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Leonhard Böck

• Reibung und Verschleiß in tribologischen Kontakten verursachen knapp ein Viertel des weltweiten Primärenergiebedarfs. Dies stellt ein enormes Potential zur Minderung von Treibhausgasemissionen und Absenkung von Kosten dar. Aufgrund dessen ist die Optimierung von Reibkontakten ein Kernthema der Tribologie. Hierfür ist der Supraschmierzustand, bei welchem die Reibung aufgrund speziellerReibung und Verschleiß in tribologischen Kontakten verursachen knapp ein Viertel des weltweiten Primärenergiebedarfs. Dies stellt ein enormes Potential zur Minderung von Treibhausgasemissionen und Absenkung von Kosten dar. Aufgrund dessen ist die Optimierung von Reibkontakten ein Kernthema der Tribologie. Hierfür ist der Supraschmierzustand, bei welchem die Reibung aufgrund spezieller Schmiermechanismen annähernd vollständig verschwindet (Reibungszahl 𝜇 ⩽ 0,01), von besonderem Interesse. Die jährlich steigende Anzahl an Veröffentlichungen belegt das hohe wissenschaftliche Interesse an dem Thema. Bisher konnte Supraschmierung jedoch nur für Modellsysteme nachgewiesen werden, das Übertragen auf technische Systeme ist noch nicht gelungen. Ziele dieser Arbeit waren der Nachweis von Supraschmierung in einem punktförmigen Modellkontakt und die Überführung in den Flächenkontakt eines realen Gleitlagers durch Verwendung von technischer Keramik und/oder DLC-Beschichtungen. Hierfür wurde zunächst das Schmierverhalten einiger Modellschmierstoffe in einem Stahl/a-C:H:Si- Kontakt untersucht. Die niedrigsten Reibwerte wurden bei Verwendung von Glycerol erzielt. Daher wurde Glycerol als Modellschmierstoff für weitere tribologische Untersuchungen an unterschiedlichen Oberflächen (a-C:H, ta-C, Keramik) verwendet. Die besten Ergebnisse hinsichtlich Reibung und Verschleiß wurden mit technischer Keramik erzielt. Mit einer Stahl/Si3N4-Paarung wird bei 80 °C Supraschmierung für Gleitgeschwindigkeiten von 0,007 𝑚/𝑠 bis 0,965 𝑚/𝑠 nachgewiesen. Als kleinste Reibungszahl wird 𝜇 = 0,0015 gemessen. Die geringste Reibung in einem Stahl/DLC-Kontakt wird mit einer a-C:H:Si-Schicht erreicht. Hierbei konnte Supraschmierung bei 80 °C für Gleitgeschwindigkeiten von 0,029𝑚/𝑠 bis 0,484𝑚/𝑠 nachgewiesen werden. Die kleinste Reibungszahl für das System beträgt 𝜇 = 0,0063. Der Nachweis von Supraschmierung gelingt für anwendungsnahe Betriebsparameter, dies stellt einen Fortschritt gegenüber den meisten Literaturdaten dar. Um die Übertragbarkeit auf technische Systeme zu demonstrieren,werden die besten identifizierten Oberflächen und Schmierstoffe auf einem anwendungsnahen Gleitlagerprüfstand untersucht. Durch Verwendung von a-C:H:Si-beschichteten Wellen und Glycerol als Schmierstoff kann der Reibwert bei Raumtemperatur von 𝜇 = 0,965 im Referenzsystem auf 𝜇 = 0,038 gesenkt werden. Um die Arbeit fortzusetzen, werden die identifizierten Systeme in axiallagerähnlicher Anordnung (Gleitring/Gleitpad) untersucht. Um gezielt DLC-Schichten zu entwickeln, sind Reibungssimulationen notwendig. Im nächsten Schritt sollen umfassende Oberflächenanalysen durchgeführt werden, um die nötige Datenbasis für die Simulation zu erstellen.…
• Friction and wear in tribological contacts are the cause of almost a quarter of the world’s primary energy demand. This represents an enormous potential for reducing greenhouse gas emissions and costs. Due to this, the optimization of friction contacts is a main objective of tribological researching. Therefore, the state of superlubrication, in which the friction almost completely vanishes due toFriction and wear in tribological contacts are the cause of almost a quarter of the world’s primary energy demand. This represents an enormous potential for reducing greenhouse gas emissions and costs. Due to this, the optimization of friction contacts is a main objective of tribological researching. Therefore, the state of superlubrication, in which the friction almost completely vanishes due to special lubrication mechanisms (𝜇 ⩽ 0,01), is of special interest. The annually increasing number of publications is a sign for the high scientific interest in the topic. So far, superlubrication has only been shown on model systems, the transfer to technical systems hasn’t been succesfull yet. The objectives of this work are the verifications of superlubrication in a tribolocigal point model contact and the transfer of the results to a plain bearing geometry by using technical ceramics and/or DLC-coatings. Therefore, the lubrication charasteristics of model lubricants are beeing examined. The best results are achieved using glycerol. Consequently, glycerol is beeing used as a model lubricant for further examinations on different surfaces (a-C:H, ta-C, ceramics). The best results in terms of friction and wear were achieved by using technical ceramics. On a Si3N4/steel pairing, superlubricity was demonstrated at 80 °C for sliding velocities in a range of 0,007 𝑚/𝑠 up to 0,965 𝑚/𝑠. The smallest friction coefficient measured was 𝜇 = 0,0015. the lowest friction in a steel/DLC contact is achieved with an a-C:H:Si-coating. Superlubricity was demonstrated at 80 °C for sliding velocities from 0,029𝑚/𝑠 to 0,484𝑚/𝑠. The smallest friction coefficient measured is 𝜇 = 0,0063. Superlubricity was successfully demonstrated for application-related operating parameters, which represents an advance over most literature data. In order to demonstrate the transferability to technical systems, the best identified surfaces and lubricants are investigated on a near-application plain bearing test rig. The coefficient of friction at room temperature can be reduced from 𝜇 = 0,1 in the reference system to 𝜇 = 0,0038 by using a-C:H:Si coatings and glycerol. For the next steps, the identified systems will be investigated in a thrust bearing-like test rig (sliding ring/sliding pad) Friction simulations are necessary in order to develop optimized DLC coatings. In the next step, comprehensive surface analyses will be carried out to create the necessary database for the simulation.…