Deutsche Forschungsgemeinschaft - SPP2074

Projekte

Kurzfassung „Mechanismen der Graphitschmierung in Wälzkontakten“

Die zentralen Ziele des Forschungsvorhabens sind die Untersuchung der Reib-, Verschleiß- und transferschichtbildenden Mechanismen in hoch belasteten tribologischen Kontakten mit dem Festschmierstoff Graphit und die Ableitung eines entsprechenden Erklärungsmodells. Um die Projektziele zu erreichen, werden experimentelle Untersuchungen gepaart mit einer umfangreichen Analytik und Simulationen auf unterschiedlichen Größenskalen kombiniert. Das Arbeitsprogramm kann folglich in zwei Bereiche unterteilt werden: Multiskalenexperimente und Multiskalenmodellierung. Zur Identifikation der Wirkmechanismen wird als Demonstrator ein hochbelastetes Axial-Wälzlager gewählt, was einerseits die Komplexität gering hält und andererseits alle realistischen Beanspruchungen abbildet. Der Demonstrator dient zur Ableitung des Parameterfeldes des zu untersuchenden Beanspruchungskollektives, welches in Modellexperimente und skalenübergreifende Simulationen eingeht. Auf diese Weise können die elementaren Reib-, Verschleiß- und Transfermechanismen von Graphit im Kontakt mit eisenbasierten Oberflächen im Detail untersucht werden.

Durch Abgleich und gegenseitige Validierung zwischen Experimenten, Simulationen und Analytik sollen qualitative Festschmierstoffmodelle und quantitative Konstitutivgleichungen abgeleitet werden, die in makroskalige FE-Simulationen des Tribometerkontaktes Eingang finden und zur Modellanpassung auf der Makroebene beitragen sollen. Dies wird schlussendlich für ein modifiziertes MKS-Modell benötigt, das genügend Prädiktivkraft zur rechnergestützten Auslegung graphitgeschmierter Wälzlager besitzen soll.

Beteiligte Institute:

IPEK – Institut für Produktentwicklung, KIT, Karlsruhe

IAM-CMS, Institut für Angewandte Materialien, KIT, Karlsruhe

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik, IWM, Freiburg

Kurzfassung „Trockenschmierung von Wälzkontakten durch selbstregenerative Molybdänoxidschichtsysteme“

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist es, eine sich selbstregenerierende Feststoffschmierschicht zu entwickeln, die unter hoch belasteten Wälzkontakten ihre Verfügbarkeit gewährleistet. Dafür sollen PVD-Schichten bzw. Schichtverbunde auf Molybdänoxidbasis als Festschmierstoffbildner eingesetzt werden. Die Eigenschaften der Molybdänoxide, MoO2 und MoO3, prädestinieren diese Werkstoffe als mögliche Beschichtungsmaterialien für Wälzkontakte. Speziell Molybdäntrioxid (MoO3) ist aufgrund seiner Schichtstruktur als Festschmierstoff geeignet. Molybdändioxid (MoO2) eignet sich als Reservoir- und Trägerschicht zwischen dem Wälzlagerstahl und der Funktionsoberfläche. Im Betrieb von hochbelasteten Wälzkontakten findet fortwährend ein Schichtabbau durch Verschleißvorgänge statt, wobei gleichzeitig Mechanismen zum erneuten Aufbau der Feststoffschmierschicht wirken. Die Bereitstellungsprozesse in Abhängigkeit der Einsatzbedingungen werden systematisch ermittelt.

Um das Ziel des Forschungsvorhabens zu erreichen, sind drei Institute mit unterschiedlichen Forschungsschwerpunkten beteiligt. 

Leibniz Universität Hannover, Institut für Werkstoffkunde (IW), Füge- und Oberflächentechnik (Fortis)

Die Forschungsarbeiten am IW konzentrieren sich auf die Beschichtung der Wälzkörper und Wälzlagerringe. Weiterhin werden die eingesetzten Schichtphasen und -systeme vor und nach Einsatzversuchen mit Hilfe der Analysetechnik am IW untersucht.

Leibniz Universität Hannover, Institut für Maschinenkonstruktion und Tribologie (IMKT) 

Die Forschungsarbeiten am IMKT dienen dazu, beschichtete Wälzlager auf ihr Verhalten bei unterschiedlichen Betriebszuständen zu untersuchen. Des Weiteren wird ein FE-Modell erstellt, welches die im Wälzkontakt auftretenden Kräfte abbildet, welche für die weitere Berechnung in das Verschleißmodell am IFUM einfließen

Leibniz Universität Hannover, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) 

Im Rahmen des Projektes wird am IFUM, basierend auf einer Charakterisierung der Schichtsysteme sowie anschließender Analyseverfahren, eine Modellierungstechnik zur numerischen Verschleißberechnung von hochbelasteten Wälzkontakten ausgearbeitet. 

Kurzfassung „Fluidfrei geschmierte Stirnradverzahnung – tribologische Analyse und konstruktive Auslegung“

Eine optimierte Schmierung von Getrieben ist für einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Tragfähigkeit entscheidend. Heute sind viele Getriebe konventionell mit Fett oder Öl geschmiert. Fluidschmierungen können in Anwendungen mit extremen Umgebungs-bedingungen wie beispielsweise im Vakuum, bei hohen gewichtstechnischen oder extremen thermischen Anforderungen, bei hygienischen Anwendungen und in optischen Geräten nicht eingesetzt werden. Hier ist eine fluidfreie Schmierung mit Festschmierstoffen geeignet, die jedoch charakteristische Unterschiede zur konventionellen Schmierung aufweist und nicht für hohe mechanische Belastungen ausgelegt ist. So erhöht sich beim Wegfall des flüssigen Schmierstoffs in konventionellen Systemen die Reibung, was zu einem hohen Wärmeintrag in die Zahnflanken und aufgrund der geringeren Kühlwirkung zu typischen Zahnradschäden wie Verschleiß, Fressen und Heißlaufen führt.

Das übergeordnete Ziel, des Projekts „Fluidfrei geschmierte Stirnradverzahnung – tribologische Analyse und konstruktive Auslegung“, im Rahmen des Schwerpunktprogramms 2074 ist die Gestaltung einer fluidfrei geschmierten Stirnradverzahnung, die hohen mechanischen Belastungen zuverlässig standhält. Hierzu werden in der beantragten ersten Förderperiode die tribologischen Wirkmechanismen von Festschmierstoffen in hoch-belasteten Wälzkontakten grundlegend untersucht, wobei der Fokus auf disulfidischen Festschmierstoffen MoS2 und WS2 liegt. Weiterhin werden konstruktive Modifizierungen zur kinematischen und geometrischen Auslegung der Zahngeometrie und zur verbesserten Wärmeabfuhr von Verzahnungen analysiert.

Das Arbeitsprogramm umfasst die Abscheidung triboaktiver (Cr,Al)N+X:S-Beschichtungen 

(X = Mo, W) sowie die Herstellung einer Diamond-like Carbon (DLC)-Referenzbeschichtung und MoS2-, WS2- und Me:S-haltiger Gleitlacke. Der Einbau von Mo und W in die (Cr,Al)N+X:S-Beschichtungen ermöglicht die Bildung der Festschmierstoffe MoS2 und WS2 im tribologischen Kontakt. Deren Transferschichtbildung und Bereitstellungsprozesse werden am Zweischeiben-prüfstand analysiert und beurteilt, um Aussagen zum tribologischen Verhalten bei für Stirnradverzahnungen relevanten Betriebsbedingungen zu erhalten. Zur Analyse der Bereitstellungsprozesse werden die Beschichtungen und Prozesse wissensbasiert angepasst. Zusätzlich wird die Schmierung mittels Opferscheiben untersucht. Eine umfangreiche Oberflächenanalytik und Tribosimulationen erweitern das Verständnis zur Transferschicht-bildung und zu tribologischen Wechselwirkungen. Parallel zur tribologischen Analyse werden maßgeschneiderte Verzahnungsvarianten für fluidfreie Schmierung ausgelegt und als Prototypen gefertigt. Das Potenzial dieser Prototypen wird im Zusammenspiel mit den vielversprechendsten Beschichtungen der tribologischen Analyse am Wirkungsgrad-Zahnradprüfstand bewertet. Diese Untersuchungen bilden den Übergang in eine zweite Förderperiode.

Kurzfassung „Fluidfreie Schmierstoffschichten für den hochbelasteten und unsynchronisierten Betrieb von trockenlaufenden Schraubenmaschinen“

Unsynchronisierte trockenlaufende Schraubenmaschinen sind aus ökonomischer und ökologischer Gründen erstrebenswert, konnten bislang jedoch aufgrund der geringen Lebensdauer infolge der hohen Belastung und den damit einhergehenden tribologischen Herausforderungen im Kontakt der Rotoren lediglich kurzzeitig in Forschungsanlagen betrieben werden. Technologisches Hauptziel des SPP-Teilprojektes ist die Erhöhung der Standzeit derartiger Maschinen durch die Verwendung von Festschmierstoffen zur Schmierung des Gleitwälzkontaktes. Vor diesem Hintergrund wird im Rahmen des Forschungsvorhabens ein grundlegendes Verständnis über die Zusammenhänge von Geometrie und Belastung sowie atomarem Aufbau, Mikrostruktur, Reibungsverhalten und Mechanismen der Festschmierstoffbereitstellung gesputterter MoS2/MoNx Dünnschichten durch einen skalenübergreifenden interdisziplinären Ansatz erlangt. Dazu werden die Festschmierstoffschichten mittels hochenergetischer Plasmen (HiPIMS-Technologie) auf Schraubenrotoren abgeschieden. Ziel ist der Erkenntnisgewinn sowohl über die Einflüsse der Schichtstruktur und  architektur als auch der Rotorprofilgestaltung auf die Mechanismen der Transferschichtbildung bei hohen Flächenpressungen. Im Fokus stehen dabei in-situ Betrachtungen der tribologischen Kontaktsituation zur Identifizierung und Beschreibung interatomarer Wechselwirkungen, welche zur Modellbildung im Bereich der Oberflächen-atomistik herangezogen werden. Um dieses Verständnis über die Mechanismen der Feststoffschmierung bei hochbelasteten trockenlaufenden unsynchronisierten Schraubenmaschinen zu generieren, kooperieren die folgenden Einrichtungen zusammen:

Fachgebiet Fluidtechnik (FT), Technische Universität Dortmund

Lehrstuhl für Werkstofftechnologie (LWT), Technische Universität Dortmund

Experimentelle Physik 2 (E2), Technische Universität Dortmund

Kurzfassung „Polytetrafluorethylen (PTFE) - Schmierung in hochbelasteten Wälzkontakten“

Hohe bzw. tiefe Temperaturen, geringe Geschwindigkeiten, aggressive Umgebungsmedien oder Vakuum können eine Schmierung von Maschinenelementen mit Ölen oder Fetten verhindern und erfordern den Einsatz von Festschmierstoffen. In Maschinenelementen mit geringen Kontaktpressungen, wie Gleitlagern, ist der Einsatz von Polytetrafluorethylen (PTFE) als Festschmierstoff verbreitet. PTFE wird als Beschichtung auf die Oberfläche aufgebracht und steht somit direkt im Kontakt zur Schmierung zur Verfügung. Die geringe Festigkeit des PTFE verhindert eine solche Schmierstoffbereitstellung in hochbelasteten Wälzkontakten (p>1000 MPa). Um diese Kontakte trotzdem mit PTFE schmieren zu können, kann der Festschmierstoff außerhalb des Kontakts bereitgestellt und in der richtigen Dosierung zugeführt werden. Die Mechanismen der PTFE-Schmierung in hochbelasteten Wälzkontakten sind noch nicht ausreichend verstanden, um den Festschmierstoff in diesen Anwendungen einzusetzen.

Das Forschungsvorhaben soll die o.g. Wirkzusammenhänge auf mikroskopischer Betrachtungsebene analysieren und deren gezielte Nutzung für einen optimierten Schmierungsvorgang des makroskopischen Wälzkontakts ermöglichen. Dazu werden auf der mikroskopischen Betrachtungsebene atomistische Simulationsmethoden eingesetzt, mit denen die relevanten chemischen, mechanischen und thermischen Vorgänge der einzelnen Wirkzusammenhänge des Schmierungsvorgangs modellhaft beschrieben werden können. 

Die Übertragung der Erkenntnisse auf die Makroskala erfolgt mittels kontinuumsmechanischer Simulationen und experimentell in einem in situ Tribometer, welches eine gezielte Untersuchung der weiter oben genannten Wirkzusammenhänge im Großkammer-REM erlaubt. Die makroskopisch im in situ Tribometer gemessenen PTFE-Übertragungsraten werden dann mit den aus den mikroskopischen Beschreibungsmodellen ermittelten Übertragungsraten abgeglichen. Auf diese Weise sollen validierte, auf chemischen und mechanischen Beschreibungsmodellen beruhende Auslegung dezentral mit PTFE geschmierter Wälzkontakte ermöglicht werden.

Institut für Maschinenelemente und Systementwicklung der RWTH Aachen (MSE)

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik in Freiburg (IWM)

Kurzfassung „Tribologische Transfermechanismen und großflächige Mikrokontaktsimulation der Festschmierstoffbereitstellung aus PVD-Schichten für trockenlaufende Zahnradstufen“

In Zahnradgetrieben wird als Zwischenmedium üblicherweise ein Schmierstoff in Form von Schmieröl oder Schmierfett eingesetzt. Die primären Aufgaben des Schmierstoffs liegen in der Verschleiß- und Reibungsminimierung sowie in der Wärmeabfuhr und das Austragen von Verunreinigungen und Verschleißpartikeln. Aufgrund der gegenüber Lagern und Dichtungen abweichenden tribologischen Beanspruchungen im Zahnflankenkontakt stellt insbesondere die Wärmeabfuhr eine zentrale Herausforderung dar, deren Realisierung im Trockenbetrieb hochbeanspruchter Zahnradkontakte bislang Gegenstand der Forschung ist. Die genannten primären Aufgaben der ölbasierten Schmierung sollen mit der Applikation von PVD-Festschmierstoffbeschichtungen im Zahnflankenkontakt begegnet werden, wodurch die mikro-topographische Ausprägung der sich im Kontakt befindlichen Aktivflächen weiter in den Fokus gerückt werden.

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist somit die experimentelle und simulative Analyse der Bereitstellungs- und Transfermechanismen von applizierten PVD-Festschmierstoffsystemen zur Versorgung trockener Wälzkontakte am Beispiel des Zahnflankenkontakts. Zur Beurteilung der Schichttragfähigkeit, der Kontaktreibung und Wärmeentwicklung werden die mit verschiedenen Schichtvarianten applizierten Prüfkörper mit unterschiedlich ausgeprägter Mikrotopographie auf dem Zwei-Scheiben-Prüfstand unter zahnradtypischen Bedingungen getestet. Die Prüfkörper werden analytisch und tribologisch charakterisiert, um ein grundlegendes Verständnis der ablaufenden Prozesse von Festschmierstoffbereitstellung und -transfer in Abhängigkeit von den Oberflächeneigenschaften und Beanspruchungen zu entwickeln. Basierend auf diesen Erkenntnissen wird eine Methode zur Tribosimulation des trockenen Kontakts erarbeitet. Im letzten Schritt werden die Erkenntnisse der experimentellen, analytischen und tribologischen Untersuchungen zur Entwicklung eines beanspruchungsgerechten Schichtsystems und zur Übertragung auf hinsichtlich tribologischer Beanspruchung örtlich und zeitlich veränderlichen Zahnflankenoberflächen genutzt. Zum Nachweis der Applikationsbefähigung werden Prüfverzahnungen gemäß der optimierten Oberflächen- und Schichtbeschaffenheit aus dem Scheibenversuch eingestellt und hinsichtlich der Vorhersagegenauigkeit untersucht.

Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen

Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien IWT Bremen

Kurzfassung „Fluidfreie Schmiersysteme für mechanisch hoch belastete Linearführungen durch beschichtungstechnische Optimierung der Funktionselemente“

Im Rahmen des Verbundprojektes soll ein Lösungsweg aufgezeigt werden, wie mechanisch hoch belastet Wälzkontakte fluidfrei durch den Einsatz von geeigneten Feststoffen und einer angepassten Oberflächenbehandlung des Gegenkörpers geschmiert werden können. Hierzu ist es notwendig, einen stabilen Transferfilm zu erzeugen, der einerseits Grund- und Gegenkörper trennt, um einen verschleißarmen Betrieb zu gewährleisten und andererseits die Reibung herabsetzt, um einen thermischen Gleichgewichtzustand zu erzielen. In einem ersten Schritt werden hierzu verschiedene Feststoffe, Oberflächenmodifikationen und Bereitstellungsoptionen anhand von einfachen tribologischen Tests evaluiert. Mit Hilfe moderner Oberflächenanalytik werden die zugrundeliegenden Transferprozesse bei der Schichtbildung analysiert. Hinzu kommen Methoden der FEM-Simulation, um ein tiefgreifendes Verständnis zu erlangen und Wirkmodelle zu entwickeln. Im zweiten Schritt werden die Erkenntnisse auf ein reales Demosystem übertragen. Hier wurde das System wälzgelagerte Linearführung ausgewählt, da dieses eine hohe technische Relevanz hat und die typischen Beanspruchungskollektive (oszillierende Bewegung, Stillstandszeiten) für eine Trockenschmierung günstig sind. Anhand des Pilotsystems soll die technische Machbarkeit aufgezeigt werden.

Wesentliches Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, die Mechanismen, die zu einer Transferfilmbildung in Wälzkontakten führen, zu identifizieren und mit Hilfe geeigneter Modelle auch theoretisch beschreiben zu können. Dadurch lassen sich Maßnahmen ableiten, die Prozesse gezielt zu steuern. Innovativer Ansatz des Projektes ist es, nicht nur den Festschmierstoff bereitzustellen sondern auch die Oberflächen, auf denen sich der Transferfilm ausbilden soll, oberflächentechnisch zu modifizieren und so an zwei Stellen aktiv einzugreifen.

Beteiligte Institute:

Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik, Braunschweig

Kompetenzzentrum Tribologie, Hochschule Mannheim

Kurzfassung „Feststoffschmierung durch Kohlenstoffnanoröhren: 

Grundlegendes Verständnis der Transferschichtbildung und der Gleitmechanismen durch Atomistik und experimentelle Nanoanalytik“

Herkömmliche Festschmierstoffe besitzen oft Grenzen in ihrer Anwendbarkeit. Beispielsweise erlauben zweidimensionale Materialien wie MoS2 das leichte Abscheren molekularer Schichten, wodurch ein gutes Reibverhalten erreicht werden kann. Jedoch reagiert MoS2  sehr leicht mit Sauerstoff und sorgt dementsprechend nur in Inertgasatmosphären und im Vakuum für effektive Schmierung Andererseits basiert die Schmierfähigkeit von Graphit auf der umgebenden Luftfeuchtigkeit und Graphit ist unter trockenen Bedingungen im Allgemeinen als Festschmierstoff nicht verwendbar.

In diesem Vorhaben soll untersucht werden inwiefern mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (Engl.: multiwall carbon nanotubes, kurz: CNTs) als Festschmierstoff für den Einsatz in hochbelasteten Lagern aus Stahlwerkstoffen geeignet sind und ob der Anwendungsbereich gegenüber dem chemisch eng verwandten Graphit erweitert werden kann. Speziell die Fragen, ob die zylindrische Form sowie die hohe mechanische und chemische Stabilität der CNTs das Triboverhalten in einem weiten Anwendungsbereich günstig beeinflussen, sollen geklärt werden. 

Da CNTs als Festschmierstoffe noch nicht fest etabliert und wenig erforscht sind, stellen sich zahlreiche grundlegende Fragen zu den Schmiermechanismen. Um diese aufzuklären, setzt dieses Projekt auf eine Kombination aus Triboexperimenten, Oberflächenanalytik und atomistischer Simulation. Die experimentellen Arbeiten werden am 

Lehrstuhl für Funktionswerkstoffe der Universität des Saarlandes (FUWE)

und die Simulationen werden am 

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM) durchgeführt.

Kurzfassung „Fluidfreie Schmierung von Schneckengetrieben auf Basis von PTFE“

Schneckengetriebe werden u.a. in industriellen Antriebssystemen zur Leistungsübertragung eingesetzt. Sie zeichnen sich im Vergleich zu anderen Zahnradgetrieben durch die in einer Stufe realisierbaren großen Übersetzungen und einen Schwingungs-und geräuscharmen Lauf, sowie ihre kompakte Bauform aus. Schneckengetriebe werden in der Praxis hauptsächlich mit Öl geschmiert, da im Zahnkontakt Gleiten auftritt. Bei lebensdauergeschmierten Systemen kommen kommerzielle Schmierstoffe aufgrund der zeitbedingten Alterung des flüssigen Schmierstoffes nicht in Frage. In derartigen Anwendungen werden häufig Festschmierstoffe eingesetzt. Weiterhin werden häufig im Medizinbereich oder in der Lebensmittelindustrie fluidfreie Getriebe gefordert.

In den letzten Jahren wurde die Anwendbarkeit von Festschmierstoffen bei Getriebekomponenten untersucht. Dabei wurden verschiedene Stoffe, u.a. PTFE (Polytetrafluorethylen) und MoS2 (Molybdändisulfid) untersucht. Es zeigte sich, dass bei bestimmten Betriebsbedingungen die Gegenkörper durch einen Schmierstofffilm bedeckt werden. Basierend auf den Vorkenntnissen über Feststoffschmierung sowie Erkenntnissen zur Präparation von chemisch gebundenen Polymer-PTFE-cb Kompositen soll in diesem Vorhaben eine interdisziplinäre Forschung hinsichtlich der Anwendbarkeit von PTFE geschmierten Schneckengetrieben zwischen den folgenden Forschungseinrichtungen systematisch erarbeitet und aufgezeigt werden:

Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik der Technischen Universität Kaiserslautern (MEGT)

Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V. (IPF)

Institut für Oberflächen und Schichtanalytik in Kaiserslautern (IFOS)

Kurzfassung „Mechanismenbasierte Aufklärung des Transfers kunststoffgebundener fluidfreier Schmierstoffsysteme im Schmierstoffkörper-Grundkörper-Kontakt und dessen Einfluss auf die tribologischen Eigenschaften im hochbelasteten Grundkörper-Gegenkörper-Kontakt“

Das übergeordnete wissenschaftliche Ziel dieses Teilprojekts ist die Beschreibung der Mechanismen von Reibung und Verschleiß hinsichtlich der Tribofilmbildung in tribologischen Systemen mit hoher mechanischer Belastung, in denen die Schmierung der Metallreibpartner durch thermoplastbasierte Festschmierstoffe verwirklicht wird. Konkret soll der Zusammenhang zunächst in einfachen Kontaktgeometrien untersucht und bewertet werden. In einer zweiten Stufe werden die grundsätzlichen Resultate auf technisch bewährten Kontaktgeometrien in Maschinenelementen übertragen. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Bereitstellung und dem Transfer von Festschmierstoff in der Kunststoff/Metall-Interaktion. 

Das Projekt umfasst die grundlegende Mechanismenuntersuchung der Bereitstellungs- und Transferprozessen thermoplastbasierter Festschmierstoffe in Tribosystemen mit hoher mechanischer Belastung. Ein erfolgreiches Projekt kann nicht nur tieferes Verständnis der Mechanismen von Tribofilmbildung gewinnen, sondern auch ein Festschmierstoffsystem auf Basis von thermoplastischen Kunststoffen für die industrielle Anwendung ermöglichen. Dieses Teilprojekt wird am Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe (CCe) der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) und am Institut für Oberflächen und Schichtanalytik (IFOS) in Kaiserslautern durchgeführt.

Kurzfassung „Grundlagen für eine verbesserte Gebrauchsdauerberechnung feststoffgeschmierter Wälzlager durch Multiskalen-Untersuchungen“

Kontaktpaarungen von Festkörpern unter Relativbewegung wie sie beispielsweise in Wälzlager vorkommen, werden üblicherweise mit unterschiedlich viskosen Flüssigschmierstoffen voneinander getrennt, insbesondere um Reibung und Verschleiß zu minimieren. Unter extremen Bedingungen versagen die, zumeist auf Mineralöl basierenden, Fette und Öle jedoch und lassen sich daher nicht einsetzen. Der im Rahmen dieses Forschungsprojektes betrachtete Anwendungsfall Drehanoden in Röntgenröhren befasst sich mit dem Betrieb der Lager unter Vakuumbedingungen mithilfe des Festschmierstoffs Molybdändisulfid (MoS2), abgeschieden über Physical Vapour Deposition (PVD).

Die bisherigen Forschungsarbeiten zeigen einen starken Einfluss der Mikrostruktur auf die tribologischen Eigenschaften. Dabei wirken sich basal orientierte Schichtsysteme positiv auf Reibung und Verschleiß aus, währen nanokristalline/wenig texturierte Schichtsysteme meist eine geringere Gebrauchsdauer aufweisen. Für den Wälzkontakt sind die Elementarmechanismen, die das tribologische Verhalten von MoS2-Schichten begründen, noch deutlich weniger erforscht als für den Gleitkontakt. So sollen das tribologische Verhalten zwischen MoS2-Schichten, die bereits herstellbedingt eine stärkere Basaltextur aufweisen und geringer texturierten Schichten, die sich unter Beanspruchung oberflächennah basal ausrichten, systematisch über mehrere Skalen hinweg verglichen werden. Ermöglicht wird diese Multiskalenuntersuchung durch das Zusammenarbeiten zwischen den folgenden Forschungseinrichtungen der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg:

Lehrstuhl für Konstruktionstechnik (KTmfk) – Makroebene 

Lehrstuhl für Allgemeine Werkstoffeigenschaften (WW1) – Mikroebene 

Computer-Chemie-Centrum (CCC) – Atomare Ebene

Das spezifische Ziel der geplanten ersten Projektphase besteht darin, die Elementarmechanismen genauer zu verstehen, die zu Materialabtrag, -transfer, -auftrag und Versagen von MoS2-Schichten unter Wälzbeanspruchung führen. Das übergeordnete Ziel dieses Forschungsprojekts ist die Entwicklung eines Berechnungsmodells, welches zuverlässige Prognosen der Gebrauchsdauer von Wälzlagern mit MoS2-beschichteten Komponenten erlaubt und sich somit sinnvoll in der Ingenieurpraxis für die Bauteilauslegung heranziehen lässt.

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