Oberfläche und der Beflockungsoberfläche wurden unter trockenen Reibungs- und ölgeschmierten Bedingungen untersucht. Darüber hinaus wurde auch die Benetzbarkeit der drei Oberflächen untersucht. Die Einzelheiten sind wie folgt:

Die Textur erhöht den COF und den Verschleiß aufgrund des Schnittphänomens an den Kanten, während die Implantation von Nylonfasern in den Rillen für eine wirksame Dämpfung sorgt und das Schneiden des Materials verringert. Dies reduziert den COF um 53,6 % bei trockener Reibung und um 16,7 % bei ölgeschmierten Bedingungen.

Die gebrochenen Fasern werden in die Kontaktfläche extrudiert und bilden einen festen Schmierfilm. Durch das Vorhandensein fester Schmierfilme werden die mikroskopisch kleinen Unebenheiten der Oberfläche ausgefüllt, so dass die Scherung zwischen den konvexen Spitzen geringer wird, um die Reibung zu verringern und eine Beschädigung der Oberfläche durch große Ablagerungen zu vermeiden. Die beflockten Oberflächen reduzieren die Verschleißrate bei Trockenreibung um 12,6 % und bei Rizinusöl um 63,8 % im Vergleich zu glatten Oberflächen.

Es ist die Kombination aus dem festen Schmierfilm, der durch die Nylonfaser und das Rizinusöl gebildet wird, die den Spalt zwischen den Kontaktflächen vergrößert und die Schmierung ausreichender macht. Da zwischen dem festen Schmierfilm und dem Untergrund eine Ölfilmschicht vorhanden ist, lässt sich der feste Schmierfilm, der viele Ablagerungen speichert, außerdem leichter von der Oberfläche abziehen und abtransportieren.

Die Beflockungsoberfläche verfügt über ein starkes Adsorptionsvermögen für hochviskoses Rizinusöl. Durch die Vielzahl der Poren zwischen den Fasern werden die Kapillarkräfte in den Rillen erhöht, so dass die Flüssigkeit schnell in die Rillen eindringt und dort gespeichert wird und so während des Reibungsprozesses für eine kontinuierliche Schmierung des Reibbereichs sorgt.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Forschung wurde von der Science Foundation for Distinguished Young Scholars of Zhejiang, China (Stipendium Nr. LR20E050002), dem Projekt der National Natural Science Foundation of China (Stipendium Nr. U21A20134) und dem Key Research and Development Program der Provinz Zhejiang (Stipendium Nr . 2021C01132).

Fakultät für Maschinenbau, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou, 310018, China

Kai Feng, Jing Ni, Zixuan Wang und Zhen Meng

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KF: Konzeptualisierung, Methodik, Software, Formale Analyse, Validierung, Verfassen eines Originalentwurfs, Visualisierung. JN: Konzeptualisierung, Methodik, Supervision. ZW: Rezension schreiben und redigieren, Software. ZM: Test, Datenerfassung.

Korrespondenz mit Jing Ni.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Feng, K., Ni, J., Wang, Z. et al. Tribologische Eigenschaften der Oberfläche von Schnellarbeitsstahl mit Textur und vertikalen Fasern. Sci Rep 13, 13180 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39721-2

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Eingegangen: 10. Mai 2023

Angenommen: 29. Juli 2023

Veröffentlicht: 14. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39721-2

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