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Start eines neuen DFG-Projekts: Grundlagen für eine verbesserte Gebrauchsdauerberechnung feststoffgeschmierter Wälzlager im Vakuum durch Multiskalen-Untersuchungen

Im Rahmen des Forschungsprojekts wird vom Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD (Universität Bayreuth), dem Institut für Werkstofftechnik – Mechanisches Verhalten von Werkstoffen (Universität Kassel) und dem Computer-Chemie-Centrum (Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg) das tribologische Verhalten von PVD-Molybdändisulfid-Festschmierstoffschichten für Wälzkontakte und Anwendungen im Vakuum untersucht. Hierzu kommen moderne Verfahren der Beschichtungstechnik, der Materialcharakterisierung und der Materialsimulation zum Einsatz. 

Das Forschungsprojekt ist mit dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Schwerpunktprogramm SPP 2074 assoziiert, das sich mit der Schmierung von Maschinenelementen mit festen Stoffen befasst. Die Assoziierung entstand durch die thematische Nähe der Forschung und bietet somit die Möglichkeit des einfacheren Austauschs mit anderen Wissenschaftlern innerhalb des Schwerpunktprogramms.

Allgemein üblich und verbreitet ist es, Öle und Fette zur Schmierung von Verzahnungen und Lagern zu verwenden. Allerdings gibt es Anwendungsfälle wo diese Art der Schmierung unvorteilhaft oder gar nicht möglich ist. Ein Beispiel stellt die Schmierung im Vakuum dar, etwa in der Energietechnik oder Raumfahrttechnik; im Vakuum verdampfen flüssige Stoffe so dass damit die Schmierung versagt. Auch aus hygienischen Gründen kann eine Ölschmierung unerwünscht sein. In diesem Fällen kommen „trockene“ Schmiersysteme mit Feststoffen als Schmierstoff zum Einsatz. Bislang sind diese speziellen Schmiersysteme wenig erforscht, was auch Anlass gab, ein Schwerpunktprogramm bei der DFG einzurichten. Aktuell werden sechs Projekte durchgeführt bei denen verschiedene Schmiersysteme mit Grafit, Molybdändisulfid und PTFE zum Einsatz kommen.

Im nun gestarteten Projekt ist die Entwicklung eines mikrostruktur- und mechanismenbasierten Modells für die Gebrauchsdauerberechnung von MoS₂-geschmierten Wälzlagern (Radiallagern) das übergeordnete Ziel. Solche Wälzlager kommen hauptsächlich unter extremen Bedingungen, wie Vakuum, zum Einsatz. Forschungsgestand des Projekts sind experimentelle und simulationsgestützte Untersuchungen der drei Forschungspartner auf verschiedenen Skalen (Makro-Mikro-Nano) zu den Elementarmechanismen von Reibungs- und Verschleißvorgängen. Die Ergebnisse dienen dem Erkenntnisgewinn von Prozessen der Umorientierung der Textur und der Veränderung der Mikrostruktur, Materialabtrag und -übertrag, Transferschichtbildung und dem tatsächlich nutzbarem Schmierstoffvolumen in Abhängigkeit intrinsischer (Mikrostruktur, Textur, Porosität) und extrinsischer Faktoren (Substratrauheit, Kontaktbeanspruchung). Auf dieser Basis wird das einzige bisher bekannte Gebrauchsdauermodell für feststoffgeschmierte Wälzlager erweitert und der so verallgemeinerte Berechnungsansatz durch Prüfstandversuche validiert. Mit diesem Projekt soll ein Beitrag zum besseren allgemeinen Verständnis der tribologisch induzierten Mikrostrukturveränderung auf das Verschleißverhalten von Festschmierstoffschichten geleistet werden.

Bild: Methodik zur skalenübergreifenden Analyse struktureller Veränderungen von MoS₂-Schichten unter tribologischer Beanspruchung im Wälzkontakt, a) MoS₂-beschichtete Scheibe mit Verschleißspur nach dem tribologischen Test im Zwei-Scheiben-Tribometer, b) rasterelektronenmikroskopische (REM) Aufnahme der Verschleißspur, in der eine Lamelle durch Ionenstrahlschneiden geschnitten wurde, c) Vorbereitung und Entnahme der geschnittenen Lamelle für die Untersuchung im Transmissionselektronenmikroskop (TEM), d) hochauflösende TEM-Aufnahme der basal orientierten Mikrostruktur von MoS₂, e) Modellstruktur von MoS₂ für ab-initio Molekulardynamik Simulationen.