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Ausnutzung des Einlaufverhaltens von geschmierten PEEK

Strom im Wälzlager (Projekt: E-Bearing)

Superniedrige Reibung von a-C:H-Schichten im Vakuum: Passivierungsregime und strukturelle Charakterisierung der Gleitflächen

High-Speed Tribometrie

Temperaturvariable Eigenspannungsmessung an Schichten zur Bestimmung mechanischer und thermischer Eigenschaften

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Dr. Christof Koplin, Dr. Raimund Jaeger

Polyetheretherketon ist ein Thermoplast, welcher auch bei erhöhten Temperaturen eingesetzt werden kann, bei denen übliche Thermoplasten über ihre mechanischen und thermischen Belastungsgrenzen hinaus beansprucht werden. Mit zunehmender Bedeutung der E-Mobility rückt die Nutzung von PEEK stärker in den Blickpunkt. Widerstandsfähige Lager als auch Zahnräder aus Hochleistungspolymeren ermöglichen ruhigen, schwingungsdämpfenden Betrieb. Für PEEK sind dessen hohe Temperaturbelastbarkeit bei hohem elektrischen Durchschlagsschutz weitere Vorteile. Überdies ermöglicht der Ersatz von metallischen Antriebskomponenten durch Hochleistungsthermoplasten eine Verringerung der CO₂-Emission – Thermoplasten sind Leichtbauwerkstoffe und »low carbon materials«.

Unter geeigneten Belastungen können geschmierte PEEK-Stahl-Systeme ein sehr günstiges tribologisches Verhalten zeigen (Abbildung a). Die Verminderung von Reibung und Verschleiß entsteht durch die guten Spreitungseigenschaften von Öl zwischen Stahl und PEEK, die hohe mechanische Belastbarkeit des Kontakts aufgrund der ausbleibenden Überhitzung und den in Folge hoher Pressungen entstehenden dünnen Transferfilm von PEEK auf Stahl (Abbildung b). Der Transfer glättet die Stahloberfläche, unterstützt die Filmbildung der Schmierung und senkt somit signifikant Reibung und Verschleiß. Die Bildung des Transfers kann über eine gezielte Einlaufprozedur erhöht werden, wird über ein Anlösen des PEEKs durch den Schmierstoff verstärkt und entwickelt sich bei Kontakttemperaturen unterhalb der Glastemperatur besonders intensiv (Abbildung c). Welche Schmierstoffe für diese Einlaufprozedur förderlich sind, können wir in einem Screeningverfahren ermitteln.

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E-Bearing – Methodenentwicklung zur elektrotribologischen Charakterisierung von E-Fluids für Elektroantriebe

Dr. Tobias Amann, Dr. Tobias Kailer

In neuen elektrischen Antriebskonzepten werden Fluide verwendet, die das Getriebe schmieren und gleichzeitig den Elektromotor kühlen sollen. In dieser Hochspannungsumgebung soll das E-Fluid Schutz vor Korrosion und vor den daraus resultierenden Kurzschlüssen bieten. Da sich die Motorwelle in einem Magnetfeld dreht, baut sie eine Ladung auf. Wenn diese Ladung im hydrodynamischen Betriebszustand des Lagers nicht durch den als Isolator wirkenden Schmierstoff abgeleitet werden kann, kommt es bei bestimmten Spannungen zu elektrischen Durchschlägen (BDV, breakdown voltage). Die Durchschläge führen zur Schädigung des Schmierstoffs und der Lagerlaufbahnen (Elektropitting). Eine Möglichkeit, schädlichen elektrischen Entladungen zu begegnen, ist die Verwendung von Schmiermitteln mit elektrischer Leitfähigkeit, die den Aufbau von Hochspannungsentladungen verhindern können, indem sie die Ströme zwischen den Teilen umleiten. 

In einer Pilotstudie am MikroTribologie Centrum wurde eine Methode entwickelt, um Schmierstoffe elektrotribologisch in Wälzlagern zu untersuchen. Dazu wird die elektrische Spannung erhöht, bis ein elektrischer Durchschlag auftritt. Es wurde beobachtet, dass die Durchschlagsspannung mit Abnahme der Schmierstofftemperatur abnimmt. Durch die höhere Viskosität bei geringeren Temperaturen nimmt die Viskosität des Schmierstoffs zu, wodurch die Schmierfilmdicke im hydrodynamischen Reibregime ansteigt. Da der Schmierstoff elektrisch isolierend ist, nimmt der elektrische Widerstand des Wälzlagers damit zu, und der elektrische Durchschlag erfolgt erst bei höheren Spannungen. Dies kann dazu führen, dass der Schmierstoff und die Lagerlaufbahn geschädigt werden und das Lager ausfällt. Die Zielstellung für eine zielgerichtete anwendungsnahe Entwicklung besteht darin, die elektrotribologischen Eigenschaften unterschiedlicher Schmierstoffe anwendungsnah zu untersuchen und mit den Schmierstoffeigenschaften (elektrische Leitfähigkeit, Viskosität, Additivierung) zu korrelieren. Damit wird die Grundlage geschaffen, um E-Fluids mit verbesserten tribologischen und elektrochemischen Eigenschaften zu entwickeln. 

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Prof. Dr. Michael Moseler

Wasserstoffhaltiger amorpher Kohlenstoff (a-C:H) ist eine der technologisch wichtigsten Varianten von diamant-ähnlichem Kohlenstoff (DLC). Ein auffälliges tribologisches Merkmal von a-C:Hs ist die Supraschmierfähigkeit (Reibungskoeffizient µ<0,01) in Ultrahochvakuum (UHV) und trockenen Gasumgebungen ohne Schmieröle. Neueste atomistischen Simulationen des µTC ermöglicht Einblicke auf atomarer Ebene in die chemische Struktur von supragleitfähigen a-C:H-Schichten. Ausgedehnte quantenmolekulardynamische Schersimulationen liefern eine Struktur-Eigenschafts-Karte der Reibungsregime, die das Trockengleiten von a-C:H charakterisieren (siehe a in Abbildung). Gemäß dieser Rechnungen werden Scherspannungen und strukturelle Eigenschaften an den Gleitflächen entscheidend durch den Wasserstoffgehalt C_H in der Scherzone der a-C:H-Schicht bestimmt. Extrem kleine C_H (unter 3 at.%) verursachen Kaltverschweißung, mechanische Vermischung und hohe Reibung (b in Abbildung). Bei mittleren C_H-Werten (im Bereich von etwa 3 bis 20 at.%) bleibt Kaltverschweißung in Kombination mit mechanischer Vermischung der vorherrschende Gleitmodus, aber bei einigen a-C:H-Proben findet eine Aromatisierung statt (c in Abbildung), die zu einer supraschmierfähigen Gleitfläche führt. Ein weiterer Anstieg von C_H (über 20 at.%) verhindert das Kaltverschweißen vollständig und ändert den Schmiermechanismus von der Aromatisierung zur Wasserstoffpassivierung (d und e in Abbildung).

Die wasserstoffpassivierten Oberflächen bestehen aus kurzen Kohlenwasserstoffketten, was auf eine tribo-induzierte Oligomerisierungsreaktion hindeutet. Begleitende Röntgenphotoelektronen- und Auger-Elektronenspektroskopie (XPS, XAES) wurden am LTDS in Lyon durchgeführt. Sie klären die strukturellen Veränderungen während des Vakuumgleitens eines wasserstoffreichen a-C:H-Schicht auf. Zu Beginn ist das a-C:H von einer nanometerdicken wasserstoffarmen Oberflächenschicht bedeckt. Nach einer kurzen Einlaufphase, die zu einer Wasserstoffakkumulation führt, stellt sich Supraschmierung ein. XPS und XAES deuten auf eine nichtaromatische 1-2 nm dicke Oberflächenschicht mit polyethylenähnlicher Zusammensetzung hin - in Übereinstimmung mit unseren Simulationen.

^{Siehe auch T.Kuwahara et al. MDPI Coatings 11, 1069 (2021)} 

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Prof. Dr. Matthias Scherge

In Anwendungen der Elektromobilität kommen neuartige Beanspruchungen auf die Tribo-Systeme zu. Dazu gehören vor allem hohe Geschwindigkeiten, die mit den meisten Tribometern nicht beherrschbar sind. Zur Messung der Reibung zwischen einem kreisförmigen Stahlstift (ø = 3 mm) und einer rotierenden Scheibe (ø = 3 cm) wurde daher ein speziell angefertigtes Stift-Scheibe-Mikrotribometer verwendet. Das Mikrotribometer verfügt über eine Kombination aus einem Hochgeschwindigkeitsantrieb für die Rotationsbewegung, einem Vertikalantrieb zum Absenken der Stiftprobe auf die Scheibe und zum Aufbringen der Normalkraft sowie einem Sensor zur Messung der Reibungskräfte im mN-Bereich. Je nach Ausführung der Stiftprobe (flach oder ballig) kann man die Flächenpressung in maschinenbautypischen Bereichen von 0,1 bis 100 MPa variieren. Mit dem Antrieb sind Geschwindigkeiten von bis zu 65 m/s darstellbar. Die Proben können entweder trocken oder auch geschmiert gemessen werden.

Das Bild zeigt zwei Messungen von Stahl gegen Eis bei -17 °C (Messung und Wiederholung). Der gesamte Temperaturbereich der Messkammer liegt zwischen -20 °C und RT, wobei durch Erweiterung um eine Probenheizung auch deutlich höhere Temperaturen erreicht werden können. Der Reibungsverlauf im Bild zeigt die für Eis typische Verringerung des Reibungskoeffizienten. Bei Polymeren würde man ein ähnliches Verhalten sehen, bei Metallproben allerdings ein Ansteigen von µ mit der Gleitgeschwindigkeit.

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Dr. Frank Burmeister

In vielen Anwendungen sind mechanische Spannungen in funktionalen Beschichtungen ein immer wiederkehrendes Problem. Diese umfassen im Extremfall auch spannungsinduzierte Schichtrisse, Haftungsprobleme als auch Bauteilverzug. Ein Beispiel für auftretende Probleme bei Bauteilverzug sind hochpräzise Dichtungen für Gase und Flüssigkeiten wie sie z.B. für spezielle Pumpen oder Kupplungen benötigt werden. Diese werden i.d.R. mit Verschleißschutzbeschichtungen wie Titannitrid (TiN) oder Diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) beschichtet. Dabei dürfen sich die Dichtflächen nicht verziehen, um die Dichtheit weiterhin gewährleisten zu können. Für Gasdichtungen werden maximale Bauteilverzüge von höchstens 1 µm toleriert. Auf die Größenverhältnisse umgerechnet hieße das, dass ein Fußballfeld auf der gesamten Spielfeldlänge maximal eine Neigung von 0,5 mm haben dürfte!

Messprinzip, Ergebnisse
Die Standardmethode zur Messung von Schichtspannungen ist die sog. »wafer-curvature«-Methode, bei der die Verwölbung z.B. eines Si-Wafers vor und nach Beschichtung gemessen und nach der Stoney-Formel die Schichtspannung berechnet wird. Diese Methoden erlauben jedoch nicht die Differenzierung der verschiedenen Spannungsbeiträge. Einen deutlichen Mehrwert an Informationen gewinnt man bei der Verwendung von zwei verschiedenen Wafer-Materialien und durch Variation der Messtemperatur. Obwohl diese Methode im Grundsatz schon lange bekannt und einfach durchzuführen ist, hat sie bisher nur wenig Verbreitung gefunden. Zunächst werden zwei Substratmaterialien mit unterschiedlichem CTE ausgewählt, auf ihre Kontur hin vermessen und dann beschichtet. Nach der Beschichtung erfolgt eine erneute Messung, diesmal jedoch bei verschiedenen Temperaturen zwischen RT und ca. 300 °C. Man erhält einen linearen Spannungs-Temperaturverlauf, dessen Steigung von der Differenz der CTEs von Substrat und Schicht bestimmt werden. Am Kreuzungspunkt der Geraden (Abbildung 1) lässt sich sowohl die effektive Beschichtungstemperatur ablesen (dort ist die thermisch induzierte Schichtspannung null) als auch die wahre intrinsische Schichtspannung. Auch evtl. vorhandene Änderungen des CTE der Schicht mit der Temperatur lassen sich so sichtbar machen.

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