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.

Das Forschungsvorhaben zielt darauf ab, Reib- und Verschleißmechanismen von maßgeschneiderten MoS_x(:X)-Festschmierstoffen in realen Kontaktsituationen von trockenlaufenden, unsynchronisierten Schraubenrotoren makro- und mikroskopisch zu verstehen und Strategien zur Erhöhung der Lebensdauer des Festschmierstoffs zu entwickeln.

Ein eigens konzipierter Prüfstand bildet die Bedingungen des realen Schraubenrotorkontakts über eine flexibel einstellbare Flächenpressung (100 bis 1000 MPa), Temperatur (bis 150°C), Belastungsdauer und Umgebungsatmosphäre ab und erlaubt, eine Bandbreite an distinkten Parameterkonstellationen für den Wälzkontakt zu generieren. Außerdem werden die Kontaktbedingungen durch eine Konditionierung von HiPIMS gesputterten MoS_x(:X)-Dünnschichten variiert. Es wird der Einfluss der komplexen Geometrie des Schraubenrotors im Hinblick auf Abschattungseffekte und auf Schichtbildungsmechanismen evaluiert. Eine Variation der Schichtdicke in Relation zu dem Rauheitsprofil des Schraubenrotors, eine Modifizierung der MoS_x-Schichten mit Silber, Wolfram oder Kohlenstoff (X = Ag, W, C) sowie eine Applikation von Schichten der reinen Modifizierungselemente auf den Nebenrotor sollen die Wälzkontaktbedingungen steuern.

In Abhängigkeit dieser Kontaktparameter wird geklärt, welche chemischen, physikalischen und strukturellen Oberflächeneigenschaften die Funktionalität der MoS_x(:X)-Festschmierstoffe prägen und auf mikroskopischer Ebene eine Vorhersage des Materialabtrags sowie Materialversagens erlauben. Die Funktionalität wird durch die Wirkung und Wechselwirkung unterschiedlicher Elementarprozesse beschrieben, zu denen Oxidation, Materialabtrag, Umlagerung von Oberflächenspannungen, Phasenumwandlungen und Materialmischung gehören. Die Elementarprozesse werden über In-situ- und Operando-Methoden an dem Prüfstand, die Licht- und Lasermikroskopie wie auch Raman-Streuung mit Laserablationsmöglichkeit umfassen, und Ex-situ-Methoden charakterisiert. Letztere gewähren spektral und räumlich hochauflösende Einblicke in strukturelle und chemisch-physikalische Merkmale beschichteter und unbeschichteter Schraubenrotoroberflächen. Die Messtechnik an dem Prüfstand untersucht dynamisch die tribologischen Elementarprozesse an Haupt- und Nebenrotor eines Schraubenrotor-Paares.

Das Verständnis über die strukturellen und chemisch-physikalischen Oberflächeneigenschaften erlaubt, die Parameter der Kontaktsituation anzupassen, um die Elementarprozesse zur Erhöhung der Lebensdauer des Festschmierstoffs und zur Reduzierung des Energieeintrags bei minimierter Reibung gezielt zu steuern. Die Verknüpfung der experimentellen Analysen mit einer mechanischen Simulation des Materialabtrags und der Reibspannung in Abhängigkeit der Belastungsdauer wird klären, wie und in welchen Betriebszuständen des Schraubenrotors sich eine schützende tribologische Schicht bildet. Erkenntnisse sollen auf feststoffgeschmierte alternative Bauteile transferiert werden.

Weitere Informationen zur Projektbearbeitung in der ersten Förderperiode

1. W. Tillmann, A. Wittig, D. Stangier, C.A. Thomann, J. Debus, D. Aurich, A. Brümmer: Structure and Tribo-Mechanical Properties of MoS_x:N:Mo Thin Films Synthesized by Reactive dcMS/HiPIMS, Journal of Materials Engineering and Performance 31 (2022), 3200–3207. doi: https://doi.org/10.1007/s11665-021-06447-z
2. W. Tillmann, A. Wittig, D. Stangier, C.A. Thomann, J. Debus, D. Aurich, A. Brümmer: HiPIMS of MoS₂ – Current-voltage characteristics, Materials Letters 320 (2022), 132340. doi: https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132340
3. A. Wittrock, A. Wittig, C.A. Thomann, D. Stangier, N.F. Lopes Dias, W. Tillmann, J. Debus: Tribological und transfer material at the surfaces of element modified MoS_x:X films and 100Cr6 counter bodies. In: G. Poll (Hrsg.), 63. Tribologie-Fachtagung 2022 Schraubenmaschinen – Reibung, Schmierung und Verschleiß, Gesellschaft für Tribologie, Deutschland, Jülich, 2022, 06/1-06/4.
4. W. Tillmann, A. Wittig, D. Stangier, C.A. Thomann, J. Debus: Structure and tribological properties of sputtered Cu-modified MoS_x:Cu films, Applied Surface Science 610 (2023), 154884. doi: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.154884
5. D. Aurich, A. Brümmer, A. Wittig, D. Stangier, W. Tillmann, C.A. Thomann, A. Wittrock, J. Debus: Numerical investigation of contact loads of unsynchronised, dry-running screw machines, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 1267 (2022) 012005. doi: https://doi.org/10.1088/1757-899X/1267/1/012005
6. C.A. Thomann, A. Wittrock, A. Wittig, N.F. Lopes Dias, D. Stangier, W. Tillmann, J. Debus: Tuning of solid-to-solid structural transitions in amorphous carbon films by optical pumping and chemical modification, APL Materials 11 (2023), 031106. doi: https://doi.org/10.1063/5.0138362

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