Aktuelle Einblicke in die Arbeit des MikroTribologie Centrums

Aktuelles

Warum David Goliath schlägt: Oxide verschleißen Diamant

29.05.2020

Dr. Gianpietro Moras, Prof. Dr. Michael Moseler

Diamant ist der härteste Stoff auf unserem Planeten. Dennoch sind diamantbeschichtete Schneidwerkzeuge von Verschleiß betroffen, vor allem wenn sie Gesteine oder Ingenieurkeramiken schneiden, die reich an Oxiden wie Siliziumoxid oder Aluminiumoxid sind. Dieser Nachteil kann jedoch auch nutzbar gemacht werden: Wissenschaftler aus Cardiff haben kürzlich experimentell gezeigt, dass Oxide zum Diamantpolieren eingesetzt werden können, wobei Oberflächenrauigkeiten von 1 Nanometer erreicht werden (chemisch-mechanisches Polieren, CMP). Dieser Befund ist erstaunlich, wenn man bedenkt, dass Oxide sehr viel weicher als Diamant sind! Dank dieser Technik können Diamantschichten in mikroelektronischen Geräten eingesetzt werden.

Die Erhöhung der Lebensdauer von Diamantwerkzeugen und die Optimierung des CMP-Prozesses (zum Beispiel mittels Dotierstoffen  beziehungsweise Additiven) sind darum von großem wirtschaftlichem Interesse. Um kostenintensive »Trial-and-Error«-Prozesse zu vermeiden, ist ein detailliertes Verständnis der mikroskopischen Verschleißmechanismen nötig. Bislang gibt es dazu jedoch nur wenige fundamentale Kenntnisse. Da der Diamantverschleiß nicht durch die Härte des Oxids erklärt werden kann, bleibt nur die Möglichkeit, dass es sich um einen tribochemischen Verschleißprozess handelt. In diesem Fall wären mechano-chemische Bindungsbrüche für den Verschleiß verantwortlich. Da während des CMP-Prozesses keine mikroskopischen Verschleißpartikel gefunden werden, lässt sich vermuten, dass einzelne Kohlenstoffatome nacheinander aus der Diamantoberfläche herausgebrochen werden.

© Fraunhofer IWM
Abb. 1: Molekulardynamiksimulationen von tribologischen Grenzflächen: Diamant-Siliziumoxid (a, b), Diamant-Silizium (c).

Quantenmechanische Simulationen

In einem Projekt mit einem Diamantwerkzeughersteller galt es diesen Prozess zu verstehen (A. Peguiron et al., Activation and mechanochemical breaking of C-C bonds initiate wear of diamond (110) surfaces in contact with silica, Carbon 98, 2016). Hierzu führten wir Molekulardynamiksimulationen durch, die die Bewegung der Atome an den Grenzflächen zwischen amorphem Siliziumoxid und der Diamant (110)-Oberfläche sichtbar machten (Abbildung 1a, b). Da tribologische Kontakte generell nicht direkt experimentell zugänglich sind, stellen Molekulardynamiksimulationen mit quantenmechanischen Kraftfeldern die effektivste Methode dar, um chemische Grenzflächen-Prozesse zu beobachten. Um zu verstehen, ob Verschleißprozesse nur aufgrund der besonderen chemischen Wechselwirkung zwischen Kohlenstoff und dem Sauerstoff des Oxids stattfinden, studierten wir zusätzlich das Verhalten von Diamant in Kontakt mit amorphem Silizium (Abbildung 1c). Amorphes Silizium ist mechanisch ähnlich zu Siliziumoxid, enthält jedoch keinen Sauerstoff.

Tight-Binding-Molekulardynamiksimulationen zeigten, dass es in der Tat möglich ist, einzelne Kohlenstoffatome aus der Diamantoberfläche herauszuziehen. Damit dies stattfinden kann, müssen starke kovalente Bindungen zwischen den obersten C-Atomen und der Diamantoberfläche aufbrechen. Der Bindungsbruch geschieht nur für spezielle C-C-Bindungen und nur, wenn Diamant mit Siliziumoxid in Kontakt ist (Abbildung 1a, b). Bei Silizium als Gegenkörper konnten wir keinen C-C-Bindungsbruch beobachten.

© Fraunhofer IWM
Abb. 2: Atomare Maximalkräfte für den Bindungsbruch an verschiedenen Grenzflächen.

Starke und schwache Grenzflächenbindungen

An der tribologisch belasteten Siliziumoxid-Diamant-Grenzfläche können C-C-Bindungen nur dann aufbrechen, wenn sie schwächer sind als die C-Si- oder C-O-Bindungen, die an den C-Oberflächenatomen ziehen. Mittels Dichtefunktionaltheorie konnten wir die Stärke der Bindungen berechnen und erzielten unvorhergesehene Ergebnisse. In erster Linie sind diamantähnliche C-C-Bindungen etwas stärker als C-O- und

C-Si-Bindungen. Gleichzeitig sind die C-Si-Bindungen an der Siliziumoxid-Diamant-Grenzfläche wesentlich stärker als an der Silizium-Diamant-Grenzfläche. Wir konnten zeigen, dass die Polarisierung von Siliziumoxid für die Stärke der C-Si-Bindungen verantwortlich ist. Zudem traten gelegentlich schwache C-C-Bindungen an der Siliziumoxid-Diamant Grenzfläche auf und versagten, wenn ein Si- oder ein O-Atom an ihnen zog (Abbildung 2). Derart schwache C-C-Bindungen konnten wir an der Silizium-Diamant-Grenzfläche nicht beobachten.

© Fraunhofer IWM
Abb. 3: Quantenmechanische Simulation der chemischen Aktivierung von C-C Bindungen an der Siliziumoxid/Diamant Grenzfläche. Das höchste besetzte Orbital der nicht aktivierten (links) und aktivierten (rechts) Grenzfläche ist dargestellt.

Aktivierung von chemischen Bindungen in Diamant

Mittels einer detaillierten Analyse der elektronischen Struktur der Grenzfläche konnten wir erklären, wie oberflächennahe C-C-Bindungen in Diamant von Siliziumoxid geschwächt werden können. Die Diamant-(110)-Oberfläche ist durch eine aromatische Struktur charakterisiert (ähnlich Graphit). In Kontakt mit Siliziumoxid bilden sich nur wenige C-O- und C-Si-Bindungen, die die aromatische chemische Struktur leicht stören und damit die Verlängerung einiger C-C-Bindungen verursachen. Diese verlängerten Bindungen sind chemisch aktiviert (das heißt schwächer als in Diamant) und können daher leicht aufbrechen (Abbildung 2). Ist die Diamantoberfläche in Kontakt mit Silizium, geschieht diese Aktivierung hingegen nicht. In letzterem Fall ist die Anzahl der Grenzflächenbindungen viel größer als an der Siliziumoxid-Diamant-Grenzfläche. Demzufolge verliert die Diamantoberfläche ihren aromatischen Charakter und wird diamantähnlich, das heißt alle C-C-Bindungen bleiben stark.

nach oben 

Maßgeschneiderte tribologische Untersuchung von Hartlegierungen an Ventilen von Großgasmotoren

18.05.2020

© Fraunhofer IWM
Abb. 1: Verschleißentwicklung am Ventilsitz mit zunehmender Versuchsdauer (links) und Ventilverschleißraten bei unterschiedlichen Temperaturen und Schließgeschwindigkeiten (rechts).

Dr. Dominik Kürten

In Deutschland unterliegt die Nutzung von Erdgas als Primärenergieträger einem stetig steigenden Trend: Aktuell steht die Energieerzeugung mit Erdgas an zweiter Stelle nach Mineralöl. Für die Stromerzeugung mit Erdgas, aber auch in der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), werden Großgasmotoren oftmals als stationäre Motoren eingesetzt. Um die Effizienz dieser Motoren zu steigern und gleichzeitig weniger Ressourcen zu verbrennen, werden die Betriebsbedingungen immer weiter verschärft: Höhere Temperaturen und häufigere Lastwechsel führen dabei zu steigendem Verschleiß der bewegten Komponenten im Brennraum. Aus diesem Grund hat sich der Hersteller von Komponenten und Zylinderkopfsystemen für große Verbrennungsmotoren, Märkisches Werk GmbH, zum Ziel gesetzt, seine Ventile weiterzuentwickeln und dies in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IWM voranzutreiben. Die Herangehensweise an das Thema Ventilverschleiß in Großgasmotoren in dieser Art und diesem Umfang ist bisher einzigartig: In dem Projekt wurde am Fraunhofer IWM ein Prüfstand entwickelt und aufgebaut, der eine Ventilprüfung unter realen Umgebungsbedingungen ermöglicht.

© Fraunhofer IWM
Abb. 2: An der Kontaktfläche zwischen Ventil und Sitzring entstehen eine tribologisch gebildete Randschicht sowie Mikrorissbildung in der Hartphase des Ventilsitzes.

Ventilprüfung unter realen Bedingungen

Das Ziel der Untersuchungen am Fraunhofer IWM ist herauszufinden, wie sich verschiedene Werkstoffe unter den auftretenden Belastungen am Ventilsitz verhalten. Darüber hinaus sollen auch quantitative Zusammenhänge zwischen Belastungsparametern wie Temperatur, Atmosphäre, Aufschlaggeschwindigkeit sowie Verbrennungsdruck und dem Ventilverschleiß ermittelt werden. Bei Prüftemperaturen von Raumtemperatur bis zu 450 °C haben wir Untersuchungen in unterschiedlichen Umgebungsatmosphären durchgeführt. Die hydraulisch gesteuerten Schließgeschwindigkeiten können im Versuch bis zu 1,2 m/s betragen.  Auf dem Bild oben rechts ist der neu entwickelte Prüfaufbau für Ventile mit einem Durchmesser von 70 bis 100 mm zu sehen. Abbildung 2 links zeigt  die Ergebnisse von Profilmessungen zur Bestimmung des Verschleißfortschritts am Ventilsitz gegenüber der Belastungsdauer.

Aus diesen Messungen ergibt sich eine vergleichsweise gleichmäßig beziehungsweise lineare Zunahme des Verschleißes mit der Versuchsdauer. Somit ist es möglich, abhängig von den Belastungsparametern, Verschleißraten des Ventils zu bestimmen und diese zu vergleichen. Wir können  eindeutig ermitteln, welche Belastungseinflüsse den stärksten Einfluss auf den Verschleiß haben, wo die Belastungsgrenzen der Ventile sind und welche Werkstoffe den vergleichsweise größten Verschleißwiderstand zeigen.

Stresstest zeigt die Grenzen der Belastbarkeit des Materials

Um ein Ventil extremer Belastung in einem Stresstest zu unterziehen, führten wir über einen Zeitraum von 500 Stunden einen Langzeitversuch durch: bei einer Temperatur von 450 °C und einer Schließgeschwindigkeit von 1,2 m/s. Der Stresstest zeigt die Grenzen der Belastbarkeit der Materialkombination zwischen Sitzring und Ventilstahl. Bei der Betrachtung der Verschleißraten (Abbildung 2 rechts) wird deutlich, welche Auswirkung die beiden Parameter Temperatur und Schließgeschwindigkeit auf den Ventilverschleiß haben.

© Fraunhofer IWM
Abb. 3: Maßgeschneiderter Versuchsstand zur Verschleißmessung an großen Ventilen unter definierten Belastungen (links), Ventil im Versuchsstand (rechts).

Verschleißmechanismen erkennen

Sowohl um Werkstoffe für solche Ventile gezielt zu entwickeln als auch um die Betriebsbedingungen optimal einzustellen, ist ein gutes Verständnis der Verschleißvorgänge unbedingte Voraussetzung. Verschleißanalysen, wie in  Abbildung 2 beispielhaft dargestellt, ergeben hier ein klares Bild der Verschleißmechanismen: Sie zeigen, wie durch einen

Materialübertrag von dem Sitzring auf den Ventilsitz sowie die Zertrümmerung der Hartphasen im Gefüge als auch tribochemische Vorgänge tribologische Randschichten entstehen, die letztlich das Reibungs- und Verschleißverhalten und damit das Einsatzverhalten des Ventils bestimmen. Hieraus können wir wertvolle Hinweise zur gezielten Einstellung der Werkstoffe und der Betriebsbelastungen gewinnen.

Die am Fraunhofer IWM entwickelte Prüfmethode trägt mit ihren Ergebnissen dazu bei, die Belastbarkeit von Ventilen zu verbessern oder zumindest ihre Lebensdauer realistisch einzuschätzen. Diese Ergebnisse unterstützen Hersteller von Großmotor-Komponenten, Gasmotoren zu entwickeln, die durch ideal an die Werkstoffe angepasste Betriebsparameter wesentlich höhere Leistungen und Effizienzwerte bringen.

nach oben 

Reibung auf Eis- und Schneeuntergründen messen

15.05.2020

© Fraunhofer IWM
Abb. 1: Vergleich der gemessenen und berechneten Reibungskoeffizienten μ von geprägten Skibelägen auf Eis bei der Geschwindigkeit von 1 m/s und einer Anpresskraft von 40, 60 und 80 N.

Matthias Scherge

Moderne Skibeläge bestehen aus ultrahochmolekularem Polyethylen UHMWPE. Sie werden einer Vielzahl von erfahrungsgegründeten Schleif- und Wachsbehandlungen unterzogen, um den Ski bestmöglich an den Untergrund anzupassen und höhere Geschwindigkeiten zu erzielen. Doch was genau zwischen dem Skibelag und der Schneeoberfläche geschieht, ist bislang wenig verstanden. 

Messung der Ski-Schnee-Reibung

Um im Projekt »Snowstorm« diese tribologischen Zusammenhänge zu untersuchen, führten wir Messreihen an speziellen Tribometern bei Temperaturen von -20 °C bis zum Schmelzpunkt durch. Der Fokus der Forschung lag dabei auf dem Einfluss der Belagsstruktur und der einhergehenden Kontaktsituation auf den Reibungsprozess. Zur Variation dieser Einflüsse kamen verschiedene Steinschliffe sowie eigens entwickelte Oberflächenprägungen verschiedener Geometrie zum Einsatz. Der Gegenkörper bestand in unterschiedlichen Schneearten und Eis.

Modellbildung und Optimierungsmöglichkeiten 

Zur analytischen Beschreibung der tribologischen Vorgänge nutzten wir ein Reibungsmodell, das die Bildung von Reibungswärme und deren Umsetzung zu einem reibungssenkenden Wasserfilm enthält. Durch die Anpassung und Integration eines Kontaktmodells konnte die bislang unbekannte Rolle der realen Kontaktfläche auf den Reibungsvorgang gezeigt werden. 

Der Vergleich zwischen den berechneten und den gemessenen Reibwerten zeigte einen linearen Zusammenhang und bestätigte die angenommenen Zusammenhänge (Abbildung 1). Die Erkenntnisse bieten ein großes Potenzial zur Optimierung des tribologischen Kontakts. Beim Gleiten des Skis über die Schneeoberfläche bringt die entstehende Reibungswärme die Schneekristalle in einer winzigen Schicht zum Schmelzen. Dieser Wasserfilm »schmiert« den Kontakt – damit ist die Temperatur auf dieser Mikro-Ebene wichtig für den Gleitvorgang. Zudem fanden wir heraus, dass die mikroskopisch kleinen Erhebungen, die das Schleifen auf dem Skibelag »stehen lässt«, eine möglichst geringe Anzahl haben sollten. Wobei jede der Erhebungen eine möglichst große Fläche aufweisen sollte. Auch bestimmte Füllstoffe, die den Skibelag härter und weniger leitfähig für Wärme machen, verringern die Reibung.

nach oben 

Nicht-empirisches Viskositätsmodell aus Molekulardynamik Simulationen

08.05.2020

© Fraunhofer IWM
Abb. 1: Skalierung der Viskosität η mit η_0=1.5k_B T/(Φ〈r〉^2 √(π〈a〉 )) als Funktion der Dichte ρ mittels molekularer Strukturgrößen: Kettenflexibilität Φ, mittlerer Molekülabstand 〈r〉 und -querschnitt 〈a〉. Farben entsprechen verschiedenen Alkanen (rot: n-Dodecan, orange: n-Hexadecan, grün/hellblau/ dunkelblau: Polyalphaolefine C10-Dimer/ -Trimer/ -Tetramer).

Dr. Kerstin Falk

Zur optimalen Auslegung geschmierter tribologischer Kontakte ist die Kenntnis der Schmierstoffeigenschaften unter den im belasteten Kontakt vorherrschenden Bedingungen notwendig. Empirische Formeln zur Vorhersage der Viskosität, wie Barus oder Roelands, werden üblicherweise an experimentelle Werte im Normaldruck-Bereich angefittet und zu höheren Drücken extrapoliert. Für die in Reibkontakten lokal auftretenden extremen Pressungen (im GPa Bereich) können sie allerdings versagen. Ebenso fehlt bisher eine korrekte Beschreibung des Einflusses von Spalthöhe und Grenzflächeneigenschaften auf die Rheologie in engen Spalten, die auf Grund des Trends zu dünnflüssigeren Ölen immer wichtiger werden.

Um die Vorhersage von Schmierstoffeigenschaften zu verbessern, kommen am Fraunhofer IWM Molekulardynamik Simulationen zum Einsatz. Diese erlauben einerseits die numerische Berechnung von Schmierstoffeigenschaften unter kontrollierten tribologischen Bedingungen (z.B. Druck- und Temperatur, Scherraten und nanoskalige Spaltgröße). Andererseits ermöglicht die atomistische Simulation auch eine mikroskopische Betrachtung der Schmierstoffstruktur und -dynamik. Dadurch können Struktur-Eigenschaft Beziehungen identifiziert werden, die Materialgrößen wie etwa die Viskosität mit atomistischen Größen verknüpfen, und so physikalisch basierte Konstitutivgesetze für die makroskopische Modellierung liefern.

© Fraunhofer IWM
Abb. 2: Um zukünftig auch die Rheologie in engen Spalten korrekt modellieren zu können, werden aktuell die Abhängigkeit der Viskosität η(h) von der Spaltgröße, sowie Schlupfeffekte (d.h. v_slip>0) mittels Molekulardynamik untersucht.

Ein mit diesem Ansatz erarbeitetes Hochdruck-Viskositätsmodell wurde nun in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht [1]. In dieser Arbeit wurde für kohlenwasserstoffbasierte Schmierstoffe ermittelt, welche molekularen Größen die Viskosität bestimmen. Neben der Schmierstoffdichte und Temperatur, sind dies im Wesentlichen drei molekulare Strukturgrößen: der mittlere effektive Moleküldurchmesser, der mittlere Abstand zwischen benachbarten Molekülen, sowie die Flexibilität der Alkanketten (siehe Abb.1). Diese Größen sind weitgehend unabhängig von der Dichte und können daher alle aus einer einzigen Molekulardynamik Simulation bei beliebiger Dichte -- beziehungsweise Druck, z.B. Normaldruck -- bestimmt werden. Zusammen mit einer akkuraten Zustandsgleichung für Druck, Temperatur und Dichte ergibt sich mit wenig Aufwand ein parameterfreies Viskositätsmodell, das auch als Konstitutivgesetz in Reynoldssolver implementiert werden kann.

 

[1] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.105501

nach oben 

Die Tribologie von Graphenkeramik bewerten

27.04.2020

© Fraunhofer IWM
Abb. 1: Reibwertverläufe von verschiedenen tribologischen Systemen mit graphenhaltigen SiC-Stiften (orange und rot) im Vergleich zum nicht-graphenhaltigen Referenzsystem (blau) (oben); Oberfläche des graphenhaltigen Stifts nach tribologischer Beanspruchung im wässrigen Medium (unten).

Dr. Bernadette Schlüter

Die Kohlenstoffmodifikation Graphen ist für Anwendungen in der Tribologie sehr interessant, weil sie die Mikrostruktur von Werkstoffen verstärkt. Graphene führen zu einer chemischen Passivierung, sodass sowohl die Reibung als auch der Verschleiß erheblich sinken. Auch keramische Werkstoffe lassen sich mit Graphenen verstärken. Entsprechend zeichnen sich diese Keramiken durch eine deutlich verbesserte Festigkeit und Verschleißbeständigkeit im Vergleich zu nicht-graphenhaltigen Varianten aus. Im Rahmen eines M.ERA-NET-Projekts entwickelt das Fraunhofer IWM tribologische Systeme mit SiC-GraphenNanokompositen für Anwendungen unter Medienschmierung und bewertet ihre technische Nutzbarkeit für Gleitlager sowie Gleitringdichtungen. Durch die verminderten Energieverluste im Betrieb dieser Komponenten, beispielsweise in Pumpen, lassen sich die Lebensdauer, Belastbarkeit und damit die Zuverlässigkeit der technischen Systeme verbessern.

Untersuchung der Reib- und Verschleißentwicklung im Modellversuch

Mit Stift-Scheibe-Versuchen wurden am Fraunhofer IWM die Reib- und Verschleißentwicklungen von graphenhaltigen SiC-Keramiken in Wasser untersucht. Die Graphene wurden an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg zum Beispiel aus gemahlenem Graphit oder thermisch reduziertem Graphitoxid gewonnen und anschließend zu Keramikkompositen für die Stifte verarbeitet. Die Scheiben bestehen aus einer industriellen SiC-Keramik. Aus Abbildung 1 oben gehen die ermittelten Reibwertverläufe von verschiedenen tribologischen Systemen hervor. Die Ergebnisse zeigen, dass sich in Abhängigkeit vom gewählten Herstellungsverfahren der Graphene sowie vom Füllgrad verschiedene tribologische Eigenschaften einstellen: Einige der Keramiken führen zu einer deutlichen Reduktion der Reibung und des Verschleißes im Vergleich zum Referenzsystem aus SiC ohne Graphen. Wie die Oberflächenanalysen mit REM (Abbildung 1 unten), AFM und Raman-Spektroskopie im Verbund mit atomistischen Simulationen bestätigen, sind die dünnen Kohlenstoffschichten, die sich auf den Oberflächen im Gleitkontakt ausbilden, die Ursache für die verminderte Reibung. Infolge der geringen eingebrachten Reibleistung ist ebenfalls der Verschleiß niedrig. Somit wird anhand der Ergebnisse ersichtlich, dass graphenhaltige SiC-Keramiken ein großes Einsatzpotenzial für mediengeschmierte Gleitkontakte in Pumpen haben.

nach oben 

Archiv: Ältere Beiträge

2018-2019