Kombination aus fortschrittlichen Kohlenstoff-Nanopartikel-Beschichtungen und laserstrukturierten Oberflächen für verbesserte Schmierfähigkeit

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Frank Mücklich
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 421441515

Schmierstoffe, sowohl in flüssiger als auch in fester Form, werden in einer Vielzahl mechanischer Vorrichtungen eingesetzt, um Reibung und Verschleiß zu reduzieren und somit die Lebensdauer einer Komponente zu erhöhen. In bestimmten mechanischen Systemen ist man bemüht, flüssige durch feste Schmierstoffe zu ersetzen, da diese meist umweltschonender sind und eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweisen. Eine alternative Herangehensweise, um Reibung zu reduzieren, besteht in der Einführung einer wohldefinierten Oberflächentopographie durch «Direct Laser Interference Patterning» (DLIP). Die Reibungsverminderung der jeweiligen Ansätze ist jedoch eingeschränkt, da Oberflächentexturen allmählich abgenutzt werden und Schmiermittel auf untexturierten Oberflächen dazu neigen, sich aus dem Kontaktbereich zurückzuziehen.Der vorliegende Antrag beschäftigt sich mit der Erforschung der tribologischen Leistungsfähigkeit eines neuartigen Schmierungssystems, welches Kohlenstoff-Nanopartikel-Beschichtungen mit DLIP-strukturierten Stahloberflächen kombiniert. Dabei wird der Reibungskoeffizient in Abhängigkeit der Belastungszyklen unter einer Vielzahl unterschiedlicher Umgebungsbedingungen getestet: Erhöhte Temperaturen, Feuchtigkeit, Kontaktbelastung sowie unter Vakuum. Als Beschichtungstechnik kommt die elektrophoretische Abscheidung (EPD) zum Einsatz. EPD ermöglicht die homogene Abscheidung mehrwandiger Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) und Kohlenstoff-Nanozwiebeln (OLCs) auf leitfähigen Substraten.Durch die Kombination beider Ansätze werden ihre individuellen Einschränkungen überwunden und führen zu einer effizienten Langzeitschmierung. Tribometer-Messungen werden in hochmodernen Einrichtungen durchgeführt. Die daraus resultierende Verläufe des Reibungskoeffizienten sowie Verschleißmechanismen werden analysiert und mit denen herkömmlicher Festschmierstoffe wie MoS2 und Graphit verglichen. Darüber hinaus wird die Schmierleistung von CNTs und OLCs ausgewertet und verglichen. Die resultierenden Verschleißspuren werden durch Raman-Spektroskopie untersucht, um tribo-chemische Veränderungen der Grenzfläche und strukturelle Veränderungen der CNTs / OLCs (d.h. Änderung der Defektdichte) zu charakterisieren. Schließlich werden Atomsonden-Tomographie, HR-TEM und EDX durchgeführt, um physikalisch-chemische Veränderungen in der Mikrostruktur der Oberfläche zu untersuchen, wie etwa Korngrenzenoxidation, Karbidbildung, Ausscheidungsbildung und Kohlenstoffverteilung. Die im Rahmen dieses Projektes gewonnenen Erkenntnisse könnten für die Entwicklung hocheffizienter und energiesparender Maschinensysteme von größter Bedeutung sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Carsten Gachot