Reibverhalten von Elastomeren im Ring-Scheibe-Tribometer
Ein neuer Blick auf Verschleißschutz mit klassischen Festschmierstoffen
Sortenreine Verbundwerkstoffe aus Polyethylen für tribologische Anwendungen
Charakterisierung von Schmierstoffen hinsichtlich der Freisetzung von Wasserstoff im Gleitversuch
Dr. Bernadette Schlüter
Elastomere werden häufig als Dichtungsmaterialien eingesetzt. Um bei der Materialentwicklung eine frühzeitige Eignung im Hinblick auf tribologische Fragestellungen zu prüfen ist es sinnvoll, einen Modelltest für kleine Proben aus einem Entwicklungsmuster zur Verfügung zu haben.
Die makroskopische Belastung von Elastomeren kann am MikroTribologie Centrum mit einem 3-Kugel-Tribometer untersucht werden, welches Ermüdungsverschleiß erzeugt und ggf. tiefergehende Ermüdungsrisse im Auslauf der Kugeln generiert. (Siehe Beitrag: Abriebmechanismen von Elastomeren aufklärenund Abriebbeständigkeit von mediengeschmierten Elastomer-Stahl Paarungen)
Ergänzend hierzu kann in einem Ring-Scheibe Tribometer (Flächenkontakt) die mikroskopische Belastung (Topogaphie) untersucht werden. Die modifizierte Variante des Ring-Scheibe-Tribometers für Thermoplaste ist hierfür geeignet. (Siehe Beitrag: Verschleißverhalten von fettgeschmierten Thermoplasten im Ring-Scheibe-Tribometer)
Für Elastomere können die ringförmigen Prüfkörper (Øinnen = 9,2 mm; Øaußen = 15 mm) aus 2 mm dicken, standardmäßig hergestellten Platten ausgestanzt werden. Als Gegenkörper dient eine kommerziell erhältliche Axiallagerscheibe. Die resultierende Kontaktfläche beträgt etwa 170 mm².
Mit dem Gerät sind ca. 2,4 MPa Pressung und 800 U/min Gleitgeschwindigkeit möglich. Das Material kann trocken oder geschmiert untersucht werden.
Die Strukturbildung auf der Elastomerprobe, die durch die tribologische Belastung entsteht, wirkt sich auf die Reibung und den Verschleiß aus.
Carina E. Morstein und Prof. Dr. Martin Dienwiebel
Graphit ist einer der ältesten Festschmierstoffe, der für Anwendungen eingesetzt wird, bei denen ein flüssiger Schmierstoff nicht angewendet werden kann (z.B. bei sehr hohen Temperaturen). Obwohl die Graphitschmierung bereits in vielen Studien untersucht wurde, sind die mikroskopischen Mechanismen der Schmierung noch nicht gut verstanden. In einer Veröffentlichung, die in Kürze in WEAR erscheint, wurden die mikroskopischen Mechanismen einer Graphitschicht untersucht. Dazu wurden Graphitbeschichtungen mit unterschiedlichen Dicken mit einer Airbrush-Spritzpistole auf Eisensubstrate aufgetragen und ihre Festschmiereigenschaften bei hohen mechanischen Belastungen getestet. Durch Erhöhung der Substratrauheit wurde ein überraschendes tribologisches Verhalten beobachtet: eine extrem dünne Kohlenstoffschicht, die sich in der Mitte der Verschleißspur aufbaute. Diese Schicht führte zu einer nur leicht verringerten Reibung aber einer bis zu 7,6-fach erhöhten Lebensdauer und reduziertem Gegenkörperverschleiß. Um diese Verschleißverbesserung zu erzielen, sind nur sehr dünne Graphitbeschichtungen ausreichend aber vor allem muss die Schichtdicke an die Bauteilrauheit angepasst werden.
Dr. Raimund Jaeger
Sortenreine Komposite aus Polyethylen (PE) – »all hydrocarbon composites« (all-HC) – sind ein attraktiver Werkstoff für den nachhaltigen Leichtbau: da Matrix und verstärkende Phase aus demselben Material bestehen, können diese Komposite problemlos recycelt werden. Im Gegensatz zu beispielsweise glasfaserverstärkten Kompositen müssen Polymermatrix und Glasfasern nicht für eine Wiederverwertung getrennt werden.
Im Zusammenarbeit mit dem Freiburger Materialforschungszentrum und dem Polyolefinhersteller LyondellBasell hat das MikroTribologie Centrum µTC die mechanischen und tribologischen Eigenschaften der »all-HC« untersucht. Polyethylen wird in ressourcen- und energieeffizienten katalytischen Polymerisationsreaktionen hergestellt, ist einfach zu verarbeiten und findet sich aufgrund seines vielseitigen Eigenschaftsspektrums in vielen Kunststoffprodukten des täglichen Gebrauchs. Ultrahochmolekulares PE (UHMWPE) ist ein Hochleistungswerkstoff, der z.B. als abrasionsbeständiger Reibpartner in orthopädischen Prothesen oder als hochfeste Faser in Seilen oder verschleißbeständigen Geweben eingesetzt wird. Im Gegensatz zu PE ist die Verarbeitung von UHMWPE jedoch sehr aufwändig und teuer.
Prof. Dr. Mülhaupt und seine Arbeitsgruppe am Freiburger Materialforschungszentrum FMF gelang es, nanoskalige Blends aus nieder-, mittel- und unverschlauftem ultrahochmolekularem PE durch die Wahl eines hierfür eigens entwickelten Katalysatorsystems zu synthetisieren – sogenannte »Reaktorblends«. Diese Reaktorblends können z.B. im gewöhnlichen Spritzguss oder im extrusionsbasierten 3D-Druck verarbeitet werden. Während der Verarbeitung wird das UHMWPE durch Dehnung und Scherung verstreckt und bildet innerhalb der PE-Matrix hochfeste faserartige UHMWPE-Nanostrukturen aus. So entsteht ein sortenreiner PE Komposit mit herausragenden mechanischen Eigenschaften. Bauteile aus diesem Material können mehrfach mechanisch recycelt und erneut verarbeitet werden, ohne dass die Qualität des Werkstoffs nachlässt [1]. Geeignete all-HC lassen sich auch im 3D-Druck verarbeiten. Im »Fused Filament Fabrication« Verfahren kann ein all-HC Filament verwendet werden, wobei sich die faserartige Struktur der hochmolekularen Komponente dann in der Düse des 3D-Druckers ausbildet. Durch die digitale Führung des Druckkopfs kann die Orientierung der verstärkenden Fasern im Bauteil gezielt gewählt werden, dass diese mechanische und tribologische Belastungen optimal aufnehmen können.
Die Abrasionsbeständigkeit der all-HC wurden in der Gruppe »Polymertribologie und biomedizinische Materialien« im Stift-Scheibe-Tribometer untersucht. Reaktorblends mit einem hohen Anteil von UHMWPE können die Abrasionsbeständigkeit von Polyamid 46 erreichen [2]. Reibversuche an 3D-gedruckten Proben ergaben, dass sich die Orientierung von Filament und Gleitrichtung deutlich auf die Verschleißrate auswirkt: die Verschleißbeständigkeit ist deutlich höher, wenn Filamente in Gleitrichtung orientiert sind.
Das Potenzial von all-HC in Komponenten von Kunststoffgetrieben wird momentan untersucht. Erste Versuche zeigen eine gute Kriechbeständigkeit und Ermüdungsfestigkeit der all-HC. Wegen der guten Chemikalienbeständigkeit von Polyolefinen sind keine nachteiligen Wechselwirkungen mit Schmierstoffen zu erwarten. Aktuell werden die tribologischen Einsatzeigenschaften der all-HC bei Verwendung von wasserbasierten Schmierstoffen erforscht: diese stellen eine nachhaltige Alternative zu konventionellen Schmierstoffen dar und sind wegen ihrer höheren Wärmekapazität besser geeignet, Reibwärme abzuführen.
[1] Hees, T.; Zhong, F.; Stürzel, M.; Mülhaupt, R., Tailoring hydrocarbon polymers and all‐hydrocarbon composites for circular economy, Macromolecular Rapid Communications 40/1 (2019) 1800608, 18 S. Link
[2] Hees, T.; Zhong, F.; Koplin, C.; Jaeger, R.; Mülhaupt, R., Wear resistant all-PE single-component composites via 1D nanostructure formation during melt processing, Polymer 151 (2018) 47-55 Link
19.02.2021
Dr. Dominik Kürten, Dr. Andreas Kailer
Wasserstoffversprödung von tribologischen Kontakten ist ein Problem in diversen Anwendungen. Eines der prominentesten Beispiele sind Windkraftanlagen, in denen die Schmierstoffe, Lager- und Getriebekomponenten hohen tribologischen Belastungen ausgesetzt sind. Besonders kritisch ist freier Wasserstoff, der in einer tribochemischen Reaktion direkt an der Lageroberfläche gebildet wird. Zusätzlich können äußere Einflüsse wie beispielsweise Verunreinigungen durch Wasser einen Einfluss auf die Wasserstofffreisetzung im Schmierstoff oder an den Stahloberflächen haben. Die Zusammensetzung der Schmierstoffe und deren Additivierung beeinflusst die Wasserstoffbildung im tribologischen Kontakt.
Um Schmierstoffe zukünftig einfacher und gezielter hinsichtlich der Freisetzung von Wasserstoff charakterisieren zu können, wird am Fraunhofer IWM eine neuartige in situ Messmethode entwickelt. Mit ihrer Hilfe ist es möglich, die Wasserstofffreisetzung unterschiedlicher Schmierstoffe im reversierenden Gleitversuch zu messen. Dabei können gezielt Schmierstoffformulierungen variiert und hinsichtlich des Risikos zur Wasserstofffreisetzung untersucht werden.
Die Messmethode basiert auf einer elektrochemischen Zelle, welche ursprünglich für Permeationsversuche eingesetzt wurde [1]. In einer Permeationszelle wird der Wasserstoff auf der Beladungsseite durch Elektrolyse gebildet und auf der Oxidationsseite als Strom gemessen. Die beiden Zellen werden durch die Probe, welche aus einer dünnen Stahlplatte besteht getrennt. Für die in situ Wasserstoffmessung im reversierenden Gleitversuch wird eine Oxidationszelle analog zum Permeationsversuch als Messzelle verwendet. Der Wasserstoff wird im geschmierten Gleitversuch (Kugel auf Platte) tribologisch erzeugt. In ersten Vorversuchen wurde das Funktionsprinzip der Zelle bereits demonstriert [2]. Diese Experimente zeigten nach einer kurzen Versuchszeit von ca. 1 Stunde die Freisetzung von Wasserstoff im Reibkontakt. Die Methode bietet somit die Möglichkeit, Schmierstoffe innerhalb überschaubarer Versuchszeiten zu untersuchen und eignet sich gut für das Screening von unterschiedlichen Schmierstoffen.
[1] Kürten, D.; Khader, I.; Kailer, A., Determining the effective hydrogen diffusion coefficient in 100Cr6, Materials and Corrosion 71/6 (2020) 918-923 Link
[2] Oberle, N.; Amann, T.; Kürten, D.; Raga, R.; Kailer, A., In-situ-determination of tribologically induced hydrogen permeation using electrochemical methods, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology 234/7 (2020) 1027-1034 Link
05.02.2021
Dr. Takuya Kuwahara, Dr. Gianpietro Moras, Prof. Dr. Michael Moseler
Das Ziel: Supraschmierung von Keramikbeschichtungen mit Bioschmierstoffen
Die Schmierung von Keramik- und diamantähnlichen Kohlenstoffbeschichtungen (DLC) mit Bioschmierstoffen stellt eine nachhaltige Alternative zu traditionellen metallischen Systemen dar, die mit biologisch nicht abbaubaren Mineralölen in Kombination mit toxischen traditionellen Additiven wie Zinkdialkyldithiophosphat geschmiert werden. Das Erreichen der Supraschmierung (d.h. Reibungskoeffizient μ < 0,01) in solchen »grünen« Schmiersystemen ist von technologischer Bedeutung für die Reduktion von Energieverlusten und Materialverbrauch sowie für die Minimierung der Umweltbelastung.
Bisher wurde Supraschmierung von wassergeschmiertem Siliziumnitrid nur bei hohen Gleitgeschwindigkeiten erreicht und auf die drastische Abnahme des lokalen Kontaktdrucks durch Oberflächenglättung und die Bildung dicker hydrodynamischer Filme auf hydrophilen Siliziumdioxid-Tribolagen zurückgeführt. Bei hohen normalen Lasten oder niedrigen Geschwindigkeiten (bei denen Kontakte zwischen Rauheitshügeln vorherrschen) stieg die Reibung aufgrund des Zusammenbruchs der hydrodynamischen Schmierung jedoch deutlich an. In diesen Grenzschmierungsbedingungen wurden saure Mischungen von Wasser mit Glyzerin als potenzielle Schmiermittel zur Erzielung der Supraschmierung in tribologischen Kontakten aus Siliziumnitrid angegeben. In diesem Fall wurde vorgeschlagen, dass die Protonierung von Siliziumdioxid-Oberflächen und die Bildung von wasserstoffgebundenen Glycerin-Wasser-Netzwerken auf dem positiv geladenen Siliziumdioxid für die superniedrige Reibung verantwortlich sind. Da moderne Keramiklager jedoch zusätzliche Konstruktionselemente aus Stahl enthalten, die ebenfalls mit dem Schmierstoff in Kontakt stehen, können tribochemische Reaktionen mit sauren Schmierstoffen zu einem vorzeitigen Ausfall der Maschinen führen, weshalb nicht-saure Schmierstofflösungen auf Wasserbasis vorzuziehen sind.
Die Inspiration: Supraschmierung durch aromatische kohlenstoffhaltige Triboschichten
Ein alternativer Weg zur Erzielung von Supraschmierung unter Grenzreibungsbedingungen ist die in-situ-Synthese von supraschmierenden kohlenstoffhaltigen Triboschichten, die weder hydrodynamische noch nanoskopische Schmierfilme zwischen den Oberflächen erfordern. Diese Tribolagen können sich durch scherinduzierte Strukturmodifikationen und Reaktionen von Schmierstoffen mit festen Oberflächen bilden. Beide Prozesse werden bei tetraedrischen amorphen Kohlenstoff- (ta-C) und nanokristallinen Diamantoberflächen in der Grenzreibung beobachtet. In diesen Materialien kann ultra- und super-niedrige Reibung entweder durch eine dichte Oberflächenpassivierung mit Wasserstoff und Hydroxylgruppen (die von Schmiermitteln stammen) oder durch eine aromatische Oberflächenpassivierung aufgrund delokalisierter π-gebundener Strukturen erreicht werden. Wie Graphit sind aromatische Triboschichten selbstschmierend und erhöhen die Lasttragfähigkeit tribologischer Kontakte. Über solche kohlenstoffhaltige Triboschichten wurde jedoch ausschließlich im Zusammenhang mit harten Kohlenstoffschichten berichtet, und es ist überhaupt nicht klar, ob sie sich auf Si3N4-Oberflächen bilden können.
Der Durchbruch: grüne Supraschmierung von Si3N4 durch graphenartige Kohlenstoffnitrid-Tribofilme
Experimentelle Tribologen des »Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systémes« (LTDS am École Centrale de Lyon) und theoretische Tribologen der Gruppe »Multiskalenmodellierung und Tribosimulation« am Fraunhofer IWM MikroTribologie Centrum haben sich zusammengeschlossen, um zu zeigen, dass die in-situ-Bildung von subnanometerdicken Graphennitriden bei Grenzschmierung mit Glycerin über einen weiten Temperaturbereich zur Superschmierung von selbstgepaartem Si3N4 führt [1].
Eine Kombination aus modernen Oberflächenanalysen (Röntgen-Photoelektronenspektroskopie und Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie), Schmierstoff-Isotopenmarkierung und hochauflösender Massenspektrometrie des gebrauchten Schmierstoffs zeigt, dass tribochemische Reaktionen von Glycerinmolekülen auf den Si3N4-Oberflächen nanometerdicke Tribofilme erzeugen, die aus in Ringstrukturen organisierten C-N-Bindungen bestehen. Quantenmechanische Simulationen deuten darauf hin, dass tribochemische Reaktionen von Glycerin mit Si3N4 bevorzugt zwei getrennte Phasen bilden: amorphes Siliziumoxid und Kohlenstoffnitride (Abbildung 1). Siliziumoxid-/Hydroxidfilme werden wahrscheinlich durch Scherung von der Kontaktfläche entfernt, während Kohlenstoffnitride durch Scherung induzierte Phasenübergänge durchlaufen, die 2D-Graphen-Nitrid-artige Tribolagen erzeugen (Abbildung 2).
Diese Erkenntnisse ebnen den Weg für die Nutzung der tribochemischen Synthese von graphenähnlichen Strukturen auf Keramiken auf Siliziumbasis, um grüne Superschmierfähigkeit zu erreichen. Darüber hinaus regen sie weitere Forschungen an, um den Einsatz anderer Bioschmierstoffe und die Schmierungsbedingungen zu untersuchen, die die Struktur der aromatischen Tribolagen und ihre Bildung an anderen Keramikgrenzflächen (z.B. trockene Si3N4/DLC-Grenzflächen) steuerbar machen.
Förderung und Rechenzeit
Diese Forschung wurde gefördert durch das BMWi (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie) im Rahmen des Projektes Poseidon II, die Agence Nationale de la Recherche (ANR), das TOTAL Research Centre Solaize, das österreichische COMET-Programm (K2-Projekt InTribologie, Nr. 872176). Die Rechenzeit wurde vom John von Neumann-Institut für Computing (NIC) bewilligt und auf dem Supercomputer JUWELS am Jülich Supercomputing Centre (JSC) im Rahmen des Projekts HFR09 zur Verfügung gestellt. Weitere Rechenzeit wurde vom Land Baden-Württemberg über das bwHPC und die DFG zur Verfügung gestellt (Bewilligungsnummer INST 39/963-1 FUGG, bwForCluster NEMO).
[1] Long, Y.; Kuwahara, T.; De Barros Bouchet, M.-I.; Ristić, A.; Dörr, N.; Lubrecht, T.; Dupuy, L.; Moras, G.; Martin, J. M.; Moseler, M., In situ synthesis of graphene nitride nanolayers on glycerol-lubricated Si3N4 for superlubricity applications, ACS Applied Nano Materials (2021) Link
MikroTribologie Centrum μTC