Schlussbericht. zu dem über die. im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF)

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1 Schlussbericht der Forschungsstellen Nr. 1, Institut für Oberflächentechnik, RWTH Aachen University Nr. 2, Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung, RWTH Aachen University zu dem über die im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages geförderten Vorhaben N Gebrauchsdauerhypothese PVD-beschichteter Bauteile im Trockenlauf (Bewilligungszeitraum: ) der AiF-Forschungsvereinigung Europäische Forschungsgesellschaft Dünne Schichten e.v. (EFDS) Aachen, Prof. Dr.-Ing. K. Bobzin Prof. Dr.-Ing. K. Bobzin Ort, Datum Name und Unterschrift des Projektleiters, Forschungsstelle 1 Name und Unterschrift des Leiters, Forschungsstelle 1 Aachen, Dr.-Ing. C. Hentschke Prof. Dr.-Ing. G. Jacobs Ort, Datum Name und Unterschrift des Projektleiters, Forschungsstelle 2 Name und Unterschrift des Leiters Forschungsstelle

2 IGF-Nr N ii Kurzzusammenfassung Das Ziel dieses Forschungsprojektes lag darin, Einsatzgrenzen und Belastungsgebiete verschiedener Hybridwälzlagerbauarten, die mit unterschiedlichen PVD (Physical Vapour Deposition)-Schichtsystemen beschichtet wurden, im Trockenlauf zu untersuchen. Außerdem sollten Berechnungsgrundlagen für die Auslegung beschichteter Hybridwälzlager bereitgestellt werden. Diese Punkte sind wesentlich, um beschichtete Hybridwälzlager als Alternative zu bislang eingesetzten Trockenlauflösungen zu etablieren. Zur Ermittlung der Einsatzgrenzen und Versagensmechanismen wurden vom Institut für Oberflächentechnik (IOT) umfangreiche tribologische Untersuchungen an beschichteten Proben aus dem niedrig angelassenen Lagerstahl 100Cr6 (Nr ) durchgeführt. Hierbei wurden verschiedene Beanspruchungsarten (Wälzbeanspruchung, kontinuierliche Gleitbeanspruchung, reversierende Gleitbeanspruchung und Schlagbeanspruchung) und eine breit angelegte Parametervariation vorgenommen. Aus den gewonnen Ergebnissen wurden Wear Maps für die unterschiedlichen Beanspruchungsarten und Belastungskollektive erstellt. Es konnten deutliche Unterschiede bezüglich der Schadensmechanismen in Abhängigkeit vom zugrundeliegenden Schichtsystem ermittelt werden: Bei den Kohlenstoffschichten ZrC g und Balinit C liegen eher adhäsive und abrasive Verschleißmechanismen und ein ausgeprägter Einlaufverschleiß vor. Im Gegensatz dazu treten bei den Hartstoffschichten (Cr,Al)N und D++ eher lokale Ausbrüche in der Schicht und ein Verschleiß am keramischen Gegenkörper auf. Ergänzend zu den grundlegenden und tribologischen Versuchen am IOT wurden am Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung (IME) realitätsnahe Untersuchungen am tribologischen Komplettsystem Wälzlager anhand unterschiedlicher beschichteter und unbeschichteter Lagerbauarten durchgeführt. Dabei wurden Axialzylinderrollenlagerversuche vorgenommen, um das Reibungs- und Verschleißverhalten zu charakterisieren und die auftretenden Schadensmechanismen den wälzlagertypischen Beanspruchungen zuzuordnen. Zur Untersuchung der Gebrauchsdauer und der Drehzahleignung wurden Radiallagerversuche durchgeführt. Aufbauend auf den experimentellen Arbeiten wurde die Möglichkeit der Gebrauchsdauerabschätzung durch energetische Berechnungsansätze untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass das Verhalten trockenlaufender PVD-beschichteter Hybrid- Wälzlager in großem Maß von der Belastung, dem Lagertyp und insbesondere vom Schichtsystem selbst abhängt. Bei niedrigen Drehzahlen können geeignet PVD-beschichtete Hybridwälzlager im Trockenlauf hoch belastet (2000 MPa) betrieben werden. Bei höheren Drehzahlen sollten die Belastungen möglichst gering gehalten werden. Die im Projekt untersuchten Pressungen von 1600 MPa scheinen eine grenzwertige Belastung zu sein. Für das Schichtsystem Balinit C wurde eine Standzeitberechnung durch energetische Berechnungsansätze aufgezeigt. Die aus unterschiedlichen Versuchsbedingungen und Lagerbauarten ermittelten Verschleiß-Energiedichten liegen in derselben Größenordnung. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist erreicht worden.

3 IGF-Nr N iii Inhalt 1 Einleitung Stand der Technik Zieletzung Lösungsansatz Lösungsansatz Forschungsstelle 1 (IOT) PVD-Beschichtung von Proben und Realbauteilen Ermittlung der Schichteigenschaften Rasterelektronenmikroskopie Nanoindentation zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften Verbundeigenschaften Rockwelleindringprüfung (ISO 26443) zur Ermittlung der Verbundhaftung Scratchtest (DIN EN ) zur Ermittlung der Verbundhaftung Systemeigenschaften PoD-Test zur Ermittlung der tribologischen Eigenschaften unter einer kontinuierlichen Gleitbewegung Impact-Test zur Ermittlung der tribologischen Eigenschaften unter einer Schlagbeanspruchung Schwingverschleißtribometer (SVT)-Tests zur Ermittlung der tribologischen Eigenschaften unter einer reversierenden Gleitbewegung WAM-Test zur Ermittlung der tribologischen Eigenschaften unter einer Wälzbeanspruchung Lösungsansatz Forschungsstelle 2 (IME) Wälzlageruntersuchungen Eingesetzte Wälzlager FE8-Prüfstand Trockenlauf-Radiallagerprüfstand Statische Belastungsversuche Theoretischer Ansatz zur Gebrauchsdauerberechnung Ergebnisse an Forschungsstelle 1 (IOT) Schichteigenschaften Schichtarchitektur und Morphologie Härte und E-Modul Verbundeigenschaften Verbundhaftung mittels Rockwelleindringprüfung (ISO 26443) Verbundhaftung mittels Scratchtest (DIN EN ) Systemeigenschaften Tribologische Charakterisierung im Pin-on-Disk-Tribometer ZrC g gegen Si 3 N (Cr,Al)N/100Cr6 gegen Si 3 N D++ gegen Si 3 N

4 IGF-Nr N iv Balinit C gegen Si 3 N Tribologische Charakterisierung im Impacttester ZrC g /100Cr6 gegen Si 3 N (Cr,Al)N/100Cr6 gegen Si 3 N D++/100Cr6 gegen Si 3 N Balinit C/100Cr6 gegen Si 3 N Tribologische Charakterisierung im SVT-Prüfstand Tribologische Charakterisierung im WAM-Test Referenzversuche mit unbeschichteten Scheiben Untersuchung der beschichteten Scheiben im WAM-Tribometer (SRR = 0 %; p Hertz = 1,6 GPa) Untersuchung der beschichteten Scheiben im WAM-Tribometer (SRR = 1,82 %; p Hertz = 1,6 GPa) Untersuchung der beschichteten Scheiben im WAM-Tribometer (SRR = 16,75 %; p Hertz = 2,0 GPa) Zusammenfassung der Ergebnisse an Forschungsstelle Ergebnisse an Forschungsstelle 2 (IME) Wälzlageruntersuchungen Versuchsdurchführung und Auswertung Axiallagerversuche Radiallagerversuche Axiallagerversuche Zylinderrollenlager Schrägkugellager Radiallagerversuche Zylinderrollenlager Kugellager Drehzahleignung Statische Belastungsversuche Theoretische Untersuchungen Axialzylinderrollenlager Rillenkugellager Korrelation der experimentellen und der theoretischen Untersuchungen Zusammenfassung der Ergebnisse an Forschungsstelle Einsatz von wissenschaftlich-technischem Personal Institut für Oberflächentechnik (IOT) Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung (IME) Geräte Leistungen Dritter Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der erzielten Ergebnisse (insbesondere für KMU)...121

5 IGF-Nr N v 12 Realisierbarkeit des Transferkonzeptes Veröffentlichungen Förderhinweis Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft Literatur...124

6 IGF-Nr N 1 1 Einleitung In immer mehr Anwendungen gibt es ein Umdenken bezüglich des Schmierstoffeinsatzes. Dieses Umdenken begründet sich in einer Reihe von veränderten Anforderungen, welche aus den Bereichen Umwelttechnik, Prozessreinheit oder Gesundheit stammen. Daraus resultierend wird zunehmend der Einsatz einer geringeren Medienschmierung oder sogar der Verzicht auf Schmierstoffe gefordert [STE01]. Insbesondere der Trockenlauf stellt hohe Anforderungen an die eingesetzten Bauteile, da die Kontaktflächen, z. B. in Wälzlagern, hohen tribologischen Beanspruchungen unterliegen. Für betroffene Bereiche wie die Vakuumtechnik oder die Lebensmittelindustrie bedeutet dies, dass konventionelle Wälzlager aufgrund des fehlenden Schmierstoffs stark in der Lebensdauer begrenzt sind. Trockenlauf oder Mangelschmierung führen sehr schnell zu Lagerausfällen. Daher werden im Bereich der trocken laufenden Anwendungen häufig vollkeramische Wälzlager eingesetzt, welche bei niedrigen Lasten und Drehzahlen aufgrund ihrer niedrigen Adhäsionsneigung gute tribologische Eigenschaften aufweisen [KAT03]. Nachteile dieser Bauart sind jedoch neben den hohen Anschaffungskosten der erhöhte konstruktive Aufwand, der erforderlich ist, um die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Stahl und Keramik zu kompensieren. Eine Alternative stellen Hybridwälzlager dar, bei denen lediglich die Wälzkörper aus Keramik bestehen [STE01]. Sie sind deutlich kostengünstiger als vollkeramische Lager und machen keine konstruktiven Änderungen erforderlich. Nachteilig wirkt sich allerdings die begrenzte Belastbarkeit und Lebensdauer der Hybridwälzlager im Einsatz aus. Eine Steigerung der Trockenlauffähigkeit eines Hybridwälzlagers lässt sich durch die Beschichtung der Laufflächen mit einer reibungsmindernden PVD-Schicht erzielen. Dies ergaben die Forschungsergebnisse des Vorgängerprojektes AiF N Reibungsmindernde PVD-Schichten für trocken laufende Hybridwälzlager. Der Schwerpunkt des Projektes lag auf der Entwicklung eines temperaturgerechten, gepulsten MSIP (Magnetron Sputter Ion Plating)-Prozesses (Institut für Oberflächentechnik, IOT, RWTH Aachen), der die Beschichtung trocken laufender Hybridwälzlager (Axial-Zylinderrollenlager) mit einer reibungsmindernden PVD (Physical Vapour Deposition)-Beschichtung ermöglicht. Das entwickelte gradierte a-c:h:me (Metall und Wasserstoff enthaltendes amorphes Kohlenstoffschichtsystem) Schichtsystem Zirkoniumkarbid (ZrC g ) wurde auf Hybrid-Axialzylinderrollenlagern abgeschieden. Am Institut für Maschinenelemente und gestaltung (IME, RWTH Aachen) wurden die beschichteten Hybridlager in Wälzlagerprüfständen praxisnah untersucht. Es konnte nachgewiesen werden, dass durch die Beschichtung mit dem gradierten PVD-Schichtsystem ZrC g eine deutliche Verbesserung des tribologischen Systems erreicht werden kann. Die beschichteten Hybridwälzlager wiesen im Hochlastbereich sowohl einen deutlich reduzierten Verschleiß als auch eine Reibwertreduktion im Vergleich zu trocken laufenden, unbeschichteten Hybridwälzlagern auf. Im Schnelllaufversuch wurde durch die reibungsmindernde Beschichtung eine Laufzeitverlängerung erzielt. Diese Ergebnisse unterstreichen das Potential, welches PVD-Schichten für trocken laufende Hybridwälzlager besitzen. Jedoch zeigten die Untersuchungen auch, dass weiterer Forschungsbedarf in diesem Bereich besteht, da das tribologische Verhalten der beschichteten Lager im Einsatz nur unzureichend abgeschätzt werden kann. Des Weiteren können derzeit keine näheren Aussagen zur Gebrauchslebensdauer von beschichteten Wälzlagern im Trockenlauf getroffen werden. Für den Anwender ergibt sich hieraus die

7 IGF-Nr N 2 Schwierigkeit, die Gebrauchsdauer derartiger Systeme abzuschätzen. Eine zuverlässige Gebrauchsdauerabschätzung ist jedoch Voraussetzung für den Einsatz bzw. die Akzeptanz beschichteter Hybridwälzlager und damit für den wirtschaftlichen Erfolg. Daher sollte der Schwerpunkt der Arbeiten am IME auf der praxisnahen Ermittlung von Einsatzgrenzen und der Ermittlung von Grundlagen zur Gebrauchsdauerabschätzung liegen, während auf Seiten des IOT Fragen zum Verschleiß der Beschichtungen im Trockenlauf in Abhängigkeit von unterschiedlichen Randbedingungen untersucht werden sollten. Durch ein besseres Verständnis der tribologischen Vorgänge können die Einsatzbereiche der Beschichtungen abgeschätzt und Anhaltspunkte zur Auswahl einer geeigneten Beschichtung gewonnen werden. Die Erkenntnisse aus den Wälzlageruntersuchungen am IME bilden die Grundlage einer Gebrauchsdauerabschätzung. Durch die Erstellung einer Gebrauchsdauerhypothese auf Basis von theoretischen Betrachtungen und Prüfstandsversuchen soll ein Transfer beschichteter Hybridwälzlager in den industriellen Einsatz ermöglicht werden. 2 Stand der Technik Trockenlauf bedeutet für ein tribologisches System das Fehlen eines Zwischenstoffs (Schmierstoff) zwischen Grund- und Gegenkörper. Dieser Schmierstoff übernimmt jedoch in konventionellen Lagerungen wesentliche Aufgaben, wie die Trennung der Kontaktpartner, die wiederum zu einer Reduktion von Verschleiß und Reibung beiträgt. Muss auf Grund der vorliegenden Randbedingungen auf eine Fett- oder Ölschmierung verzichtet werden, werden oftmals Trockenschmierstoffe eingesetzt. Die bekanntesten Vertreter sind Graphit und Molybdändisulfid, welche sich für niedrige Drehzahlen eignen und eingesetzt werden können, wenn keine Verschmutzungsgefahr vorliegt [TÖN98]. Werden die Belastungen größer, weicht man auf selbstschmierende Käfige oder Composite-Materialien mit selbstschmierendem Effekt aus. Jedoch kann hierbei nur mit geringen Gebrauchsdauern gerechnet werden [TÖN98]. Beschichtungen werden vielfach eingesetzt, wenn extreme Betriebsbedingungen oder hohe tribologische Beanspruchungen vorliegen. Beschichtungen können mit unterschiedlichen Verfahren wie Galvanik, CVD (Chemical Vapour Deposition) und PVD aufgebracht werden. Die eingesetzten tribologisch wirksamen Beschichtungen lassen sich dabei in zwei Gruppen einteilen: Hartstoffschichten und Festschmierstoffschichten. Hartstoffschichten führen zu einem hohen Verschleißschutz am beschichteten Körper. Sie neigen jedoch teilweise dazu, den Gegenkörper zu verschleißen, sollte dieser keine ausreichende Härte besitzen [BHU01]. Ein weiterer Nachteil bei Hartstoffschichten ist der hohe Trockenreibwert, welcher im tribologischen Kontakt zu einer großen Wärmeentwicklung führen kann [STE06]. Dies kann insbesondere bei hohen Drehzahlen zu einem schnellen Lagerausfall führen, wie im Vorgängerprojekt festgestellt wurde [BOB07]. Zu den Festschmierstoffschichten zählen Beschichtungssysteme auf Basis von MoS 2, TiB 2 oder scherweiche Metalle wie Silber, Blei und Gold. Diesen Beschichtungen ist gemein, dass sie den Trockenreibwert drastisch senken. Sie besitzen zudem eine sehr niedrige Scherfestigkeit, die zu einer geringen Verschleißfestigkeit führt [PLA90, STE06]. Eine Sonderstellung nehmen die Kohlenstoffschichten ein. Eine Übersicht über die verschiedenen Arten und Eigenschaften dieser Schichten gibt die VDI-Richtlinie 2840 [VDI05]. Die Eigenschaften von Kohlenstoffschichten lassen sich in einem großen Bereich variieren. Neben einer hohen Härte lassen sich auch

8 IGF-Nr N 3 sehr niedrige Reibwerte (near-frictionless) über die Kohlenstoffschichtzusammensetzung und morphologie einstellen [ERD04a, ERD04b, ERY06, FIE04, VOE99]. Dabei ist zu beachten, dass die tribologischen Eigenschaften der Kohlenstoffschichten von den Umgebungsbedingungen abhängen [PAR04, LI07], was durch die zusätzliche Dotierung bzw. Legierung mit Metallen vermindert werden kann [BOB06]. Die Eignung von Kohlenstoffschichten für tribologische Anwendungen wurde in mehreren Forschungsprojekten nachgewiesen, u. a. [SCH04b, ZEN02]. Daher wurden auch kohlenstoffbasierte Beschichtungen im Rahmen dieses Forschungsprojektes berücksichtigt. Es gibt einige Forschungsvorhaben, die sich mit dem Transfer derartiger Kohlenstoffschichten auf Wälzlager oder ähnliche Anwendungen beschäftigen, u. a. [EVA03, IHL05, HOS06, OLO00]. Bei genauer Betrachtung treten jedoch deutliche Unterschiede zu dem hier durchgeführten Forschungsvorhaben auf. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die Untersuchungen an beschichteten Wälzlagerungen unter Voll- oder Mangelschmierung durchgeführt wurden [EVA03, HOS06, OLO00] und nicht im Trockenlauf. Die aufgebrachten Schichtsysteme gehören alle zu den metallhaltigen Kohlenstoffschichten (a-c:h:me) Schichtsystemen, die über PVD und PACVD (Plasmaaktiviertes CVD)-Prozesse abgeschieden wurden. In den zitierten Untersuchungsreihen wurden dabei jeweils die Wälzkörper der Lager beschichtet. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz beschichteter geschmierter Wälzlager eine Reduktion des Verschleißes erbringt. Dies wird auf eine Reduktion der Adhäsionskräfte im tribologischen Kontakt durch die Beschichtung zurückgeführt sowie den Effekt, dass am unbeschichteten Gegenkörper die Oberfläche leicht geglättet wird. Führende Wälzlagerhersteller wie SKF (NoWear ) oder INA/FAG (Trinodur C) bieten bereits beschichtete Wälzlager an. Diese Lager sind jedoch entsprechend der jeweiligen Produktbeschreibung nicht für den Einsatz im Trockenlauf geeignet. Steinmann [STE06] berichtet über beschichtete Wälzkörper für trocken laufende Linearführungen. Es wurden verschiedene a-c:h:me-schichtsysteme sowohl mittels PVD- als auch PACVD-Verfahren abgeschieden und untersucht. Auf Grund prozessinduzierter Eigenspannungen kam es jedoch zu Haftungsproblemen. Fazit dieser Untersuchungsreihe war, dass durch den Einsatz einer haftfesten Beschichtung mit einer Erhöhung der Zuverlässigkeit der Linearführung bei reduzierten Reibwerten und verringertem Verschleiß zu rechnen ist. Hieraus lässt sich ableiten, dass bei Wälzlagern im Trockenlauf ebenfalls eine Erhöhung der Gebrauchsdauer durch den Einsatz einer geeigneten Beschichtung möglich ist. Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 442 Umweltverträgliche Tribosysteme wurden am IOT verschiedene PVD-Beschichtungskonzepte für Tribosysteme mit unadditivierten Schmierstoffen entwickelt. Durch den Wegfall der Schmierstoffadditive war es notwendig, deren Aufgaben auf die Beschichtung zu transferieren [MUR04]. Hier zeigten die PVD- Schichtkonzepte, die über verschiedene Screening-Untersuchungen ausgewählt und entwickelt wurden, aus dem Bereich der Harststoffschichten [BOB04a] und aus dem Bereich der metallhaltigen Kohlenstoffschichten [BOB04b, GOL03] ihre gute Eignung für diese tribologischen Anwendungen. Die untersuchten Schichten wurden in einer Reihe von tribologischen Systemen, wie Spindellager, Zahnräder oder Pumpenkolben, eingesetzt [MUR04]. Insbesondere das metallhaltige Kohlenstoffschichtsystem ZrC g erbrachte unter den

9 IGF-Nr N 4 unterschiedlichen Randbedingungen ein gutes tribologisches Verhalten wie niedrige Reibund Verschleißwerte. Dieses Schichtsystem diente als Vorbild für die Beschichtungen, die in dem AiF-Projekt N entwickelt wurden. Das Schichtsystem wurde zunächst auf einer Laboranlage mittels eines DC-Prozesses abgeschieden. Im Vorgängerprojekt wurde das Schichtsystem auf einer industriell eingesetzten Beschichtungsanlage mit gepulstem Prozess entwickelt. Das besondere an dieser metallhaltigen Kohlenstoffschicht ist, dass die Möglichkeit besteht, durch eine Veränderung des Gradierungsverlaufs des Kohlenstoffgehaltes über die Schichtdicke einen einstellbaren Eigenschaftsverlauf zu erzeugen, der auf die Anwendungsbedingungen zugeschnitten ist. Auf diese Weise kann durch eine Anpassung des Härteverlaufs und der elastischen Eigenschaften innerhalb der Schicht die Schicht auf unterschiedliche Belastungskollektive und Beanspruchungsarten eingestellt werden. Dadurch wird es ermöglicht, nahezu optimale Verhältnisse in einem tribologischen Kontakt zu erreichen. Nach Czichos [CZI92] ist davon auszugehen, dass Grübchenbildung in Wälzlagern nur dann auftritt, wenn eine gewisse spezifische Schmierfilmdicke gegeben ist. Bei geringen Schmierfilmdicken ist dagegen vorwiegend mit Abrasion und Adhäsion zu rechnen. Hieraus kann jedoch nicht abgeleitet werden, dass für trocken laufende, beschichtete Hybridwälzlager Ermüdungserscheinungen ohne Belang sind. Zum einen kann mit Hilfe einer PVD- Beschichtung der Abrasions- und Adhäsionsverschleiß maßgeblich reduziert werden, so dass andere Ausfallmechanismen in den Vordergrund treten. Zum anderen ist z. B. von Zahnrädern bekannt, dass eine reduzierte Schmierfilmdicke zu einer erhöhten Schubbeanspruchung oberflächennaher Bereiche führt. Durch diese wird die Bildung von Mikropittings z. B. auf Zahnflanken ermöglicht [NIE60]. Nach [FAG04] kann auch bei Wälzlagern Ermüdung infolge schlechter Schmierung auftreten, wobei bei niedrigen Belastungen flache Ausbrüche entstehen, die nicht mit Ermüdungsschäden unterhalb der Oberfläche verwechselt werden dürfen. SKF zufolge [SKF94] ist dies darauf zurückzuführen, dass bei einem sehr dünnen Schmierfilm mehr und mehr Rauheitsspitzen in Kontakt treten. Zurückzuführen ist diese Rissbildung auf einen Anstieg des Reibwertes und die hierdurch entstehenden hohen Spannungen an der Oberfläche [FRA04]. Ähnliche Erscheinungen sind auch bei trocken laufenden, beschichteten Hybridwälzlagern zu erwarten. Von Löffelbein durchgeführte Untersuchungen deuten hierauf ebenfalls hin. Er untersuchte PVDbeschichtete Oberflächen im Scheiben-Wälztribometer [LOE98]. Die beschichteten Oberflächen wiesen nach der Wälzbeanspruchung Ermüdungserscheinungen wie Pittings, Schichtausbrüche und Schichtabplatzungen auf. Die Untersuchungen von [STE06] an trockenlaufenden, beschichteten Lineareinheiten weisen ebenfalls darauf hin, dass nicht alleine mit Abrasions- und Adhäsionsverschleiß, sondern auch mit Verschleiß in Folge von Ermüdung im trockenlaufenden beschichteten Hybridlager zu rechnen ist. Neben dem Einfluss des erhöhten Reibwertes im Trockenlauf bzw. bei Mangelschmierung kommt es auch in Folge von Spannungsspitzen an den Oberflächenrauheiten zu einer erhöhten Belastung der oberflächennahen Randschicht. So gibt unter anderem Steward [STE02] an, dass bei geringen Belastungen die Oberflächenrauheit ein entscheidender Einflussfaktor auf die Ermüdungslebensdauer ist. Blug wiederum untersuchte den Einfluss von Schichtdicke und Rauheit auf die Überrollfestigkeit im ungeschmierten Kontakt und kommt zu dem Schluss, dass es zu einer starken Spannungserhöhung im oberflächennahen

10 IGF-Nr N 5 Bereich der Schichten auf Grund von Rauheitsspitzen kommt [BLU06]. In beiden Fällen wurden Oberflächenrauheiten von Ra = 0,03-0,1 µm bzw. Rz = 0,06-1,2 µm betrachtet. Als weitere Ursachen für eine zusätzliche Beanspruchung oberflächennaher Bereiche sind zudem Eigenspannungen oder aber die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Schicht und Substrat zu nennen. 3 Zieletzung Zielsetzung dieses Projektes war es, beschichtete Hybridwälzlager als Alternative zu bislang verwendeten Trockenlauflösungen zu etablieren. Wesentlich hierfür sind die Bereitstellung von Berechnungsgrundlagen für die Auslegung von beschichteten Wälzlagern sowie Angaben zu möglichen Einsatzgrenzen und Belastungsgebieten. Eine Fragestellung bei beschichteten Lagern im Trockenlauf ist die Auslegbarkeit. Bisher sind keine Auslegungsgrundlagen verfügbar, die eine Abschätzung der Gebrauchsdauer ermöglichen. Dieses Problem soll durch die Erstellung einer Gebrauchsdauerhypothese gelöst werden. Dafür sollten zunächst die Einsatzgrenzen beschichteter Hybridwälzlager und die Ursachen der Lebensdauerbegrenzung im Rahmen von Wälzlagerprüfstandsuntersuchungen ermittelt. Parallel wurden Reibwert- und Verschleißuntersuchungen an vier ausgewählten Beschichtungen durchgeführt. Zwei von diesen wurden vom IOT entwickelt, zwei weitere wurden von der Industrie zur Verfügung gestellt. Basierend auf diesen Ergebnissen sollte eine Abschätzung der Einsatzmöglichkeiten und -grenzen für beschichtete Hybridwälzlager erarbeitet werden. 4 Lösungsansatz Zum Erreichen der angestrebten Forschungsziele wurde folgende Aufgabenteilung auf Grund der Kernkompetenzen der jeweiligen Forschungsstelle gewählt. Am IOT wurden die eingesetzten und untersuchten PVD-Schichtsysteme entwickelt und abgeschieden. Außerdem wurden anhand von abstrahierten Tribometerversuchen auftretende Verschleißmechanismen in Abhängigkeit einer breiten Parametervariation sowie unterschiedlicher Beanspruchungsarten (kontinuierliche sowie oszillierende Gleitbeanspruchung und Schlagbelastung) ermittelt, um den Verschleiß zu quantifizieren und Wear Maps zur Beschreibung der auftretenden Verschleißmechanismen zu erstellen. Im Anschluss wurden Untersuchungen im WAM (Wedeven Associates Inc. Machines)-Prüfstand durchgeführt, um die tribologischen Eigenschaften unter wälzender Belastung mit vorgegebenem Schlupf zu untersuchen. Das IME führte parallel Wälzlagerprüfstandsuntersuchungen unter ermüdungskritischen als auch unter verschleißkritischen Bedingungen durch. Die Erkenntnisse aus diesen Untersuchungen sollten in Verbindung mit theoretischen Arbeiten die Grundlage zur Entwicklung einer Gebrauchsdaurhypothese bilden. 4.1 Lösungsansatz Forschungsstelle 1 (IOT) Das IOT war für die Entwicklung und grundlegende Charakterisierung der im Rahmen dieses Projektes zum Einsatz kommenden, mittels PVD abgeschiedenen Schichtsysteme verantwortlich. Wesentliche Schwerpunkte bildeten dabei die grundlegende Charakterisierung der Beschichtungen sowie eine umfangreiche Untersuchung der tribologischen Systeme zur Ermittlung verschiedener Versagensmechanismen im Trockenlauf. Hierzu wurden Untersuchungsreihen an Referenzproben aus beschichtetem 100Cr6 im Pin-on-Disk-Tribometer,

11 IGF-Nr N 6 im Schwing-Verschleiß-Tribometer und im Impact-Tester durchgeführt. Diese Untersuchungsreihen dienten der Ermittlung der Verschleißerscheinungen an den Schichtsystemen im Trockenlauf und sollten die Datenbasis für die aufzustellenden Wear Maps sein. In Wear Maps wurden die Parametersätze der Untersuchungsreihen gegeneinander aufgetragen, beispielsweise Geschwindigkeit über Belastung, und in Abhängigkeit des jeweiligen Parametersatzes der auftretende Verschleißmechanismus eingetragen. Die Wear Maps sollten bei der Einschätzung der realen Belastbarkeit der Beschichtungen eine unterstützende Funktion einnehmen. Hiermit sollten die möglichen Belastungsbereiche der Beschichtungen abgeschätzt und die Auswahl der Beschichtungen erleichtert werden PVD-Beschichtung von Proben und Realbauteilen Für die tribologischen Untersuchungen stellt das IOT zwei Beschichtungen zur Verfügung. Bei den Schichten handelt es sich zum einen um das bereits erwähnte gradierte a-c:h:me- Schichtsystem ZrC g und zum anderen um das Hartstoffsystem (Cr,Al)N. Für beide Schichttypen wurden Prozesse entwickelt, die eine Beschichtung der zahlreichen unterschiedlichen eingesetzten Lagerarten ermöglichen. Hier stellen die geometrischen Aspekte der Bauteile eine Herausforderung für den Beschichtungsprozess dar. Diese liegt in der haftfesten Beschichtung von Borden, Nuten sowie dem Übergang zur Laufspur. Borde stellen für den PVD-Prozess eine Herausforderung dar, da hierdurch ein Bereich der Lauffläche außerhalb der Sichtlinie der Kathode liegt. Hier kommt es zu Abschattungen und damit zur Verringerung der Schichtdicke. Nuten und Übergange sind z. T. scharfkantig. Ebenfalls durch die Sichtliniencharakteristik des PVD-Prozesses bestimmt, kann es an diesen Kanten zur Aufbauschichtbildung kommen, die zum einen zu einer verringerten Schichtdicke in der Nutfläche und zum anderen zu einer Schichtüberhöhung an einer solchen Kante führt. Durch diese Schichtüberhöhung kann es zu unvorteilhaften lokalen Spannungszuständen der Beschichtung kommen, welche bei einer Belastung eine Schichtdelamination wahrscheinlich macht. Diesen Effekten kann durch eine geeignete Chargierung, also Aufnahme und Führung der Bauteile im Beschichtungsprozess, sowie eine geeignete Prozessführung und Vorbehandlung der Substrate begegnet werden. Die Schichtsysteme ZrC g und (Cr,Al)N wurden mittels reaktivem MSIP abgeschieden. Bei diesem Verfahren wird das Ausgangsmaterial (Targetmaterial) durch Impulsaustausch mit Edelgasionen zerstäubt. Dabei wird das Arbeitsgas (Argon) in der Beschichtungsanlage in den Plasmazustand überführt. Die hierdurch erzeugten Ionen werden durch eine am Target anliegende negative Spannung auf dieses hin beschleunigt und schlagen Teilchen durch Impulsübertragung heraus, die sich auf dem Substrat (die zu beschichtende Probe/ das zu beschichtende Bauteil) niederschlagen und die Schicht bilden. Um eine möglichst hohe Stoßrate zu erhalten, befindet sich hinter den Targets ein Permanentmagnet, der die im Plasma befindlichen Elektronen auf eine Kreisbahn in Targetnähe zwingt, so dass durch eine höhere Plasmaionisation mehr Targetmaterial abgetragen wird, Abbildung 1. Das MSIP-Verfahren ermöglicht die Abscheidung von Schichten mit Dicken von wenigen nm bis zu mehreren µm. Da die Beschichtungsprozesse bereits bei Temperaturen unter 160 C ablaufen können, eignet sich dieses Verfahren insbesondere auch für temperatursensitive

12 IGF-Nr N 7 Werkstoffe wie z. B. den in diesem Projekt eingesetzten wärmebehandelten 100Cr6 (Werkstoff-Nr.: ). Abbildung 1: Schematische Darstellung einer mit Target bestückten Magnetron-Kathode Im Rahmen dieses Projektes wurden die Schichtsysteme ZrC g, (Anlage: CemeCon CC800/9 Custom) sowie (Cr,Al)N (Anlage: CemeCon CC800/9 Sinox) eingesetzt. Die wesentlichen Prozessparameter sind in Tabelle 1 aufgelistet. Für die grundlegenden und die tribologischen Untersuchungen am IOT wurden Rundproben (Ø 25 mm, h=8 mm) aus wärmebehandeltem 100Cr6 (angelassen bei 180 C, HRC) verwendet. Diese wurden vor der Beschichtung auf einen Mittenrauwert Ra 0,03 µm poliert und im Anschluss in einem mehrstufigen Ultraschallbad gereinigt. Für die Untersuchungen am IME wurden sowohl Axial- als auch Radiallager beschichtet. Für die Außenringe der Radiallager wurden entsprechende Chargierhalter verwendet. Diese sorgen nicht nur für eine geeignete Positionierung in der Beschichtungskammer, sondern unterstützen auch eine gleichmäßige Wärmeabfuhr aus den Lagerringen während des Beschichtungsprozesses und vermeiden somit einen unzulässigen Verzug der Lagerringgeometrie. Tabelle 1: Prozessparameter zur Abscheidung der Schichtsysteme ZrC g und (Cr,Al)N Prozess ZrC g (Cr,Al)N Anlage CC800/9 Custom CC800/9 Sinox Anzahl Targets/-material 2x Zr 4x CrAl (Al-Pfropfen) Heizleistung [W] max max Beschichtungtemperatur max. 160 C max. 160 C Kathodenleistung [W] (gerampt) Prozessdruck [mpa] Reaktivgas Ethin (C 2 H 2 ) Stickstoff (N 2 ) Reaktivgasfluss [sccm] 0-70 (gerampt) 60

13 IGF-Nr N Ermittlung der Schichteigenschaften Die zunächst durchgeführten Charakterisierungen dienten der Ermittlung der Eigenschaften, die das Schichtsystem an sich aufweist, unabhängig vom Substratwerkstoff. Im Rahmen dieses Projektes wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie die Schichtmorphologie und die Schichtdicke bestimmt sowie mittels Nanoindentation die Schichthärte sowie der E-Modul der Beschichtung. Die einzelnen Verfahren zur Schichtcharakterisierung werden im Folgenden vorgestellt Rasterelektronenmikroskopie Zur Untersuchung der Schichtmorphologie, -architektur und -dicke der PVD-Beschichtungen wurden Bruchproben unter dem Rasterelektronenmikroskop ZEISS DSM 982 Gemini analysiert. Hierzu wurden die beschichteten Proben angesägt, in flüssigem Stickstoff gekühlt und anschließend gebrochen. Im Anschluss konnte der beschichtete Bereich der Bruchprobe unter dem Rasterelektronenmikroskop untersucht werden Nanoindentation zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften Mittels Nanoindentation wurden Universalhärte und E-Modul der abgeschiedenen Schichten nach der Methode von Oliver und Pharr [OLI92] bestimmt. Dabei dringt ein Berkovichdiamant mit einer kontinuierlichen Laststeigerung in die Probenoberfläche ein. Durchgängig wird die Eindringtiefe gemessen. Um einen Substrateinfluss auszuschließen, darf diese Eindringtiefe maximal 10 % der Schichtdicke betragen. Aus dem Eindringtiefe-Belastungsdiagramm können Universalhärte und E-Modul (mit einer angenommenen Poisson-Zahl von 0,25) berechnet werden Verbundeigenschaften Im Anschluss an die Analyse der reinen Schichteigenschaften wurden die Eigenschaften des Verbundes aus Schicht und Substrat untersucht. Dies betrifft insbesondere die Verfahren zur Bestimmung der Verbundhaftung, die im Folgenden dargestellt werden Rockwelleindringprüfung (ISO 26443) zur Ermittlung der Verbundhaftung Zur Ermittlung der Haftfestigkeit des Schicht-Substrat-Verbundes wird ein kegelförmiger Diamant mit 120 Spitzenwinkel mit einer definierten Last (HRC F = 1471 N) in die beschichtete Oberfläche gedrückt, wodurch eine plastische Verformung des Grundmaterials erzwungen wird. Anhand einer anschließenden lichtmikroskopischen Auswertung des erzeugten Rissnetzwerks bzw. der Schichtausbrüche im Randbereich des Eindrucks kann die Haftung des Werkstoffverbunds bewertet werden (nach ISO 26443). Es werden verschiedene Haftklassen unterschieden, die vom Rissnetzwerk und dem Grad der Schichtabplatzungen um den Eindruck herum abhängen, Abbildung 2. Die Skala reicht von Klasse 0 (sehr gute Schicht-/Substrathaftung; keine Abplatzungen/Risse) bis 3 (mangelhafte Schicht- /Substrathaftung; großflächige Abplatzungen rings um den Eindruck). Nach oben genannter Richtlinie gilt eine Haftung bis Klasse 1 noch als zulässig.

14 IGF-Nr N 9 Klasse 0 Klasse 1 Klasse 2 Klasse 3 Abbildung 2: Einteilung Verbundhaftung in Haftklassen nach ISO Scratchtest (DIN EN ) zur Ermittlung der Verbundhaftung Der Ritztest (Scratchtest) ist ein Verfahren, mit dem die Verbundhaftung unter einer tangentialen Belastung untersucht werden kann. Hierzu wird ein kegelförmiger Rockwelldiamant mit einer Normalkraft belastet und über die Schicht verfahren. Mit jedem Ritz (Scratch) wird die Last inkrementell erhöht. Die so erzeugten Ritze wurden im Anschluss gemäß DIN EN unter dem Lichtmikroskop hinsichtlich der Versagenslast, bei der erste Schichtabplatzungen am Ritzrand auftreten (kritische Last L c2 ) sowie den zugrunde liegenden Versagensmechanismen untersucht. Dabei wurden die folgenden Versagensarten unterschieden, Abbildung 3: Ritzrichtung a) b) c) d) e) a) adhäsives Versagen (muschelförmig) b) kohäsives Versagen (Ausbrüche) c) Schichtabtrag d) Risse bei Überschreitung der Zugfestigkeit e) Risse durch Biegebeanspruchung Abbildung 3: Verschiedene Versagensarten nach dem Ritztest

15 IGF-Nr N Systemeigenschaften Der Schwerpunkt der Arbeiten im Rahmen des Projektes lag in der grundlegenden tribologischen Charakterisierung der Systeme unter verschiedenen Belastungskollektiven. Dafür wurden Untersuchungen im Pin-on-Disk-Tribometer (PoD), Schwing-Verschleiß- Tribometer (SVT), Impacttester und WAM-Prüfstand vorgenommen PoD-Test zur Ermittlung der tribologischen Eigenschaften unter einer kontinuierlichen Gleitbewegung Im PoD-Tribometer wurden die Werkstoffverbunde grundlegend hinsichtlich ihrer tribologischen Eigenschaften unter einer gleichförmigen, gleitenden Beanspruchung charakterisiert. Dabei rotiert eine Rundprobe unter einem fest stehenden, mit einer definierten Belastung beaufschlagten Gegenkörper (Abbildung 4). Der Fokus liegt dabei neben dem Reibverhalten auf der Analyse und der Bewertung der in Abhängigkeit der verschiedenen Belastungskollektive auftretenden Verschleißmechanismen. Diese wurden grundlegend analysiert und bewertet und im Anschluss in Wear Maps aufgetragen (ähnlich wie in Abbildung 5). Als wesentliche Parameter stehen zunächst die Normallast sowie die Gleitgeschwindigkeit im Vordergrund. Diese wurden in einem weiten Bereich variiert und im Anschluss in einer Wear Map gegeneinander aufgetragen. Fixe Parameter waren u. a. Gegenkörpermaterial (Si 3 N 4 ) sowie geometrie (Kugel, Ø 6 mm) und Umgebungstemperatur (23 C). Die Versuche wurden ohne zusätzlichen Schmierstoff durchgeführt. In Tabelle 2 ist zusammenfassend die Versuchsmatrix dargestellt, der die betrachteten Schichtsysteme unterzogen wurden. Abbildung 4: Schematische Darstellung des Pin-on-Disk-Tribometers

16 IGF-Nr N 11 Abbildung 5: Adhäsiver Verschleiß in einer PoD-Laufspur (links), Diagramm der Verschleißmechanismen für Stahl (rechts) [LIM98] Tabelle 2: Versuchsmatrix Pin-on-Disk-Tribometer Last [N] Hertzsche Pressung [MPa] Gleitgeschwindigkeit [m/s] 0,05 0,15 0,25 0,35 0, X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X Weitere Parameter: Gegenkörper: Kugel Ø 6 mm, Si 3 N 4 Testdistanz: 500 m Temperatur: 23 ± 2 C Schmierstoff: ohne Substrat: 100Cr6 Schichten: ZrC g, (Cr,Al)N, D++ (Dicronite), Balinit C (Balzers) Für die Identifizierung der Verschleißmechanismen wurden grundlegende Analyseverfahren herangezogen. Zunächst wurde der volumetrische Verschleiß der Probe und des Gegenkörpers bestimmt. Hierfür wurde ein Laserprofilometer eingesetzt, da dieses die Oberflächen berührungslos und somit ohne Einfluss auf die Prüffläche erfasst. Über den erhaltenen Messschrieb kann mit der am IOT vorhandenen Software der volumetrische Verschleiß der Probe errechnet werden. Grund- und Gegenkörper wurden zunächst lichtmikroskopisch (Keyence Digitalmikroskop VHX 100) untersucht. Danach erfolgte eine Untersuchung im Rasterelektronenmikroskop. Auf Grund der guten Tiefenschärfe und der hohen möglichen Auflösungen wurden ausgewählte Verschleißspuren hier im Detail bezüglich der auftretenden Schädigungen untersucht. Im Rahmen der rasterelektronenmikroskopischen Untersuchung wurde die energiedispersive Röntgenstrahlanalyse (EDX)

17 IGF-Nr N 12 zur Elementdetektion an der Oberfläche eingesetzt. Hierdurch kann ein Materialüber- und abtrag eindeutig festgestellt werden. Dies führt zu weiteren Aussagen, welche Verschleißmechanismen auf der beschichteten Oberfläche wirken Impact-Test zur Ermittlung der tribologischen Eigenschaften unter einer Schlagbeanspruchung Im Impact-Test wurden die Werkstoffverbunde einer schlagenden Belastung ausgesetzt. Hierbei schlägt eine Kugel mit einer konstanten Frequenz von 50 Hz und einer Kraft von bis zu 1000 N senkrecht auf den zu untersuchenden Werkstoffverbund (Abbildung 6). Im Rahmen der in diesem Projekt durchgeführten Untersuchungen wurde der Einfluss der Schlagkraft sowie der Schlagzahl auf das Verhalten des Werkstoffverbundes untersucht. Der Prüfvorgang kann sowohl trocken als auch geschmiert durchgeführt werden. Eine computergestützte Datenerfassung protokolliert den Prüfvorgang. Durch eine Variation der Anzahl an Schlägen und der Kraft erhält man bei gleichbleibendem Werkstoffsystem eine Aussage zum Verhalten des tribologischen Systems unter schlagender Belastung. Abbildung 6: Schematische Darstellung des Aufbaus (links) und Prinzipskizze des Impact- Tests (rechts) Typische Schadensbilder des Impacttests, wie sie bei beschichteten Prüfkörpern auftreten, sind Abbildung 7 dargestellt. Auch bei dieser tribologischen Prüfmethode wurde die Versuchsmatrix sehr breit angelegt, um einen großen Bereich an verschiedenen Belastungen abdecken zu können (Tabelle 3). Die Impactergebnisse wurden anhand der lichtmikroskopisch ermittelten Versagensbilder in einem Diagramm bezogen auf die Belastung und die Schlagzahl eingetragen. Anhand dieser Darstellung erhält man eine Möglichkeit, Versagensbereiche für den jeweiligen Werkstoffverbund abzuschätzen.

18 IGF-Nr N 13 a b c Abbildung 7: Unterschiedliches Versagen nach dem Impact-Test: a) Flächiges Abplatzen (adhäsives Versagen), b) abgetragene Schicht (kohäsives Versagen), c) konzentrische Risse (Dauerbruch) Tabelle 3: Versuchsmatrix Impact-Test Schlagkraft [N] Hertzsche Pressung [GPa] Schlagzahl N [x10 6 ] 0,5 1,0 1, ,0 X X X 250 5,5 X X X 500 6,9 X X X 750 7,9 X X X ,7 X X X Weitere Parameter: Gegenkörper: Gegenkörper: Kugel Ø 6 mm, Si 3 N 4 Frequenz: 50 Hz Temperatur: 23 ± 2 C Schmierstoff: ohne Substrat: 100Cr6 Schichten: ZrC g, (Cr,Al)N, D++ (Dicronite), Balinit C (Balzers) Schwingverschleißtribometer (SVT)-Tests zur Ermittlung der tribologischen Eigenschaften unter einer reversierenden Gleitbewegung Im SVT-Prüfstand (Abbildung 8) wurden die Werkstoffverbunde hinsichtlich des tribologischen Verhaltens unter einer reversierenden Gleitbewegung untersucht. Eine Rundprobe wird fest eingespannt, während der Gegenkörper über Linearmotoren in eine oszillierende Bewegung versetzt wird. Die Last wird hier über die Zustellbewegung des Antriebssystems zur Rundprobe hin aufgebracht. Die Versuchsmatrix wurde sehr breit ausgelegt, um über einen möglichst großen Parameterbereich Aussagen über das Verhalten des Tribosystems treffen zu können (Tabelle 4). Die minimale Last, die mit dem verwendeten Gerät sinnvoll eingestellt werden kann, liegt bei 20 N. Daher wurden die Versuche bei 20, 25 und 30 N durchgeführt. Aufgrund dieser hohen Lasten wurde nach Vorversuchen eine niedrige Frequenz von 1 Hz festgelegt.

19 IGF-Nr N 14 Linearmotor Antriebssystem Linearmotor Gegenkörper Probenhalter Abbildung 8: Schematische Darstellung des Schwing-Verschleiß-Tribometers Tabelle 4: Versuchsmatrix Schwingreibverschleißprüfstand Last [N] Hertzsche Pressung [GPa] Schwingungsamplitude [mm] ,08 X X X 25 2,24 X X X 30 2,38 X X X Weitere Parameter: Gegenkörper: Gegenkörper: Kugel Ø 6 mm, Si 3 N 4 Frequenz: 1 Hz Testdauer: 12 h Temperatur: 23 ± 2 C Schmierstoff: ohne Substrat: 100Cr6 Schichten: ZrC g, (Cr,Al)N, D++ (Dicronite), Balinit C (Balzers) Auch hier erfolgte im Anschluss eine grundlegende Analyse der Proben zur Bewertung des Reib- und Verschleißverhaltens. Dabei wurden die Verschleißspuren an Grund- und Gegenkörper zunächst lichtmikroskopisch hinsichtlich der Verschleißerscheinung untersucht. Mittels des Tastschnittverfahrens wurden die Verschleißspuren hinsichtlich des Verschleißprofils untersucht, um hieraus die Verschleißraten berechnen zu können WAM-Test zur Ermittlung der tribologischen Eigenschaften unter einer Wälzbeanspruchung Im WAM-Prüfstand (Abbildung 9) wurden die Werkstoffverbunde unter einer wälzenden Belastung grundlegend untersucht. Der Aufbau dieses Prüfstand ermöglicht eine definierte Rotation des kugelförmigen Gegenkörpers bei gleichzeitiger Rotation der Scheibe und somit eine realitätsnahe Abbildung des Wälzkontaktes in einem Wälzlager. Der Gegenkörper kann mit einer definierten Drehzahl und somit der Kontakt mit einem vorgegeben Schlupf beaufschlagt werden. Die Versuche wurden von der Firma Wedeven Associates Inc., Pennsylvania, USA, durchgeführt.

20 IGF-Nr N 15 Kugelantrieb Gegenkörper (rot. Kugel) Grundkörper (rot. Scheibe) Abbildung 9: WAM-Prüfstand (Wedeven Associates Inc. Machine) zur tribologischen Charakterisierung des Wälzkontaktes Die Proben wurden dort im Anschluss an die Versuche mittels Oberflächenprofilometrie sowie Lichtmikroskopie hinsichtlich des Verschleißverhaltens ausgewertet. Darüber hinaus werden während der Versuche die Reibwertverläufe aufgezeichnet. Als Definition des Geschwindigkeitsverhältnisses von Kugel zu rotierender Scheibe wurde die Slide Roll Ratio (SRR) herangezogen, Gleichung (4.1). 2 SRR = ( u1 u2 ) ( u + u ) 1 2 (4.1) Mit: SRR: Slide Roll Ratio u 1 : Umfangsgeschwindigkeit Körper 1 u 2 : Umfangsgeschwindigkeit Körper 2 Der Vorteil der Definition des Geschwindigkeitsverhältnisses von Kugel und beschichteter Scheibe über die SRR anstelle der ansonsten gebräuchlichen Schlupfdefinition liegt darin, dass das Ergebnis unabhängig von der Definition ist, welche Umfangsgeschwindigkeit welchem Körper zugeordnet ist. Die für die WAM-Tests eingestellten Parameter wurden zusammen mit dem Arbeitskreis ausgewählt und beziehen sich jeweils auf ein reales Beanspruchungskollektiv. Die Prüfmatrix ist in Tabelle 5 zusammengefasst.

21 IGF-Nr N 16 Tabelle 5: Versuchsparameter WAM-Prüfstand Rillenkugellager (kein Schlupf) Rillenkugellager (geringer Schlupf) Axialzylinderrollenlager (hoher Schlupf) Schichten ZrC g, (Cr,Al)N, D++ (Dicronite),Balinit C (Balzers) Substrat 100Cr6 (ASTM: SAE 52100) Gegenkörper (-material) Kugel (Si 3 N 4 ), Ø 20 mm, (Universalhärte 22,0 GPa) Umfangsgeschwindigkeit (Scheibe) [mm/s] 1090 Hertzsche Pressung [GPa] 1,6 1,6 SRR [-] 0 0,0182 2,0 0,1675 Schmierstoff ohne Aufgrund des auf 12 Versuche limitierten Umfanges wurde folgendes Vorgehen durchgeführt: Insgesamt wurden alle vier Schichtsysteme mit drei Parametersätzen untersucht. Zunächst wurden Vorversuche mit einer unbeschichteten Scheibe vorgenommen. 4.2 Lösungsansatz Forschungsstelle 2 (IME) Parallel zu den grundlegenden Versuchen am IOT wurden am IME Untersuchungen am tribologischen Komplettsystem Wälzlager durchgeführt. Dabei wurden Axialzylinderrollenlagerversuche durchgeführt, um das Reibungs- und Verschleißverhalten zu charakterisieren und die auftretenden Schadensmechanismen den wälzlagertypischen Beanspruchungen zuzuordnen. Zur Untersuchung der Gebrauchsdauer und der Drehzahleignung wurden Radiallagerversuche durchgeführt. Des Weiteren wurde durch Belastungstests die statische Tragfähigkeit der Beschichtungen mit der von Wälzlagern abgeglichen. Aufbauend auf den experimentellen Arbeiten wurde die Möglichkeit der Gebrauchsdauerabschätzung durch energetische Berechnungsansätze untersucht. 4.3 Wälzlageruntersuchungen Eingesetzte Wälzlager Im Vorhaben wurde die Eignung unterschiedlicher Wälzlagerbauarten für den schmiermittelfreien Betrieb untersucht. Dazu wurden Versuche mit Axial- und Radiallagern durchgeführt. Bei den Axiallagern wurde als Standard-Versuchslager das Axialzylinderrollenlager eingesetzt. Die Übertragbarkeit der Erkenntnisse auf den Punktkontakt wurde an Schrägkugellagern 7306 untersucht. Sämtliche Axiallagerversuche wurden an Wälzlagern mit beschichteten Lagerringen bzw. -scheiben aus dem Standard-Wälzlagerstahl 100Cr6 und Wälzkörpern aus Siliziumnitrid (Si 3 N 4 ) durchgeführt (Hybridlager). Als Käfigwerkstoff wurde ein, nach Angaben der Lagerhersteller, für erhöhte Temperaturen zugelassenes Polyetheretherketon (PEEK) verwendet.

22 IGF-Nr N 17 Bei den Radiallagern wurde im Antrag das Zylinderrollenlager NU206 als Standard- Versuchslager vorgesehen. Allerdings wurde in Absprache mit dem projektbegleitenden Ausschuss (PA) stattdessen das Rillenkugellager 6206 vertiefend untersucht. Die Versuche an Zylinderrollenlager NU206 wurden sowohl an Hybrid-, als auch an Stahllagern durchgeführt, wobei an den Stahllagern auch teilbeschichtete Konfigurationen (z. B. beschichtete Ringe und unbeschichtete Wälzkörper) getestet wurden. Die vertiefenden Untersuchungen an Rillenkugellagern 6206 wurden ausschließlich an Hybridlagern durchgeführt. Analog zu den Axiallagerversuchen wurden als Lagerwerkstoffe der Wälzlagerstahl 100Cr6 und die Keramik Si 3 N 4 eingesetzt. In den Zylinderrollenlagern NU206 wurde der Einfluss unterschiedlicher Käfigwerkstoffe (Polyamid, PEEK, Messing) und Geometrien (Standard-Käfig Fa. Schaeffler, Standard-Käfig Fa. SKF, Kammdeckelkäfig) untersucht. Ein weiterer Stichversuch wurde mit einem vollrolligen Zylinderrollenlager SL (firmenspezifische Bezeichnung Schaeffler KG) durchgeführt. Die PVD-beschichteten Rillenkugellager 6206 wurden ausschließlich mit Polyamid-Käfigen der Fa. GMN untersucht. Die Versuche wurden mit allen in Kapitel 5.1 vorgestellten PVD-Schichtsystemen durchgeführt. Eine Übersicht der untersuchten Lagerbauarten ist in Tabelle 6 dargestellt. Tabelle 6: Übersicht der untersuchten Lagerbauarten Lager Kontakt Werkstoff Ringe/Scheiben Wälzkörper Käfig Käfigspezifikation Linienkontakt 100Cr6 Si 3 N 4 PEEK CEROBEAR 7306 Punktkontakt 100Cr6 Si 3 N 4 PEEK CEROBEAR NU206 Linienkontakt 100Cr6 100Cr6 Polyamid FAG-Bez.: TVP2 NU206 Linienkontakt 100Cr6 100Cr6 Polyamid SKF-Bez.: P NU206 Linienkontakt 100Cr6 100Cr6 Messing FAG-Bez.: M1 NU206 Linienkontakt 100Cr6 Si 3 N 4 PEEK CEROBEAR SL Linienkontakt 100Cr6 100Cr6 vollrollig vollrollig 6206 Punktkontakt 100Cr6 Si 3 N 4 Polyamid GMN

23 IGF-Nr N FE8-Prüfstand Für die Axiallagerversuche wurde ein modifizierter FE8-Prüfstands des IME genutzt. Die FE8-Schmierstoffprüfung ist in DIN [NN05] genormt. Der Aufbau ist in Abbildung 10 dargestellt. Ölzulauf Seilscheibe Prüflager Stützlager Antriebswelle Tellerfedern Distanzscheibe Ölablauf Abbildung 10: FE8 Prüfgerät nach DIN /NN05/ Im genormten Versuchsaufbau werden zwei Axialzylinderrollenlager gegeneinander verspannt. Die Aufbringung der Last erfolgt durch ein Tellerfederpaket, welches durch die Montage unterschiedlicher Zwischenscheiben variabel vorgespannt werden kann. Der Prüfkopf ist fliegend gelagert. Durch eine Seilscheibe wird ein Drahtseil geführt, welches das Mitdrehen des Prüfkopfes verhindert. Das Ende des Drahtseils ist an einer Wägezelle befestigt, wodurch auf das im Versuch auftretende Reibmoment zurückgerechnet werden kann. Sowohl das Reibmoment als auch die Lagertemperaturen werden über die gesamte Versuchslaufzeit aufgezeichnet. Abweichend von der Norm ist der verwendete Prüfstand kleiner ausgeführt, so dass Axialzylinderrollenlager untersucht werden können. Des Weiteren wurden Ölzu- und Ölablauf nicht montiert. Die Schmierung der Stützlager wurde durch das Einbringen einer minimalen Menge Fett vor Versuchsbeginn realisiert. Ein direkter Kontakt des Fetts mit dem Versuchslager wird durch den konstruktiven Aufbau verhindert. Ebenso wie der genormte FE8-Prüfstand, kann der modifizierte Prüfkopf des IME für die Untersuchung von Schrägkugellagern umgerüstet werden. In dieser Konfiguration entfällt die Notwendigkeit der Stützlagerung Trockenlauf-Radiallagerprüfstand Im Rahmen dieses Projektes wurde am IME ein Radiallagerprüfkopf angeschafft, welcher speziell für die Untersuchung trockenlaufender Wälzlager konstruiert wurde. Abbildung 11 zeigt den konstruktiven Aufbau des Prüfkopfes. Das Prüfstandsprinzip ist an die am IME vorhandenen Radiallagerermüdungsprüfstände (RLP) angelehnt. Über ein Tellerfederpaket wird das mittig zwischen den Versuchslagern positionierte Stützlager belastet. Über die Prüfstandswelle wird die Last gleichmäßig auf beide Versuchslager verteilt und über das