Einklang Forscher enträtseln Wechselwirkung zwischen DLC und ZDDP

Das richtige Zusammenspiel von diamantartigen Schutzschichten (DLC) und typischem Schmierstoff (ZDDP) nutzt sowohl dem Verbrennungsmotor als auch Gleitlagern. Jetzt weiß man mehr darüber.

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Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik

Meist enthalten die in Lagern und Motoren genutzten Schmierstoffe das Additiv Zink-Dialkyl-Dithiophospat (ZDDP), das seinerseits Stahloberflächen gegen Verschleiß schützt. Doch es kann die diamantähnliche Kohlenstoffschicht (DLC) angreifen, die auf den Oberflächen zum Verschleißschutz appliziert ist. Das führt zum vorzeitigen Ausfall von Motor oder Lager. Forschende am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM) haben nun herausgefunden, wie diese antagonistische Wechselwirkung zwischen den beiden Stoffen entsteht. Bisher habe es nur Vermutungen gegeben. Im Journal Nature Communications erklärten sie, warum DLC-Schichten in Verbindung mit ZDDP auch zu hart sein können.

Unterschiedlich harte Schichten „unter der Lupe“

Besonders intensiv wird DLC in der Automobilindustrie genutzt, die jährlich über 100 Millionen beschichtete Teile im Wert von mehreren Millionen Euro einsetzt. Die Schichten reduzieren die Reibung und damit den Treibstoffverbrauch sowie den CO₂-Ausstoß. In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) finanzierten Projekt „Prometheus“ hat sich das IWM mit Unternehmen aus der Schmierstoffentwicklung und der Automobilindustrie zusammengeschlossen, um unter anderem die tribologischen Prozesse zwischen den DLC-Schichten und Additiven zu entschlüsseln. Dabei arbeitete das Fraunhofer IWM auch mit der École Centrale de Lyon zusammen.

In den DLC-Schichten verwendet man tetraedrisch gebundene, wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffe, sogenannte ta-Cs, erklärt Prof. Dr. Michael Moseler, Leiter der Gruppe „Multiskalenmodellierung und Tribosimulation“ am IWM. Diese gibt es in unterschiedlichen Härtegraden und dementsprechend unterscheiden sich sich in ihren mechanischen Eigenschaften. Deshalb betrachtete man in allen Experimenten und Simulationen nicht nur verschiedene Schmierstoff-Zusammensetzungen sondern auch verschiedene ta-C-Schichten.

Untypisches tribologisches Verhalten diagnostiziert

Zunächst musste das Projektteam die Reibungskoeffizienten und den Verschleiß für verschiedene ta-C-Schichten in Verbindung mit unterschiedlich zusammengesetzten Schmierstoffen ermitteln, heißt es weiter. Dies untersuchte Prof. Dr. Maria-Isabel de Barros Bouchet und ihre Mitarbeitenden am Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes (LTDS) in mehreren Versuchen. Die Daten werden erhoben, indem man einen Zylinder auf einer Platte entlang einer Strecke von 10 Millimeter hin und her bewegt. Dies untersucht man für die verschieden harten Beschichtungen jeweils mit einem Grundöl und einem ZDDP-haltigen Schmierstoff. So ließe sich der Verschleiß messen und der Reibungskoeffizient berechnen. Verwendeten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Grundöl, waren Reibung und Verschleiß wie erwartet umso kleiner je härter die DLC-Schicht war.

Bei den Versuchen, in denen dem Öl 1 Prozent ZDDP beigemischt wurden, zeigte sich ein überraschenderes Bild: Bei der vergleichsweise weichen Schicht, dem ta-C(51), bleiben Reibung und Verschleiß gering. Bei den härteren Beschichtungen ta-C(66) und ta-C(78) jedoch gehen Reibung und Verschleiß durch die Decke, betont Dr. Gianpietro Moras – Koautor und Teamleiter in Prof. Moselers Gruppe. Das sei nicht nur für die Motorenanwendung sehr kritisch, sondern auch aus tribologischer Sicht untypisch.Denn normalerweise geht man davon aus, dass mit zunehmender Härte der Verschleiß abnimmt.

Kaltverschweißung mit Schwefel ist die Antwort

Die Experten am IWM suchten natürlich den Grund für dieses Phänomen. Und zwar in den Bindungsverhältnissen der Materialien. Per Röntgen-Photoelektronenspektroskopie bewiesen sie, dass während des Reibvorgangs sowohl beim ta-C(66) als auch ta-C(78) viele Schwefel-Kohlenstoff-Verbindungen entstehen. Das ZDDP-Molekül enthält übrigens viel Schwefel, merkt Moras an. Quantenmolekulardynamik-Berechnungen offenbarten, dass das Molekül während des Reibens unter hoher Flächenpressung dissoziiert (sich also auflöst) und damit der Schwefel freigesetzt wird. Dieser gelangt in die harten Schichten, die dadurch massiv an Festigkeit verlieren.

Mit Kontaktmechanikrechnungen konnte Moselers Gruppe den Grund für die Schwefeldotierung finden: „Der lokale Druck, der entsteht, wenn zwei Oberflächen gegeneinanderstoßen, hängt maßgeblich von der Härte und Steifigkeit der Schichten ab“, so Moseler. Konkret bedeute dies, dass je steifer die Schicht sei, desto größer werde die lokale Pressung zwischen den beiden Oberflächen. Mit geringer Flächenpressung wird das ZDDP-Molekül zerrieben und bildet eine glasige Schutzschicht zwischen den beiden Reibpartnern. Dies ist der gewünschte Effekt des Schmierstoffs. Bei höherer Flächenpressung wird das Molekül auch zerrieben, aber der Druck ist dann so groß, dass die beiden Oberflächen quasi miteinander verbacken und der Schwefel in beide Flächen eingerieben wird. Diese sogenannte Kaltverschweißung schwäche die DLC-Schicht und führe zu erhöhtem Verschleiß. »Die Industrie könne also durchaus ta-C-Schichten verwenden, so die tribologische Schlussfolgerung. Doch die Schicht darf nur nicht zu weich sein, damit die Reibung nicht zunimmt. Auch zu hart ist nicht gut, weil sonst der Verschleiß zunimmt.

Wertvolles Wissen für die Antriebstechnik

Diese Erkenntnisse ist nicht nur für Verbrennungskraftmaschinen wichtig, weiß Moseler. Das Beispiel behandelte zwar einen Verbrennungsmotor, aber ZDDP wird auch in Wälzlagern eingesetzt. Deshalb gibt es viele weitere Anwendungen. Man denke an Elektroautos und Windkraftanlagen oder, in der Zukunft, vielleicht auch an den Wasserstoffmotor.

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