Festkörperschmierstoff Warum Wälzlager auch mit Graphit geschmiert werden können

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Bisher wurden die Schmierungseffekte von Graphit nur bedingt verstanden. Forschende des Fraunhofer IWM und des KIT haben nun das gängige Reibungsmodell zur Erklärung der Wirkungsweise erweitert und sehen den Einsatz der Graphitschmierung auch bei hohen Anpressdrücken gegeben.

Viele Getriebe, Lager und Ketten werden mittels Öl geschmiert, damit Reibung und Verschleiß möglichst gering sind. Bei harschen Umgebungsbedingungen und hohen Temperaturen werden Festschmierstoffe eingesetzt. Dabei handelt sich um Reibvorgänge, bei denen bislang nur niedrige Anpressdrücke herrschten. Doch wie verhält sich die Graphitschmierung bei hohen Anpressdrücken von mehreren Gigapascal, wie sie etwa im Wälzlager auftreten? Diese Frage stellten sich Forschende des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg gemeinsam mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) in Karlsruhe.

Zudem untersuchten sie, welche Rolle die Luftfeuchtigkeit bei der Graphitschmierung spielt: Denn bei zu geringer Luftfeuchte funktioniert die Schmierung nicht, stattdessen kommt es zu einer Kaltverschweißung der beiden Reibpartner. Das physikalische Adsorptionsmodell von Savage lieferte bislang eine grobe Erklärung – ihm zufolge wird die oberste Graphitlage mit Wasser gesättigt und somit passiviert. Der eigentlich reaktionsfreudige Graphit wird reaktionsträge.

Strukturänderung des Graphits festgestellt

Nach Angaben des KIT wurde das Adsorptionsmodell von Savage vor allem unter sehr niedrigen Flächenpressungen getestet. Deshalb haben die Forschenden nun Experimente bei sehr hohen als auch bei sehr niedrigen Flächenpressungen durchgeführt. Das heißt, die Graphitschichten auf den Reibpartnern wurden verschiedenen Drücken ausgesetzt und als Querschnitt unter dem Transmissionsmikroskop untersucht. Das Ergebnis: Bevor die Schichten dem Druck der Reibung ausgesetzt werden, sind lange Lamellen in der Graphitschicht erkennbar. Nach der Druckbeaufschlagung und dem Gleiten sind diese verschwunden, stattdessen ist eine Art Verwirbelung von Graphit zu erkennen. Laut KIT tritt durch die Scherung im Reibkontakt eine Strukturänderung vom polykristallinen System hin zu turbostratischem Kohlenstoff auf, die bisher noch in keinem Modell berücksichtigt wurde.

Quantenchemische Simulation bestätigt die Beobachtung

Die Forschenden am Fraunhofer IWM erhärteten diese Beobachtung durch quantenchemische Simulationen: Auch hier verändern sich die Graphitkristalle unter Druck und bilden gebogene Ketten. Wie vom Savage-Modell vorhergesagt, werden die obersten Schichten mit Wasser abgesättigt. Hier fehlt laut Fraunhofer IWM jedoch die Umordnung im Graphit. Es ist nicht mehr Graphit, der auf Graphit reibt, sondern turbostratischer Kohlenstoff reibt über turbostratischen Kohlenstoff. Selbst bei niedrigen Drücken bilde sich diese turbostratische Schicht: Je mehr Druck, desto mehr Graphit wandelt sich um – und desto dicker wird die verwirbelte Schicht. Somit konnte das gängige Modell der Graphitschmierung erweitert werden. Die Ergebnisse veröffentlichte das Team kürzlich im Journal Nature Communications.

Druckabhängige Umordnung im Graphit lässt Wälzlagerschmierung zu

Da die Umordnung im Graphit sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Drücken stattfindet, lässt sich die Graphitschmierung beispielsweise auch im Axiallager einsetzen. Wie das genau aussehen kann, wollen die Forschenden in einem Folgeprojekt untersuchen. An dessen Ende soll ein graphitgeschmiertes Axialwälzlager stehen.

Zur Originalpublikation in Nature Communications

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