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Dr. Johann Schnagl (l.) und Prof. Dr. Michael Moseler forschen an diamantähnlichen Kohlenstoffschichten und erklären im BINE-Interview, worum es sich dabei genau handelt.
© Dr. Matthias Unbehaun/K&S GmbH
08.04.2015

Antriebskegelräder im Vergleich: Zu sehen ist ein Antriebskegelrad im Serienzustand, ein besonders geglättetes und eines mit einer diamantähnlichen Beschichtung versehen.
© BMW

 

Supraschmierung erfordert angepasste Schmierstoffe

Der Effekt der Supraschmierung beruht auf quantenmechanischen Phänomenen. Wie gut versteht man heute die physikalischen Zusammenhänge?

Moseler: Die Supraschmierung ist im Gegensatz zur Supraleitung kein direkt durch Quantenphänomene induziertes Phänomen. Experimentell beobachtet man ultrakleine Reibwerte, beispielsweise wenn tetrahedrale amorphe Kohlenstoffschichten – sogenannte ta-C-Schichten – mit Glyzerol geschmiert werden. Unser derzeitiges Erklärungsmodell basiert auf der Absättigung der sehr reaktiven C-Oberfläche mit Hydroxylgruppen, die das Glyzerol zur Verfügung stellt.
Ohne eine derartige Passivierung kommt es zu einer Kaltverschweißung der ta-C-Schicht mit dem Gegenkörper, was extrem hohe Reibung verursacht. Sind beide Tribopartner passiviert, so sind die übertragenen Kräfte drastisch reduziert. Dies in Kombination mit den hohen Steifigkeiten der C-Schichten unterbindet das Auftreten von Stick-Slip-Instabilitäten.

Was sind Stick-Slip-Instabilitäten?

Moseler: Damit bezeichnet man das ruckelnde Gleiten von gegeneinander bewegten Festkörpern, wie es beispielsweise bei knarzenden Türen auftritt. Bereits in den 1930er Jahren hat Ludwig Prandtl dies in Verbindung mit erhöhter Reibung gebracht. Bei Grenzreibung, wenn also nur ein molekulardünner Schmierstoff-Film vorhanden ist, kann eine Passivierung auch abgeschert werden. Deshalb ist es besonders wichtig, dass ein Reservoir von Hydroxylgruppen zur erneuten Absättigung zur Verfügung steht. Daher eignen sich kurzkettige Schmierstoffe mit OH-Gruppen besonders gut zur Supraschmierung. Unsere quantenchemischen Simulationen haben eindeutig ergeben, dass Wasser, Alkohole und eben auch Glycerol eine schnelle Repassivierung einer geschädigten ta-C-Oberfläche bewirken können.

Wo sehen Sie noch Forschungsbedarf?

Schnagl: Wir haben heute einen zum Teil sehr tiefen Einblick in die Chemie der Oberflächen, insbesondere die tribochemischen Reaktionen mit Schmierstoffen. Die moderne Nanophysik, vor allem die atomistische Simulation, hochauflösende Oberflächenanalytik und Messungen mit Kraftmikroskopen, haben dies ermöglicht.
Trotzdem werden Schmierstoffe auch heute noch überwiegend phänomenologisch entwickelt. Die Wechselwirkung der Additive untereinander und mit den Reibpartnern ist nur zu einem kleinen Anteil verstanden. Die Gründung eines industrienahen Lehrstuhls für Tribochemie wäre hier eine angemessene Maßnahme.

Was ist das besondere hinsichtlich des Aufbaus beziehungsweise der Kristallstruktur von diamantähnlichen Kohlenstoffschichten?

Moseler: Kohlenstoff ist ein reaktives Element, das in verschiedenen Formen vorkommt. Man denke hier nur an die ganze Organik. In reiner Form gibt es Graphit und Diamant. Die Bindungsstrukturen sind bei diesen beiden sehr unterschiedlich, ebenso wie die Materialeigenschaften. Im Gegensatz zu den kristallinen allotropen Diamanten und Graphit ist der DLC amorph. Es gibt ein weites Feld von sehr unterschiedlichen DLC-Schichten. Der Anteil an graphitischen beziehungsweise diamantischen Bindungen ist eines der wichtigsten Kriterien. Dazu kommen aber noch Elemente, die mit in das Kohlenstoffnetzwerk eingebaut werden können. Am häufigsten tritt hier Wasserstoff auf, der bei einer Abscheidung aus der Gasphase nicht zu vermeiden ist. Es werden aber auch andere Elemente dazugegeben, um gezielt die Eigenschaften der Beschichtungen zu beeinflussen.

Wie sind diese Schichten aufgebaut und wie dick sind sie derzeit?

Schnagl: Normalerweise wird auf das Bauteil zunächst eine metallische Haftschicht aufgebracht. Diese besteht meist aus Chrom oder Titan. Oft kommt als nächstes eine Zwischenschicht, zum Beispiel eine wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht mit Wolfram. Erst darauf wird das eigentliche DLC abgeschieden. Diese hat deutlich andere Eigenschaften in Bezug auf Härte oder Elastizität als das Grundmaterial. Die Zwischenschicht sorgt dafür, dass der Übergang der Eigenschaften etwas abgemildert wird. Die Gesamtschichtdicke liegt typisch im Bereich von ein bis drei Mikrometer. Es sind aber auch Schichten mit einer Dicke im Bereich von 20 µm abgeschieden worden.

Welche weiteren Elemente im Aufbau der Beschichtung können die Reibung weiterhin beeinflussen?

Moseler: Silizium kann den Reibwert weiter reduzieren und die Temperaturbeständigkeit etwas erhöhen. Stickstoff kann die Verschleißbeständigkeit verbessern. Manchmal werden Metalle, wie zum Beispiel Wolfram, verwendet, um die Schicht metallischer zu machen. Dadurch können traditionelle Additive besser an die Oberfläche ankoppeln und besser wirken.

DLC-Schichten bewähren sich in der Praxis

Können Sie bereits Schichten aufbringen, die ein Autoleben überdauern?

Schnagl: Es sind schon heute einige Komponenten in Serie, bei denen eine DLC-Beschichtung ein Fahrzeugleben lang hält. Dazu gehören Tassenstößel, Schlepphebel und Kolbenbolzen. Im Projekt konnten wir eine Schicht für ein Antriebskegelrad im Hinterachsgetriebe entwickeln, die unsere Lebensdauerversuche überstanden hat. Die Herausforderung hier war die komplexe Bauteilgeometrie.

Geringere Reibung bedeutet auch weniger Wärmeentwicklung. Welche Auswirkungen hat das auf das Gesamtsystem?

Schnagl: Zunächst benötigen Sie weniger Kühlleistung. Je nach Komponenten können Sie vielleicht die Schmierstoffmenge oder den Schmierstoffdurchsatz verringern. Die Temperaturbelastung wird verringert. Dadurch werden möglicherweise auch andere Materialien zugänglich. Es kann aber auch dazu führen, dass die Wasserkonzentration im Schmierstoff zunimmt, wenn die Temperatur nicht ausreicht, das Wasser zu verdampfen.

Sie starten mit Pegasus II jetzt ein Folgeprojekt. Welche Ziele haben Sie sich gesetzt?

Schnagl: Wir konnten in Pegasus I ein Expertenteam aus den verschiedenen Bereichen zusammenstellen und den Superlubricity-Effekt in einigen Laborsystemen unter realistischen Lasten nachweisen. Ziel in Pegasus II ist, auf diese Expertise zurückzugreifen und zum einen den Effekt zur Anwendung zu bringen und zum anderen Reibung und Verschleiß in ausgewählten Komponenten nicht nur im Automobilbereich zu reduzieren.

Machen wir es konkret: Bei welchen Antriebskomponenten könnte Supraschmierung sinnvoll eingesetzt werden?

Schnagl: Bei einem voll additivierten Schmierstoff treten Maskierungseffekte auf. Das heißt, wenn ein Additiv eine Oberfläche benetzt, dann kann dort nicht gleichzeitig ein anderes Additiv sein. Bei einem Verbrennungsmotor werden beispielsweise Schmierstoffe eingesetzt, die eine ganze Reihe von oberflächenwirksamen Additiven haben. Ich gehe daher davon aus, dass die erste Anwendung ein kleineres System sein wird, bei dem nicht so viele Randbedingungen zu beachten sind. Ich könnte mir ein Getriebe gut vorstellen.

Internationale Forschung ergänzt sich

Auch in den USA und in Japan arbeiten Forscher intensiv an diamantähnlichen Kohlenstoffschichten für Antriebssysteme. Wo steht Deutschland im Vergleich?

Moseler: Dass gewisse Schmierstoffe den Reibwert zwischen ta-C-Schichten dramatisch absenken können, wurde vor circa zehn Jahren von einem japanisch-französischen Forscherteam beobachtet – allerdings nur für geringe Lastbereiche. Wir arbeiten mit diesen Entdeckern der Supraschmierung von ta-C intensiv zusammen, um die Reibmechanismen aufzuklären. Dabei kommt es zum Austausch auf dem Gebiet der experimentellen Triboanalytik und wir unterstützen die französischen Kollegen im Bereich der atomistischen Simulation. Das Pegasus-Projekt hebt sich nun von den japanisch-französischen Vorarbeiten dadurch ab, da bei uns ein realistischeres Lastkollektiv untersucht wird. Dabei stellt sich heraus, dass manche Supraschmierstoffe zum Einsatz in Anwendungen mit hohen Flächenpressungen ungeeignet sind, weil dies zu hohen Verschleißraten führt.

Wird es schon bald automobile Komponenten mit Supraschmierung geben?

Schnagl: Wir sind sehr zuversichtlich, dass wir in den nächsten zehn Jahren den Effekt zumindest teilweise zur Anwendung bringen können.

(me)


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Adressen

Projektleitung
BMW Group

Atomistische Simulationen
Fraunhofer IWM

Im Interview

Dr. Johann Schnagl forscht bei BMW und ist verantwortlich für Vorentwicklung und Innovationsmanagement.

Prof. Dr. Michael Moseler leitet am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM die Arbeitsgruppe „Multiskalen- modellierung und Tribosimulation“.

Infotipp

Supraschmierung im Automobil
BINE-Projektinfo 11/2012

Links

EnEff:Industrie
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