MikroTribologie Centrum μTC
Aktuelle Einblicke in die Arbeit des MikroTribologie Centrums
© Fraunhofer IWM
Aktuelles
Temperaturvariable Eigenspannungsmessung an Schichten zur Bestimmung mechanischer und thermischer Eigenschaften
18.08.2022
Dr. Frank Burmeister
In vielen Anwendungen sind mechanische Spannungen in funktionalen Beschichtungen ein immer wiederkehrendes Problem. Diese umfassen im Extremfall auch spannungsinduzierte Schichtrisse, Haftungsprobleme als auch Bauteilverzug. Ein Beispiel für auftretende Probleme bei Bauteilverzug sind hochpräzise Dichtungen für Gase und Flüssigkeiten wie sie z.B. für spezielle Pumpen oder Kupplungen benötigt werden. Diese werden i.d.R. mit Verschleißschutzbeschichtungen wie Titannitrid (TiN) oder Diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) beschichtet. Dabei dürfen sich die Dichtflächen nicht verziehen, um die Dichtheit weiterhin gewährleisten zu können. Für Gasdichtungen werden maximale Bauteilverzüge von höchstens 1 µm toleriert. Auf die Größenverhältnisse umgerechnet hieße das, dass ein Fußballfeld auf der gesamten Spielfeldlänge maximal eine Neigung von 0,5 mm haben dürfte!
Messprinzip, Ergebnisse
Die Standardmethode zur Messung von Schichtspannungen ist die sog. »wafer-curvature«-Methode, bei der die Verwölbung z.B. eines Si-Wafers vor und nach Beschichtung gemessen und nach der Stoney-Formel die Schichtspannung berechnet wird. Diese Methoden erlauben jedoch nicht die Differenzierung der verschiedenen Spannungsbeiträge. Einen deutlichen Mehrwert an Informationen gewinnt man bei der Verwendung von zwei verschiedenen Wafer-Materialien und durch Variation der Messtemperatur. Obwohl diese Methode im Grundsatz schon lange bekannt und einfach durchzuführen ist, hat sie bisher nur wenig Verbreitung gefunden. Zunächst werden zwei Substratmaterialien mit unterschiedlichem CTE ausgewählt, auf ihre Kontur hin vermessen und dann beschichtet. Nach der Beschichtung erfolgt eine erneute Messung, diesmal jedoch bei verschiedenen Temperaturen zwischen RT und ca. 300 °C. Man erhält einen linearen Spannungs-Temperaturverlauf, dessen Steigung von der Differenz der CTEs von Substrat und Schicht bestimmt werden. Am Kreuzungspunkt der Geraden (Abbildung 1) lässt sich sowohl die effektive Beschichtungstemperatur ablesen (dort ist die thermisch induzierte Schichtspannung null) als auch die wahre intrinsische Schichtspannung. Auch evtl. vorhandene Änderungen des CTE der Schicht mit der Temperatur lassen sich so sichtbar machen.
Dr. Nick Garabedian, Prof. Dr. Christian Greiner
Das Interesse an der Anwendung des maschinellen Lernens im Rahmen von Tribologieprojekten ist gestiegen. Gleichzeitig erkennen die politischen Entscheidungsträger, dass die zuverlässige Bereitstellung von Daten die Umsetzung größerer maschineller Lernprojekte unterstützt. FAIR-Daten bilden somit die Brücke zwischen den verschiedenen Laboraktivitäten und dem Einsatz moderner Algorithmen, mit denen einige der dringendsten Probleme gelöst werden können.
In einer Veröffentlichung in Nature Scientific Data [1] zeigt eine Gruppe von 14 Wissenschaftlern des MicroTribology Center μTC die notwendigen Schritte zur Erstellung eines FAIR-Datensatzes für die Tribologie auf. Die Generierung von FAIR-Forschungsdaten in der Tribologie ist aufgrund der außergewöhnlichen Interdisziplinarität des Fachgebiets eine besondere Herausforderung: Viele scheinbar triviale tribologische Probleme erfordern ein tiefes, aber dennoch ganzheitliches Verständnis der Prozesse und Mechanismen, die zwischen, an und unter berührenden Oberflächen ablaufen. Das Team wählte ein relativ standardmäßiges Stift-auf-Scheibe-Experiment und verfolgte den Arbeitsablauf, den eine Probe von der Ankunft als Rohmaterial bis zur Beanspruchung durch eine tribologische Belastung durchläuft. Die dabei entdeckten Herausforderungen führten zur Entwicklung eines kontrollierten Vokabulars, einer Ontologie, einer Software für die einfache Dateneingabe und der Schnittstelle zu einem elektronischen Laborjournal.
Derzeit setzt das Team seine Bemühungen fort, indem es produktionsreife Lösungen entwickelt, die die Masseneinführung von FAIR-Datenpraktiken in allen Labortätigkeiten ermöglichen sollen. Es wurde festgestellt, dass der erste und zuverlässigste Weg zur Erreichung dieses Ziels darin besteht, ein Werkzeug für die gemeinsame Erstellung von lokalen kontrollierten Vokabularen und Aufgabenontologien bereitzustellen. Das Tool heißt VocPopuli und soll im 4. Quartal 2022 veröffentlicht werden.
[1] Garabedian, N.T.; Schreiber, P.J.; Brandt, N.; Zschumme, P.; Blatter, I.L.; Dollmann, A.; Haug, C.; Kümmel, D.; Li, Y.; Meyer, F.; Morstein, C.E.; Rau, J.S.; Weber, M.; Schneider, J.; Gumbsch, P.; Selzer, M.; Greiner, C., Generating FAIR research data in experimental tribology, Scientific Data 9 (2022) Art. 315, 11 Seiten Link
Dr. C. Koplin, Dr. B. Schlüter, Dr. R. Jaeger
Wie können geschmierte Thermoplastsysteme in der Antriebstechnik ausgesucht und bewertet werden? Für industrielle Nutzer wurde über die Forschungsvereinigung Antriebstechnick ein Handlungsablauf zur Beurteilung der Wirkung von Schmierstoffen auf tribologische Eigenschaften von Kunststoffen abgeleitet und ein Vorschlag für einen Prüfablauf entwickelt.
Hierfür wurden Experimente an den für tribologische Anwendungen typischen Polymeren Polyoxymethylen (POM), Polyketon (PK) und Polyamid 4.6 (PA46) in Kombination mit polaren und unpolaren Polyalkylenglykol-Ölen (pPG bzw. uPG), einem esterbasierten Öl (EST) und einem Öl auf Basis von Polyalphaolefin (PAO) durchgeführt. Eine Alterung der Polymere im Öl erfolgte bei 100 °C, 130 °C und 160 °C, sowohl unter Luftatmosphäre als auch unter Ausschluss von Sauerstoff für Zeiträume zwischen 4 und etwa 100 Tagen.
Für die in einer Kooperation mit den Kollegen des Fraunhofer LBF untersuchten Systeme ergab sich bei zunehmender Quellung der Polymere eine Abnahme von Schubmodul, Mikrohärte und eine Zunahme der Abriebrate.
Die Veränderungen der tribologischen Einsatzeigenschaften durch thermische Alterung und oxidativen Angriff waren systemspezifisch, können aber in ihrer Wirkung durch die Veränderungen der Werkstoffeigenschaften eingeordnet werden.
Weitere Informationen finden Sie hier
Was wahrscheinlich jeder erstmal nicht vermutet: Bei einer keramikgerechten Auslegung erreichen Keramikfedern trotz ihrer scheinbaren Sprödigkeit nahezu gleiche Federwege und -kräfte wie Federn aus Stahl. Die bestehende Herausforderung ist dabei allerdings, die Zuverlässigkeit der Federn, angepasst an die Keramik, die Herstellung und die Anwendung zu maximieren. Anwender benötigen ein Tool, das ihnen die Möglichkeit bietet, Parameter zu variieren und eine Lebensdauer- oder Zuverlässigkeitsprognose mitliefert.
In diesem Tool für z. B. Tellerfedern wird der jeweilige Kenntnisstand über das Versagensverhalten der Keramik digital berücksichtigt . Präzise Vorrausagen gelingen hierbei nur mittels entsprechender experimenteller Untersuchungen an Werkstoffen und Bauteilen.
Diese Arbeiten wurden mit den kooperierenden Kollegen des Fraunhofer IKTS im Rahmen einer bundesfinanzierten Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF Vorhaben Nr. 19125 BG) mit Firmen aus den Branchen Keramikherstellung und Federn geleistet. Möglich sind nun Federn aus Hochleistungskeramiken wie Siliziumnitrid oder Zirkoniumoxid-Aluminiumoxid Mischkeramik. Diese haben im Vergleich zu herkömmlichen Stahlfedern den Vorteil, dass sie in korrosiver Umgebung oder auch bei 1.000 °C einsetzbar sind. Das Gewicht von Federn aus Siliziumnitrid ist geringer als die Hälfte des Gewichts von Stahlfedern. Zudem sind diese Keramiken elektrisch nichtleitend und können als Isolator störungsfrei in Anwendungen mit elektrischen und magnetischen Feldern eingesetzt werden.
Dr. C. Koplin, Dr. B. Schlüter, Dr. R. Jaeger
Es ist nicht egal, welche Schmierstoffe und Thermoplasten in Antriebs- oder an Gleitelementen kombiniert werden. Was passiert bei einer ungünstigen Paarung? Steigt die Reibung? Erhöht sich der Verschleiß?
In einer Veröffentlichung im Journal Lubricants MDPI beschreiben wir mit den Kollegen des Fraunhofer LBF die Auswirkungen spezifischer Paarungen von Schmierstoff und Thermoplasten gegen Stahl bei geringer Belastung in der Mischreibung. Schmierstoffe können von Thermoplasten aufgenommen werden und beispielsweise die Oberfläche des Polymers verändern. Auch können sie in den Schmierspalt eindringen und den Reibkontakt benetzen – die adhäsive Reibung des Systems wird dann von der Spreitungsneigung des Schmierstoffs abhängen. Über energetische Kenngrößen der Spreitung und der Wechselwirkung des Schmierstoffs mit dem Polymer können Tendenzen für Reibung, Sorption und Verschleiß von Thermoplasten beschrieben werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mittels der energetischen Bewertung die systemspezifische Abnahme der Härte und des mechanischen Moduls aufgrund von Sorption und Plastifizierung vorhergesagt und als Hauptfaktoren für eine Zunahme der Verschleißrate in der Mischreibung bestätigt werden.