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DLC Beschichtungen von Polymeren

Ultraniedrige Reibung von SSiC-Gleitpaarungen unter Schmierung mit niedrigviskosem Isooktan

Tribometer für galvanisch gekoppelte Radiallager mit In-situ-Verschleißmessung

Fluidfreie Schmiersysteme mit hoher mechanischer Belastung

Gleitlager- und Komponentenprüfstand am MikroTribologie Centrum

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Diamantähnliche Kohlenstoffschichten (DLC) sind harte, verschleißfeste und reibarme Schichten, welche heute bereits in vielen Anwendungen zur Vermeidung von Reibung und Verschleiß eingesetzt werden. Die Anwendungen reichen von Einspritzpumpen in modernen Motoren über Werkzeuge bis hin zu alltäglichen Anwendungen wie Messer oder Rasierklingen. Am bekanntesten sind dabei Anwendungen auf metallischen Substraten, aber auch Anwendungen auf Keramiken sind üblich, z.B. auf industriellen Dichtungen, aber durchaus auch in Dichtungen von Wasserhähnen. Die DLC Schichten dienen dabei nicht nur zur Reduktion von Reibung und Verschleiß, sondern können hierbei auch noch als Isolations- oder Sensorschicht (z.B. Temperatur- oder Kraftsensor) bzw. als chemische Korrosionsschicht eingesetzt werden.

Bei der Kombination von DLC und Polymeren denken die meisten Leute an die Beschichtung von Spritzgussformen und Werkzeuge, wo DLC Beschichtungen auf Grund der guten Verschleißfestigkeit und der antiadhäsiven Wirkung schon Stand der Technik sind. Nicht jedoch an eine direkte Beschichtung der Polymere mit DLC. Dabei bietet die Kombination aus einem sehr harten (> 1000 HV) verschleißfesten Schicht mit einem sehr weichen, flexiblen Werkstoff ein erhebliches Anwendungspotential. So lassen sich heute fast alle Polymere mit haftfesten DLC Schichten beschichten. Industriell wird dies z.B. bereits für die Beschichtung von PEEK Käfigen in Wälzlagern zur Absenkung des Reibwertes um 20 % und als Gas Barriere Schichten auf PET Flaschen angewendet. Aber auch Führungselemente aus PA und PAI werden heute mit DLC beschichtet, um einerseits die Verschleißfestigkeit zu erhöhen, aber auch gerade das Losbrechmoment der Polymere zu senken. Auch wenn eine extrem hohe Kratzfestigkeit der Kunststoffe erforderlich ist, werden heute DLC Schichten verwendet. Die mit DLC beschichteten Polymere erzielen die höchsten Kratzfestigkeiten von allen Polymersystemen. Dabei zeigt sich, dass in einem gut additivierten Polymersystem die DLC Schicht nicht immer (aber oft) die Reibung reduzieren kann, aber praktisch immer den Verschleiß und das Losbrechmoment erheblich reduziert wird.

Noch relativ unbekannt ist die Möglichkeit, auch fast alle Elastomere mit harten, haftfesten DLC Schichten zu versehen. Dabei trifft ein extrem elastischer, dehnbarer Grundwerkstoff auf einen extrem harten und spröden Werkstoff. Die spröde DLC Schicht muss hier also die volle Dehnung des Elastomer und Belastung nachvollziehen, ohne dabei zu delaminieren oder seine Eigenschaften zu verlieren. Das Prinzip ähnelt dabei den Schuppenpanzern aus dem Tierreich: Das zu Grunde liegende Elastomer sorgt für eine extrem hohe Dehnbarkeit. Das DLC mit seiner hohen Härte und Verschleißfestigkeit „schwimmt“ wie einzelne, harte „Schuppen“ auf dem Elastomer und sorgt so für die verbesserten tribologischen Eigenschaften bei extrem guter Dehnbarkeit. Einzig die Steifigkeit des beschichteten Elastomers verschlechtert sich leicht und muss bei der Auslegung in z.B. Dichtungen berücksichtigt werden. Spannend ist hier vor allem die extreme Herabsetzung der Haftreibung sowie die Erhöhung der Verschleißfestigkeit, aber gerade auch in trockenen Systemen die stark reduzierte Reibung. Auch die Beschichtung der Gegenfläche von Elastomeren (z.B. die Dichtflächen) kann zu einer erheblichen Reduktion von Reibung und Verschleiß führen, sowie oft vorhandene Stick Slip Effekte stark reduzieren oder sogar ganz vermeiden. Während also DLC Schichten im Bereich von Stählen schon sehr viele Anwendungen durchdrungen haben, bieten sich im Bereich der Keramiken, vor allem aber der Polymere noch vielfach ungenutzte Anwendungspotentiale, die noch nicht annäherungsweise ausgeschöpft wurden.

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M.Sc. Paul Schreiber, Dr.-Ing. Johannes Schneider

Um die Vorgaben hinsichtlich der zulässigen Partikelemissionen einhalten zu können, werden Ottomotoren mit Direkteinspritzung heute fast ausschließlich in Kombination mit Partikelfiltern im Abgasstrang eingesetzt. Eine vielversprechende Möglichkeit nicht nur den Kraftstoffverbrauch, sondern insbesondere auch die Partikelemissionen signifikant zu reduzieren, stellt die Erhöhung des aktuell in der Serienanwendung typischerweise bei 200 bis 300 bar liegenden Einspritzdruckes auf Werte um 600 bar dar. Bei diesen hohen Einspritzdrücken kommen allerdings die heute eingesetzten Materialien in den mit Kraftstoff geschmierten Gleitkontakten der Hochdruckpumpe an ihre Belastungsgrenzen. Als mögliche Lösung bieten sich hier gesinterte Siliziumkarbid-Keramiken (SSiC) an, von denen bekannt ist, dass sie in wässrigen Medien unter günstigen Beanspruchungsbedingungen zu ultraniedrigen Reibungszahlen von < 0,01 („Superlubricity“) führen können.

Am µTC wurden deshalb im Rahmen des BMBF-Verbundprojektes „HDBE – Hochdruck-Benzindirekteinspritzung“ (Förderkennzeichen 19U15005E) Modelluntersuchungen an SSiC-Tribopaarungen im reversierenden Gleitkontakt unter Tauchbadschmierung mit Isooktan als Modellkraftstoff durchgeführt. Dabei konnten sowohl bei Versuchen in feuchter Umgebungsluft mit ca. 45% relativer Luftfeuchte als auch Stickstoffatmosphäre nach dem Einlaufen der Gleitpaarungen in konformer Pellet-Platte-Konfiguration extrem niedrige Reibungszahlen von unter 0,003 ermittelt werden. In wässrigen Medien wurden solch niedrige Reibungszahlen auf elektrochemische, Ionen-basierte Oberflächeneffekte zurückgeführt. Diese Erklärungsansätze sind für das unpolare Isooktan allerdings nicht plausibel. Auf Basis der Untersuchungen in unterschiedlichen Umgebungen (feuchte und trockene Luft, Stickstoff) sowie umfangreicher topographischer, mikroskopischer und oberflächenanalytischer Nachuntersuchungen konnte das günstige Reibungsverhalten der SSiC-Gleitpaarungen trotz der sehr geringen Viskosität (0,47 mPa·s) des Isooktans auf die Ausbildung eines die tribologischen Wirkflächen vollständig trennenden Flüssigkeitsfilm zurückgeführt werden. Voraussetzung für den Übergang in die Supraschmierfähigkeit war die Ausbildung einer hohen Konformität der Kontaktflächen sowie einer sehr geringen Rauheit der Oberflächen während des Einlaufens. Zudem hatte die Umgebungsatmosphäre insbesondere während des Einlaufs signifikante Auswirkungen auf die im Kontakt ablaufenden Vorgänge. Ungeachtet der Tatsache, dass die Reibpaarungen zu jedem Zeitpunkt der Experimente vollständig von Isooktan umgeben waren, weist das SSiC unter tribologischer Belastung also eine hohe Sensitivität bezüglich äußerer Umgebungseinflüsse auf - was sich letzten Endes auf oberflächenchemische Prozesse zurückführen lässt.

Publikation in Tribology International: https://doi.org/10.1016/j.triboint.2019.01.031

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In Kooperation mit der Firma Dr. Tillwich GmbH Werner Stehr ein Tribometer zur anwendungsnahen Prüfung von Radialgleitlagern entwickelt (Bild 1). Die Vorteile des neu entwickelten Gleitlagertribometers bestehen darin, dass mehrere Gleitlager gleichzeitig getestet werden können. Zusätzlich kann der Verschleiß in-situ, also während des Reibversuchs, gemessen und damit Einlaufeffekte untersucht werden.

Mit diesem Tribometer wurden wasserbasierte und flüssigkristalline Schmierstoffe untersucht. Durch die Verwendung von oberflächenaktiven, polaren ionischen Flüssigkeiten als Additiv im Wasser wurde eine elektrische Leitfähigkeit des Schmierstoffs erzielt. Das Gleitlager wurde als galvanisches Element (z.B. Stahl mit Kupfer) konstruiert, damit ein elektrisches Potenzial induziert wird. Durch die Kombination dieser beiden Bestandteile, galvanisches Element und elektrisch leitfähiger Schmierstoff, können Reibung und Verschleiß gezielt verbessert werden. Mit dem flüssigkristallinen Schmierstoff MF-127070 (Firma Dr. Tillwich GmbH Werner Stehr) wurden bei Kopplung mit Kupfer extrem niedrige Reibungs- und Verschleißwerte erzielt. Der Reibwert wird im Vergleich mit dem Referenzöl um 65 % und der Verschleiß um 40 % reduziert (Bild 2).

Weitere Informationen und Kontakt:

Diese Forschungsarbeiten wurden vom Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau Baden-Württemberg in den Projekten GLEX und BioSis gefördert.

Dr. Tobias Amann, Tribologie
Verschleißschutz, Technische Keramik
Fraunhofer IWM,
+49 761 5142-208
tobias.amann@iwm.fraunhofer.de

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Autor: Prof. Martin Dienwiebel

In vielen tribologischen Anwendungen ist eine Schmierung mit Flüssigkeiten oder mit Fetten nicht möglich bzw. nicht gewünscht und es müssen sogenannte Festschmierstoffe eingesetzt werden. Diese Festschmierstoffe sind Substanzen, welche die translatorische Bewegung der beiden Reibpartner aufnehmen müssen und sich dabei leicht scheren lassen. Obwohl einige gut bekannte Festschmierstoffe wie zum Beispiel Graphit oder Molybdändisulphid schon seit vielen Jahrzehnten eingesetzt werden, sind die physikalischen und chemischen Wechselwirkungen noch nicht vollständig geklärt bzw. umstritten. Insbesondere bei hochbelasteten Maschinenbauteilen wie z.B. Wälzkontakten sind die Verschleiß- und die Transferschichtbildungsmechanismen noch nicht gut erforscht. Daher fördert die Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG im Schwerpunktprogramm SPP 2074 „Fluidfreie Schmiersysteme mit hoher mechanischer Belastung“ mit 11 stark interdisziplinären Projekten die Erforschung von Reibung und Verschleiß in diesen Systemen, das vom Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik (MEGT) der TU Kaiserslautern koordiniert wird. Das Mikro Tribologie Centrum war bei der Antragsvorbereitung und dem Projekt stark involviert und untersucht in 3 Projekten die Mechanismen der Graphitschmierung (IAM-CMS, IWM), die Schmierung mit PTFE (IWM), und die Schmierung durch Kohlenstoffnanoröhren (IWM).

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Am µTC steht ein Gleitlager- und Komponentenprüfstand zur Verfügung, der die Kopplung auch großer Gleitlager bis standardmäßig 120 mm Durchmesser und größer erlaubt. Der Prüfstand ist durch die Module Zugprüfmaschine (Normalkraft) und E-maschine (Rotation) äußerst flexibel und erlaubt nach einer Anpassung die Messung verschiedenster Geometrien in Kombination mit der Radionuklidtechnik (RNT). So sind beispielsweise auch Ölscreenings und Verschleißuntersuchungen an einem Kegelradpaar möglich. Die Abbildungen zeigen eine Skizze des Gesamtprüfstandes und  ein Foto der Ölkammer in der Zugprüfmaschine.

Typische Anwendungsfelder des Prüfstands sind Verschleißuntersuchungen an Gleitlagern in Abhängigkeit von Endbearbeitungen und Werkstoffen, Schmierstoffen und Betriebspunkten. Die Echtzeitverschleißmessung unter niedrigen Lasten und oszillierenden Bewegungen ist genauso möglich wie die Identifikation kritischer Betriebspunkte und deren Einfluss auf die Stabilität des Gleitlagers.

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