MikroTribologie Centrum μTCAktuelles
Abb. 1: Skizze des Gesamtprüfstands
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.
Abb. 2: Ölkammer und Belastungseinheit in der Zugprüfmaschine.
Kennzahlen |
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Geschwindigkeiten |
1- 800 [3000] U/min |
Drehmoment |
max. 150 Nm |
Normalkraft |
250 kN |
Wellendurchmesser |
10 > 450 mm |
Öltemperatur |
max. 100°C |
Erweitertes Verständnis geschmierter Diamant-Metall-Tribokontakte durch Kombination atomistischer Simulationen und experimenteller Tribologie
08.02.2019
Hochbelastete metallische Tribokontakte können hinsichtlich Verschleiß und Reibung durch den Einschluss kleiner Diamantteilchen in die Metallmatrix erheblich verbessert werden. Dies betrifft vor allem den Bereich der Grenzreibung. Technologisch wird das ausgezeichnete tribologische Verhalten von Metall/Diamant-Systemen beispielsweise in Kolbenringen für Dieselmotoren ausgenutzt. Obwohl diamantverstärkte Metalloberflächen also bereits industriell genutzt werden, sind die zugrundeliegenden Mechanismen bisher nur wenig verstanden. So ist nicht klar, ob eine Amorphisierung der Diamantoberfläche oder etwa die Bildung von Carbiden für die niedrige Reibung verantwortlich sein könnten. Von besonderem Interesse gerade auch mit Blick auf das weitere Optimierungspotenzial ist die Rolle von Schmierstoffen im Grenzreibungsfall. Sind die Schmierstoffmoleküle chemisch völlig inert oder führen tribochemische Reaktionen zur Bildung eines Tribofilms?
In einer kürzlich fertiggestellten Arbeit am µTC wurde diese Fragestellung mit Hilfe atomistischer Simulationsmethoden, tribologischer Experimente und Oberflächenanalytik angegangen. Als vereinfachtes Modellsystem wurde ein mit Hexadekan geschmiertes Wolfram/Diamant-Tribopaar untersucht. Reaktive klassische Molekulardynamiksimulationen des tribologischen Prozesses zeigten unter hohen lokalen Kontaktdrücken die Bildung von Alkanradikalen an der metallischen Wolframoberfläche. Die Alkanradikale wiederum vermochten daraufhin auf der in der Simulation eigentlich chemisch stabilen, da mit Wasserstoff abgesättigten Diamantoberfläche Bindungsplätze zu erzeugen und schließlich chemisch auf der Diamantoberfläche anzubinden. Dadurch wurde die Diamantoberfläche durch einen aus degradierten Schmierstoffmolekülen bestehenden Tribofilm überzogen. Einhergehend mit der Erzeugung des Passivierungsfilms war eine starke Reibreduktion mit Reibwerten von ca. 0.05. Die klassischen Molekulardynamiksimulationen wurden mit quantenchemischen Dichtefunktionaltheorierechnungen (DFT) überprüft und bestätigt. Mit zunehmender Druckbelastung wurde die Alkanradikalbildung auf metallischem Wolfram in den DFT-Simulationen deutlich begünstigt. Bei genügend hohen Drücken erfolgt Wasserstofftransfer von den Alkanmolekülen auf die Metalloberfläche sogar instantan, d.h. ohne Aktivierungsbarriere. Ebenso konnte der Anbindungsmechanismus von Alkanradikalen auf der Diamantoberfläche nachvollzogen werden. Neben metallischen Oberflächen spielen in technischen Anwendungen vor allem auch oxidierte Oberflächen eine entscheidende Rolle. Letztere können mit klassischen Molekulardynamiksimulationen nur unzureichend beschrieben werden, während die DFT-Methode gut zur Modellierung von Oxiden geeignet ist. Auch im Fall von Oxidoberflächen wurde die druckinduzierte Radikalbildung abhängig von der Oberflächenterminierung gefunden. Neben der Wasserstoffabstraktion kam es hierbei zusätzlich zu Additionsreaktionen sauerstoffhaltiger funktioneller Gruppen und zur chemischen Anbindung der Kohlenwasserstoffmoleküle an die Oxidoberfläche. Der aus den Simulationsergebnissen abgeleitete Passivierungs- und Reibreduktionsmechanismus des hochbelasteten geschmierten Wolfram/Diamant-Systems wurde in den Triboexperimenten weiter erhärtet. So wurde auch experimentell nach extrem kurzer Einlaufzeit ein sehr kleiner Reibwert von ca. 0.04 gemessen und sowohl auf der Diamant- als auch auf der oxidierten Wolframoberfläche wurde in anschließenden oberflächenanalytischen Messungen die Bildung eines kohlenstoffreichen und sauerstoffhaltigen Tribofilms nachgewiesen, während keine Hinweise auf eine Wolframcarbidbildung gefunden werden konnten.
Unsere Untersuchung deutet insgesamt daraufhin, dass die Bildung eines aus degradierten Schmierstoffmolekülen bestehenden Passivierungsfilms die Metalloberfläche von der Diamantoberfläche chemisch äußerst effektiv trennt, so dass ein Kaltverschweißen und damit hohe Reibwerte unterbunden werden. Hierbei ist für die Bildung des Schutzfilms die Radikalisierung der Schmierstoffmoleküle an chemisch zunächst reaktiven Oberflächen von zentraler Bedeutung. Eine Zusammenfassung dieser Arbeit wird in Kürze in der Zeitschrift „Frontiers in Mechanical Engineering“ erscheinen.
Schema zur Passivierung des Wolfram/Diamant-Tribokontakts durch tribochemische Degradation von Alkanmolekülen. (a) Unter hoher tribologischer Belastung entstehen auf der Wolframoberfläche metallische oder oxidierte reaktive Bereiche. (b) Durch Wasserstoffabstraktion bilden sich aus den Schmierstoffmolekülen Radikale. (c) Die Radikale greifen die chemisch abgesättigte Diamantoberfläche an und bilden dort reaktive Adsorptionsplätze. (d) Die verbleibenden Alkanradikale binden chemisch über die erzeugten Adsorptionsplätze an die Diamantoberfläche an oder gehen Bindungen (vorwiegend mit der oxidierten) Wolframoberfläche ein, so dass sich auf beiden Seiten des Tribokontakts ein reib- und verschleißmindernder Schutzfilm aus den Schmierstoffmolekülen ausbilden kann.
Tribologisch belastete Komponenten werden im Maschinen- und Automobilbau zunehmend aus Thermoplasten gefertigt, da sie leichter sind und ruhiger laufen können als Metall-Komponenten. Für eine Bewertung des tribologischen Einsatzverhaltens und der Zuverlässigkeit der Bauteile muss die Wechselwirkung von Schmierstoff und Kunststoff berücksichtigt werden. Reibung und Verschleiß geschmierter Systeme mit Kunststoffkomponenten zeigen häufig ein unerwartetes Verhalten.
Übergang von der Haft- zur Gleitreibung
Im Bereich der »Grenzreibung«, bei geringen Geschwindigkeiten und hohen Pressungen, prägen physikalisch-chemische Wechselwirkungen die Tribologie. Versuche zum Verhalten eines Tribosystems in der »Grenzreibung« geben zum einen wichtige Hinweise zu dessen Einsatzverhalten, zum anderen dienen sie gewissermaßen als »Sonde«, mit der man die Wechselwirkung des Schmierstoffes mit den Reibpartnern untersuchen kann. Wir haben den Übergang von der Haft- zur Gleitreibung verschiedener geschmierter Thermoplast-Stahl-Systeme in einer Tribometerzelle eines Rheometers untersucht und den Verlauf des Reibwerts für diese Systeme, beginnend bei sehr geringen Gleitgeschwindigkeiten, über einen weiten Geschwindigkeitsbereich bis in die Mischreibung ermittelt.
Vorhersage tribologischer Systemeigenschaften durch Ober- und Grenzflächenenergien
Ober- und Grenzflächenenergien der Reibpartner, ermittelt aus Kontaktwinkelmessungen, haben sich als hilfreich für eine erste Vorhersage des tribologischen Verhaltens erwiesen: Die Reibpartner Polyether-Ether-Keton (PEEK) und Stahl bilden mit den Schmierstoffen Trimellitsäureesteröl (TAEs) und Pentaerythritester (PEEs) spreitende Systeme: Hier ist es energetisch günstiger, wenn der Schmierstoff zwischen Polymer und Stahl dringt. Je höher der Energiegewinn beim Spreiten Wspreading ausfällt, desto geringer ist der Reibwert – das gilt in diesem Fall für den Schmierstoff PEEs (Abbildung 1 links).
Um diese Korrelation zu bestätigen, verglichen wir bei geringer Gleitgeschwindigkeiten die beiden nicht-spreitenden tribologischen Systeme Polyamid 46 (PA46) auf Stahl mit TAEs und PEEs. Für diese Systeme ergab der Schmierstoff TAEs und nicht PEEs die bessere Energiebilanz und erwartungsgemäß damit den geringeren Reibwert (Abbildung 1 rechts). Somit ermöglichen Kontaktwinkelmessungen eine effiziente Vorauswahl von Reibpartnern und Schmierstoffen für weiterführende, aufwändigere Versuche.
Lubricants - Veröffentlichung: http://www.mdpi.com/2075-4442/7/1/6/pdf
Abb. 1: Stribeckkurven für die Thermoplasten PEEK und PA46 in Kontakt mit Stahl, ungeschmiert und geschmiert mit TAEs und PEEs.
Bild 1: Entwicklung des Reibkoeffizienten aus Wälzlagerversuchen mit einem konventionellen Getriebeöl bei Versuchsdauern von 22,5 h und 50 h
Dr.-Ing. Dominik Kürten, Dr. rer. nat. Andreas Kailer
Im Fall einer wasserstoffinduzierten Wälzkontaktermüdung ist das Risswachstum möglicherweise durch absorbierten Wasserstoff beschleunigt. Dies wird oft mit dem Auftreten von ”white etching cracks” (WECs) in Verbindung gebracht. Diese Art der Wälzkontakt-ermüdung stellt ein erhebliches industrielles Problem für Lager verschiedener Größen und in einer weiten Bandbreite von Anwendungen dar. Zur Charakterisierung einzelner Schmierstoffe hinsichtlich des Risikos zur frühzeitigen Schadensbildung wurden Wälzlager-versuche mit einem eigens entwickelten Axiallager Prüfstand am Fraunhofer IWM durchgeführt. Als Schmierstoff wurde ein konventionelles Getriebeöl verwendet. Bild 1 zeigt den Verlauf der Reibwerte im Wälzlagerversuch. Aufgrund der Ausbildung einer Additivschicht fällt der Reibwert zu Beginn der Versuche stark ab.
Bild 2: WEC-Rissnetzwerk unterhalb der Wälzkontaktoberfläche nach 50h.
Nach den Versuchen wurde der Schmierstoff mittels FTIR Spektroskopie untersucht. Die Analysen lassen auf eine Oxidation des Schmierstoffs infolge der Wälzbelastung schließen. Querschliffe der Zylinderrollen zeigten mikrostrukturelle Schädigungen der Wälzlager (s. Bild 2). Unterhalb der Oberfläche der Zylinderrollen konnten WEC-Rissnetz-werke nachgewiesen werden. Eine solche Netzwerkbildung konnte nur für längere Versuchen beobachtet werden Wasserstoffanalysen mittels Trägergas-heißextraktion konnten Veränderungen der Wasserstoffkonzentration der Wälzlager entlang des Versuches nachgewiesen.
Bild 3: Veränderung der Wasserstoffkonzentration der Wälzlager infolge der Wälzbeanspruchung.
Die in Bild 3 dargestellten Wasserstoff-analysen der Wälzlager zeigen eine deutliche Zunahme der Wasserstoff-konzentration der Wälzlager mit zunehmender Versuchsdauer. Die gezeigten Ergebnisse deuten auf eine Wasserstofffreisetzung aus dem Schmierstoff infolge einer Schmierstoff-degradation hin.
Zusammenfassung
Die Wasserstoffkonzentration im Wälzlager steigt mit der Versuchsdauer an. Dies korreliert mit der Entstehung von Wasserstoffinduzierten Schädigung im Versuch.
Ein Großteil der Forschungsarbeiten, die durch Prof. Matthias Scherge in den vergangenen 20 Jahren initiiert und geleitet wurden, konzentrierten sich auf Tribosysteme, in denen Verschleißraten im Nanometer pro Stunde Bereich vorkommen. Derartige Systeme sind in nahezu allen Fällen ölgeschmiert und bilden je nach Einlaufbeanspruchung im Reibkontakt ein neuartiges Material, welches man als den dritten Körper bezeichnet. Dem Einlauf kommt bei der Drittekörperbildung große Bedeutung zu. Die Forschung hat gezeigt, dass es einen Einlaufkorridor gibt, in welchem eine adäquate initiale Reibleistungsdichte zu tribologisch günstigen Veränderungen der Oberfläche und des oberflächennahen Volumens führt. Wenn dem tribologischen System zu viel oder zu wenig Reibenergie während des Einlaufs zugeführt wird, springen tribochemische Reaktionen nicht an und Reibung sowie Verschleiß verharren auf hohem Niveau.
Ein kräftiger Hebel, um das tribologische System in den Einlaufkorridor zu bringen, ist die energetisch gesteuerte Endbearbeitung bei der z.B. während des Spanens gezielt Reibenergie in die Oberflächen eingebracht wird. Oberflächen, die nicht vorkonditioniert sind, vertragen deutlich geringere initiale Reibleistungsdichten und müssen schonend eingefahren werden. Konditionierte Oberflächen hingegen können von Anfang an mit höchstmöglichen Reibleistungsdichten beaufschlagt werden.
Ein weiterer effektiver Hebel zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften ist die Öladditivierung. Besonders hervorzuheben, wenn es um Reibungsverringerungen geht, sind Reibungsmodifizierer, die mit polaren Gruppen an die Oberfläche andocken und mittels un-polarer Endgruppe den Scherwiderstand signifikant herabsetzen. Derartige Modifzierer sind entweder einfach aufgebaut, d.h. Kopfgruppe – Endgruppe oder deutlich komplexer.
Die beschriebene Forschung wurde Ende 2018 in einem Review-Artikel in der Zeitschrift Lubricants veröffentlicht und kann hier herunter geladen werden.