SPP 2074

Schwerpunktprogramm 2074: Fluidfreie Schmiersysteme mit hoher mechanischer Belastung

Das Ziel des Schwerpunktprogramms 2074 ist die Erforschung der Reib- und Verschleißmechanismen durch die Transferschichtbildung in tribologischen Systemen mit hoher mechanischer Belastung bei Schmierung mit Festschmierstoffen. In der ersten Förderperiode standen die Bereitstellungsprozesse des Festschmierstoffes und die damit verbundenen Transferprozesse im Vordergrund. In der zweiten Förderperiode wird das Verständnis für die Synthese von Festschmierstoffkonzepten genutzt. Der Fokus liegt auf Anwendungen in Maschinenelementen und in Antriebsystemen mit hochbelasteten Roll-/Wälzkontakten.

Im Rahmen des Schwerpunktprogramms 2074 „Fluidfreie Schmierstoffschichten für den hochbelasteten und unsynchronisierten Betrieb von trockenlaufenden Schraubenmaschinen“ geht es um die Untersuchung des Potentials von MoS_x-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-zerstäubter MoS_x/MoN-Dünnschichten durch einen skalenübergreifenden interdisziplinären Ansatz erlangt werden.

Die MoS_x-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-Dünnschicht 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.

Um insbesondere den Belastungen, welche aus der erhöhten Flächenpressung resultieren, gerecht zu werden, werden drei Schichtarchitekturvarianten untersucht. Dabei handelt es sich um MoS_x-Monolayer, MoS_x/MoN-Multlilayer und MoS_x/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.

Weitere Informationen zur Projektbearbeitung in der zweiten Förderperiode

1. H. Moldenhauer, A. Wittig, D. Kokalj, D. Stangier, A. Brümmer, W. Tillmann, J. Debus: Resonant Raman scattering characterization of thermally annealed HiPIMS deposited MoS_x coatings, Surface and Coatings Technology 377 (2019), 124891377. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.124891
2. M. Utri, D. Aurich, A. Brümmer, A. Wittig, W. Tillmann, H. Moldenhauer, J. Debus: Theoretical investigation of the rotor contact stress in non-synchronized, dry running twin-screw machines. Process Technology & Components (2019). 84–97.
3. W. Tillmann, A. Wittig, D. Stangier, C.A. Thomann, H. Moldenhauer, J. Debus, D. Aurich, A. Brümmer: Investigation of the Tribofilm Formation of HiPIMS Sputtered MoS_x Thin Films in Different Environments by Raman Scattering, Lubricants 7(11) (2019), 100. doi: https://doi.org/10.3390/lubricants7110100
4. A. Wittig, C.A. Thomann, H. Moldenhauer, D. Aurich, D. Stangier, J. Debus, A. Brümmer, W. Tillmann: Investigation of the tribological behavior of MoS_x thin films using Raman scattering for the application in dry-running screw machines. In: G. Poll (Hrsg.), 60. Tribologie-Fachtagung 2019 Schraubenmaschinen – Reibung, Schmierung und Verschleiß, Gesellschaft für Tribologie, Deutschland, Jülich, 2019, 76/1-76/12.
5. W. Tillmann, A. Wittig, D. Stangier, H. Moldenhauer, C.A. Thomann, J. Debus, D. Aurich, A. Brümmer: Influence of the bias-voltage, the argon pressure and the heating power on the structure and the tribological properties of HiPIMS sputtered MoS_x films, Surface and Coatings Technology 385 (2020), 125358. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125358
6. W. Tillmann, A. Wittig, D. Stangier, H. Moldenhauer, C.A. Thomann, J. Debus, D. Aurich, A. Brümmer: Nitrogen doping of MoS_x thin films sputtered by reactive High Power Impulse Magnetron Sputtering, Thin Solid Films 713 (2020), 138267. doi: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2020.138267
7. D. Kokalj, D. Debus, D. Stangier, H. Moldenhauer, A. Nikolov, A. Wittig, A. Brümmer, W. Tillmann: Controlling the Structural, Mechanical and Frictional Properties of MoS_x Coatings by High-Power Impulse Magnetron Sputtering, Coatings 10(8) (2020), 755. doi: https://doi.org/10.3390/coatings10080755
8. D. Aurich, M. Heselmann, M. Utri, A. Brümmer, W. Tillmann, A. Wittig, D. Stangier, C.A. Thomann, H. Moldenhauer, J. Debus: Analyse der mechanischen Kontaktbelastung von Schraubenrotoren mittels einer isogeometrischen Randelementmethode. In: G. Poll (Hrsg.), 61. Tribologie-Fachtagung 2020 Schraubenmaschinen – Reibung, Schmierung und Verschleiß, Gesellschaft für Tribologie, Deutschland, Jülich, 2020, 81–90.
9. W. Tillmann, A. Wittig, D. Stangier, H. Moldenhauer, C.A. Thomann, J. Debus, D. Aurich, A. Brümmer: Temperature-dependent tribological behavior of MoSx thin films synthesized by HiPIMS, Tribology International 153 (2021), 106655. doi: https://doi.org/10.1016/j.triboint.2020.106655
10. D. Aurich, A. Wittig, D. Stangier, J. Debus, C.A. Thomann, W. Tillmann, A. Brümmer: MoS₂-Dünnschichten für unsynchronisierte, trockenlaufende Schraubenmaschinen – Umweltfreundliche und nachhaltige Schmierungskonzepte als Herausforderung und Chance, Vakuum in Forschung und Praxis 33(4) (2021), 40–44. doi: https://doi.org/10.1002/vipr.202100763

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