Umweltverträgliche Tribosysteme

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3 Umweltverträgliche Tribosysteme

4 Hubertus Murrenhoff Herausgeber Umweltverträgliche Tribosysteme Die Vision einer umweltfreundlichen Werkzeugmaschine 1 3

5 Herausgeber Hubertus Murrenhoff RWTH Aachen Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen Steinbachstr. 53, Aachen Deutschland Der Sonderforschungsbereich 442 (SFB 442) wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. ISBN e-isbn DOI / Springer Heidelberg Dordrecht London New York Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Einbandentwurf: WMXDesign GmbH, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier Springer ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (

6 Vorwort Etwa Mitte der Neunziger Jahre hat sich eine Gruppe von Wissenschaftlern zusammen gefunden, die von der Idee besessen waren, neue Schmierstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen zu entwickeln. Es wurde die Vision geboren, dass es möglich sein müsste, einfache synthetische Ester zu erforschen, die in dreifacher Hinsicht für die Gesellschaft von großer Bedeutung sind. Erstens sollen sie dem Prinzip der Nachhaltigkeit Rechnung tragen und aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt werden, zweitens sollen sie schnell abbaubar sein, wenn sie in die Umwelt gelangen und drittens sollen sie auf den Menschen und die Tierwelt nicht toxisch wirken. Mit dieser Vision vor Augen ergab sich eine Aufgabenstellung für die Entwicklung neuer Materialverbundwerkstoffe. Die Entwicklung von PVD-Schichten (Physical Vapour Deposition) steckte in den Anfängen und durch intensive Diskussionen mit Materialwissenschaftlern wurde eine Aufgabe formuliert, die darin bestand, Eigenschaften direkt in die Schicht zu legen, die bei konventionellen Tribosystemen durch oberflächenwirksame Additive im Schmierstoff erlangt werden. Ohne vorab in die inhaltliche Diskussion starten zu wollen, soll hier verdeutlicht werden, dass die hieraus abgeleitete wissenschaftliche Aufgabenstellung nur interdisziplinär lösbar war. So fand sich eine Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus den Bereichen der Naturwissenschaften, der Umweltmedizin, der Werkstoffwissenschaften und des Maschinenbaus an der RWTH Aachen University zusammen und konnte nach unzähligen Diskussionen, aber auch kreativen Konzepterstellungen diese Idee voranbringen und der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) einen Antrag vorlegen, der Mitte 1997 zur Einrichtung des Sonderforschungsbereiches (SFB) 442 an der RWTH Aachen University führte. Die Förderung der sehr erfolgreichen Forschungsarbeiten erstreckte sich über 12,5 Jahre bis Ende Dieser Forschungsarbeit und den erarbeiteten Ergebnissen ist das vorliegende Werk gewidmet. Die gesamte Autorenschaft bedankt sich bei der DFG, den Verantwortlichen für die Fördergruppe sowie den fachlich und administrativ Tätigen, die den SFB durch außerordentlichen Einsatz gestützt haben. Der Dank richtet sich ganz besonders an alle, die dieses Förderinstrument stützen und den Universitäten in Deutschland ein solch einzigartiges Instrument zugänglich machen. An dieser Stelle kann nur nochmals hervorgehoben werden, dass eine v

7 vi Vorwort langfristig interdisziplinär angelegte Forschung erst durch das Förderinstrument der Sonderforschungsbereiche möglich wird. Es wird in einzigartiger Weise eine Strukturbildung möglich, was in diesem SFB zu vier direkten und einer indirekten Berufung geführt hat, wovon eine Professorin und zwei Professoren an die RWTH berufen wurden. Es konnten 42 Promotionsvorhaben abgeschlossen werden und 12 weitere sind in Arbeit. Über 500 Publikationen sorgen für die Verbreitung der Erkenntnisse in die Wissenschaftswelt und Technologietransferprojekte sind in Arbeit. Auf die Ergebnisse aufbauende Verbundprojekte befinden sich in der Planung. Diese Früchte wären nicht möglich, wenn nicht ein großer Support von ehrenamtlich tätigen Gutachterinnen und Gutachtern den SFB gestützt und begleitet hätte. So hat die Gutachtergruppe die Arbeiten mit Begeisterung und durch konstruktive Kritik mitgetragen und so ganz entscheidend zum Erfolg beigesteuert. Es ergeht daher ein ganz besonderer Dank an diese Gruppe, die zum Teil durch außerordentlichen Einsatz die Termine wahrgenommen und in dieser Zeit eigene Interessen zurückgestellt hat. Schließlich sei abschließend den Professorinnen und Professoren sowie allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern im SFB gedankt, die mit ihrer exzellenten Forschungsarbeit die Chance der Förderung genutzt haben und sich anhand der Forschungsarbeiten höher qualifizieren konnten. Sie machen so zum einen den Wissenschaftsstandort Deutschland attraktiver und zum anderen sorgen sie mit ihren verantwortlichen Tätigkeiten in Wissenschaft und Industrie für die Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit unseres Landes. Aachen, im Juli 2010 Hubertus Murrenhoff

8 Inhalt 1 Einleitung Vision einer effizienten und umweltverträglichen Werkzeugmaschine Vom Modell zum System Einflüsse der Gesetzgebung auf die technologischen Entwicklungen Exemplarische Ergebnisse der Forschungsarbeiten... 6 Quellenverzeichnis Aufbau und Belastung tribologischer Systeme Tribologische Grundlagen Tribosysteme in der Werkzeugmaschine Getriebe Linearführungen Kugelgewindetrieb Wälzlager Hydraulische Verdrängereinheit Zerspanung Kaltumformung Konventionelle Tribosysteme und der Ansatz des SFB Quellenverzeichnis Entwicklung umweltverträglicher Schmierstoffe Schmierstoffsynthese Grundgedanke der aktuellen Diskussion um die Entwicklung biogener Schmierfluide Die verwendeten Edukte Mögliche Reaktionen von Oleochemikalien Selektion von Reaktionssystem und Katalysatoren Prozessbegleitende Analytik Prozessoptimierung und Scale-Up vii

9 viii Inhalt Ökobilanzanalyse der synthetisierten Schmierstoffe Neue Verfahrensweisen zur Oxidation und weiteren Funktionalisierung von Oleochemikalien in überkritischem Kohlendioxid Zusammenfassung und Fazit Synthesebegleitende ökotoxikologische und toxikologische Risikobewertung Biologische Testverfahren Chemische Analytik Untersuchungen zur synthesebegleitenden Prozessoptimierung Zusammenfassende Bewertung der entwickelten Schmierstoffe Quellenverzeichnis Entwicklung neuer PVD-Beschichtungen Einleitung Methodik der Schichtentwicklung Anforderungen an die Entwicklung von Dünnschichtsystemen für Bauteile Anforderungen an die Entwicklung von Dünnschichtsystemen für Werkzeuge Grundlagen der PVD-Technologie Entwicklungen in der PVD-Technologie Grundlagen der PVD-Technologie Prüfverfahren Schichteigenschaften Verbundeigenschaften Systemeigenschaften Anwendungsnahe Prüfung Plasmadiagnostik PVD-Schichten für umweltfreundliche Tribosysteme Gradiertes Zirkoniumkarbid ZrC g Das Niedertemperaturschichtsystem CrAlN (Ti,Al)N und (Ti,Al)N/Al 2 O 3 für Zerspanaufgaben Das Hochtemperaturschichtsystem TiHfCrN Zusammenfassung und Fazit Literaturverzeichnis Grundlagenuntersuchungen Grundlagenuntersuchungen für den schmierstoffoptimierten Betrieb Gebrauchsbedingte Veränderungen der Schmierstoffeigenschaften und Bewertung der Umweltverträglichkeit

10 Inhalt ix Veränderung der rheologischen Eigenschaften Toxikologische und ökotoxikologische Charakterisierung Quellenverzeichnis Bauteiluntersuchungen Umweltverträgliche Tribosysteme in Getrieben Tragfähigkeitsuntersuchungen Grundlagenuntersuchungen Theoretische Arbeiten Wälzlager, Linearführungen und Kugelgewindetriebe für den schmierstoffoptimierten Betrieb Spindellageruntersuchungen Tribometerversuche Theoretische Untersuchungen der Lastbedingungen und Schichthaftung Analyse der Betriebseigenschaften beschichteter Spindellager Linearführungs- und Kugelgewindetriebsuntersuchungen Untersuchung von Linearführungssystemen Untersuchung von Kugelgewindetrieben Tribologische Untersuchungen an beschichteten Wälzlagern unter Berücksichtigung der Schmierfilmeigenschaften Verschleißkritische Untersuchungen Ermüdungskritische Untersuchungen Einfluss der Schichtstruktur auf die Wirkungsweise der PVD-Beschichtungen im Wälzlagereinsatz Einfluss von Partikeln auf den Wälzlagerbetrieb Riffelbildungsuntersuchungen Schmierfilmbildung umweltverträglicher Ester Reibwertuntersuchungen Zusammenfassung und Ausblick Hydraulische Verdrängereinheit Aufbau der Versuchspumpe Tribosystem Kolben/Buchse Optimierung des Tribosystems Kolben/Buchse Prüfstandsversuche des Tribosystems Kolben/Buchse Zusammenfassung Umweltverträgliche Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide Einleitung Esteröle als Kühlschmierstoffe in der Zerspantechnik Hochleistungs-PVD-Schichtsysteme für das Bohren, Drehen und Fräsen

11 x Inhalt Untersuchungen zu den Ursachen, die zur Entschichtung beschichteter Werkzeuge führen Analyse des Verschleißverhaltens nanostrukturierter Hartstoffschichten auf PCBN-Werkzeugen Zusammenfassung und Fazit Umweltfreundliche Tribosysteme in der Umformtechnik Einleitung Vorstellung der Ergebnisse Erforschung umweltverträglicher Additive für Umformschmierstoffe Zusammenfassung und Fazit Quellenverzeichnis Untersuchung komplexer Baugruppen einer Werkzeugmaschine Prozesskette Schmierstoffsynthese Rückkopplungsoptimierung der Schmierstoffsynthese Zusammenfassung Alterungsprüfstand Zielsetzung und Versuchsträger Prüfstandsaufbau und Vorgehen Vorversuche Versuchsergebnisse Ökotoxikologische Charakterisierung der gebrauchsbedingten Veränderungen der Schmierstoffeigenschaften Wälzlagereinsatz in einer Axialkolbenpumpe Zusammenfassung und Fazit Prozesskette Getriebe Tragfähigkeitsuntersuchungen an einem Industriegetriebe Effizienzuntersuchungen am Getriebe Untersuchung des neuartigen Getriebe-Esters HISM/HIGTS Abbildung einer umweltverträglichen Prozesskette zur Fertigung von Zahnrädern Aufbau und Arbeitspakete der Prozesskette Tribologische Untersuchungen beim Feinschneiden der Zahnradrohlinge Spanende Bearbeitung feingeschnittener Zahnräder Ökotoxikologische Charakterisierung der gebrauchsbedingten Veränderungen der Schmierstoffeigenschaften Zusammenfassung und Fazit Zusammenführung der erarbeiteten SFB-Ergebnisse in einem Bearbeitungszentrum

12 Inhalt xi Vorschubantriebssysteme Hauptspindelsysteme Bohren und Fräsen unter Einsatz von Esteröl als Kühlschmierstoff auf einem Bearbeitungszentrum Ökotoxikologische Charakterisierung der gebrauchsbedingten Veränderungen der Schmierstoffeigenschaften Zusammenfassung und Fazit Quellenverzeichnis Erfassung tribologischer Zusammenhänge und Erkenntnisse in einer Datenbank Quellenverzeichnis Fazit Sachverzeichnis

13 Autorenverzeichnis Dr.-Ing. Nazlim Bagcivan Institut für Oberflächentechnik (IOT) der RWTH Aachen, Augustinerbach 4-22, Aachen, Deutschland, Dipl.-Ing. Alexander Bagh Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen, Manfred-Weck-Haus, Steinbachstraße 19, Aachen, Deutschland, wzl.rwth-aachen.de Prof. Dr.-Ing. Kirsten Bobzin Institut für Oberflächentechnik der RWTH Aachen, Kackertstraße 15, Aachen, Deutschland, Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen, Steinbachstraße 19, Aachen, Deutschland, wzl.rwth-aachen.de Dipl.-Biol. Jana Bressling Institut für Hygiene und Umweltmedizin (IHU) der RWTH Aachen, Pauwelsstraße 30, Aachen, Deutschland, rwth-aachen.de Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Dott Institut für Hygiene und Umweltmedizin (IHU) der RWTH Aachen, Pauwelsstraße 30, Aachen, Deutschland, Dipl.-Ing. Claus Enekes Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen (IFAS) der RWTH Aachen, Steinbachstraße 53, Aachen, Deutschland, claus. Dipl.-Ing. Mara Ewering Institut für Oberflächentechnik (IOT) der RWTH Aachen, Augustinerbach 4-22, Aachen, Deutschland, Astrid Froede Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung (IME) der RWTH Aachen, Schinkelstraße 10, Aachen, Deutschland, rwth-aachen.de Dipl.-Ing. Gero Gerlach Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen, Steinbachstraße 19, Aachen, Deutschland, xiii

14 xiv Autorenverzeichnis Dr.-Ing. Klaus Gerschwiler Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen, Steinbachstraße 19, Aachen, Deutschland, rwth-aachen.de Dipl.-Ing. Nico Andreas Goebbels Institut für Oberflächentechnik (IOT) der RWTH Aachen, Augustinerbach 4-22, Aachen, Deutschland, rwth-aachen.de Univ.-Prof. Dr.-Ing. Peter Werner Gold Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung (IME) der RWTH Aachen, Schinkelstraße 10, Aachen, Deutschland, Dipl.-Ing. Christof Gorgels Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen, Steinbachstraße 19, Aachen, Deutschland, Dr. rer. nat. Lasse Greiner Institut für Technische und Makromolekulare Chemie der RWTH Aachen, Worringerweg 1, Aachen, Deutschland, itmc.rwth-aachen.de Univ.-Prof. Dr.-Ing. Georg Jacobs Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung (IME) der RWTH Aachen, Schinkelstraße 10, Aachen, Deutschland, Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Dr. h. c. Fritz Klocke Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen, Steinbachstraße 19, Aachen, Deutschland, Dipl.-Chem. Marko Küppers Institut für Technische und Makromolekulare Chemie (ITMC) der RWTH Aachen, Worringerweg 1, Aachen, Deutschland, Dipl.-Ing. Savas Kurutas Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung (IME) der RWTH Aachen, Schinkelstraße 10, Aachen, Deutschland, Dipl.-Chem. Jens Langanke Institut für Technische und Makromolekulare Chemie (ITMC) der RWTH Aachen, Worringerweg 1, Aachen, Deutschland, Prof. Dr. rer. nat. Walter Leitner Institut für Technische und Makromolekulare Chemie (ITMC) der RWTH Aachen, Worringerweg 1, Aachen, Deutschland, Prof. Dr. Marcel Liauw Institut für Technische und Makromolekulare Chemie (ITMC) der RWTH Aachen, Worringerweg 1, Aachen, Deutschland, Dr.-Ing. Jörg Loos vormals Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung (IME) der RWTH Aachen, Schinkelstraße 10, Aachen, Deutschland; jetzt: Schaeffler KG, Industriestraße 1-3, Herzogenaurach, schaeffler.com

15 Autorenverzeichnis xv Dipl.-Ing. Dieter Lung Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen, Steinbachstraße 19, Aachen, Deutschland, Dipl.-Ing. Patrick Mattfeld Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen, Steinbachstraße 19, Aachen, Deutschland, Dipl. LM-Chem. Sabrina Michael Institut für Hygiene und Umweltmedizin (IHU) der RWTH Aachen, Pauwelsstraße 30, Aachen, Deutschland, sabrina. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Hubertus Murrenhoff Institut für Fluidtechnische Antriebe und Steuerungen (IFAS) der RWTH Aachen, Steinbachstraße 53, Aachen, Deutschland, Dipl.-Ing. Michael Plogmann Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung (IME) der RWTH Aachen, Schinkelstraße 10, Aachen, Deutschland, Dr.-Ing. Volker Rombach Institut für Maschinenelemente und Maschinengestaltung (IME) der RWTH Aachen, Schinkelstraße 10, Aachen, Deutschland, Dipl.-Ing. Jan Schumacher Institut für Fluidtechnische Antriebe und Steuerungen (IFAS) der RWTH Aachen, Steinbachstraße 53, Aachen, Deutschland, Dipl.-Ing. Carsten Warnke Institut für Oberflächentechnik (IOT) der RWTH Aachen, Augustinerbach 4-22, Aachen, Deutschland, Dipl.-Ing. Raphael Weiß Institut für Oberflächentechnik (IOT) der RWTH Aachen, Augustinerbach 4-22, Aachen, Deutschland, Dipl.-Ing. Türker Yagmur Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen, Steinbachstraße 19, Aachen, Deutschland,