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Supraschmierung oder der Weg zu Reibungskoeffizienten kleiner als 0,01

Verbesserung der Leistung von Schmierfetten durch die Entwicklung von Graphenoxid-funktionalisierten Polyurea-Verdickern

Aktive Reibungssteuerung durch elektrische Impulse und ionische Flüssigkeiten

Dünnschichtsensoren für Rolle-zu-Rolle-Prozesse – »InKraftSens« 

Blechumformung reagiert auf Licht

Schwerlastprüfstand bis 245 kN Prüfkraft zur hochaufgelösten Verschleißmessung an rotierenden Bauteilen

Big Data in der Tribologie für Schmierstoff- und Additiventwicklung

Viskositätsverhalten in Abhängigkeit von Temperatur und Druck

Ist die Beschichtung mit diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC, diamond-like carbon) von nicht leitfähigen Werkstoffen im reinen PECVD Verfahren unmöglich? Absolut nicht!

Prüfmethodenentwicklung für die Hochtemperaturtribologie in Abgas

Systemoptimierung geschmierter Kunststoff-Gleitsysteme

Innovative Fortschritte in der Blechumformung durch programmierbare Schmierstoffe

Interview mit Prof. Moseler und Prof. Scherge: Tribologie als Hebel für energieeffiziente und funktionale Systeme

Kurze Geschichte des MikroTribologie Centrums µTC

Effiziente Berechnung von Hochdruck-Viskositäten aus Molekulardynamik-Daten

Supraschmierung von Keramik-DLC-Tribokontakten im Vakuum: Der Einfluss des Wasserstoffgehalts auf die Transferfilmbildung

Mikrofretting an elektrischen Kontakten beherrschen

Das kratzt mich nicht

Ein tiefer Blick ins Plasma

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Dr. Gianpietro Moras

Kombiniert man ta-C-Schichten oder spezielle Keramiken mit darauf abgestimmten Schmierstoffen, lassen sich Reibungskoeffizienten unter 0,01 in der Grenzreibung erzielen. Dieser bemerkenswerte Effekt ist auf die mechanochemische Bildung nanoskaliger, extrem gleitfähiger Oberflächenstrukturen zurückzuführen. Diese Grenzreibungssupraschmierung, kürzlich vom Fraunhofer IWS und Fraunhofer IWM entdeckt und in Nature Communications veröffentlicht, eröffnet neue Möglichkeiten: Wälzlager und konventionelle Gleitlager könnten durch Supragleitlager ersetzt werden. Dies würde die Gestaltung von E-Achsen und Pumpen erheblich erleichtern und zugleich deren Zuverlässigkeit, Kosten- und Ressourceneffizienz steigern. Zudem könnte eine nie dagewesene Präzision in Positioniersystemen realisiert werden.

Weitere vielversprechende supraschmierende Systeme, wie etwa Keramiken, Diamant und Graphen in Kombination mit wasserbasierten Schmierstoffen, sollen im Projekt SupraSlide zu einem modularen Baukasten für Supragleitlager weiterentwickelt werden. Ziel ist es, damit eine Energieersparnis von bis zu 90% zu ermöglichen.

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Dr. Felix Gatti

Im Mai dieses Jahres wurde die Dissertation mit dem Titel »Programmierbare Reibung – Entwicklung von stimuli-responsiven Tribosystemen auf Basis ionischer Flüssigkeitsgemische« erfolgreich verteidigt.

Die Arbeit widmet sich der aktiven Steuerung und Programmierung der Reibung in tribologischen Systemen mithilfe elektrischer Impulse und ionischer Flüssigkeiten (ILs) sowie deren Mischungen (ILMs). Ziel ist es, tribologische Systeme so zu betreiben, dass sie effizienter und nachhaltiger auf die Anforderungen einer bestimmten Anwendung reagieren können. Im Zentrum der Untersuchung steht, wie elektrische Ladungen an Metalloberflächen die molekulare Anordnung der Ionen beeinflussen und sich die Reibung aktiv steuern und sogar programmieren lässt. Die Versuche zeigen, dass ILMs – im Vergleich zu reinen ILs – höhere Reibwertveränderungen und stabilere Adsorptionsschichten ermöglichen. Bei Anwendung eines elektrischen Potentials lassen sich mit ILMs Reibwertänderungen von bis zu +140 Prozent (anodisches Potential) und −45 Prozent (kathodisches Potential) erzielen, wobei bei der Reduzierung des Reibwerts mehr Energie eingespart wird, als für die elektrische Steuerung benötigt wird.

Zusätzlich wurde das tribologische System mit einem Tribo-Regler gekoppelt, mit dem es möglich wurde, voreingestellte Reibwerte automatisch anzupassen. Dabei konnten reversible Reibwertänderungen von bis zu ±230 Prozent realisiert werden. Die Erkenntnisse ebnen den Weg für die technische Nutzung von ILMs, welche im Hinblick auf die Programmierbare Reibung in dieser Arbeit erfolgreich in Verbindung mit herkömmlichen Ölen und in Kugellagern getestet wurden. Damit leistet diese Arbeit einen bedeutenden Beitrag zur Entwicklung der »Programmierbaren Reibung« – ein Konzept, das tribologischen Systemen die Fähigkeit verleiht, sich selbstständig an veränderte Bedingungen anzupassen.

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Alexander Fromm

Die Herstellung und prozesssichere Verarbeitung flexibler Materialien erfordert eine gute Homogenität der Bahnkraftverteilung beim innermaschinellen Transport. Herstellungsbedingte Planlageabweichungen und Dickentoleranzen, Bahnfehler wie Falten, Stippen oder Risse, aber auch verarbeitungsinduzierte Schwankungen müssen dafür weitestgehend vermieden werden. Um diesbezüglich kontrolliert und früh genug gegensteuern zu können, müssen Abweichungen schnell und sicher lokalisiert werden können.

Am MikroTribologie Centrum µTC und dem Fraunhofer IVV in Dresden ist zum 01. Oktober 2024 ein IGF-Projekt gestartet, in dem eine neue Messmethode erarbeitet werden soll, die sich die Wechselwirkung zwischen der Bahnkraft, dem Kontakt der Bahn zur Führungsrolle und dem resultierenden Wärmeabfluss aus der Folie zunutze macht. Mittels Dünnschichttechnologie sollen Bahnlaufelemente mit Temperatursensorarrays und tribologisch angepassten Oberflächen ausgerüstet werden (siehe Abbildung). Das Messelement wird dann so temperiert, dass das Folienmaterial im Kontakt nicht signifikant beeinflusst wird, der Wärmeabfluss mithilfe der Temperatursensoren aber detailliert erfasst werden kann. Die hochaufgelösten, echtzeitnahen Messdaten sollen dann ein Maß für die Bahnkraft liefern und sind die Voraussetzung für eine künftige Inlineregelung der Bahnkraftverteilung bzw. der Verarbeitungsparameter. Qualitätsverluste, Ausschuss und Stillstände sollen damit zukünftig weitestgehend vermieden werden.

Bei erfolgreichem Proof-of-Concept soll das Verfahren bei der Auf-, Ab- und Umwicklung bzw. Herstellung und Verarbeitung bahnförmiger Produkte, wie Folien oder Papiere für technische Güter, bei der Verpackung von Lebensmittel-, Pharma-, Medizin- und Kosmetikprodukten, bei der Behandlung (Beschichtung, etc.) von flexiblen Materialien u.v.m. eingesetzt werden.

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Dr. Dominic Linsler

Blechumformung durch Tiefziehen ist einer der wichtigsten Umformprozesse in der Industrie, der vor allem in der Großserienproduktion wegen der geringen laufenden Kosten eingesetzt wird. Durch höhere Anforderungen an Umformprodukte und kleinere Losgrößen kommt einer kontrollierten Prozessführung eine immer größere Bedeutung zu. Diese kontrollierte Pro­zess­führung kann durch eine aktive Beeinflussung der Reibung zwischen Blech und Werk­zeug deutlich verbessert werden, weil das Umformergebnis in mehrerlei Hinsicht (Falten, Riss­bildung, Rückfederung) vom Materialfluss abhängig ist.

Im Rahmen des Ideenwettbewerbs zur Biologisierung der Technik und des Fraunhofer-internen Forschungsclusters »Programmierbare Materialien« konnte die grundsätzliche Funktion der Herangehensweise demonstriert werden, mit der die Reibung auf dem Blech aktiv kontrolliert werden kann: Ein Schmierstoff wurde derart chemisch verändert, dass durch die Bestrahlung mit UV-Licht eine Vis­kosi­täts­erhöhung erfolgte, die eine signifikante Abnahme der Ziehkraft in der Streifenzugmaschine und im Näpfchenzugversuch be­wirk­te. Interessant an diesem Ansatz ist, dass die Viskositätserhöhung zum einen reversibel ist und zum anderen auch lokal auf dem Blech gesteuert werden kann. Dadurch ergeben sich neben der Steuerung der Reibung auch Möglichkeiten zur Verbesserung der Ablaufhemmung oder der Blechabreinigung. Das Verfahrenspatent zum Einsatz des viskositätsschaltbaren Schmierstoffs wurde am 29. Februar 2024 offengelegt (DE 10 2022 122 012 A1).

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Prof. Dr. Matthias Scherge

Für tribologische Systeme, die hohen Kräften ausgesetzt sind, steht am MikroTribologie Centrum µTC ein Schwerlastprüfstand für rotierende Bauteile zur Verfügung. Der Prüfstand deckt einen Kraftbereich von 100 N bis 245 kN in Druck- und in Zugrichtung bei einem Drehzahlbereich von 1 bis 5.000 Umdrehungen pro Minute ab. Auch reversierende Winkelbewegungen ab 1° sind möglich.

Damit ist der Prüfstand für Versuche an Bauteilen aus Großmotoren und Anwendungen in den Bereichen Windkraft, Marine und Wasserkraft interessant. Adaptierungen für Ventiltriebsuntersuchugen sind möglich.

Die Besonderheit des Prüfstands ist neben dem hohen Last- und Drehzahlbereich die Verknüpfung mit hoch aufgelöster Echtzeitverschleißmessung.

Zurzeit wird der Prüfstand zur Charakterisierung von Verschleißeigenschaften an neuartigen Gleitlagern genutzt. Auch für den hydrodynamischen Betrieb ausgelegte Gleitlager geraten in verschiedenen Betriebssituationen wie Anfahren und Auslaufen oder bei Mangelschmierung in den Mischreibungsbereich, in dem Verschleißfragen relevant werden. Verschleißuntersuchungen an Gleitlagern sind für Fragestellungen zur Ölalterung und -verschmutzung genauso nötig wie zur Freigabe von verschiedenen Ölen.

Hochaufgelöste Verschleißmessung mit Radionuklidtechnik (RNT)

Ein Großteil der Anwendungen im Maschinenbau benötigt für die geforderte Lebensdauer Verschleißraten im Bereich weniger Nanometer pro Stunde, die sich topographisch kaum abbilden lassen. Dabei kommt erschwerend hinzu, dass sich die Verschleißrate auch unabhängig von der Belastung über die Versuchszeit ändert. Hier bietet die Radionuklidtechnik entscheidende Vorteile, denn sie ermöglicht die hochaufgelöste Verschleißmessung in der Größenordnung weniger Nanometer pro Stunde in Echtzeit während des Versuchs und ermöglicht damit die Identifizierung stationärer Zustände, d.h. konstanter Verschleißraten, die eine zuverlässige Extrapolation des Verschleißes über die Lebensdauer zulassen.

Am Schwerlastprüfstand ist die Erstellung prüflingsspezifischer Programme, die den Anwendungseinsatz abbilden, möglich. In Kombination mit der Radionuklidtechnik können wir daher effizient den Einfluss unterschiedlicher tribologischer Belastungen auf das Reibungs- und Verschleißverhalten abbilden.

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Prof. Dr. Matthias Scherge

Die Tribologie ist ein zentrales Thema in der Schmierstoff- und Additiventwicklung. Immer komplexere Anforderungen an Materialien und Schmierstoffe erfordern eine immer tiefere Kenntnis der tribologischen Mechanismen. Hierbei spielt die Auswertung großer Datenmengen, sogenannter »Big Data«, eine immer wichtigere Rolle.

Um die tribologischen Eigenschaften von Schmierstoffen und Additiven zu untersuchen, wurden am MikroTribologie Centrum µTC 16 baugleiche Tribometer für Reibungs- und Verschleißmessungen eingesetzt (µTC Tribometerfarm). Mit den Messungen wurden Hochdurchsatz-Screenings durchgeführt, um eine möglichst hohe Anzahl an Datenpunkten zu generieren. Die Messwerte wurden dabei inklusive der Raumtemperatur und -feuchte erfasst und in einer Datenbank gespeichert.

Die Analyse dieser großen Datenmengen bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Optimierung der tribologischen Eigenschaften. Mit Hilfe von statistischen Methoden können Korrelationen zwischen verschiedenen Parametern identifiziert werden, die eine wichtige Grundlage für die weitere Optimierung darstellen.

Um die Datenverarbeitung weiter zu optimieren, erfolgte die Anbindung an ein OpenBIS System (elektronisches Laborbuch). Dadurch können die Daten noch effizienter ausgewertet und sichergestellt werden, dass auch in 10 Jahren alle Informationen abrufbar sind.

Insgesamt zeigt sich, dass die Verwendung von Big Data in der Tribologie ein bedeutender Schritt in Richtung einer optimierten Materialentwicklung darstellt. Wir entwickeln unsere Messtechnik stetig weiter und freuen uns über Ihre Anfragen!

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Lars Kruse

In unserer jüngsten Veröffentlichung [1] haben wir das Viskositätsverhalten in Abhängigkeit von Temperatur und Druck für das 4 cSt Polyalphaolefin Öl (PAO4) mit drei verschiedenen Gleichgewichts-Molekulardynamik-Methoden analysiert.

Wir konnten zeigen, dass für hochviskose Systeme eine Viskositätsberechnung über die Stokes-Einstein-Gleichung, kombiniert mit der Ermittlung des Diffusionskoeffizienten aus der Geschwindigkeits-Autokorrelationsfunktion, am besten geeignet ist.

Aufgrund der Bedeutung der Viskositätsvorhersage unter schmierungsrelevanten Bedingungen wurde unsere Arbeit in der neuesten Ausgabe (Juli 2024, Seite 76) von Tribology & Lubrication Technology (TLT) als »Best from STLE’s research community (Editors Selections)« ausgewählt. 

_{[1] Kruse, L. B.; Falk, K.; Moseler, M., Calculating high-pressure PAO4 viscosity with equilibrium molecular dynamics simulations, Tribology Letters 72 (2024) Art. 40, 15 Seiten Link}

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Stefan Schnakenberg

Die Beschichtung von nicht leitfähigen Materialien wie Keramiken, Glas und Kunststoffen im PECVD Verfahren (plasmaunterstützte Gasphasenabscheidung) ist verfahrensbedingt anspruchsvoll. Nichtleitfähige Materialien können das elektrische Feld nicht effektiv leiten, was zu einer ungleichmäßigen oder fehlenden Beschichtung führt.

Bei der Verwendung von gepulster Gleichspannung zur Anregung des Plasmas gehen die Möglichkeiten zur erfolgreichen Applizierung einer DLC-Beschichtung gegen Null. Anders bei einer Hochfrequenzanregung des Plasmas. Doch auch hiermit lassen sich bestenfalls dünne Substrate durch die Möglichkeit der kapazitiven Kopplung beschichten. Will man jedoch Bauteile beschichten, die aufgrund ihrer Dimensionierung eine kapazitive Kopplung nicht zulassen, z.B. einen Rundstab oder Kegel, so funktioniert dieser Ansatz nicht mehr ohne Weiteres.

Die Gruppe »Tribologische und funktionale Schichtsysteme« konnte zeigen, dass über ein Remote-Plasma mit Hilfe einer flexibel gestaltbaren Hilfselektrode, die sich an unterschiedlichste Bauteilgeometrien anpassen lässt, eine DLC-Beschichtung nichtleitender Werkstoffe mit wenig Aufwand möglich ist. Eine selektive Beschichtung der Bauteiloberfläche ist mit dem Verfahren ebenso realisierbar.

Auf herkömmliche Ansätze – wie zum Beilspiel das Sputtern einer dünnen Metallschicht (z.B. Chrom, Titan) oder das Aufdampfen von leitfähigen Materialien zur Erhöhung der Leitfähigkeit – kann somit verzichtet werden. Das zu beschichtete Bauteil bleibt in Gänze ein Nichtleiter.

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Tobias König

Durch gestiegene Umwelt- und Effizienzanforderungen steigt die Komplexität heutiger Verbrennungsmotoren. Mehrstufige Aufladungen und Abgasnachbehandlungen erfordern mehrere Klappensysteme und Aktuatoren. Die ungeschmierten Lagerstellen dieser Abgasklappen unterliegen hohem Verschleiß durch thermische Belastungen und Abgasatmosphäre und gelten als kritische Tribosysteme mit hoher Ausfallwahrscheinlichkeit und geringer Lebensdauer. Am MikroTribologie Centrum µTC wurde daher eine Qualifizierungsmethode für solche Tribosysteme entwickelt, die die Entwicklungszeit geeigneter Materialsysteme reduziert und auch für KMUs eine einfache Prüfung ermöglicht.

Bisher erfolgte die tribologische Charakterisierung dieser Lagerungen durch aufwendige Vollmotorversuche, was die Weiterentwicklung der Werkstoffsysteme bremste und Zulieferer abhängig machte. Das MikroTribologie Centrum µTC entwickelte eine zeit- und kosteneffiziente Qualifizierungsmethode für abgasbeaufschlagte Tribosysteme. Diese Strategie besteht aus zwei Versuchsmethoden: einem linear reversierenden Gleitversuch und einem neuen Prüfaufbau für Wellen-Buchsen-Kontakte. Beide Methoden wurden durch den Vergleich mit verschlissenen Komponenten aus Feldversuchen validiert.

Innerhalb des Forschungsprojektes wurden sechs Materialpaarungen analysiert. Der Wellen-Buchsen-Versuch zeigte eine gute Übereinstimmung der Verschleißmechanismen mit den Feldbauteilen, während der Modellversuch nur teilweise vergleichbare Mechanismen identifizierte. Die Methoden sind zum schnellen Werkstoffscreening geeignet. Zudem wurde der Einfluss der Abgasatmosphäre auf die tribologischen Mechanismen untersucht, ohne allgemeingültigen Zusammenhang. Es ist daher notwendig, neue Werkstoffe gezielt in Abgasatmosphäre zu testen, wozu die neue Qualifizierungsmethode eingesetzt werden kann.

_{König, T.; Kimpel, T.; Kürten, D.; Kailer, A.; Dienwiebel, M., Influence of atmospheres on the friction and wear of cast iron against chromium plated steel at high temperatures, Wear 522 (2023) Art. 204695, 17 Seiten Link}

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Dr. Christof Koplin

Geschmierte Kunststoffe werden zunehmend für gleitende und wälzende Paarungen eingesetzt. Sie dämpfen Geräusche, überbrücken Spalten und Toleranzen dank ihrer großen Dehnfähigkeit, sind leicht, im Spritzguss günstig herstellbar und erzeugen geringe Trägheitsmomente. Dadurch werden sie zur Reduktion der Treibhausgasemissionen und zur Erhöhung der Kreislauffähigkeit von Stoffströmen zunehmend eingesetzt, auch in der Antriebstechnik. Als Dichtungswerkstoff sind sie breit verwendet. Ein angepasstes System aus Schmierung und Kunststoff kann die Reibung senken und die Lebensdauer erhöhen, was CO₂-Emissionen reduziert.

Die Bilanzierung der Herstellung, des Transports und der Kreislauffähigkeit muss den Gebrauchszyklus berücksichtigen. Große Unternehmen und KMUs stehen unter Druck durch regulatorische Vorgaben und das Verbot bestimmter Substanzen wie PFAS. Am MikroTribologie Centrum µTC wurden Handlungshilfen und Prüfrichtlinien für geschmierte Kunststoffsysteme entwickelt, um Reibung und Verschleiß zu minimieren. Diese Methodik basiert auf einer physikalisch-chemisch-mechanistischen Beschreibung und etablierten Prüfverfahren. Eine einfache Prüfrichtlinie wird auch für die Rutschhemmung von Schuhsohlen und die Ermüdungsneigung von Dichtungen vorbereitet, basierend auf elastischen Längen der Grenzflächen und weiteren Messungen.

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Dr. Dominic Linsler

Die Blechumformung durch Tiefziehen ist ein zentraler Prozess in der industriellen Großserienproduktion aufgrund niedriger laufender Kosten. Angesichts steigender Anforderungen an die Umformprodukte und kleinerer Losgrößen gewinnt die kontrollierte Prozessführung zunehmend an Bedeutung. Eine wesentliche Verbesserung kann durch die aktive Beeinflussung der Reibung zwischen Blech und Werkzeug erzielt werden, da das Umformergebnis maßgeblich vom Materialfluss abhängt.

Im Fraunhofer-Forschungscluster »Programmierbare Materialien CPM« wurden Schmierstoffe entwickelt, die durch UV-Licht gesteuert werden können. Die anthracenfunktionalisierten Moleküle in diesen Schmierstoffen ermöglichen eine reversible Vernetzung, wodurch die Viskosität und somit die Reibung gezielt verändert werden können. Dies verbessert die Prozessstabilität und reduziert Ausschussquoten erheblich.

Diese Innovation bietet Schmierstoffherstellern und Maschinenbauern neue Möglichkeiten, die Prozessstabilität zu verbessern und Kosten zu senken. Das MikroTribologie Centrum µTC unterstützt diese Entwicklungen durch umfassende Charakterisierungen, tribologische Modellversuche und Simulationen des Umformvorgangs.

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Welchen Stellenwert hat die Tribologie aktuell in der Wertschöpfung?

Scherge: Die Vokabeln »Tribologie« sowie »Reibung« oder »Verschleiß« verstecken sich zunehmend in der Entwicklung und Verbesserung von gesamten Systemen. Für uns heißt das, dass sich unsere tribologische Forschung neu definieren und positionieren muss, und zwar in einem größeren Kontext. Wo bislang unsere Fachkenntnisse für punktuelle Lösungen zu Rate gezogen wurden, rücken in einer zunehmend holistischen Herangehensweise tribologische Fragestellungen als Teillösung in den Vordergrund.

Moseler: Das Wichtigste ist, den Wandel als Chance zu begreifen. Wir werden mit marktnaher Forschung demonstrieren, wie die tribologische Forschung als zentraler Hebel die Funktion und die Energieeffizienz von Maschinen und Antrieben verbessert. Uns treibt, fortwährend neue Herausforderungen zu lokalisieren. Die kreative Reibung in unseren Kundengesprächen setzt hier eine enorme wertschöpfende Energie frei.

Bergen solche Entwicklungen Risiken oder Chancen für das Feld Tribologie?

Moseler: In unserem Forschungsalltag am MikroTribologie Centrum µTC gelingt uns nach wie vor der kunstvolle Spagat zwischen Kundennähe und hohem akademischen Anspruch. Diese Stärke erst macht es uns möglich, so viele Kooperationen mit Unternehmen einzugehen, die nicht nur von unserer Expertise profitieren, sondern auch für unsere Forschung neue Felder erschließen lässt.

Es liegt also ein unausgeschöpftes Potential im Zeitenwandel?

Scherge: Absolut. »Umweltverträglichkeit« ist ein großes Stichwort, das uns umtreibt. Wir sind dazu angehalten, Lösungen zur Nachhaltigkeit und Energieeffizienz zu leisten. Ende 2023 wurde zum Beispiel ein handliches Messgerät zur Detektion von schädlichen PFAS-Verbindungen mit dem Lothar Späth-Award ausgezeichnet, welches in einer Entwicklungskooperation zwischen dem MikroTribologie Centrum μTC und der Kompass GmbH entstand. Auch hinsichtlich der Fragen, die mit dem Aufbau einer Wasserstoffinfrastruktur aufkommen, sind Expertisen aus dem Bereich der Tribologie unabdingbar. Unsere Lösungsansätze zur Reibungsminderung und dem Verschleißschutz für Lager, Dichtungen und Antriebssysteme zahlen ein in der Sicherheit von Systemen, die mit Wasserstoff betrieben werden.

Moseler: Zusätzlich zeigt unsere Forschung im Bereich der superniedrigen Reibung, der sogenannten Supraschmierung, dass wir einen richtigen Weg zur Energieeffizienz eingeschlagen haben, und das mit großem Erfolg. Die Supraschmierung ist der Schlüssel schlechthin, um technische Systeme effizienter zu gestalten.

Das gesamte Interview, gemeinsam mit mehreren Fachbeiträgen, ist im Jahresbericht des Fraunhofer IWM zu lesen.

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Lars Kruse, Dr. Kerstin Falk, Prof. Dr. Michael Moseler

In technischen Anwendungen sind Schmierstoffe unerlässlich, um Reibung und Verschleiß zu minimieren. Hierbei stellt die steigende Nachfrage nach umweltfreundlichen Technologien erhöhte Anforderungen an diese Schmierstoffe. Zusätzlich stoßen herkömmliche Auswahlverfahren, besonders bei extremen Betriebsbedingungen, oft an ihre Grenzen. Daher ist eine präzise Beschreibung der Schmiereigenschaften von entscheidender Bedeutung für die Optimierung von Maschinen hinsichtlich ihrer Reibungseigenschaften. Wobei insbesondere die newtonsche Viskosität (scherunabhängige Viskosität) in der Auslegung von Schmierstoffen Anwendung findet.

Neben experimentellen Messverfahren bieten atomistische Computersimulationen verschiedene Berechnungsmethoden zur Bestimmung von Viskositäten in Abhängigkeit von Temperatur, Druck und Scherrate. In Molekulardynamiksimulationen wurden die Viskositäten bisher typischerweise entweder aus der Scherspannung gescherter Systeme oder in sogenannten Gleichgewichtssimulationen eines ungestörten Schmierstoffvolumens aus dem Spannungstensor ermittelt. Anstatt aus dem Spannungstensor die Viskosität zu ermitteln, wurde der Diffusionskoeffizient D aus den Molekül-Geschwindigkeiten berechnet. Mittels der Stokes-Einstein-Beziehung D = (k_BT)/(4πRη) und dem hydrodynamischen Molekülradius R, kann dann wiederum die newtonsche Viskosität η ermittelt werden.

In unserer Veröffentlichung haben wir für ein typisches Basisöl (PAO4) im Temperatur- und Druckbereich von T = 20 … 150°C und P = 0 … 300MPa drei verschiedene Methoden für die Viskositätsberechnung aus Molekulardynamik-Daten verglichen. 

_{Kruse, L. B.; Falk, K.; Moseler, M., Calculating high-pressure PAO4 viscosity with equilibrium molecular dynamics simulations, Tribology Letters 72 (2024) Art. 40, 15 Seiten Link}

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Dr. Gianpietro Moras, Dr. Thomas Reichenbach, Prof. Dr. Michael Moseler

Ungeschmierte tribologische Grenzflächen zwischen siliziumbasierten Keramiken wie Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Siliziumkarbid weisen hohe Reibung und hohen Verschleiß auf. Eine Lösung dieses Problems ist, die Keramik mit einer Gegenfläche aus wasserstoffhaltigem amorphem Kohlenstoff (a-C:H) zu kombinieren. Von dieser kann eine passivierende Kohlenstoffschicht auf die Keramikoberfläche übertragen werden. Die Mechanismen, die diesem Filmtransfer zugrunde liegen, und die Bedingungen, die ihn begünstigen, waren bis jetzt jedoch weitestgehend ungeklärt.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des MikroTribologie Centrums µTC und der École Centrale de Lyon untersuchten diese Fragestellung gemeinsam. In einer kürzlich erschienenen, aus dieser Kooperation resultierenden, wissenschaftlichen Veröffentlichung werden Reibungsexperimente im Ultrahochvakuum diskutiert, bei denen Reibungskoeffizienten unter 0,01 beim Reiben von Si₃N₄ gegen a-C:H mit einem Wasserstoffgehalt von 36 at. % gemessen wurden. Im Gegensatz dazu erhöht sich der Reibungskoeffizient auf über 0,7, einhergehend mit hohem Verschleiß, wenn der Wasserstoffgehalt der a-C:H-Schicht auf 20 at. % reduziert wird (vgl. Abbildung).

Durch chemische Oberflächenanalysen konnte bestätigt werden, dass sich die supraschmierende Reibgrenzfläche durch den Transfer eines Kohlenwasserstoff-Nanofilms auf der Si₃N₄-Oberfläche gebildet hat. Mittels atomistischer Simulationen konnte gezeigt werden, dass ein passivierender a-C:H-Transferfilm nur dann erfolgreich übertragen wird, wenn nach dem anfänglichen Kaltverschweißen der Keramik und der a-C:H-Schicht die plastische Scherverformung innerhalb der a-C:H-Schicht lokalisiert ist. Dies ist nur dann der Fall, wenn die Scherfestigkeit von a-C:H geringer ist als die der Keramik und die der a-C:H-Keramik-Grenzfläche (vgl. Abbildung). Dazu muss der Wasserstoffgehalt der a-C:H-Schicht zwischen ∼30 und ∼50 at. % liegen.

Während bisher bekannt war, dass ein hoher Wasserstoffgehalt für eine effiziente Selbstpassivierung von a-C:H-Oberflächen im Vakuum erforderlich ist, zeigt diese Arbeit, dass der Wasserstoffgehalt auch für die Bildung eines stabilen a-C:H-Transferfilms entscheidend ist. Interessanterweise lassen sich diese Ergebnisse auch auf Glas, Siliziumcarbid und Stahl übertragen, was die Allgemeingültigkeit des vorgeschlagenen Mechanismus hervorhebt.

_{Weitere Informationen zur Veröffentlichung finden Sie unter dem folgenden Link:}

_{Kuwahara, T.; Long, Y.; Sayilan, A.; Reichenbach, T.; Martin, J. M.; De Barros Bouchet, M. I.; Moseler, M.; Moras, G., Superlubricity of silicon-based ceramics sliding against hydrogenated amorphous carbon in ultrahigh vacuum: Mechanisms of transfer film formation, ACS Applied Materials & Interfaces 16/6 (2024) 8032-8044 Link}

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Dr. Dominic Linsler

Elektrische Kontakte werden durch Schwingungen einer tribologischen Belastung (Fretting) ausgesetzt. Um das Verhalten von Kontakten zu verstehen und die Lebensdauer zu verbessern, ist es wichtig, die tribologischen Vorgänge in einem bauteilnahen Test zu untersuchen. Am MikroTribologie Centrum µTC wurde ein Nanoindenter mit einem piezoelektrischen Positionierer ergänzt, um die Kontaktbeanspruchung im Kraftbereich der realen Anwendung nachzustellen. Der Nanoindenter ermöglicht lastkontrollierte Versuche im Bereich von 10 Millinewton bis zu mehreren Newton und dient als Mikrofrettingtester. Der Testaufbau erlaubt es, das Kontaktaussehen aus der realen Anwendung mit realistischer Normalkraft und kleinsten lateralen Bewegungen im Mikrometerbereich zu reproduzieren. Die Lateralkraftverläufe geben Aufschluss über die Vorgänge und Veränderungen im Kontakt. So können Schlüsse auf einen stabilen Zustand des elektrischen Kontakts oder aber auch auf Degradationsmechanismen gezogen werden. Die Analyse von Einflussgrößen wie Schichthärte, Kontaktmaterial und -aufbau auf die Ausbildung des sogenannten »dritten Körpers« und damit letztendlich auf die Haltbarkeit des Steckkontakts wird mit analytischen Methoden wie Ionenfeinstrahl- und Rasterelektronenmikroskopie und klassischer Nanoindentation durchgeführt. Die Verknüpfung tribologischer Experimente bei kleinen Kräften und Wegen in Kombination mit der Analyse dieser tribologischen Kontakte ermöglicht gezielte Maßnahmen zur Erhöhung von Lebensdauer und Zuverlässigkeit der elektrischen Kontakte.

Elektrische Kontakte sind teilweise geschmiert. Die Schmierstoffe sind typischerweise PFPE-basiert. Mittelfristig kann die Verfügbarkeit dieser Schmierstoffe für Steckkontakte eingeschränkt sein. Die vorgestellte Methode bietet die Möglichkeit, alternative Schmierstoffe oder Beschichtungen systemnah und quantitativ zu charakterisieren und so auf den Wegfall der fluorierten Chemikalien zu reagieren.

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Alexander Fromm

Funktionale und tribologische Beschichtungen müssen i.d.R. eine Vielzahl von Anforderungen erfüllen, wie z.B. Überrollfestigkeit, Korrosionsstabilität, Temperaturwechsellastbeständigkeit, etc. Grundvoraussetzung dafür ist immer eine gute Anbindung der Schicht zum Substrat, i.e. eine gute Schichthaftung. Diese jedoch in einem industrietauglichen Verfahren zu charakterisieren und zu bewerten ist nicht immer trivial. Gängige Prüfungen wie Kugeleindruck, Kreuzschnittverfahren oder Scotch-Tape-Test haben alle ihre Daseinsberechtigung, aber gerade bei dünnen Schichten auch ihre Schwächen.

Der neue Nano Scratch Tester, wie er am MikroTribologie Centrum µTC seit wenigen Monaten zur Verfügung steht, eignet sich auf Grund seiner feinen Kraft- und Tiefenauflösung hervorragend, um eine Schichtentwicklung zu begleiten und die Wirkung verschiedener Vorbehandlungsmethoden auf Schichthaftung und spätere Schichtperformance vergleichend bewerten zu können. Dazu wird mit einer Diamantspitze mit einem typischen Radius von 5 µm linear über die zu prüfende Schichtoberfläche geritzt und dabei die Last ebenfalls linear bis zu einer Maximalkraft von bis zu 1000 mN erhöht. Für sehr dünne Schichten steht nun auch ein High-Sensitivity-Mode von 1 mN – 10 mN zur Verfügung. Dabei können mit nm-Auflösung die Eindringtiefe, die verbleibende Eindringtiefe, die Querkraft (~Reibwert) und mit dem Ritzbild synchronisierte, lichtmikroskopische Analysen herangezogen werden, um jeweils schichtspezifische, kritische Kräfte zu definieren. 

Dazu werden Schichtschädigungen wie Einbrüche und Delaminationen, beginnende Rissbildung aber auch abrupte Anstiege im Querkraftsignal herangezogen. Damit kann der Einfluss von Reinigungsverfahren auf die Schichthaftung ebenso untersucht werden, wie eine Alterung der Schicht, z.B. nach einer Auslagerung, und die damit verbundenen Änderungen der Schicht. Zusätzliche elektronenmikroskopische Analysen und begleitende FE-Simulationen erlauben weitergehende Interpretationen zum Versagensmechanismus wie Kohäsivversagen vs. Adhäsivversagen o.ä. Dabei bringt das MikroTribologie Centrum µTC seine gesamte Erfahrung zu Beschichtungsverfahren, Materialverhalten und Bruchmechanik mit ein.

Bei besonders dicken Schichten oder Schichten mit bereits sehr guter Haftung und Beständigkeit kann am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM darüber hinaus zur Steigerung der Selektivität ein Scanning Scratch Test durchgeführt werden, bei dem der Ritznadel eine zusätzliche, laterale Schwingung überlagert wird. Dies verlängert den Ritzweg und steigert die Auflösung der Methode.

Der Scratch Test wird am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM nicht nur begleitend für eigene Schichtentwicklungen angewendet, die Gruppe »Tribologische und funktionale Schichtsysteme« bietet dies bereits seit vielen Jahren auch für Industriekunden als Dienstleistung an. Für z.B. Qualitätssicherungsmaßnahmen ist die Methode hervorragend geeignet. Sie ist bereits für mehrere Anwendungen in der Praxis erprobt und wird bei Kooperationspartnern für Ausgangskontrollen ihrer Produkte eingesetzt. 

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Alexander Fromm

Für die Elektronik, Sensorik und Medizintechnik sowie für spezielle Anwendungen in der Tribologie und für den Korrosionsschutz werden dünne, isolierende Beschichtungen benötigt. Diese werden i.d.R. über plasmabasierte PVD-Prozesse wie Magnetronsputtern aufgebracht. Dabei wird meist ein metallisches Target in einer Reaktivgasatmosphäre atomar zerstäubt. Die Prozesse beinhalten dabei in der Regel eine HF- oder MF-Anregung des Plasmas (Hochfrequenz bzw. Mittelfrequenz). Mit HF-Sputtern werden allerdings oftmals unterstöchiometrische Schichten mit einer prozessbedingten, aber unerwünschten Restporosität abgeschieden.

Vor etwa 25 Jahren wurde erstmals HiPIMS (engl. high power impulse magnetron sputtering) beschrieben. HiPIMS-Sputtern stellt eine Weiterentwicklung der gepulsten Gleichspannung (MF) dar, mit dem Ziel, durch hohe Leistungspulse Plasmen mit einer sehr hohen Dichte und hohem Ionisationsgrad zu erzeugen. Durch den hohen Ionisierungsgrad bietet HiPIMS-Sputtern so die Möglichkeit, die kinetische Energie der gesputterten Teilchen mit Hilfe elektrischer Felder zu manipulieren. Zusammen mit den bereits höheren mittleren kinetischen Energien der gesputterten Teilchen ergeben sich signifikante Vorteile gegenüber konventionellen Sputterverfahren, wie etwa die Erzeugung von Schichten mit hoher Adhäsion und Dichte. Im Vergleich zur konventionellen Abscheidung mit HF sind zudem häufig niedrigere Abscheidetemperaturen zum Erreichen ausgewählter Schichtmikrostrukturen und Kristallmodifikationen realisierbar. Bestimmte gehärtete Stähle können so z.B. erstmals beschichtet werden. Allerdings sind die Abscheideraten niedriger als bei einem HF- oder DC-Prozess gleicher mittlerer Leistung und auch die Prozessstabilisierung ist durch die hohen Peakströme und kurzen Pulsdauern nicht trivial – es kommt oftmals zu elektrischen Überschlägen (Arcing) zwischen isolierenden Bereichen auf dem Target oder sogar zwischen Target und Substrat. Dies führt zu einer sogenannten Dropletbildung, ähnlich wie bei Arc-Verfahren für die Erzeugung teilamorpher Kohlenstoffschichten (ta-C). Die erreichbare Schichtqualität wird so erheblich gemindert. Daher wird in der Literatur diskutiert, HiPIMS im hybriden Prozess mit anderen Abscheidemethoden zu kombinieren, um eine Erhöhung der Abscheiderate und Stabilisierung des Prozesses zu gewährleisten. Dabei wurde beispielsweise schon HiPIMS mit einer Mittelfrequenzanregung (MF) kombiniert.

Durch die gemeinsame Entwicklung mit der MELEC GmbH im Rahmen des ZIM-Projektes »HErO – Hybrides HiPIMS/HF-Sputterverfahren zur wirtschaftlichen Erzeugung kompakter Oxidschichten« ist es nun erstmals gelungen, einen hybriden Prozess mit gleichzeitiger HF- und HiPIMS-Anregung zu realisieren. Dabei ist es möglich, die HF-Anregung sowohl kontinuierlich zu betreiben, als auch mit der HiPIMS-Anregung zu synchronisieren, so dass z.B. die HF nur während den Off-Zeiten der HiPIMS-Anregung wirksam ist. 

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