MikroTribologie Centrum μTCAktuelles
Verleihung des Werkstoffmechanikpreis 2018 an M.Sc. Natalie Oberle durch den Kuratoriumsvorsitzenden des Fraunhofer IWM Dr. Jürgen Kirschner, Robert Bosch GmbH.
Den mit 3000 Euro dotierten Werkstoffmechanikpreis 2018 der Rheinmetall Automotive AG erhielt M.Sc. Natalie Oberle für ihre Masterthesis im Bereich der Tribologie mit dem Titel: In-situ Bestimmung tribologisch induzierter Wasserstoffpermeation mit elektrochemischen Methoden. Die Auszeichnung verleiht das Preiskomitee des Kuratoriums des Fraunhofer IWM jährlich als Nachwuchspreis für hervorragende wissenschaftliche Leistungen auf dem Gebiet der Werkstoffmechanik.
Die Simulationen im Forschungsprojekt »Ab-initio-Untersuchung von Grenzflächen: Eigenschaften und Reaktionen« benötigen enorme Computer-Rechenzeit: Die virtuellen Untersuchungen molekularer Reibungs- und Verschleißprozesse an unterschiedlichen Kohlenstoffhartschichten bis hin zu sonnengetriebenen quantenchemischen Reaktionen an Oberflächen neuer Halbleitermaterialien benötigen Millionen von Prozessorstunden. »Seit nunmehr 15 Jahren nutzen wir die Supercomputer am John von Neumann-Institut für Computing, NIC, für derartige Berechnungen mit und erweitern damit die Kapazitäten an unserem Institut enorm«, erläutert Prof. Michael Moseler, Leiter der Gruppe »Multiskalenmodellierung und Tribosimulation« des Fraunhofer IWM, MicroTribologie Centrum µTC. Das NIC, das als Einrichtung dreier Helmholtzzentren Supercomputer-Rechenzeit für Forschungsprojekte bereitstellt, zeichnete das Projekt als »John von Neumann Exzellenzprojekt« aus und stellte den Simulationsexpertinnen und -experten großzügige zusätzliche Rechenzeit zur Verfügung.
»Wir forschen zurzeit an pfiffigen Katalysatoren, die mit Sonnenenergie Wasserstoff aus Wasser produzieren«, so Moseler. Damit soll dann mit dem Kohlendioxid aus Abgasen von Fabrikanlagen der synthetische Kraftstoff Oxymethylenether OME hergestellt werden. »Das wäre dann schon in der Herstellung ein großer Beitrag zur CO2-neutralen Mobilität und hätte später ebenso bei der Nutzung des Kraftstoffs im Fahrzeug Vorteile, denn OME verbrennt rußfrei«, sagt Moseler. Für die Wasserstoffproduktion und die Weiterverarbeitung zu flüssigen Kraftstoffen betrachtet er unterschiedliche Elektroden- und Katalysatormaterialien um Vorhersagen für besonders effiziente Lösungen treffen zu können. Hierbei stellt Moselers Gruppe das Valenzelektronensystem der betrachteten Materialien mittels quantenmechanischen Simulationen nach. Aus den Ergebnissen lassen sich die elektronischen und mechanischen Eigenschaften der betrachteten Grenzflächen vorhersagen. »Damit untersuchen wir, was an Oberflächen von Materialien passiert, wenn beispielsweise Sonnenenergie darauf einwirkt oder sich Edukte während der Kraftstoffsynthese daran anlagern oder wir untersuchen, wie eine Oberfläche bei Reibung mit einer Gegenfläche reagiert, zum Beispiel bei Lagern in Automotoren«, erklärt der Materialforscher.
Mit diesen Untersuchungsmethoden ist die Gruppe von Moseler weltweit führend. In Industrieprojekten der Automobilbranche entwickelt sie Lösungen, um neuartige Schmierstoffe an die Beschichtungen von Motorzylinder-Bauteilen anzupassen oder deren Kohlenstoff-Beschichtungen zu optimieren. Auch in diesen Themen stecken enorme Potenziale, den CO2-Ausstoß in der Mobilität zu verringern: Je weniger Reibung in den Motoren auftritt, desto weniger Treibstoff wird für die gleiche Fahrstrecke benötigt.
Kontakt:
Prof. Dr. Michael Moseler
Telefon +49 761 5142-332
Die Oberflächen technischer Werkstoffe werden durch Kräfte und chemische Substanzen, welche im letzten Bearbeitungsschritt der Fertigung einwirken, maßgeblich beeinflusst. Die Wirktiefe der Endbearbeitung liegt zwischen wenigen Nanometern bis zu circa zehn Mikrometern. In diesen Bereichen gibt es eine zum Grundgefüge veränderte Morphologie sowie eine modifizierte chemische Zusammensetzung, die das Reib- und Verschleißverhalten im Grenz- und Mischreibungsbereich des Tribokontakts bestimmen. Die betrachtete Werkstoffpaarung, St52-3 gegen AlSi10Mg, entspricht dem Werkstoffsystem einer Nockenwellenlagerung. Die Lagerung im Aluminium wurde durch Drehen hergestellt, während die Welle durch Polymerläppen konditioniert wurde.
Bei den durchgeführten Untersuchungen wurde das Polymerläppen mit einer Druckvariation von 1 bis 4 bar beurteilt, was einem Gesamtenergieeintrag von 480 bis 1200 J entspricht. Bei Drücken von 3 bis 4 bar war dieser druckinduzierte Energieeintrag ausreichend groß, um ein stabiles Einlaufverhalten mit kleinen Reibwerten und geringem Verschleiß im Grenz- und Mischreibungsbereich herzustellen. Im Gegensatz dazu war der Energieeintrag mit einem Läppdruck von 1 bis 3 bar zu gering. Dies führte zu einer doppelt so großen Reibung und erhöhtem Verschleiß beziehungsweise zum Fresser. Der Zusammenhang zwischen Energieeintrag und dem sich dadurch einstellenden Reib- und Verschleißverhalten wurde anhand zweier Charakteristika des oberflächennahen Werktoffbereichs nachvollzogen. Zum einen waren dies die Tiefe des durch Kornverfeinerung verfestigten, oberflächennahen Gefügebereichs und zum anderen die Adsorption einer organischen Grenzschicht. Zwischen Energieeintrag und erreichter Tiefe mit verfeinertem Gefüge besteht ein linearer Zusammenhang.
Portrait: Dr. rer. nat. Christian Greiner
Am KIT Teil des µTC untersucht Dr. Christian Greiner, wie sich Metalle in Reibkontakten verhalten. Ziel seiner Arbeiten ist es durch die Reduzierung von Reibung und Verschleiß den Verbrauch an Energie und Rohstoffen zu verringern. Der Europäische Forschungsrat (European Research Council – ERC) hat Dr. Greiner nun mit einem Consolidator Grant ausgezeichnet und fördert ihn in den kommenden fünf Jahren mit zwei Millionen Euro.
Die Forscher um Dr. Greiner werden dazu in einem einmaligen Ansatz Reibexperimente mit Methoden der zerstörungsfreien Prüfung sowie mit Data Science-Algorithmen und hochauflösender Elektronenmikroskopie koppeln. Ziel des Projekts ist es, Leitlinien zur Entwicklung von Materialien mit maßgeschneidertem Reib- und Verschleißverhalten aufzustellen.
Die Einlaufzeit zweier geschmierter, unter Belastung stehender Körper in Relativbewegung ist entscheidend für das Erreichen von niedrigen Reibungskoeffizienten und ultrakleinen Verschleißraten. Während des Einlaufs kommt es zu Veränderungen der Topographie, der chemischen Zusammensetzung und der Mikrostruktur der Randzone. Am µTC wurden Untersuchungen zum Einlaufverhalten von 2 Stählen unterschiedlicher Härte durchgeführt. Geschwindigkeit und Normalkraft wurden mit dem Ziel variiert, einen optimalen Einlaufpunkt zu finden und dabei Verschleißraten im Bereich von wenigen Nanometern pro Stunde zu erreichen.
Der Fokus der Analysen wurde auf die mikrostrukturelle und chemische Ausbildung der Randzone sowie die topographischen Veränderungen gelegt. Es sollten Erkenntnisse über die während des Einlaufs ablaufenden mechano-chemischen Vorgänge und deren Einfluss auf das spätere Systemverhalten erlangt werden. Materialanalysen zu verschiedenen Zeitpunkten des Einlaufs wurden mit Hilfe von FIB, TEM, XPS und WLI durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine durch Läppen initial verfestigte Randzone eine deutliche Reduktion von Reibungs- und Verschleißwerten nach dem Einlauf zeigt, wenn der initiale Belastungszustand durch die Erhöhung der Normalkraft in Richtung des Grenzreibungszustandes verschoben ist. Im Gegensatz dazu zeigte ein System, welches poliert wurde, schon bei geringen Normalkräften Instabilitäten und musste bei niedrigen Lasten vorkonditioniert werden. Die Randzone wurde dabei schrittweise, ohne inhomogenes Verhalten zu initiieren, verfestigt.
Homogenes Verhalten der initialen Mikrostruktur bei plastischer Deformation unter der aufgebrachten Belastung ist entscheidend für ein stabiles Einlaufverhalten des Systems. Kann die plastische Deformation im Reibkontakt homogen ablaufen, kommt es unter Scherbelastung zur Ausbildung einer nanokristallinen Randzone, welche das Material verfestigt und verschleißresistent macht. Darüber hinaus zeigte sich, dass der Eintrag von Kohlenwasserstoffen aus dem Schmiermittel in die Randzone, welche dem Mechanismus der mechanischen Vermischung zuzuordnen ist, entscheidend für die Ausbildung kleiner Reibung ist.