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Makroskopische Reibwertsteuerung mit elektrischen Potenzialen unter Verwendung ionischer Flüssigkeitsgemische

16.12.2021

© Fraunhofer IWM

Felix Gatti, Tobias Amann, Andreas Kailer, Peter Rabenecker, Norman Baltes, Benedikt Marx, Jürgen Rühe

Einleitung

Die Optimierung von Reibung und Verschleiß wird derzeit durch die Anpassung von Werkstoffen und Schmierstoffen an die jeweilige Anwendung oder das tribologische System erreicht. Allerdings ist dieser Ansatz immer mit einem Kompromiss verbunden, da die Schmierstoffe nicht an das gesamte Belastungsspektrum einer Anwendung optimal angepasst werden können. Daher gibt es in der Tribologie noch ein enormes Potenzial zur Effizienzsteigerung.[4] Dabei muss beachtet werden, dass in unterschiedlichen technischen Systemen Reibung nicht nur nachteilig, sondern auch  vorteilhaft sein kann.[1] Auf der Nanoskala führte die Kombination aus der Verwendung von ILs mit elektrischen Potenzialen zu Superschmierung die mithilfe des elektrischen Signals „eingeschalten“ werden kann.[5] Deshalb wird auch auf der Makroskala auf unterschiedlichster Weise versucht Reibung zu steuern.[6]  In dieser Arbeit wird ein Ansatz vorgestellt, wie die Reibungseigenschaften durch die Kombination von ionischen Flüssigkeitsgemischen (ILM) und elektrischen Potenzialen verändert werden können. Durch externe Potenziale werden oberflächennahe Strukturen im Reibkontakt geändert und je nach Potenzial verschiedene Moleküle der ionischen Flüssigkeiten (ILs) auf der Reibfläche angereichert. Dies könnte zur Entwicklung eines programmierbaren Reibungssystems führen, das sich bei wechselnden Belastungen automatisch auf den optimalen Betriebspunkt einstellt.

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Abb. 1: Tribologischer Aufbau mit verbundenem Potentiostat.[2]

Methoden und Ergebnisse

Bei dem Versuchsaufbau (Abbildung 1) handelt es sich um eine nach außen isolierte tribologische Zelle, die an einen Potentiostaten angeschlossen ist, um geladene Oberflächen in den Gleitkontakten zwischen der rotierenden Kugel und den drei unteren stationären Stiften (Arbeitselektrode, WE) zu induzieren. Die Kontrollierbarkeit des Reibungskoeffizienten wurde mit einem konstanten Strom nach einer Einlaufphase (300 µA) zwischen WE und Gegenelektrode (CE) untersucht. Dadurch sind die Oberflächen positiv oder negativ geladenen. Als Schmiermittel wurden zwei verschiedene ILs und deren Mischungen verwendet. Die tribologischen Tests wurden mit einer Normalkraft von 50 N (23,6 N pro Stift) einer rotierenden ½-Zoll-Kugel aus 100Cr6-Stahl auf drei Stiften aus 100Cr6-Stahl bei 100 U/min (Geschwindigkeit: 0,05 m/s) und bei Raumtemperatur (25 °C) durchgeführt.

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Abb. 2: Änderung des Reibwerts durch elektrisches Potenzial in Abhängigkeit der Schmierfilmdicke.[2]

Es wurden zwei im Handel erhältliche ILs mit demselben Phosphonium-kation [P666(14)] verwendet. Bei den Anionen handelt es sich um eine Variante auf Phosphatbasis [DEHP] und um eine Sulfonyl-imidvariante [BTA]. Die Tests wurden mit reinem [P666(14)][DEHP] (D), reinem [P666(14)][BTA] (B) und sieben Mischungen aus beiden ILs in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen durchgeführt. Die Auswahl dieser beiden ILs basierte auf eigenen Vorarbeiten.[7] Bei einem Massenmischungsverhältnis von D:B wie 1:3 konnte mit einem anodischen Potenzial eine Reibwerterhöhung von 45 % im Vergleich zu einer neutralen Oberfläche (Open Circuit Potential, OCP) erreicht werden. Mit einem kathodischen Potential wurde eine Reibwertreduktion von 10 % gegenüber einem elektrisch neutralen Zustand (OCP) bei einem Mischungsverhältnis von D:B wie 1:1 erzielt. Für jedes der Experimente wurde am Ende des Versuchs die Schmierfilmdicke nach Popov berechnet.[8] Abbildung 2 zeigt die errechneten Werte für die durchgeführten Experimente.
Über die Verknüpfung dieses Aufbaus mit einen „Tribo-Controller“ konnte unter Verwendung der Mischung D:B wie 1:3 eine zeitabhängige, autonome und reversible Programmierung des Reibwerts vorgenommen werden. Dabei wurde zwischen zwei voreingestellten Reibwerten (±10%) reversibel hin und her geschalten werden.[2]

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Abb. 3: Angenommene Strukturbildung bei a kathodischer Polarisation, b neutraler Oberfläche ohne angelegte Spannung (OCP) und c anodischer Polarisation.

Diskussion

Abbildung 2 zeigt die Tendenz, dass die Änderung des Reibwerts (COF) bei anodischen Potenzialen umso größer ist, je kleiner die Schmierfilmdicke ist. Bei kleinen Schmierfilmdicken wirkt sich die gezielte elektrochemische Adsorption der IL-Molekülschichten stärker auf den Reibungskoeffizienten aus als bei geringerem Druck und hoher Schmierfilmdicke. Es wird vermutet, dass sich die oberflächennahe Struktur der ILs durch die externe Aufladung verändert (Abbildung 3).[9] Ohne elektrisches Feld (OCP, Abbildung 3 b) sind die Anionen und Kationen statistisch im Schmierspalt verteilt. Bei einer anodischen Polarisation (Abbildung 3 a) wird eine Erhöhung der Konzentration der kleineren Anionen im oberflächennahen Kontakt induziert. Die Kationen, die ein größeres Volumen als die Anionen haben und über lange Alkylketten mit Schmiereigenschaften verfügen, werden aus dem Schmierspalt verdrängt und die Reibung nimmt zu. Bei entgegengesetzter Polarisierung (Abbildung 3 c) werden die Anionen verdrängt, und Reibung und Verschleiß werden verringert.
Die Annahme dieser Strukturbildung beruht nicht nur auf Berechnungen der Schmierfilmdicke, sondern auch auf der Interpretation anderer Parameter auf unterschiedlicher Größenskala wie dem direkt mit der Schmierfilmdicke korrelierenden Lamda-Parameter oder der Stromdichte. Zusätzlich wurden auf der kleinsten Größenskala auch die chemische Struktur der ILs verändert, um den Einfluss unterschiedlicher funktioneller Gruppe auf die Veränderung des Reibwerts zu beobachten.

Quellenangaben:
[1] Curtis, C. K. et. al. Friction 2020
[2] Gatti, F. et al. Scientific reports 2020, 10, 17634
[3] Urbakh, M. et al. Nature materials 2010, 9, 8–10
[4] Holmberg, K. et al., Tribol. Int. 2019, 5, 389–396
[5] Li, H. et al. Chemical communications 2014, 50, 4368–4370
[6] Krim, J. Frontiers in Mechanical Engineering 2019, 5, 22
[7] Dold, C. et al., Phys. Chem. Chem. Phys. 2015, 17, 10339–10342
[8] Popov, V. L. Kontaktmechanik und Reibung, Springer Verlag 2009
[9] Sweeney, J. et al. Physical review letters 2012 109, 155502


Diese Arbeit entstand im Rahmen des Fraunhofer-Forschungscluster Programmierbare Materialien.

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Umfassende Untersuchung tribochemischer Adsorptionsprozesse von Schmierstoffadditiven und ihrer synergetischen Wechselwirkungen

14.12.2021

© Fraunhofer IWM
Schematische Darstellung der Performance als Korrosionsinhibitor und als Reibverminderer in Abhängigkeit der Dicke und der viskoelastischen Eigenschaften von adsorbierten Schichten

Dr. Jennifer Eickworth

In der Dissertation von Jennifer Eickworth wird anhand von vier Studien mittels diverser analytischer (in-situ-) Methoden das Adsorptionsverhalten von verschiedenen Basisölen und Schmierstoffadditiven untersucht. Durch die Kombination verschiedener Additivklassen werden synergetische und antagonistische Wechselwirkungen aufgedeckt und die zugrundeliegenden Mechanismen besser verstanden. Als geeignete Screeningmethode wird die Quarzkristallmikrowaage QCM-D eingeführt, um das Adsorptionsverhalten der unterschiedlichen Additivklassen zu bestimmen und daraus erste Voraussagen über die spätere Wirksamkeit zu treffen. 

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Schaltbare Viskosität zur Kontrolle von Reibung

09.12.2021

© Fraunhofer IWM

Dominic Linsler, Chris Gäbert, Florian Schlüter, Stefan Reinicke, Martin Dienwiebel 

Die Viskosität eines Schmierstoffs ist eine intrinsische Eigenschaft, die zwar durch verschiedene Maßnahmen verändert werden kann, aber im Produkt immer einer bestimmten Temperatur­ab­hängig­keit folgt. Die Schmierstoffauswahl bzw. Anwendungen sind in manchen Fällen entsprechend einge­schränkt. Eine reversibel veränderliche Viskosität bietet daher viele Möglichkeiten, das Parameterfeld für einen bestimmten Schmierstoffeinsatz zu vergrößern. Wir stellen im Vortrag die reversible Visko­sitätsschaltung am Beispiel eines anthracenfunktionalisierten Silikonöls vor. Der Einfluss der Ketten­län­gen­verteilung auf den Schalteffekt und die Scherstabilität des modifizierten Schmierstoffs wurden an einem Rheometer untersucht. Dabei zeigte sich eine hohe Stabilität der Vernetzungspunkte auch in Randbereichen des möglichen Parameterfelds. Die Optimierung des Schalteffekts durch eine gezielte Kettenlängeneinstellung ist möglich. Die Ergebnisse verdeutlichen das Potential des gewählten Ansatzes für zukünftige technische Schmierstoffanwendungen.

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Steigerung der Energieeffizienz von wassergeschmierten Gleitpaarungen in Pumpen

09.12.2021

© Fraunhofer IWM

Andreas Kailer, Hayo Brunken, Christian Bahnsen, Adi Woizenko, Christian Wiebel, Florian Rovere, Bernhard Blug, Jörg Thelke, Rudolf Schicktanz

Ein wesentlicher Teil des Energieverbrauchs in Pumpen ist auf Reibungsverluste der Gleitlagerungen und Gleitringdichtungen zurückzuführen. Obwohl in den letzten Jahren der Energieverbrauch durch Reibungsoptimierung deutlich reduziert werden konnte, besteht weiterhin Bedarf an neuen Lösungsansätzen zur Reibminimierung und damit Effizienzverbesserung der Pumpen.

Als Lösungsansatz werden im Rahmen eines laufenden, vom BMWi geförderten Verbundprojekts der Partner Wilo, EagleBurgmann, SGL Carbon, Oerlikon Balzers und dem Fraunhofer IWM so genannte Hart/Weich-Paarungen betrachtet, bei denen eine DLC-beschichtete Gleitkomponente (Axiallager, Radiallager, Gleitringdichtung) mit einem Gegenläufer aus Kohlegrafit kombiniert wird. Im Rahmen des Projekts werden sowohl DLC-Beschichtungen als auch Grafitwerkstoffe für die Anwendung unter typischen Einsatzbedingungen in Pumpen (für überwiegend wässrige Medien bei erhöhten Temperaturen) entwickelt und tribologisch bewertet.

Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die Ergebnisse der Projektarbeiten: Durch vergleichende tribologische Prüfungen konnten DLC-Schichtvarianten und Kohlegrafitwerkstoffe identifiziert werden, die im Vergleich zum Stand der Technik eine Verbesserung der Reibeigenschaften zeigen. Diese Ergebnisse weisen bereits prinzipiell auf das Potenzial dieser Gleitpaarung zur Reduzierung der Reibverluste hin, das in der zweiten Projekthälfte noch weiter überprüft werden muss. Sie geben allerdings auch Hinweise für weitere Verbesserungsmöglichkeiten der Werkstoffe und Beschichtungen.

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Entwicklung einer Prüfmethodik für thermisch hoch belastete, abgasbeaufschlagte Gleitpaarungen

06.12.2021

© Fraunhofer IWM

Tobias Rosenstingl

Die hohen thermischen und korrosiven Belastungen von tribologischen Systemen in modernen Verbrennungsmotoren und Gas- und Wasserstoffturbinen führen zu einen hohen Entwicklungsaufwand der Gleitlagerwerkstoffe. Am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik wird eine neue effiziente Prüfmethodik entwickelt, um diese hochtemperaturbeaufschlagten ungeschmierten Tribosysteme zu qualifizieren.

Dazu wurde ein bestehender Modellprüfstand hinsichtlich der Kontaktgeometrie, der Temperaturverteilung und der Datenaufzeichnung weiterentwickelt. Durch die hochauflösende Reibkraftmessung ergibt sich die Möglichkeit, bekannte Reibwertberechnungsmethoden, wie die energetische Mittelung, anzuwenden. Versuchsergebnisse haben gezeigt, dass der energetisch gemittelte Reibwert und der geometrieunabhängige Reibwert das tribologische Verhalten im Trockenlauf zutreffend beschreiben.

Weiterhin wurden vier Si3N4-Gleitlagerwerkstoffe mit diesem Modellprüfstand bei Probentemperaturen bis zu 640 °C tribologisch charakterisiert. Durch einen Zusatz von MoSi2 konnte der Reibwert von 0,71 auf 0,21 bei 300 °C verringert werden. Bei dieser Temperatur wurde ein Verschleißrückgang von 95 % des mit MoSi2 zugesetzten Materials im Vergleich zum ursprünglichen Werkstoff erreicht.

Außerdem wurde ein anwendungsnaher Welle-Buchse-Prüfstand entwickelt, der als Bindeglied zwischen dem Modellprüfstand und der Anwendung stehen soll. In einem nächsten Schritt werden die vorgestellten Si3N4-Gleitlagerwerkstoffe auch mit dieser Prüfmethodik untersucht um anschließend die beiden Methoden bewerten und validieren zu können.

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