Verschleiß in großen Verbrennungskraftmaschinen – ein Thema der Hochtemperaturtribologie
Mit Wasser läuft’s wie geschmiert
Freudenberg Innovation Award 2019
Messung der initialen Vorgänge bei der Entstehnung von Grübchen auf Zahnflanken
Modernes und vielseitiges Beschichtungszentrum
Dr. Dominik Kürten
Unter hohen Temperaturen, wie sie in Kraftwerksmotoren oder in vielen Produktionsprozessen wie Umformen, Zerspanen oder Schleifen auftreten, erreichen flüssige Schmierstoffe schnell ihre Leistungsgrenzen. Komplexe Bauteile oder teure Werkzeuge verschleißen bei hohen Temperaturen daher oft schneller, müssen häufig gewartet und ausgetauscht werden. Um die Zusammenhänge zwischen Beanspruchungsfaktoren und Verschleiß besser zu verstehen, und optimierte Werkstofflösungen beispielsweise für Ventile in großen Gasmotoren zu finden, hat das Fraunhofer IWM in dem Industrieprojekt »Valve Wear« einen maßgeschneiderten Versuchsaufbau entwickelt. Damit können zum ersten Mal Bauteiltemperaturen, Verbrennungsdruck und Atmosphärenzusammensetzung exakt kontrolliert und der Verschleiß am Bauteil quantitativ bestimmt werden. Mit den Messungen an dem neuen System und den Ergebnissen aus den anschließenden Gefügeuntersuchungen sowie tribochemischen Analysen werden dem Kunden, einem Hersteller von Komponenten großer Verbrennungsmotoren vom Fraunhofer IWM Vorschläge für Werkstoffe gemacht, die ihre Bauteile effizienter, verschleißresistenter und wartungsärmer machen. Die Werkstoff- und Analytikfähigkeiten am Fraunhofer IWM zusammen mit der Möglichkeit, maßgeschneiderte Prüfaufbauten zu realisieren, sind in Deutschland einzigartig.
Abb. 1 Mit dem neu entwickelten In situ-Tribometer lassen sich direkt im Betrieb Verschleiß und Reibwerte von Gleitlagern messen.
Für gewöhnlich benutzt man Schmierstoffe auf Mineralölbasis, um Lager zu schmieren. So wird verhindert, dass Metall auf Metall reibt und die Lager verschleißen. In Deutschland werden jedes Jahr rund eine Million Tonnen Schmiermittel verbraucht. Auch die Herstellung, der Betrieb und die Entsorgung ist bei Öl unter Umweltgesichtspunkten problematisch.
Im Sinne des Umweltschutzes wäre es sinnvoll, Schmierstoffe auf Wasserbasis herzustellen. Doch dagegen spricht bislang, dass Metallteile korrodieren, wenn sie Wasser ausgesetzt sind. Einer Arbeitsgruppe vom Fraunhofer IWM, MikroTribologie Centrum µTC, in Freiburg ist es jetzt gelungen, Wasser mithilfe von Additiven so zu verändern, dass es in Zukunft tatsächlich als Schmierstoff eingesetzt werden könnte. Dr. Tobias Amann und seine Kolleginnen und Kollegen am Fraunhofer IWM konnten damit gleich zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen: Zum einen verbessert sich die Schmierung insgesamt, weil Wasser weniger zähflüssig als Öl ist. Zum anderen wird die Korrosion verhindert.
Im Detail haben die Forscherinnen und Forscher ihr Verfahren an einem Gleitlager entwickelt. Ein solches Lager ähnelt einem Ring, der eine rotierende Welle aus Stahl umfasst. Dieser Ring besteht aus mehreren Schichten, die von außen nach innen folgendermaßen aufgebaut sind: einer Hülse, die das Lager umgibt, einer Schicht aus Aluminium und einer Schicht aus gesintertem Metall, die die Welle umfasst. Der Clou besteht darin, dass die gesinterte, innere Schicht von einem kleinen Kanal durchzogen ist. Damit kann das Wasser zwischen der rotierenden Welle und der äußeren Aluminiumschicht fließen. Diese direkte Verbindung ist entscheidend für den elektrochemischen Prozess. Dieser beruht darauf, dass sich zwischen unedlen Metallen wie Aluminium und edleren Metallen wie Eisen eine elektrische Spannung aufbaut – ganze ohne ein elektrisches Feld von außen anlegen zu müssen.
Abb. 2 Ein neues Gleitlagerdesign mit Wasserschmierung und galvanischer Kopplung, das ohne zusätzlichen Strom die Tribokorrosion verhindert. © Fraunhofer IWM
Diese zwischen dem Aluminium im Gleitlager und dem Eisen in der Welle herrschende elektrische Spannung nutzen die Forscherinnen und Forscher aus, um das Wasser in einen Schmierstoff zu verwandeln. »Wir mischen dem Wasser sogenannte ionische Flüssigkeiten zu«, erläutert Dr. Tobias Amann von der Gruppe Verschleißschutz und Technische Keramik. »Dabei handelt es sich um flüssige Salze, die Anionen und Kationen enthalten.« Im elektrischen Feld richten sich diese Ionen aus und lagern sich auf der Innenseite des gesinterten Metallrings ab – und zwar so, dass ihre Enden nach oben, der rotierenden Welle entgegenragen. So bilden sie eine Art galvanisch hergestellte Schutzschicht, auf der die Welle gleiten kann.
Dass das Verfahren funktioniert, hat das Forscherteam inzwischen zeigen können. Derzeit sind Amann und sein Team auf der Suche nach Industriepartnern, mit denen sie die ionischen Flüssigkeiten noch optimieren wollen. »Eine Herausforderung besteht darin, dass bei der Bewegung der Welle Wärme entsteht, die das Wasser verdampfen lässt«, sagt der Forscher. »Wir wollen jetzt Mischungen von ionischen Flüssigkeiten finden, die dem Verdampfen entgegenwirken.«
Abb. 3 Im galvanisch gesteuerten Reibkontakt lagern sich die ionischen Fluide an die Metalloberfläche an und verbessern so die tribologischen Eigenschaften Reibung und Verschleiß.
Das mit Ionen versetzte Wasser ist nicht nur umweltfreundlicher als Öl. Es trägt zudem dazu bei, Gleitlager noch effizienter zu machen. Amann: »Die Welle gleitet leichter, wenn sie mit Wasser benetzt ist. Deshalb ist der Energieverbrauch im Betrieb geringer, als beim deutlich viskoseren Öl.« Hinzu kommt, dass die Korrosion vermieden wird. Der Sauerstoff aus dem Wasser reagiert normalerweise mit eisenhaltigen Stählen und führt schließlich zum Rosten. Durch das elektrische Feld wird das vermieden.
In ihren beiden vom Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau Baden-Württemberg öffentlich geförderten Projekten hat das IWM-Team zusammen mit Kolleginnen und Kollegen der Uni Freiburg aber noch mehr als das Gleitlager mit elektrochemischem Innenleben entwickelt. Zusätzlich wurde ein neues Messgerät konzipiert – ein sogenanntes In situ-Tribometer – mit dem sich während des Betriebes direkt am Gleitlager der Verschleiß des Metalls und der Reibwert messen und überwachen lassen. Bislang lässt sich der Verschleiß eines Lagers nur messen, wenn man dieses auseinanderbaut und die Oberflächen anschließend begutachtet und vermisst. Das ist zeitraubend. »Mit unserem neuen Tribometer aber wird jetzt eine In-situ-Messung möglich, die nicht nur die Entwicklung geeigneter Schmierstoffe auf Wasserbasis erleichtert, sondern auch eine kontinuierliche Überwachung von Lagern ermöglicht«, betont Amann.
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Prof. Dr. Matthias Scherge
Unter maßgeblicher Beteiligung des Fraunhofer IWM MikroTribologie Centrums konnte ein Team aus Entwicklern und Technikern der Freudenberg-Geschäftsbereiche Freudenberg Technology Innovation, Freudenberg Sealing Technologies, EagleBurgmann und Klüber Lubrication den renommierten Freudenberg Innovation Award gewinnen. Mittels atomistischer Simulation wurde eine schnelle und funktionsfähige Lösung für einen kanadischen Kunden, der Kraftwerke betreibt, gefunden. Die atomistische Simulation ermöglichte den Freudenberg Entwicklern einen tiefen Blick in die Materie. Auf der Ebene von Atomen und Molekülen konnten Materialien und deren Verhalten z.B. in Dichtungssystemen verstehen und gezielt optimieren.
Bild 1: Verzahnungsprüfstand mit angeschlossener Radionuklid Verschleißmessanlage.
Prof. Dr. Matthias Scherge
Zur Analyse von Graufleckigkeit oder ähnlichen Phänomenen wird in der Regel ein länger laufender Test (FZG oder FE8) durchgeführt und die Änderungen der Oberflächen nachträglich untersucht. Mit dieser Art des Vorgehens können die initialen Mechanismen nicht erfasst werden und es besteht die Gefahr, dass die maßgeblichen Vorgänge am Ende der Laufzeit auf Grund von Überlagerungen von diversen Einflüssen nicht mehr eindeutig identifiziert werden können. Daher soll kontinuierliche tribologische Charakterisierung zum Einsatz kommen, um bereits im Frühstadium die maßgeblichen Einflussgrößen zu erfassen. Durch die Kopplung eines Verzahnungsprüfstands mit einer Radionuklid Echtzeitverschleißmessanlage wird hochaufgelöste und kontinuierliche Verschleißmessung möglich, die eine Verfolgung der Schädigungsmechanismen bis zum Totalausfall gestattet
Das Projekt dient der Erarbeitung eines fundierten Mechanismenverständnisses und der Ableitung neuer Strategien zur Problemlösung mittels Stahl- und Ölauswahl sowie Optimierung der Endbearbeitung.
Chargierung eines Formgebungswerkzeugs für die Beschichtung mit einer optisch wirksamen, nanostrukturierten Hartstoffschicht
Dr. Frank Burmeister, Bernhard Blug
Durch den Zusammenschluss der beiden Bereiche »Tribologische Beschichtungen« und »Funktionale Schichtmaterialien« ist am Standort Freiburg ein modernes Beschichtungszentrum mit vielfältigen Möglichkeiten zur Erforschung tribologischer Fragestellungen und Entwicklung innovativer Schichtsysteme entstanden. Die vorhandenen Abscheidetechnologien umfassen dabei sowohl das industriell weit verbreitete, klassische Magnetronsputtern im reaktiven HF-, DC- und DC-Puls-Mode, Ionenstrahlprozesse, Plasmapolymerisation als auch die plasmaassistierte Gasphasenabscheidung (PA-CVD). Dadurch können erstmalig die Stärken der verschiedenen Technologien vorteilhaft miteinander kombiniert werden. So weisen z.B. diamantähnliche Kohlenstoffbeschichtungen (DLC) für viele tribologische Anwendungen gute Verschleißfestigkeiten und niedrige Reibwerte auf. In wässrigen Medien bei höheren Temperaturen kommt es aber oftmals zu Spannungsrisskorrosion. Zudem weisen DLC-Schichten unter hohen Temperaturen wegen ihres geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf metallischen Substraten mit hohen Ausdehnungskoeffizienten Haftungsprobleme auf. Durch das Aufsputtern einer angepassten Hartstoffschicht als Kompatibilisierungsschicht lassen sich jedoch die o.g. Schwierigkeiten umgehen und die Standzeiten von DLC-Beschichtungen z.B. für von Dichtungen und Gleitlagern in wässrigen Umgebungen signifikant erhöhen. Auch können so z.B. überrollfeste Wasserstoffbarriereschichten zur Verhinderung von sogenannten »White Etching Cracks« für Lageranwendungen abgeschieden werden. Umgekehrt eröffnet die Abscheidung schnell wachsender, elektrisch isolierender DLC-Beschichtungen auf metallischen Komponenten neue Möglichkeiten im Bereich der Dünnschichtsensorik. So können z.B. erstmals über Dünnschicht-Thermoelemente die Temperaturen auf der Oberfläche von Formwerkzeugen im Spritzgießprozess lokal und verzögerungsfrei erfasst werden, indem vor der Deposition der metallischen Ni/NiCr-Leiterbahnen eine Isolationsschicht im PECVD-Verfahren auf die Werkzeugoberfläche aufgebracht wird.
In den Sputteranlagen können je nach Erfordernissen Substrate bis max. (300 cm)² bei Temperaturen bis max. 1000°C beschichtet werden. Als Anwendungen zu nennen sind u.a. thermomechanisch stabile Korrosions- und Antiadhäsivbeschichtungen für Formenwerkzeuge für die Glas- und Kunststoffformgebung. Auch anspruchsvolle Aufgabenstellungen wie die heteroepitaktische Abscheidung einkristalliner Iridiumschichten für die Erzeugung von electronic-grade Diamantwafern wurden mit der vorhandenen Anlagentechnik bereits erfolgreich realisiert.
Im Bereich der PECVD-Beschichtungen stehen Anwendungen für den Verschleißschutz und die Lagertechnik im Vordergrund. Alleinstellungsmerkmale sind höchste Ebenheiten und Schichthomogenitäten auch über große Flächen sowie ein Hochrate-Abscheideprozess für DLC-Schichten, der Abscheideraten bis 10 µm/h bei Härten von 3000 HV und 60 µm/h bei 1200 HV erlaubt. Da die Anlagen größtenteils im Eigenbau hergestellt worden sind, können die lokalen Plasma- und Schichtabscheidebedingungen individuell auf kundenspezifische Bauteile angepasst und die geforderten Schichteigenschaften so optimiert werden. Auch der Aufbau von kundenspezifischen Anlagenkonzepten und Konfigurationen ist möglich.
Neben der eigentlichen Beschichtungstechnik steht auch eine umfangreiche Schichtanalytik zur Verfügung, die von mikrostrukturellen und chemischen Charakterisierungsmethoden bis hin zur Bestimmung wichtiger tribologischer Kennwerte (Härte, Reibwerte, Überrollfestigkeit etc.) reicht.
Durch die Konzentrierung der bisher über mehrere Gruppen verteilten Kompetenzen und apparativen Ausstattungen zu Schicht- und Oberflächentechnologien können nun anspruchsvolle Forschungsprojekte noch effizienter realisiert als auch schwierige Kundenanfragen zielgerichteter und erfolgreicher adressiert werden.
MikroTribologie Centrum μTC
