Kohlenstoffbasierte Festschmierstoffe

Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner, Dr. Diana Freudendahl

Reibung, Verschleiß und Schmierung sind nach wie vor zentrale Themen bei Konstruktion, Herstellung und Gebrauch beweglicher Bauteile, denn sie bestimmen zu einem wesentlichen Teil Lebensdauer, Wartungskosten und Energieverbrauch der aus ihnen aufgebauten Systeme, wie z.B. Maschinen und Fahrzeuge. Neben flüssigen Schmierstoffen wie z.B. Ölen und höherviskosen Fetten werden für besondere Belastungen, speziell bei hohen Betriebstemperaturen, daher schon lange Mischsysteme aus Ölen bzw. Fetten und Feststoffen wie z.B. Graphit, Molybdendisulfid, Keramikpartikeln oder feinsten (Weich‑)Metallpulvern eingesetzt.

Eine reine Feststoffschmierung, bei der Plättchen oder Partikel ohne eine zugesetzte flüssige Phase leicht aufeinander gleiten, wird z.B. durch Werkstoffe wie Molybden- und Wolframdisulfid, hexagonales Bornitrid, Graphit und einige weitere Kohlenstoffmodifikationen wie z.B. das DLC (Diamond Like Carbon) ermöglicht. In jüngster Zeit wird auch das Graphen, eine atomar einlagige Schicht aus Kohlenstoffatomen, aufgrund seiner exzellenten mechanischen Eigenschaften in Hinblick auf den Einsatz als Festschmierstoff untersucht. In diesem Beitrag wird daher besonderes Augenmerk auf diesen vielfältigen Werkstoff gelegt.

Rückblickend gesehen werden Festschmierstoffe teils seit Jahrzehnten z.B. an Zündkerzengewinden, Auspuffverschraubungen oder Bremssätteln genutzt. Unter oxidierenden Bedingungen funktionieren sie i.d.R. problemlos bis ca. 350°C, unter Idealbedingungen bis weit über 1000°C. Dabei ist zu beachten, dass diese Idealbedingungen für den jeweiligen Schmierstoff völlig individuell sein können. So degeneriert Molybdendisulfid in oxidierender oder feuchter Umgebung sehr schnell, aber schmiert sehr gut im Vakuum, während z.B. Graphit in vollkommen trockener Umgebung keine Schmierung ermöglicht.

In jüngerer Zeit wird der Festschmierstoff zunehmend direkt bei der Bauteilherstellung als dünner Film auf die zu schmierende Oberfläche fest aufgebracht bzw. in sie integriert. Dies geschieht häufig über Gasphasenabscheidung mittels Verfahren wie CVD oder PVD (chemical bzw. physical vapor deposition), aber auch mittels Sputter- und Ionenstrahlbeschichtungstechniken. Auch erweitert sich die Bandbreite der zu beschichtenden Systeme vom makroskopischen Bereich hinunter in den Mikro- und Nanometerbereich. In diesen Dimensionen ist die Mikrosystemtechnik angesiedelt, die mit Aktoren und Sensoren im Mikrometermaßstab zunehmend auch in Produkten für den Alltagsgebrauch zu finden ist, wie z.B. in Navigationssystemen oder Smartphones.

Neuartige Festschmierstoffe auf der Basis von Kohlenstoff gewinnen dabei zunehmend an Bedeutung, da Kohlenstoff zum einen in verschiedenen Modifikationen mit jeweils spezifischen Eigenschaften hergestellt werden kann, sich zum anderen einige von diesen dann durch chemische Reaktionen weiter an spezielle Einsatzbedingungen anpassen lassen. Neben dem bekannten Graphit werden besonders Schichten aus DLC, ultrananokristallinem Diamant, tetraedrisch-amorphem Kohlenstoff und Graphen untersucht. Dabei werden große Hoffnungen auf das erst 2004 bekannt gewordene Graphen gesetzt, das mit einem E-Modul von ca. 1000 GPa in defektfreiem Zustand, einer Schichtdicke im Sub-Nanometerbereich (eine Atomlage „dick“), im Prinzip einfacher Herstellbarkeit und chemischer Modifizierbarkeit seiner Oberfläche z.B. mit Wasserstoff, Fluor oder Sauerstoff vorerst einzigartig ist. Zusätzlich ist es undurchlässig für Flüssigkeiten und Gase, wodurch der darunterliegende Werkstoff weitgehend vor Korrosion und Oxidation geschützt werden kann.

Während alle bislang bekannten Festschmierstoffe als Beschichtung Dicken von ca. 0,1 bis 5 Mikrometer benötigen, um sinnvoll einsetzbar zu sein, reichen bei Graphen aus heutiger Sicht bereits Schichtdicken von 0,001 bis 0,002 Mikrometer aus. Im Vergleich liegen die Gleitreibungszahlen von nicht modifiziertem Graphen unabhängig von trockener oder feuchter Umgebung mit 0,15 – 0,2 im Mittelfeld der kohlenstoffbasierten Materialien. Die Gleitreibungszahlen von Graphit, DLC und ultrananokristallinem Kohlenstoff liegen in trockener Umgebung bei ca. 0.6, 0,001 – 0,05, respektive 0,05 – 0,15, in feuchter Umgebung bei ca. 0,1, ca. 0,25 respektive 0,005 – 0,1. Im Vergleich dazu liegt der Koeffizient für Molybdendisulfid trocken bei 0,02 – 0,06, in feuchter Umgebung bei ca. 0,2, der für einen blockierenden Autoreifen auf trockenem Asphalt bei 0,5.

Das tribologische Verhalten von Graphen wurde in Ansätzen bereits auf der Nano-, Mikro- und Makroskala untersucht. Auf der Nanoskala zeigt defektfreies Graphen in Abhängigkeit von der Reibpaarung (der beiden sich berührenden Werkstoffoberflächen) gegensätzliches Verhalten: Gleitet Graphen gegen Graphen, verschlechtert sich das Reibverhalten bei mehr als drei Lagen Graphen pro Seite, wohingegen sich bei lateraler Bewegung von Graphen gegen einen anderen Werkstoff die Reibung mit zunehmender Schichtanzahl verringert. Auf der Mikroskala verringert bereits eine einlagige Beschichtung eines anderen Werkstoffs mit Graphen sowohl die Adhäsionsneigung als auch die Reibung. Allerdings machen sich hier Defekte in den Graphenschichten durch eine Verschlechterung der tribologischen Eigenschaften der Beschichtung deutlich bemerkbar. Auf der Makroskala existieren bislang nur sehr wenige Forschungsergebnisse. Besonders interessant scheint zu sein, dass bereits eine unvollständige Beschichtung (auf Stahl) eine signifikante Verbesserung von Reibungs- und Verschleißverhalten ermöglicht.

Erste Untersuchungen zu chemisch modifiziertem Graphen sind vorerst hauptsächlich von akademischem Interesse. Besonders auffällig ist der sehr kleine Gleitreibungskoeffizient von einseitig mit Wasserstoff reagierten Graphenschichten gegeneinander, der für sehr niedrige Lasten zwischen 0,01 und 0,05 und damit bei ca. 10% des reinen Graphens liegt. Erklärt wird dies per Simulationsrechnungen mit einer Elektronenverschiebung aus der Schichtebene in Richtung der gebundenen Wasserstoffatome und den daraus resultierenden Abstoßungskräften zwischen den einzelnen Schichten. Wird eine so modifizierte Graphenschicht gegen einen anderen Werkstoff bewegt, zeigt sich dagegen i.d.R. eine Verschlechterung der tribologischen Eigenschaften gegenüber reinem Graphen.

Insgesamt zeigen kohlenstoffbasierte Festschmierstoffe ein herausragendes Potential für den Einsatz in thermisch, mechanisch und in Grenzen auch chemisch hoch belasteten Umgebungen. Darüber hinaus gibt es mit Graphen nun auch einen Werkstoff, der durch seine minimale Schichtdicke skalenübergreifend vom Nanometerbereich und damit der Nano- und Mikrosystemtechnik bis hin zu makroskopischen Anwendungen geeignet erscheint.

*Fraunhofer Institut für
Naturwissenschaftlich-Technische
Trendanalysen
Appelsgarten 2, 53879 Euskirchen
berichtet in jeder Ausgabe exklusiv
über Werkstofftrends

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