Aktuelle Einblicke in die Arbeit des MikroTribologie Centrums

Aktuelles

Einfluss von Graphen/PTFE auf die Belastbarkeit und Lebensdauer von Gleitlacken

20.02.2020

© Fraunhofer IWM
Abb1: REM-Aufnahmen von a) PUL+2% Graphen, b) EPL+10% PTFE und c) EPL+2% Graphen/10% PTFE. Die hellen weißen Bereiche zeigen das PTFE, die hellgrauen Strukturen in c) zeigen das Graphen. Die dunklen Bereiche sind die Lackmatrix.

Dr. Bernadette Schlüter

Gleitlacke haben gegenüber flüssigen Schmierstoffen einige Vorteile: Sie können bei höheren Temperaturen sowie unter trockenen Bedingungen eingesetzt werden. Allerdings besteht allgemeiner Entwicklungsbedarf von Gleitlacken, um die Belastbarkeit und Lebensdauer zu erhöhen. Dies kann durch einen geringeren Verschleiß der Lacke bei niedriger Reibung und reduzierter Schichtdicke ermöglicht werden. Seit längerem ist Polytetrafluorethylen (PTFE) als Reibminderer in Gleitlacken Stand der Technik. Zudem ist bekannt, dass Graphennanopartikel Polymere mechanisch verstärken und die Leitfähigkeit erhöhen können.

© Fraunhofer IWM
Abb2: Verschleißrate der unterschiedlichen Lacksysteme mit PTFE und verschiedenen Graphentypen. Bei PUL und EPL-Lacken senkt besonders der Graphentyp SE1233 den Verschleiß.

Im Rahmen einer Zusammenarbeit der Fraunhofer Institute IFAM und IWM wurden Polyurethan und Epoxidharze (lösemittelhaltig und wässrig) sowohl mit Graphen zur mechanischen Verstärkung als auch mit PTFE als Reibminderer modifiziert und qualifiziert. Die Herstellung der Gleitlacke wurde so optimiert, dass sich eine sehr gute Haftfestigkeit und eine sehr homogene Verteilung der Füllstoffe in der Polymermatrix ergaben. In tribologischen Untersuchungen wurden die entwickelten Gleitlacke hinsichtlich des Reibverhaltens, der Abriebbeständigkeit sowie auch im Vergleich zu kommerziellen Gleitlacken bewertet. Die neu entwickelten, modellhaften Gleitlacksysteme (PUL und EPL) zeigten sehr gute tribologische und mechanische Eigenschaften. Je nach Graphentyp und Lackmatrix konnte der Verschleiß um bis zu 50% und der Reibwert um bis zu 35% verringert werden. Zudem wurde die Leitfähigkeit der Lacke deutlich erhöht. Somit ergibt sich durch die Kombination von Graphen und PTFE als Füllstoffe die Möglichkeit einer wesentlichen Verbesserung der Belastbarkeit und Lebensdauer.

Die Arbeiten wurden durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages über die deutsche Forschungsgesellschaft für Oberflächenbehandlung e.V. im Rahmen des IGF Vorhaben Nr. 19322N gefördert. (Laufzeit: 01/2017 - 12/2019)

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Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Schmierstoff-Kunststoff-Wechselwirkungen und mechanischen sowie tribologischen Eigenschaften zur verbesserten Materialauswahl

19.02.2020

© Fraunhofer IWM
Abbildung 1: Die thermische Auslagerung von Thermoplasten in verschiedenen Schmierstoffen wird unter verschiedenen Umgebungsbedingungen durchgeführt.

Dr.-Ing. Christof Koplin

Trotz langjähriger Untersuchungen und umfangreicher Kenntnisse zum tribologischen Verhalten von Kunststoffen bei Firmen aus dem Bereich der Antriebstechnik kommt es immer wieder zu unerwarteten Ausfällen mit den damit verbundenen Folgekosten. Ursachen hierfür sind häufig Änderungen der Additivpakete der Kunststoffe durch Rohstoffhersteller (ohne dass diese den Kunden in jedem Fall angezeigt werden), die Verwendung neuer Kunststoffmaterialien, die Verwendung anderer Schmierstoffe, die große Variationsbreite von Stand- und Betriebszeiten (z.B. im PKW) oder extreme thermische Belastungen im Betrieb. Es ist bekannt, dass Schmierstoffe und Polymere miteinander wechselwirken und sich deren Eigenschaften dadurch massiv ändern können. Die hierbei wirkenden chemisch-physikalischen Vorgänge sind bisher ungenügend verstanden. Insbesondere ist unklar, wie sich Änderungen der Polymereigenschaften auf das tribologische Verhalten auswirken.

Um die Sicherheit bei der Materialauswahl zu erhöhen und den Anwendern längere Einsatzdauern zu garantieren, besteht seitens der Wirtschaft der Wunsch nach einem vertieften Verständnis der physikalischen und chemischen Wechselwirkungen zwischen Schmierstoff und Kunststoff in Hinblick auf deren Auswirkungen auf das tribologische Verhalten und die Lebensdauer von Kunststofflagern und -verzahnungen. Weiterhin besteht der Wunsch, durch aussagekräftige, praxistaugliche und möglichst einfache Prüfverfahren die Auswahl der Kunststoffmaterialien und der Schmierstoff-Kunststoff-Kombinationen zu qualifizieren, um das Risiko des Ausfalls von Bauteilen und die damit verbundenen Regressforderungen zu minimieren.

Abbildung 2: Die Spreitungsneigung eines Schmierstoffs zwischen 2 adhäsiven Gleitpartnern, welche die adhäsive Reibung reduziert, wird über die Interaktionsenergie Wspreading beschrieben und die Interaktionsneigung zwischen Thermoplast und Schmierstoff, die zur Quellung des Polymer oder dem Lösen von Polymer führen kann, wird Wsolving genannt.

Ziel des Projektes ist es, Basiswissen zu den Wechselwirkungen zwischen Polymeren und Schmierstoffen zu erarbeiten und hieraus einfache Kriterien für die Identifizierung kritischer Schmierstoffkomponenten und die Auswahl geeigneter Kunststoff/Schmierstoff-Paarungen abzuleiten.

Im Rahmen einer Zusammenarbeit der Fraunhofer Institute LBF und IWM werden durch die Kombination physikalischer und chemischer Charakterisierungsmethoden mit tribologischen Versuchen, die für das tribologische Verhalten von Kunststoffen relevanten Kunststoff/Schmierstoff-Wechselwirkungen identifiziert. Die Erkenntnisse sollen in Modellen zusammengefasst werden.

Das IGF-Vorhaben 20375 N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e. V. (FVA) wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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Fundamentals of lubricated friction in deep drawing of zinc coated sheet metal considering contacting surface structure and morphology

05.02.2020

© Fraunhofer IWM
Fig. 1: Focused Ion Beam images before and after drawing.

Manitra Rakotomahefa, Prof. Dr. Matthias Scherge

This Doctoral Thesis resulted from a collaboration with thyssenkrupp and was successfully defended on Thursday, Jan 30, 2020.

The work is dedicated to tribological system in deep drawing, more precisely to zinc coated sheet metal steel and tool steel with liquid lubricant at room temperature. In particular, the main focus is the connection between frictional and wear behaviors of the tribosystem and the composition and topology of the contacting surfaces. This is based on the general hypothesis that is friction and wear are the results of adhesion and ploughing. The investigation follows a modular experimental framework combining tribological experiments, surface analyses and mechanical testing. As an onset, the first part consists of a large overview of the main approaches for the characterization of friction and wear, the theory of friction mechanics as well as the existing friction modeling approaches, and characterization of wear including concept of third body. This is followed by the description of the applied methodology and materials for the investigation. The next parts present the results of the experiments which constitutes the main part of the work. In the first instance, the influence of surface topology on friction is considered. While topography of the surface of the used tool depends mostly on the type and quality of the finishing process, that of sheet metal surface depends considerably on skin-pass rolling. The outcome of the investigation allowed to identify important characteristics of the surfaces that play an important role in the frictional behavior of the corresponding tribosystem. To do so, sheet metal from coil that was subject to different skin-pass levels as well as tools with different surface finish were tested in strip drawing and pin-on-disk tests. In the second instance, the role of sheet metal surface structure in friction and wear constitutes another major part of the work. Related to that, comparison of two different types of zinc coating enabled to see that a small change in the chemical composition of the zinc coating can bring about substantial difference of friction and wear behavior of the corresponding tribosystem. This also allows to understand more the main mechanics that govern friction in deep drawing. For the study, pure zinc coating and zinc-magnesium coating are employed. Strip drawing and pin-on-disk tests are extensively performed along with surface analysis, topography measurement and mechanical testing.

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Christian Greiner mit Adolf-Martens-Preis geehrt

31.01.2020

Auf einer Festveranstaltung der BAM in Berlin-Steglitz wurden Ende 2019 drei junge Nachwuchswissenschaftler mit dem Adolf-Martens-Preis für 2018 geehrt. Unter ihnen war unser µTC Gruppenleiter Dr. Christian Greiner. Herzlichen Glückwunsch!!!

 

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ProgMatCon2020 – International Conference on Programmable Materials

24.01.2020

© Fraunhofer IWM

“ProgMatCon2020 is the first scientific conference on programmable materials. The aim is to create a new platform for this interdisciplinary field of research.”

 

Programmable surface interactions and friction

In situ control of friction, adaptive friction change and superlubricity were identified as the greatest challenges in tribology. The control or influence of friction is mainly investigated on the nanoscale and not yet so strongly on the macroscale. The transferability of the mechanisms to real applications is precisely the difficulty and challenge.
This symposium aims to present the latest research results in the field of friction value control based on different mechanisms and methods. A special focus will be on the transferability to real applications. Topics of interest within this symposium will be:

Mechanisms of controllable friction
All kinds of triggers to control friction
Experimental studies of controllable friction
Modelling and simulation of surface interactions
Visions for technical applications

 

Confirmed speakers:

Prof. Dr. J. Krim, North Carolina State University, USA
Prof. Dr. M. W. Rutland, KTH Royal Institute of Technology, SWE
PhD H. Li, University of Western Australia, AUS
Prof. Dr. R. Bennewitz, Leibnitz-Institut für Neue Materialien, GER
Assoc. Prof. Dr. Y. Shi, Luleå University of Technology, SWE
Prof. Dr. B. J. Ravoo, University of Münster, GER
Prof. Dr. S. Glavatskih, KTH Royal Institute of Technology, SWE
Assoc. Prof. Dr. A. de Wijn, Norwegian University of Science and Technology, NOR

 

More information:

www.progmatcon.com

www.cpm.fraunhofer.de

 

Organizers: Dr. Andreas Kailer, Fraunhofer IWM, Freiburg; Dr. Tobias Amann, Fraunhofer IWM, Freiburg; Prof. Sergei Glavatskih, KTH Royal Institute of Technology, Sweden; Prof. Ian Sherrington, University of Central Lancashire, United Kingdom

 

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