Aktuelle Einblicke in die Arbeit des MikroTribologie Centrums

Aktuelles

Tribologie von abgasbeaufschlagten Systemen bei Temperaturen von bis zu 800°C

17.07.2020

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Abb. 1: Prüfaufbau mit eingebauten Prüfkörpern und geöffnetem Hochtemperaturofen.

Dr.-Ing. Dominik Kürten, Dr. rer. nat. Andreas Kailer

Ein übergeordnetes Ziel der gegenwärtigen Entwicklungen von Verbrennungsmotoren ist die Reduzierung von Emissionen bei gleichzeitiger Leistungssteigerung. Die Aufladung der Motoren mit Turboladern erhöht die Verbrennungsdrücke und das Ladevolumen und erzielt eine Leistungssteigerung. Moderne Motorenkonzepte sehen zur Emissionsreduzierung Wassereinspritzung und zusätzliche Komponenten im Abgasstrang vor. Alle Bestrebungen zur Effizienzsteigerung erhöhen zwangsläufig auch die thermischen, tribologischen, korrosiven und mechanischen Belastungen im Abgasstrang. Umweltfreundliche Verbrennungsmotoren stellen daher höhere Anforderungen an die eingesetzten Bauteile und Werkstoffe.

Experimentelle Untersuchungen sind in den meisten Fällen sehr teuer. Einer der Hauptgründe hierfür sind die aufwendigen Prüfläufe für Komponenten, die zumeist auf der Systemebene oder in Motorprüfungen durchgeführt werden. Zur Untersuchung des Werkstoffverhaltens unter verschiedenen, überlagerten tribologischen, thermischen und korrosiven Einflüssen werden vereinfachte Modellprüfungen benötigt.

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Abb. 2: Welle-Buchse-Paarung im eingebauten Zustand.

Am Fraunhofer IWM MikroTribologie Centrum wurde deshalb ein Prüfstand entwickelt, um die mechanischen und thermischen Einflüsse sowie die Umgebungseinflüsse abgasbeaufschlagter Tribosysteme nachzubilden. Somit können die wesentlichen Einflussfaktoren auf das Reibungs- und Verschleißverhalten einzelner Werkstoffpaarungen unter anwendungsnahen Bedingungen untersucht werden. Innerhalb des Prüfaufbaus können Welle-Buchse-Kontakte geprüft werden wie sie beispielsweise in Abgasklappensystem vorkommen (siehe Abbildung 1). Hierbei können Temperaturen von bis zu 800°C realisiert werden. Der Aufbau kann Relativgeschwindigkeiten von bis zu 50 mm/s bei einem reversierenden Rotationswinkel von maximal 50° erreichen. Zusätzlich können Schwingungen, wie sie auch im realen Betrieb entstehen, mit bis zu 60 Hz überlagert werden. Die Anlage kann bei symmetrischer Belastung Kontaktpressungen von 15 MPa realisieren. Die Reibungsmessung erfolgt über eine Kraftmessdose, welche die auftretenden Reib- und Losbrechmomente hochauflösend erfassen kann. Die Atmosphären in der Prüfkammer können je nach Anwendung eingestellt werden. Geplant ist hier auch eine Erweiterung für Abgasatmosphären, wie sie in Verbrennungsmotoren entstehen.

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Verschleißverhalten von fettgeschmierten Thermoplasten im Ring-Scheibe-Tribometer

10.07.2020

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Abb. 1: Ring-auf-Scheibe Prüfaufbau für Reib- und Verschleißmessungen. Oben links: Prüfkörper, unten links: Probenaufnahme mit Temperiereinheit (RT – 100°C).

Dr.-Ing. Christof Koplin

Kunststoffe werden in der Antriebstechnik – zum Beispiel in Spindel- und Schneckenantrieben – häufig mit Fetten geschmiert, wobei das anfangs eingebrachte Schmierfett während der Lebensdauer des Bauteils für das gewünschte tribologische Einsatzverhalten sorgen muss. Begrenzungen der Einsatzmöglichkeiten von Polymeren ergeben sich aus einem nicht ausreichend hohen E-Modul, einer kritischen Erwärmung des Bauteils durch Aufstauen von Reibwärme und dem Versagen der Schmierung durch Degradation des Schmierstoffs oder des Polymers. Fette haben gegenüber Flüssigkeiten ein anspruchsvolles rheologisches Verhalten. Etablierte tribologische Tests an Kunststoffen verwenden häufig Stift-auf-Scheibe- oder Kugelkontakt-Belastungen. Beide Belastungsformen sind nicht besonders gut geeignet, um die Bewegungsform im Kontakt eines Spindelantriebs darzustellen und um das Langzeitverhalten von Fetten im Modellexperiment zu erproben. Ein sich drehender, mit fettgeschmierter Ring bietet den Vorteil, dass keine Kante dem Kontakt vorauseilt, welche die Fettmasse aufsammelt, weder liegt ein Wälzanteil vor, noch wird eine oszillierende Pressung erzeugt. Das reine Gleiten des Ringes bildet somit sehr gut den Spindelkontakt und dessen Fettschmierung ab, einschließlich des möglicherweise kritischen Aufstauens von Reibwärme.

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Abb. 2: getrocknetes PA46 wurde öl- und fettgeschmiert für Polyalkylenglykole mit deutlich unterschiedlicher Polarität (p: polar, u: unpolar) untersucht. Der gemessenen Verschleißrate wurden zughörige Haftreibungswerte und Energien gegenübergestellt.

Ein universell einsetzbares Modellexperiment setzt voraus, dass Prüfkörper für eine Vielzahl von Kunststoffen einfach hergestellt werden können. Hierfür wurden ringförmige Kunststoff-Prüfkörper mit 15 mm Außendurchmesser bei einer Mindeststärke von 3mm gewählt, die am Institut effektiv über Mikrowasserstrahlschneiden aus Campus-Zugstäben entnommen werden können. Diese liegen in der Regel für die Kunststoffcharakterisierung für jedes technisch genutzte Material vor.

Das Verhalten von ölgeschmierten Kunststoffen ist im Vergleich mit fettgeschmierten insoweit besser verstanden, als dass man weiß, dass spreitende Systeme mit Werten <=5mN/m in der Regel eine geringe Grenzreibung und geringen Adhäsivverschleiß zeigen. Ebenso ist es typisch, dass eine thermische Auslagerung des Systems mit zunehmender Interaktionsenergie mit Werten <=5mN/m zu einem erhöhten Verschleiß des Polymers führen kann. Vergleicht man das tribologische Verhalten von zwei mit Grundölen geschmierten Systemen mit dem Verhalten der Systeme, die mit den aus den Grundölen gewonnenen Fetten geschmiert wurden, wird deutlich, dass die Bewertung der Fettschmierung ungleich komplexer ist. In diesem Fall vermindert ein besser spreitendes Schmieröl unter Umständen die erwünschte Bulk-Verscherung des Fettfilms durch ein aus dem Fett austretenden dünnen Ölfilm.

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Abb. 3: in Öl ausgelagertes PA46 wurde öl- und fettgeschmiert für Polyalkylenglykole mit deutlich unterschiedlicher Polarität (p: polar, u: unpolar) untersucht. Der gemessenen Verschleißrate wurden zughörige Haftreibungswerte und Energien gegenübergestellt.

Mit dieser Methode können in Zukunft die Fragen zur optimalen Systemwahl, des Einlauf- und Degradationsverhaltens und der Wirkung von Temperatur mit dem Schwerpunkt Spindel- und Schneckenantriebe untersucht werden. Für das Verhalten von Fett gibt es noch viele offene Fragen, die in diesem Prüfaufbau behandelt werden können.

 

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Entwicklung von überrollfesten Diffusionsbarrieren

03.07.2020

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Abb. 1 a): Fotographie der Lauffläche des Wälzlagers nach einem Ausfall durch die Bildung von Ausbrüchen in der Lagerlaufbahn.

Lukas Gröner, Dominik Kürten, Frank Burmeister, Bernhard Blug

Wälzlager in Windkraftanlagen müssen für einen wirtschaftlichen Betrieb eine extrem lange Lebensdauer aufweisen. Häufig wird die Lebensdauer jedoch durch die Ausbildung von „white etching cracks“ (WEC) begrenzt. Dabei beruht die Namensgebung auf der im Lichtmikroskop sichtbaren, weißen Verfärbung an den Rissflanken nach dem Ätzen mit Nital. Nach gegenwärtigem Kenntnisstand handelt es sich dabei höchstwahrscheinlich um Anlagerungen von nano­kristallinem Ferrit innerhalb der martensitischen Matrix unterhalb der Wälzkontaktfläche. Lagerschäden aufgrund von WECs werden oft auch als ”brittle flaking” bezeichnet. Der für die Schadensbildung verantwortliche Wasserstoff wird infolge tribologischer Belastungen und tribochemischer Reaktionen zwischen dem Schmierstoff und der Lageroberfläche gebildet und lagert sich im Bereich der maximalen Vergleichsspannung unterhalb der Wälzkontaktfläche im Werkstoffgefüge an. Typische Schadensbilder zeigen unterhalb der Lagerlaufbahn weit verzweigte Rissnetzwerke, welche zu Ausbrüchen mit teilweise tiefen Kratern in der Laufbahn führen können. Damit dieser Defektmechanismus unterbunden wird, muss der Werkstoff vor Wasserstoffeindiffusion und damit einhergehender Versprödung geschützt werden. Gleichzeitig muss auch ein Schutz vor tribologischen Belastungen gewährleistet sein. Eine Möglichkeit dazu stellen Hartstoff-Beschichtungen dar, die gleichzeitig überrollfest sein und über eine hohe Barrierewirkung gegenüber Wasserstoffeindiffusion verfügen müssen.

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Abb. 1 b): Weißlichtinterferometrie der Lagerlaufbahn.

Am MikroTribologie Centrum wird diese Thematik bereits seit einigen Jahren intensiv erforscht. So wurde die vorhandene Analytik zu wasserstoffinduzierten Schädigungen in den letzten Jahren aufgrund des großen Bedarfes stark ausgebaut. In Wasserstoff-Autoklaven und tribologischen Prüfständen können Materialien gezielt Wasserstoffatmosphären und Schmierstoffen ausgesetzt werden und die Schädigung anschließend über unterschiedlichste metallographische Verfahren sichtbar gemacht werden. Eines der Highlights dabei ist der im Centrum entwickelte Wälzlagerprüfstand für axiale Zylinderrollenlager. Dieser ist mit einer akustischen Schadensdetektion ausgerüstet und verfügt so über die Möglichkeit, auftretende Lagerschäden während des Versuchs zu erkennen und Abschaltkriterien für die Versuche zu definieren. Nachgelagerte Wasserstoffanalysen der Lagerkomponenten zeigen die Änderungen der Wasserstoffgehalte infolge der Versuchsführung. Mittels Schmierstoff- und Oberflächenanalysen der Lager können tribochemische Reaktionen, welche zur Wasserstofffreisetzung der Schmierstoffe führen, identifiziert werden.

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Abb. 2: Beschichtete Lauffläche eines Wälzlagers.

Um die Anwendungstauglichkeit von Schichten zu untersuchen, können im hauseigenen Beschichtungszentrum sowohl über PVD- als auch über CVD-Techniken µm-dünne Schichten auf den Laufflächen abgeschieden und auch kombiniert werden. So werden derzeit PVD-Beschichtungen mit spezieller Mikrostruktur und guten Barriereeigenschaften gegenüber Wasserstoff mit diamantähnliche Kohlen­stoffschichten (DLC), die sich durch gute tribologischen Eigenschaften auszeichnen, kombiniert und hinsichtlich Ihrer Schutzwirkung untersucht.
Zur Analyse der Wasserstoffdiffusion durch metallische Werkstoffe und dünne Schichten existieren Permeations­prüfstände, welche entweder die Diffusion aus der Gasphase oder aus elektrochemisch erzeugtem Wasserstoff analysieren. Dadurch kann die Barrierewirkung von Schichten untersucht und quantifiziert werden.
Das MikroTribologie Centrum ist so hervorragend aufgestellt, um wasserstoffinduzierte Schadensfälle zu analysieren und zusammen mit industriellen Partnern anwendungstaugliche Lösungen für o.g. Problemstellungen zu erabeiten.

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Die Zwillingsgrenze als Zeuge für ansonsten verborgene Prozesse

26.06.2020

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Abb. 1: RTEM-Hellfeld-Bild einer tribologisch verformten Mikrostruktur nach einem einzigen Gleitdurchgang in der Nähe einer Zwillingsgrenze.

Christian Haug

Seit Jahrzehnten ist bekannt, dass durch Versetzungen akkommodierte plastische Verformung den Reibungskoeffizienten beeinflusst. D.h. es gibt eine Rückkopplung zwischen der tribologische Belastung, der von ihr verursachten mikrostrukturellen Änderungen und den Eigenschaften des tribologischen Systems; namentlich Reibkraft und Verschleiß.

Die diesen Vorgängen zugrunde liegenden elementaren Verformungsmechanismen sind jedoch nicht ausreichend genug verstanden, um systematische Material- und Mikrostrukturentwicklung betreiben zu können. Dies gilt insbesondere für die frühen Stadien der tribologischen Belastung. In der vorliegenden Arbeit wurde daher die Initiierung einer tribologisch induzierten Mikrostruktur in der Nähe einer Kupfer-Zwillingskorngrenze untersucht. Nach nur einer Überleitung einer Kupferprobe mit einer Saphirkugel wurden in der Nähe der Zwillingsgrenze zwei horizontale Diskontinuitäten – dislocation trace lines (DTL) - beobachtet. Die DTL-Bildung wird durch das Vorhandensein der Zwillingsgrenze nicht beeinflusst. Die Zwillingsgrenze kann daher als als Indikator für die auftretenden Verformungsmechanismen dienen. Es wurden drei gleichzeitige Elementarprozesse identifiziert: 1. Eine einfache Scherung des gesamten Materials zwischen der tribologische belasteten Oberfläche und der unteren DTL. 2. Eine stark lokalisierte Scherung auf der Ebene der unteren DTL und 3. Eine Kristallrotation des Materials oberhalb der unteren DTL um eine Achse senkrecht zur Gleitrichtung. Eine systematische Kristallorientierungsanalyse basierend auf hochauflösender Elektronenmikroskopie zeigt eine starke Kompatibilität dieser drei separaten Elementarmechanismen. Außerdem zeigt sich die enorme Stabilität und Reproduzierbarkeit der Bildung einer, oder gar mehrerer, DTL(s).

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Abb. 2: Kristallorientierungsanalyse der tribologisch verformten Mikrostruktur nach einem einzigen Gleitdurchgang in der Nähe der Zwillingsgrenze.

Die so beobachtete Mikrostruktur kann als Vorläufer des Gefüges zu späteren Zeitpunkten in der Lebensdauer eines tribologischen Kontaktes angesehen werden. Sowohl die grundsätzliche Identifizierung als auch die quantitative Trennung dieser verschiedenen Verformungsmechanismen liefert einen unschätzbaren Beitrag zur Modellierung der Versetzungsbewegung in tribologische Kontakten. Eine zusätzliche Modellierung der damit verbundenen Versetzungstransportprozesse könnte weitere Einblicke oder gar die quantitative und prädiktive Simulation von Reibung und Verschleißprozessen ermöglichen.

Link zur Publikation in Nature Communications

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Abriebbeständigkeit von mediengeschmierten Elastomer-Stahl Paarungen

19.06.2020

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Abb. 1: links: Schematische Darstellung der Belastungsanordnung; mitte: Reibpartner mit drei Stahlkugeln; rechts: mit Fett beschmierte Elastomerprobe.

Dr. Bernadette Schlüter

Die Lebensdauer von Elastomerdichtungen wird häufig durch deren Abriebbeständigkeit in Anwesenheit von Schmierstoffen bestimmt. Eine erste Selektion der Materialpaarungen findet durch Quellungsversuche statt. Während der Materialentwicklung und Auswahl geeigneter Schmiermittel ist es jedoch wünschenswert, erste Aussagen zum Abriebverhalten anhand von kleinen Proben und beschleunigten Messverfahren zu erhalten. Mit unserem 3-Kugel Abrasionsprüfstand, der speziell für die Untersuchung von Elastomermaterialien entwickelt worden ist, sind neben trockenen Tests auch Fett- oder ölgeschmierte Untersuchungen möglich.

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Abb. 2: Reibspuren nach 14400 Umdrehungen bei 30N und 60U/min für unterschiedliche Schmierungszustände.

Erste Ergebnisse zeigen, dass die trockene Belastung im Vergleich die höchsten Reibwerte und Verschleißphänomene aufweist, während die Belastung mit drei ausgewählten Basisölen (mit ähnlicher Viskosität) kaum noch Verschleiß verursacht. , Bei den zu den Basisölen gehörenden Fetten konnte – abhängig vom Fett – das Versagen der Schmierung und der Übergang zum Hochverschleiß beobachtet werden (Abbildung 2). Generell gilt, dass bei der Variation der Schmierung eine Erhöhung des Reibwerts eine Erhöhung des Verschleißes mit sich bringt, die Tendenz der Verschleißraten bei verschiedenen Ölen und Ihren Fetten mit Bezug zu Ihren Basisölen gleich bleibt (Abbildung 3).

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Abb. 3: Verschleißrate im Vergleich zum Reibwert µ für 3 verschiedene Öle und deren Fette.

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