Analyse der Transferschichtbildung in initialgeschmierten, beschichteten Antriebsketten

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Kirsten Bobzin; Professor Dr.-Ing. Oliver Koch
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 564002863

Tribologische Maßnahmen zur Verschleiß- und Reibungsreduktion bieten ein hohes Potenzial zur Steigerung von Energieeffizienz und Nachhaltigkeit. Ein Maschinenelement mit diesbezüglich offenen Potenzialen ist die Kette. Das Kettengelenk ist dabei das entscheidende Element, dass den Großteil der Reibungsverluste und die verschleißbedingte Lebensdauer bestimmt. Im Zentrum der Grundlagenforschung stehen triboaktive CrAlMoCuN-Kettenbolzenbeschichtung unter Schmierung mit Fett. Durch Wechselwirkungen von Mo und Cu mit dem Schmierfett und seinen schwefel- und phosphorhaltigen Additiven bilden sich reibungs- und verschleißreduzierende Transferschichten auf den unbeschichteten Hülsen aus, die im Fall schwefel-additivierter Schmierstoffe den Trockenschmierstoff MoS2 enthalten. Dabei wird eine katalytische Wirkung von Kupfer vermutet. Im laufenden Vorhaben wurde nachgewiesen, dass CrAlMoN-beschichtete Kettenbolzen eine Reibungs- und Verschleißreduktion im Kettengelenk erzielen. In Pin-on-Disc Versuchen konnte dies durch eine CrAlMoCuN-Beschichtung gesteigert werden, was auf eine MoS2-haltige Transferschicht zurückgeführt wurde. Weiter wurden in Verschleißanalysen in einzelnen Kettengelenken festgestellt, dass eine CrAlMoN-Beschichtung mit einem schwefelhaltigen Schmierfett extrem geringen Einlaufverschleiß und geringe Verschleißraten über der Lebensdauer erzielt. Die Forschungsziele des nun beantragten Vorhabens sind: 1.) Den vermuteten katalytischen Effekt von Cu auf die Transferschichtbildung systematisch zu erforschen, 2.) Einen „zweistufigen“ Konditionierungsprozess in Form der initialen Herstellung eines flächigen Kontaktes und anschließender Reaktionsschichtbildung hinsichtlich Verschleiß- und Reibungsreduktion über der Lebensdauer zu untersuchen und 3.) Die Übertragbarkeit der Erkenntnisse auf reale, ganze Ketten und die Überprüfung der Lebensdauerprognose durch Verschleißsimulation. Der Lösungsweg umfasst zum einen vereinfachte tribologische Modellversuche. Hier liegt der Fokus auf der Untersuchung der Transferschichtbildung durch chemische, kristallographische und strukturelle Analysen der Transferschichten, um den katalytischen Effekt von Cu zu erforschen. Mittels Kettengelenktribometer werden Einlaufvorgänge in realen, beschichteten Kettengliedern erforscht und ein zweistufiger Konditionierungsprozess entworfen. Dieser wird anschließend hinsichtlich Verschleiß- und Reibungsreduktion in Langzeitversuchen validiert. Der Zustand der Kettenbolzen und Hülsen nach der Konditionierung wird analysiert und bildet die Basis für die Verschleißsimulation. Anhand von Versuchen an realen, ganzen Ketten wird die Verschleißprognose validiert und die Übertragbarkeit der Erkenntnisse zum katalytischen Effekt von Cu, der Transferschichtbildung und der damit verbundenen Verschleiß- und Reibungsreduktion untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen