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SPP2074: Fluidfreie Schmierstoffschichten für den hochbelasteten und unsynchronisierten Betrieb von trockenlaufenden Schraubenmaschinen

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Projektbearbeiter: M.Sc. Alexandra Wittig

Im Rahmen des Schwerpunktprogramms 2074 „Fluidfreie Schmierstoffschichten für den hochbelasteten und unsynchronisierten Betrieb von trockenlaufenden Schraubenmaschinen“ geht es um die Untersuchung des Potentials von MoSx Dünnschichten zur Erhöhung der Lebensdauer unsynchronisiert trockenlaufender Schraubenmaschinen. In Kooperation mit dem Fachgebiet Fluidtechnik (Prof. Dr.-Ing. Brümmer) und dem Lehrstuhl für Experimentelle Physik 2 (Dr. Debus) soll ein grundlegendes Verständnis über die Zusammenhänge von Geometrie und Belastung der Rotoren sowie über die Wechselwirkungen zwischen dem atomaren Aufbau, der Mikrostruktur und der tribologischen Eigenschaften HiPIMS gesputterter MoSx /MoN Dünnschichten durch einen skalenübergreifenden interdisziplinären Ansatz erlangt werden.

Die MoSx Dünnschichten werden mittels HiPIMS-Technologie unter systematischer Variation der Abscheideparameter (Pulslänge und Pulsfrequenz, Temperatur und Bias-Spannung) zur Einstellungen der physikalischen Schichtstruktur (polykristallin, basal orientiert, amorph) und der damit einhergehenden tribologischen Eigenschaften sowie der Oxidationsbeständigkeit synthetisiert. Bei MoS2 spielt das Oxidationsverhalten hinsichtlich des Reibungsverhaltens und der Standzeit eine große Rolle, weshalb die Abscheidung mittels der HiPIMS-Technologie bedeutsam ist. Insbesondere bei dem Anwendungsgebiet für trockenlaufende hochbelastete Schraubenrotoren ist die Oxidationsbeständigkeit eine bedeutsame Eigenschaft, da durch große Flächenpressungen an den Kontaktstellen hohe Blitztemperaturen auftreten, welche die Zersetzung der MoS2-Schicht begünstigen. Auf Basis der erlangten Erkenntnisse der Abscheideparameter und der daraus abgeleiteten Wirkmechanismen für das tribologische Einsatzverhalten können Dünnschichten hergestellt werden, welche einen niedrigen Reibkoeffizienten bei einer hohen Standzeit aufweisen und sich eignen daher die tribologischen Verhältnisse im Kontaktbereich der Rotoren unsynchronisiert trockenlaufender Schraubenmaschinen gezielt einzustellen.

SPP2074_Abbildung_1

Abbildung 1: Topographie und Morphologie sowie Diffraktogramm mittels unterschiedlicher Parameter abgeschiedener MoSx Schichten)

Um insbesondere den Belastungen, welche aus der erhöhten Flächenpressung resultieren, gerecht zu werden, werden drei Schichtarchitekturvarianten untersucht. Dabei handelt es sich um MoSx Monolayer, MoSx/MoN Multlilayer und MoSx/MoN Kompositschichten. Auf Basis der Erkenntnisse der Abscheideparameter und daraus abgeleiteten Wirkmechanismen für das tribologische Einsatzverhalten der Monolayer- und Multilayer-Schichten wird nun zusätzlich der Einfluss der Hartstoffverstärkung in der Kompositschicht untersucht. Dies ermöglicht die Verschleißbeständigkeit bei einhergehender geringer Reibung in Abhängigkeit der Zusammensetzung zu erhöhen. Zudem werden die Bereitstellungsmechanismen des Festschmierstoffes während der tribologischen Belastung in Abhängigkeit der Lasten bei den verschiedenen Schichtorientierungen grundlegend erforscht. Dazu werden die Schichten vor und nach der tribologischen Beanspruchung mittels Röntgendiffraktometrie (XRD) untersucht, um die Auswirkungen der verschiedenen Lasten auf die physikalische Schichtstruktur und –orientierung zu verstehen. Die Analysen auf atomarer Ebene werden durch die Beschreibung der interatomaren Wechselwirkungen und tribo-chemischen Reaktionen auf den Oberflächen mittels der konfokalen Raman-Spektroskopie von der Experimentellen Physik 2 ergänzt. Ziel ist es anschließend, die im Labormaßstab erzielten Ergebnisse auf das reale Einsatzverhalten zu übertragen. Dazu werden die Festschmierstoffschichten auf den Schraubenrotoren abgeschieden und die Verschleißbeständigkeit in einem Rotorprüfstand analysiert.