MikroTribologie Centrum μTC
Aktuelle Einblicke in die Arbeit des MikroTribologie Centrums
© Fraunhofer IWM
Aktuelles
Prof. Dr. Matthias Scherge
Fraunhofer IWM hatte letztes Jahr eindrucksvoll gezeigt, wie man mit einem speziell entwickelten Tribometer die Reibung zwischen Schlittschuhkufe und synthetischem Eis messen kann.
Der Reibungskoeffizient kann mit einer Auflösung von 0,005 ermittelt werden, was subtile Unterschiede in der Qualität der Kunststoffflächen aufdeckt. Das Gerät arbeitet mit realistischen Lasten. Die Gleitgeschwindigkeit wurde so gewählt, dass der initiale Moment des Gleitens erfasst werden kann. Dieser Moment ist essenziell sowohl für Jung und Alt. Wenn Kinder auf die Platten gehen und sofort stolpern, ist die Lust schnell vergangen. Bei Älteren kommt die Angst vor Stürzen hinzu. Sicherheit zieht ein, wenn der Schlittschuh die Unterlage berührt und mit geringstem Widerstand zu gleiten beginnt, wie man es von natürlichem Eis gewohnt ist.
Neben der Charakterisierung von synthetischem Eis, eignet sich der Prüfstand auch für das Entwickeln neuartiger Kufenschliffe und Kufenformen. Hier spielen Stahlsorte und Schleifmaschine eine wichtige Rolle. Es konnte gezeigt werden, dass mit den am Markt erhältlichen Schleifmaschinen bei wiederholten Schleifvorgängen nicht immer das identische Schliffmuster erreicht werden kann. Hier besteht Optimierungsbedarf, bei dem wir sehr gern helfen.
Dr. Severin Sylla
Wasserstoffhaltige, amorphe Kohlenstoffschichten (a-C:H) schützen Komponenten unter tribologischer Belastung in wasserstoffhaltiger Atmosphäre, z.B. in H₂-Kompressoren oder -Verbrennungsmotoren. Damit können sie entscheidend zum zuverlässigen Betrieb von Wasserstofftechnologien beitragen. Doch welche Umgebungsbedingungen sind dafür nötig und welche Mechanismen liegen dem Einlaufverhalten zugrunde? Damit haben wir uns gemeinsam mit der Robert Bosch GmbH und der Universität Siegen in unserer neuesten Studie beschäftigt, die jetzt in ACS Applied Engineering Materials erschienen ist.
Für unsere Untersuchung haben wir eine Multiskalen-Methode entwickelt, die Dichtefunktionaltheorie, reaktive Molekulardynamik-Simulationen und Tribometerexperimente kombiniert. So kann vorhergesagt werden, unter welchen Umgebungsbedingungen (Druck, Temperatur) a-C:H-Beschichtungen zuverlässig funktionieren. Unsere Ergebnisse zeigen, dass dissoziative H₂-Chemisorption die Kinetik der Oberflächenpassivierung bestimmt: Bereits ab etwa 1 vol% H₂ in der Gasatmosphäre ist ein erfolgreiches Einlaufen der betrachteten Schichten möglich. Neben der Adsorption von H2-Molekülen auf der Oberfläche spielt die Wasserstoffanreicherung an der tribologischen Grenzfläche durch mechanochemische Durchmischung eine wesentliche Rolle. Die Dynamik des tribologischen Einlaufs unter H2-Atmosphäre fassen wir in einem qualitativen Modell zusammen. Es beschreibt wie die Wechselwirkung der a-C:H-Schichten mit Wasserstoff einen graduellen Übergang von stark kaltverschweißten, verschleißintensiven Grenzflächen zu einer Übergangsphase mit Transferfilmbildung und schließlich zu einem stabilen Niedrigreibungszustand mit voll abgesättigten Oberflächen bewirkt.
Dr. Andreas Kailer
Nachhaltige Werkstofflösungen sind für tribologische Anwendungen von wachsendem Interesse. Im EU-Projekt "Green-Loop" wurden biobasierte Werkstoffe entwickelt und tribologisch untersucht. Diese Materialien bestehen aus einer biobasierten Polymermatrix, Holzfasern und Glasfasern. Die mechanischen Eigenschaften dieser Werkstoffe sind für den Einsatz in Gleitlagern geeignet. Tribologische Tests im Labormaßstab wurden mit einer Stift-Scheibe-Geometrie durchgeführt. Diese Untersuchungen ergaben vielversprechende Ergebnisse: Bei trockenen Gleitkontakten mit Stahl wurden Reibungskoeffizienten von weniger als 0,2 und Verschleißkoeffizienten von weniger als 10-5 mm³/(N*m) erzielt. Oberflächenanalysen zeigen, dass sich auf der Stahlgegenfläche Transferfilme gebildet haben, die sowohl von der Biopolymermatrix als auch von den Holzfasern stammen. Geeignete Materialzusammensetzungen wurden ausgewählt, um prototypische Gleitlagerkomponenten zur Demonstration der Leistungsfähigkeit und Machbarkeit herzustellen. Erste Ergebnisse mit einer Buchse-auf-Welle-Geometrie zeigen, dass diese Materialien für mittlere tribologische Belastungen ohne Schmierung verwendet werden können. Weitere Entwicklungen könnten sich auf die Optimierung der Werkstoffe zur Erreichung höherer thermischer Stabilitäten, die Verbesserung der Verarbeitbarkeit der Werkstoffe und die Optimierung ihrer tribologischen Leistung im Hinblick auf reale technische Anwendungen konzentrieren.
Dr. Frank Burmeister
Vom 19. bis 24. April öffnete die Hannovermesse als eine der weltweit größten Industriemessen ihre Tore. Dieses Jahr wurden von fast 3.000 Ausstellern aktuelle Entwicklungstrends mit den Schwerpunkten Digitalisierung, Automatisierung, Robotik und Energietechnik präsentiert. Das MikroTribologie Centrum war im Rahmen eines Instituts-Gemeinschaftstandes zum Thema Wasserstoffanwendungen mit drei Mitarbeitern vor Ort vertreten. Speziell in den ersten Messetagen war der Stand sehr gut besucht. Die Exponate zu Hohlzugprobentechnik, Autoklavversuchen bis hin zu Barrierebeschichtungen und tribomechanischen Simulationen fanden großen Anklang. Kundenanfragen kamen dabei aus sehr unterschiedlichen Bereichen. Fragen nach der Festigkeit von Schweißnähten in Wasserstoffatmosphären standen dabei ebenso im Fokus wie Fragen zur Werkstoffauswahl beim Bau von Turbinen oder Kompressoren. Zahlreiche Anknüpfungspunkte für das µTC ergaben sich bei der Beschreibung von Redoxreaktionen im Bereich Elektrolyse und Brennstoffzellenanwendungen, bei der Auslegung und Charakterisierung von Barrierebeschichtungen als auch zu Fragen der Schmierung beziehungsweise dem Schmiermittelersatz für Komponenten, die unter wasserstoffhaltigen Atmosphären betrieben werden.
Maximilian Baur, Dr. Dominik Kürten, Dr. Andreas Kailer
Für tribologische Untersuchungen unter definierten Gasatmosphären wurde ein spezieller Prüfaufbau für oszillierende Reibungs- und Verschleißprüfungen entwickelt und in Betrieb genommen. Ziel ist die experimentelle Bewertung von Werkstoffen und Schmierstoffen unter Wasserstoffatmosphäre sowie unter Luft oder Inertgas.
Die Untersuchungen erfolgen in einer gekapselten Prüfzelle, in der Gasdrücke bis zu 10 bar realisiert werden können. Die tribologischen Tests werden in einer Pin-on-Plate-Konfiguration mit Kunststoffpins mit einem Stiftdurchmesser von 6 mm durchgeführt. Die Normalkraft kann bis zu 600 N variiert werden, was einer maximalen Flächenpressung von etwa 21 MPa entspricht.
Die Relativbewegung erfolgt oszillierend mit einer Amplitude von ±2 mm (maximaler Hub 4 mm). Abhängig von der Amplitude können Frequenzen bis zu 40 Hz erreicht werden. Daraus resultieren maximale Gleitgeschwindigkeiten von bis zu 0,5 m/s. Zusätzlich kann die Temperatur der Kontaktzone geregelt werden. Die Grundtemperatur der Platte erreicht bis zu 200 °C und wird über ein Thermostatsystem mit variabler Gegenkühlung kontrolliert.
Während der Versuche werden Reibwerte für Haft- und Gleitreibung, Normalkraft, Reibkraft sowie die Temperatur an der Plattenoberfläche kontinuierlich erfasst. Erste Versuche haben bereits gezeigt, dass der Einfluss von Wasserstoff auf die Schmierung sowie die Werkstoffe erheblich ist und die Reibungs- und Verschleißwerte sich stark verändern können.