Verschleißschutz im Wälzlager durch Reaktionsschichtbildung bei minimaler Additivkonzentration und mikrotexturierten Oberflächen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Carsten Gachot; Professor Dr.-Ing. Georg Jacobs
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 200413972

Zum Schutz vor Verschleiß in tribologischen Kontakten werden den Schmierstoffen Additive zugefügt, die sogenannte Reaktionsschichten auf den Kontaktoberflächen bilden. In der ersten Projektphase des Schwerpunktprogramms konnte die Eignung von Einlaufvorgängen zur gezielten Bildung der Reaktionsschichten in Wälzlagern gezeigt werden. Ebenso wurde das Potential zur Reduktion des Additivanteils im Schmierstoff und damit die Möglichkeit zur Einsparung umweltgefährdender Bestandteile herausgestellt. Untersucht wurde dies praxisnah an bauartbedingt verschleißkritischen Axialzylinderrollenlagern sowie mit dem häufig eingesetzten Verschleißschutzadditiv Zink-Dialkyldithiophosphat. Die durch die Einlaufvorgänge formierten Reaktionsschichten bilden sich unter geeigneten Bedingungen innerhalb weniger Minuten und sind so verschleißresistent, dass diese unter höchsten Mischreibungsbeanspruchungen der Oberfläche nicht abgetragen werden. Ferner wurde gezeigt, dass neben den Betriebsparametern und der Beanspruchung der Oberfläche auch das Schmierstoffangebot im Kontakt Einfluss auf die Bildung einer Reaktionsschicht hat. Zur detaillierteren Klärung des zugrunde liegenden Mechanismus der Reaktionsschichtbildung sollen im ersten Teilaspekt dieses Vorhabens die Grenzfälle einer gerade noch vollständigen Schichtbildung abhängig von den Betriebsparametern identifiziert und der Aufbau und die Zusammensetzung der Schicht durch hochauflösende mikroanalytische Untersuchungen bestimmt werden. Zusätzlich soll der Einfluss von Oberflächentexturierungen auf die Schichtbildung untersucht werden, da sich zum einen in den Topographieminima Mikroreservoire für den Schmierstoff ausbilden, zum anderen die Spannungsüberhöhungen an den Rauheitsspitzen den Aufbau der Reaktionsschicht begünstigen können. Dazu werden mit dem Verfahren der Laserinterferenzmetallurgie wohl definierte, ferngeordnete Oberflächenstrukturen im Mikrometerbereich auf der Wälzlageroberfläche erzeugt. In ersten Versuchen konnte an Axialzylinderrollenlagern das Potential zur Verschleißminimierung durch diese laser-induzierten Texturen gezeigt werden, wobei im beantragten Projekt das Verständnis der Wirkmechanismen durch die Variation der Betriebsparameter und der Oberflächentexturierung gesteigert werden soll. Der zweite Teilaspekt beinhaltet die Beurteilung der Mikrotexturierungen hinsichtlich ihres Einflusses auf die Ermüdungslebensdauer von Wälzlagern. Dazu wird die Ermüdungslebensdauer von Axial- und Radialwälzlagern abhängig von Oberflächentopographie und Additivierung mit Referenzversuchen verglichen. Die lokale Pressung wird abhängig von der realen Topographie der Lasertexturen berechnet, um so eine genaue Quantifizierung des Einflusses zu ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1551: Ressourceneffiziente Konstruktionselemente