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Dezentrale Bereitstellung von PTFE-Schmierstoff in hochbelasteten Wälzkontakten
Tribologisches Verhalten von Elastomeren mit Ozon
Zusammenspiel zwischen DLC-Schichten und ZDDP-Schmierstoff: Auf die richtige Härte kommt es an!
Neue Professur am MikroTribologie Centrum
Verschleißeigenschaften von Magnesiumlegierungen mit LPSO-Phase
Thomas Reichenbach, Dr. Leonhard Mayrhofer, Dr. Gianpietro Moras, Prof. Dr. Michael Moseler
Der Festschmierstoff Polytetrafluorethylen (PTFE) wird häufig in niedrigbelasteten Wälzkontakten verwendet, wenn der Einsatz von konventionellen Flüssigschmierstoffen aufgrund von Betriebsbedingungen wie Vakuum oder hohen Temperaturen ausgeschlossen ist. Für die Anwendung in hochbelasteten Wälzkontakten hingegen ist die Festigkeit des PTFEs nicht mehr ausreichend, und eine Lebensdauerschmierung nicht mehr möglich. Um PTFE dennoch für solche Situationen nutzbar zu machen, kann dieses dezentral bereitgestellt werden und über einen Doppel-Transfer-Mechanismus kontinuierlich in den Kontakt transportiert werden. Eine mögliche Realisierung in Wälzlagern kann wie folgt aussehen: PTFE wird von einem PTFE-Opfer-Reservoir, z.B. dem Wälzkörperkäfig, bereitgestellt, auf die Wälzkörper übertragen (Transfer Nr. 1) und von dort aus weiter auf die Innen- und Außenringe transportiert (Transfer Nr. 2). Zur Optimierung dieser Art von PTFE-Schmierung ist ein detailliertes Verständnis der Reibungs-, Transfer- und Transportmechanismen von PTFE erforderlich. Im Rahmen des Schwerpunktprogramms »Fluidfreie Schmiersysteme mit hoher mechanischer Belastung« (SPP 2074) sind Forschende des MikroTribologie Centrums in Kooperation mit Stephan von Goeldel, Dr. Florian König und Prof. Dr. Georg Jacobs vom Institut für Maschinenelemente und Systementwicklung der RWTH Aachen den bislang unverstandenen wissenschaftlichen Fragestellungen nachgegangen.
In den Experimenten der RWTH Aachen wurde dafür ein Kugel-Scheibe Tribometer um einen PTFE Stift erweitert, der als PTFE Reservoir dient und die PTFE Nachschmierung realisiert. Ein schematischer Aufbau ist in Abbildung 1 gezeigt. Im Kugel-Scheibe Wälzkontakt kann die Reibung und die PTFE Filmdicke in-situ mittels Weißlichtinterferometrie gemessen werden. Die Experimente zeigen, dass die PTFE Filmdicke im Wälzkontakt direkt durch die Anpresskraft des Stifts gesteuert werden kann. Die Filmdicke wiederum ist direkt korreliert mit dem Reibkoeffizient im Wälzkontakt.
Um die beobachtete Transferfilmbildung und die Reibmechanismen zu verstehen hat das Team vom Fraunhofer IWM ein neues Dichtefunktionaltheorie-basiertes nicht-reaktives Kraftfeld entwickelt, welches großskalige Molekulardynamik-Reibsimulation von PTFE in Kontakt mit Eisenoxid, welches typischerweise auf den Stahloberflächen vorliegt, erlaubt. Die Simulationen zeigen, dass die PTFE-Eisenoxid Adhäsion stets größer ist als die PTFE-Kohäsion. Dieses »Kleben« des PTFEs auf Eisenoxid-Oberflächen ermöglicht den Transfer vom PTFE-Pin auf die Scheibe und den Transfer von der Scheibe auf die Kugel (siehe Abbildung 1). Weiterhin kann in den Simulationen beobachtet werden, dass Scherung strukturelle Änderungen innerhalb des PTFEs hervorruft und die einzelnen Moleküle entlang der Scherrichtung ausrichtet. Je ausgerichteter die Moleküle desto geringer die Reibung. In Übereinstimmung mit den Experimenten ergibt sich außerdem, dass eine größere PTFE Filmdicke zu einer kleineren Reibung führt. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass die Scherung innerhalb des PTFEs annährend gleichmäßig verteilt ist und somit die lokalen Scherraten mit steigender Filmdicke abnehmen.
Diese detaillierten Ergebnisse können in der folgenden, kürzlich erschienenen Open-Access Publikation nachgelesen werden:
von Goeldel, S.; Reichenbach, T.; König, F.; Mayrhofer, L.; Moras, G.; Jacobs, G.; Moseler, M., A combined experimental and atomistic investigation of PTFE double transfer film formation and lubrication in rolling point contacts, Tribology Letters 69/4 (2021) Art. 136, 16 Seiten Link
Dr. Bernadette Schlüter
Elastomere sind im Betrieb oxidativen Belastungen ausgesetzt, sei es durch den Luftsauerstoff oder durch Ozon (O3), welches sich in der Atmosphäre befindet. Insbesondere Ozon kann als starkes Oxidationsmittel zu Rissbildung und zum Versagen des Materials führen. Je nach Elastomer und Additivierung ist das Material mehr oder weniger stark anfällig für eine oxidative Alterung. Die Beschreibung der Schädigungsentwicklung ist für Vorhersagen der Lebensdauer und der Zuverlässigkeit sehr wichtig. Üblicherweise wird eine Ozonbeständigkeit bei verschiedenen Bedingungen (z.B.: Temperaturen, Feuchtigkeit, mechanische Beanspruchung) in einer Ozonkammer ermittelt. Meist tritt die Schädigung durch oxidative Alterung erst bei mechanischer Belastung auf. Das Wechselspiel von Ozonbelastung und tribologischer Beanspruchung, also der direkte Einfluss von Ozon auf Reibung und Verschleiß, ist bisher wenig untersucht.
Daher haben wir am MikroTribologie Centrum ein 3-Kugel-Tribometer für Versuche unter Ozonbelastung ausgerüstet. Das Tribometer simuliert den Ermüdungsverschleiß von Elastomeren, wie er zum Beispiel am rollenden Reifen auftritt. Mit dem modifizierten Aufbau soll der Einfluss von Ozon auf Ermüdungsverschleiß und ggf. tiefergehende Ermüdungsrisse untersucht werden. In einem ersten Ansatz konnte gezeigt werden, dass für eine Auswahl marktüblicher Elastomere Ozon zu einem sichtbar größeren Verschleiß führt. Je nach Elastomer fiel der Verschleiß unterschiedlich stark aus.
17.08.2021
Prof. Dr. Michael Moseler
Im Verbrennungsmotor, in Gleitlagern und in der Raumfahrt: Diamantähnliche Kohlenstoffbeschichtungen (DLC) vermindern Reibung und Verschleiß in Reibkontakten. Meist enthalten die dabei in Lagern und Motoren genutzten Schmierstoffe das Additiv Zink-Dialkyl-Dithiophospat (ZDDP), das seinerseits Stahloberflächen gegen Verschleiß schützt. Unglücklicherweise kann es die DLC-Schicht angreifen, was zum vorzeitigen Ausfall führt. Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer IWM haben herausgefunden, wie die antagonistische Wechselwirkung zwischen den beiden Stoffen entsteht. Im Journal Nature Communications erklären sie, warum DLC-Schichten in Verbindung mit ZDDP auch zu hart sein können.
Harte Kohlenstoffbeschichtungen sind weltweit im großindustriellen Maßstab im Einsatz. Aufgrund ihrer guten Oberflächenpassivierung verhindern sie die atomare Anbindung der reibenden Körper aneinander und ihre hohe Härte schützt das darunterliegende Material gegen Verscheiß. Ein besonders starker Nutzer ist die Automobilindustrie, die jährlich mehr als 100 Millionen beschichteter Teile einsetzt mit einem Marktvolumen von mehreren 100 Millionen Euro. Die Schichten sorgen für eine geringere Reibung und somit für geringeren Verbrauch von Antriebsenergie und damit weniger CO2-Ausstoß. Bisher gaben Publikationen zwar Hinweise darauf, dass ZDDP die DLC-Schicht angreifen könnte, es war jedoch unklar, ob dies immer der Fall ist und wie dieser Effekt vermieden werden kann. In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) finanzierten Projekt»Prometheus« hat sich das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM mit Firmen aus der Schmierstoffentwicklung und der Automobilindustrie zusammengeschlossen, um unter anderem die tribologischen Prozesse zwischen den DLC-Schichten und Additiven zu entschlüsseln. Dabei arbeitete das Fraunhofer IWM mit der École Centrale de Lyon als externem Partner zusammen.
Experimente mit unterschiedlich harten Schichten
»In den DLC-Schichten verwenden wir tetraedrisch gebundene wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffe, ta-Cs«, erklärt Prof. Dr. Michael Moseler, Leiter der Gruppe »Multiskalenmodellierung und Tribosimulation« am Fraunhofer IWM. »Diese gibt es in unterschiedlichen Härtegraden und dementsprechend unterscheiden sich auch andere ihrer mechanischen Eigenschaften.« Deshalb betrachteten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in allen Experimenten und Simulationen nicht nur verschiedene Schmierstoff-Zusammensetzungen, sondern auch verschiedene ta-C-Schichten.
Zunächst musste das Projektteam die Reibungskoeffizienten und den Verschleiß für verschiedene ta-C-Schichten in Verbindung mit unterschiedlich zusammengesetzten Schmierstoffen ermitteln. Dies untersuchte Prof. Dr. Maria-Isabel de Barros Bouchet und ihre Mitarbeitenden am Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes (LTDS) in mehreren Versuchen. »Die Daten werden erhoben, indem man einen Zylinder auf einer Platte entlang einer Strecke von 10 mm hin und her bewegt«, erläutert Prof. Moseler. »Dies untersucht man für die verschieden harten Beschichtungen jeweils mit einem Grundöl und einem ZDDP-haltigen Schmierstoff.« So lässt sich der Verschleiß messen und der Reibungskoeffizient berechnen. Verwendeten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Grundöl, waren Reibung und Verschleiß wie erwartet umso kleiner, je härter die DLC-Schicht war.
Bei den Versuchen, in denen dem Öl 1 Prozent ZDDP beigemischt wurden, zeigte sich ein überraschenderes Bild: »Bei der vergleichsweise weichen Schicht, dem ta-C(51), bleiben Reibung und Verschleiß gering. Bei den härteren Beschichtungen ta-C(66) und ta-C(78) jedoch gehen Reibung und Verschleiß durch die Decke!«, sagt Dr. Gianpietro Moras – Koautor und Teamleiter in Prof. Moselers Gruppe. Dies sei nicht nur für die Motorenanwendung sehr kritisch, sondern auch aus tribologischer Sicht untypisch. »Normalerweise gehen wir davon aus, dass mit zunehmender Härte der Verschleiß abnimmt«, so der Tribologie-Experte.
Simulationen zeigen: Härter ist nicht immer besser
Die Tribologinnen und Tribologen am Fraunhofer IWM suchten den Grund für dieses Phänomen in Bindungsverhältnissen der Materialien. In einer Röntgenphotoelektronenspektroskopie-Analyse zeigten sie, dass während des Reibens sowohl beim ta-C(66) als auch ta-C(78) viele Schwefel-Kohlenstoffverbindungen entstehen. »Das ZDDP-Molekül enthält viel Schwefel«, sagt Moras. »Unsere Quantenmolekulardynamikrechnungen zeigen, dass das Molekül während des Reibens unter hohen Flächenpressungen dissoziiert und damit der Schwefel freigesetzt wird. Dieser gelangt in die harten Schichten, welche durch diese Dotierung massiv an Festigkeit verlieren und damit anfälliger für Abrieb werden.«
Mit Kontaktmechanik-Rechnungen konnte Moselers Gruppe den Grund für die Schwefel-Dotierung herleiten: »Der lokale Druck, der entsteht, wenn zwei Oberflächen gegeneinanderstoßen, hängt maßgeblich von der Härte und Steifigkeit der Schichten ab«, erklärt Moseler. Konkret bedeute dies: Je steifer die Schicht, desto größer ist die lokale Pressung zwischen den beiden Oberflächen. »Wir modellieren möglichst genau, was an der Grenzfläche zwischen den beiden Reibpartnern passiert. Mit geringer Flächenpressung wird das ZDDP-Molekül zerrieben und bildet eine glasige Schutzschicht zwischen den beiden Reibpartnern.« Dies ist der gewünschte Effekt des Schmierstoffs. »Bei höherer Flächenpressung wird das Molekül auch zerrieben, aber der Druck ist dann so groß, dass die beiden Oberflächen quasi miteinander verbacken und der Schwefel in beide Flächen eingerieben wird.« Diese sogenannte Kaltverschweißung schwäche die DLC-Schicht und führe zu erhöhtem Verschleiß. »Die Industrie kann durchaus ta-C-Schichten verwenden«, schlussfolgert der Tribologe, »Die Schicht darf nur nicht zu weich sein, damit die Reibung nicht zunimmt und nicht zu hart, weil sonst der Verschleiß zunimmt.«
Mit DCL-Schichten fit für die Zukunft
Dieses Wissen ist nicht nur für Verbrennungskraftmaschinen wichtig, so Moseler. »Unser Beispiel war zwar ein Verbrennungsmotor, aber ZDDP wird zum Beispiel auch in Wälzlagern eingesetzt. Daher gibt es viele weitere Anwendungen, wie in Elektroautos, Windkraftanlagen und in der Zukunft vielleicht auch im Wasserstoffmotor.«
Prof. Dr. Moseler und seine Gruppe haben sich bereits vor 15 Jahren darauf spezialisiert, tribologische Systeme auf der atomaren Skala zu verstehen. Sie sind eine der weltweit führenden Gruppe in der Simulation atomarer Vorgänge der Tribologie und forschen gerade neben »Prometheus« im Fraunhofer PREPARE-Projekt »SupraSlide« um die Kombinationen von ta-C-Schichten und abgestimmten Schmierstoffen noch besser für die Reibreduktion und damit für CO2-Einsparung nutzbar zu machen. »Prometheus« ist ein durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) finanziertes Verbundvorhaben zur Reibungs-Optimierung von Motoren durch Einsatz von triboaktiven Hochleistungskohlenstoff- sowie Eisenbasisschichten und Schmierstoffen; Förderkennzeichen: 03ET1609E.
Salinas Ruiz, V.R.; Kuwahara, T.; Galipaud, J.; Masenelli-Varlot, K.; Ben Hassine, M.; Héau, C.; Stoll, M.; Mayrhofer, L.; Moras, G.; Martin, J.M.; Moseler, M.; de Barros Bouchet, M.-I., Interplay of mechanics and chemistry governs wear of diamond-like carbon coatings interacting with ZDDP-additivated lubricants, Nature Communications 12 (2021) Art. 450, 15 Seiten Link
Zum 01. August wurde am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Christian Greiner Professor für das Fachgebiet »Additiv hergestellte Bauteile und Mikrostrukturdesign« auf eine Professur berufen.
Prof. Greiners aktuelle Forschung fokussiert sich hauptsächlich auf die Veränderungen in der Mikrostruktur metallischer Materialien unter einer tribologischen Last. Dies wird auch ein Hauptarbeitsgebiet der neuen Professur am Institut für Angewandte Materialien (IAM) sein. Herr Greiner bedient sich dabei vor allem Modellmaterialen, wie Kupfer und seiner Legierungen, und untersucht zum Beispiel welche Rolle Gitterdefekte wie Versetzungen für den Ablauf mikrostruktureller Veränderungen spielen. Ein wichtiges Werkzeug dieser Forschung ist die hochaufgelöste Rasterelektronen- und fokussierte Ionenstrahlmikroskopie, welche am IAM zur Verfügung steht.
In der neuen Professur plant Prof. Greiner das so erlange Wissen über die Elementarmechanismen unter tribologischer Last mittelfristig zu nutzen um mittels der additiven Fertigung gezielt Gefügezustände zu drucken. Dies hat das Ziel bereits bei der additiven Fertigung tribologisch günstige Mikrostrukturen einzustellen.
Ein weiteres Arbeitsgebiet der neuen Professur soll es sein mittels additiver Fertigung bionische Oberflächenstrukturen zu drucken, welche ebenfalls das Ziel haben günstige Reib- und Verschleißeigenschaften aufzuweisen.
Prof. Dr. Martin Dienwiebel
Der Einsatz von Magnesium (Mg)-Legierungen in Leichtbaukomponenten hat aufgrund des hohen Verhältnisses von Festigkeit zu Dichte eine hohe Attraktivität für verschiedene Anwendungen in der Automobil- und besonders in der Luftfahrtindustrie. Allerdings weisen sie eine notorisch geringe Verschleißfestigkeit auf, was viele Anwendungsszenarien ausschließt. Vor allem für Komponenten der Kraftübertragung, die ständiger Gleitbewegungen ausgesetzt sind, eignen sich Mg-Legierungen bislang trotz vieler Anstrengungen um die Verschleißmechanismen von Mg-Legierungen zu verbessern (z. B. Dispersions-, Ausscheidungs-, und Lösungshärtung) nicht.
In jüngster Zeit hat die Entwicklung von Mg-Legierungen, die Phasen mit einer langreichweitig periodischen Stapelordnung (LPSO) enthalten, neue Hoffnung geweckt, da sie hervorragende mechanische Eigenschaften aufweisen. Die Rolle der LPSO-Phase ist dabei entscheidend für den Verfestigungsmechanismus dieser Legierungen. In Zusammenarbeit mit der Kumamoto Universität, die bei der Entwicklung dieser Legierungen Pionierarbeit geleistet hat, wurden die Verschleißeigenschaften von Mg-Zn-Y-, mit einer LPSO-Phase mit einem Pin-on-Disc (POD)-Tribometer untersucht. Die resultierende tribologisch induzierten Gefügeveränderungen wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) charakterisiert. Außerdem wurde der Einfluss der LPSO-Phase und der Ausscheidungen auf die Verschleißeigenschaften und die Verschleißmechanismen durch den direkten Vergleich von zwei LPSO-Legierungen untersucht. Dabei zeigte sich, dass die α-Mg-Körner in der verschlissenen Mg97Zn1Y2-Legierung dynamisch unter tribologischer Belastung rekristallisierten, wohingegen die Mg96Zn2Y2-Legierung plastisch verformt wurde, was wahrscheinlich zu Kaltverfestigung und geringerem Verschleiß führte.
Überraschenderweise kam es bei einer Erhöhung der Normalkraft zu einer lokalisierten plastischen Verformung aufgrund der dynamischen Rekristallisation in dem oberflächennahen Gefüge. Das Vorhandensein einer feinen plättchenförmigen LPSO-Phase behinderte die dynamische Rekristallisation der α-Mg-Körner unter Last, während sie die Dicke der dynamisch rekristallisierten Schicht nach der Gleitverformung reduzierte. Weitere Informationen finden sich in einem Artikel, der in der Zeitschrift WEAR veröffentlicht wurde.
MikroTribologie Centrum μTC