Einleitung Klassischerweise werden Maschinenelemente wie Wälzlager mit einem mineralölbasierenden Schmierstoff betrieben. Diese Standardöle oder fette können jedoch in besonderen Fällen aus physikalischen Gründen oder aufgrund spezieller Restriktionen nicht eingesetzt werden. Bei extremen Umgebungsbedingungen, wie sehr niedrige oder hohe Temperaturen, Strahlung oder Vakuum können diese Schmierstoffe sich beispielsweise ver- Aus Wissenschaft und Forschung 33 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 6/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0030 Untersuchungen an a-C: H: Mebeschichteten Rillenkugellagern unter Trockenlaufbedingungen Julia Kröner, Stephan Tremmel, Sandro Wartzack* Unter extremen Umgebungsbedingungen oder bedingt durch Restriktionen können öl- oder fettgeschmierte Standardwälzlager nur beschränkt oder nicht eingesetzt werden. Bisherige Lösungen sind durch die eingesetzten Sonderwerkstoffe oder -schmierstoffe kostspielig oder besitzen nur eine sehr eingeschränkte Gebrauchsdauer. Der hier vorgestellte, alternative Ansatz sieht die Verwendung kostengünstiger Standardwälzlager vor, welche mit einer reibungs- und verschleißmindernden Schicht auf einzelnen Komponenten des Wälzlagers modifiziert wurden. Geprüft werden Radial-Rillenkugellager des Typs 6206 in Gebrauchsdauerversuchen auf einem Vier-Lager-Prüfstand. Alle untersuchten Schichtsysteme werden in der Literatur für Anwendung unter Trockenlaufbedingungen und Normalatmosphäre als grundsätzlich geeignet beschrieben: Graphit, titandotiertes Molybdändisulfid (MoS 2 : Ti), eine modifizierte (a-C: H: X) sowie eine metallhaltige wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht (a-C: H: Me). Dabei wurden die unterschiedlichen Schichtsysteme auf den Laufbahnen des Wälzlagers mittels PVD- oder PACVD-Prozessen appliziert und sowohl mit Stahlals auch Keramikkugeln getestet. Die Ergebnisse dieser Versuche in Bezug auf Gebrauchsdauer, tribologisches Verhalten sowie insbesondere die Wiederholbarkeit der Ergebnisse werden in diesem Beitrag vorgestellt. Schlüsselwörter Trockenlauf, Rillenkugellager, PVD-Beschichtung, amorphe Kohlenstoffschicht, Bauteiltest, Vier-Lager- Prüfstand, Gebrauchsdauer Under extreme environmental conditions or due to restrictions oilor grease-lubricated standard rolling bearings can only be used to a limited extent or not at all. Existing solutions are expensive due to the special materials or lubricants used or have only a very limited service life. The alternative approach presented here involves the use of cost-effective standard rolling bearings, which have been modified with a friction and wear-reducing coating on individual components of the rolling bearing. Radial deep groove ball bearings of type 6206 are tested in operating life tests on a four bearing test rig. All investigated coating systems are described in the literature as basically usable under dry running conditions and normal atmosphere: Graphite, titanated molybdenum disulfide (MoS 2 : Ti), a modified (a-C: H: X) and a metal-containing hydrogen-containing amorphous carbon coating (a-C: H: Me). The different coating systems were applied to the raceways of the rolling bearing using PVD or PACVD processes and tested with both steel and ceramic balls. The results of these experiments in terms of operating life, tribological behaviour and, in particular, the repeatability of the results will be presented in this paper. Keywords Dry running, deep groove ball bearings, PVD coating, amorphous carbon coating, component test, four bearing test rig, operating life Kurzfassung Abstract *Julia Kröner, M.Sc. Dr.-Ing. Stephan Tremmel Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0003-1644-563X Prof. Dr.-Ing. Sandro Wartzack Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0002-0244-5033 Lehrstuhl für Konstruktionstechnik Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) 91058 Erlangen * Name TuS_6_2019.qxp_T+S_2018 28.11.19 14: 53 Seite 33 zurückgegriffen werden kann, ohne dass Sonderkonstruktionen mit angepassten Geometrien benötigt werden. Ziel dieser Arbeit ist es, eine geeignete Kombination aus einem Schichtsystem mit einem passenden Gegenkörper zu finden, die niedrige Reibung, hohe Verschleißbeständigkeit und somit eine hohe Gebrauchsdauer für trockenlaufende Radial-Wälzlager ermöglicht. Hierfür werden vier verschiedene Schichtsysteme mit zwei unterschiedlichen Gegenkörpermaterialien in realitätsnahen Bauteilversuchen untersucht. Analysiert werden das Reibungsverhalten, der Verschleiß und die erzielten Versuchsdauern sowie die Reproduzierbarkeit der Versuchsergebnisse. Materialien und Methoden Die experimentellen Untersuchungen wurden als Bauteilversuche auf einem Vier-Lager-Prüfstand durchgeführt. Dessen Aufbau sowie die Modifikation, um den Einfluss der Umgebung zu minimieren und konstante Versuchsbedingungen zu ermöglichen, findet sich detailliert beschrieben in [8]. Die vier Prüflager befinden sich hierbei symmetrisch angeordnet auf einer durchgehenden Welle und werden mit der gleichen radialen Last F r beaufschlagt. Auf den äußeren beiden Lagersitzen werden jeweils die beschichteten Prüflager und in der Mitte baugleiche, abgedichtete und gefettete Stützlager montiert. Über eine im Antriebsstrang der Prüflagerung verbaute Drehmomentmesswelle, kann das Summenreibungsmoment M R aller vier Wälzlager direkt gemessen und überwacht werden. Die Versuche werden als Sudden-Death-Lebensdauerversuche mit Zeitlimit durchgeführt, wobei das Überschreiten eines Grenzreibungsmoments von M R = 0,5 Nm als Abschaltkriterium dient. Der Anstieg im Reibungsmomentverlauf deutet auf das Versagen und somit auf den Schichtverschleiß mindestens eines Lagers hin. Als zweites Abschaltkriterium ist eine maximale Laufzeit von t = 168 h definiert. Die untersuchten Wälzlager sind Rillenkugellager vom Typ 6206 (Bohrungsdurchmesser d = 30 mm). Als Belastungskollektiv wird eine Innenringdrehzahl von n = 250 min -1 am Prüfstand eingestellt sowie eine Radialkraft von ca. F r = 1,7 kN pro Lager aufgebracht. Somit ergibt sich für den Drehzahlkennwert n ∙ d m = 11.500 min -1 ∙ mm. Da als Gegenkörper zwei unterschiedliche Materialen eingesetzt werden, Kugeln aus gehärtetem Stahl (100Cr6, 740 HV10) sowie aus Siliziumnitrid (Si 3 N 4 ), liegt die maximale Pressung im Ring-Kugel-Kontakt bei ca. 2,3 beziehungsweise 2,5 GPa. Die Ringe sind bei allen Versuchen aus 100Cr6 (gehärtet, 62 HRC). In einer ersten Screening-Versuchsreihe werden vier unterschiedliche Schichtsysteme auf den Laufbahnen der Innen- und Außenringe mittels PVD- Aus Wissenschaft und Forschung 34 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 6/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0030 festigen, verdampfen oder ausgasen, wodurch ihre Funktion nicht mehr gegeben ist. In der Lebensmittel-, Textil- oder Papierindustrie, in Reinräumen oder in der Medizintechnik sind zum Beispiel aseptische Anforderungen einzuhalten oder eine Kontamination der Produkte mit dem Schmierstoff zu vermeiden. Durch die Reduzierung oder den gänzlichen Wegfall des Schmierstoffes entfallen ebenfalls dessen Hauptfunktionen - Reibungsreduzierung und Verschleißschutz - wie auch weitere positive Eigenschaften, so dass ein frühzeitiger Ausfall des Lagers begünstigt wird. Insbesondere für Weltraumanwendungen mit dem dort vorhandenen Vakuum ist bereits seit den 1960er Jahren viel Forschung zu Schmierstoffalternativen betrieben worden, allen voran durch die NASA. Hierbei wurde der Festschmierstoff Molybdändisulfid (MoS 2 ) eingesetzt und weiterentwickelt. Beginnend mit MoS 2 - Gleitlacken [1], wurden bereits Ende der 1960er Jahre dünne Schichten mittels PVD-Verfahren (PVD = physical vapor deposition) abgeschieden [2]. Aufgrund von Oxidation unter Normalatmosphäre und einem daraus folgenden Anstieg der Reibung und des Verschleißes sind MoS 2 -Schichten allerdings vorzugsweise für Vakuum-Anwendungen geeignet. Daher haben sich weitere Forschungsarbeiten entwickelt, die sich mit der Verbesserung von MoS 2 -Schichten unter terrestrischen Bedingungen befassen. Mit Fokus auf Wälzkontakte finden sich insbesondere zwei Ansätze: Anpassen der Mikrostruktur oder Dotierung mit Fremdelementen. V IERNEUSE L hat sich dabei reinen, gesputterten MoS 2 -Schichten gewidmet, die er durch gezielte Änderungen der Beschichtungsparameter und somit der Einstellung von gewünschten Eigenschaften für den Einsatz bei Luftfeuchte optimiert hat [3]. Den zweiten Ansatz verfolgt beispielsweise S INGH durch die Dotierung der MoS 2 -Schicht mit einem metallischen Element, wobei er sich in seinen Arbeiten auf Titan konzentriert hat [4]. Einen weiteren klassischen Festschmierstoff mit Schichtgitterstruktur stellt Graphit dar, der seine guten Reibungseigenschaften ebenfalls durch das Abgleiten der Basisflächen seines hexagonalen Gitters erhält. Im Gegensatz zu Molybdändisulfid werden die niedrigsten Reibungszahlen unter Normalatmosphäre erzielt, da hier die Interkalation von Fremdatomen oder Wassermolekülen die Scherkräfte zwischen den Gleitflächen herabsetzt [5]. Neben reinen Festschmierstoffen wurden auch mit amorphen Kohlenstoffschichten unter Trockenlaufbedingungen positive Ergebnisse erzielt [6]. Im Allgemeinen weisen diese Schichtsysteme ein sehr gutes tribologisches Verhalten auf, was sich in sehr geringen Reibungszahlen und einer hohen Verschleißbeständigkeit äußert [7]. Darüber hinaus liegen die typischen Schichtdicken im Bereich von 1 bis maximal 5 µm [7], wodurch bei der Beschichtung von Wälzlagern auf Standardkomponenten TuS_6_2019.qxp_T+S_2018 28.11.19 14: 53 Seite 34 bzw. PACVD-Verfahren (PACVD = plasma assisted chemical vapour deposition) appliziert:  Graphit  Molybdändisulfid mit Titandotierung (MoS 2 : Ti)  Modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht (a-C: H: X)  Metallhaltige wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht (a-C: H: Me) Wie bereits vorstehend beschrieben, sind diese Schichtsysteme prinzipiell alle für die Anwendung unter Trockenlaufbedingung und Normalatmosphäre sowie Raumtemperatur geeignet. Als Käfig wird ein hitzestabiler, glasfaserverstärkter Polyamid-Schnappkäfig (PA 66 H) eingesetzt, der unter Montageaspekten und tribologischen Aspekten ausgewählt wurde. Nach Durchführung der ersten Versuche zeigte die a-C: H: Me-Schicht in Kombination mit Keramikkugeln sehr gute Ergebnisse in Bezug auf die Gebrauchsdauer, woraufhin diese für weitere Versuche auch auf den Stahlkugeln abgeschieden wurde. Diese beschichteten Kugeln wurden zum einen gegen unbeschichtete Ringe und zum anderen im Selbstkontakt mit a-C: H: Me-beschichteten Ringen getestet. Die sich ergebenden Beschichtungs-Kugel-Kombinationen sind in Bild 1 dargestellt. In Tabelle 1 sind wesentliche Eigenschaften der vier Schichtsysteme aufgeführt. Die Charakterisierung erfolgte auf flachen Probekörpern, die in jeder Charge mit beschichtet wurden. Die Werte entsprechen für jedes Schichtsystem jeweils Mittelwerten aus mehreren Messungen auf einem Probekörper. Die Schichtdicke wurde mittels Kalottenschleifverfahren nach DIN EN ISO 26423: 2016-11, die Haftung durch Rockwell-Eindringprüfung nach DIN 4856, die Rauheit über das Tastschnittverfahren nach DIN EN ISO 4288: 1998-04 und die Mikrohärte durch instrumentierte Eindringprüfung nach DIN EN ISO 14577 4: 2017-04 ermittelt. Die Werte für die Schichtdicke liegen bei allen Schichtsystemen unterhalb von 2 µm, wobei die Graphitschicht am dünnsten ist und die MoS 2 : Ti-Schicht den größten Wert aufweist. Die Haftung ist bei den kohlenstoffbasierten Schichten sehr gut mit HF1 und lediglich leichten Rissen um den Eindruck. DIN 4856 regelt den Anwendungsbereich für Kohlenstoffschichten und andere Hartstoffschichten, Festschmierstoffschichten liegen außerhalb dieses Bereichs. Eine Bewertung der MoS 2 : Ti-Schicht nach dieser Norm würde zu einem Wert von HF6 führen, somit wäre sie bezüglich der Zuverlässigkeit der Haftung in der Anwendung nicht zu empfehlen. Bei der Mikrohärte zeigt sich, dass die zwei amorphen Kohlenstoffschichten gegenüber den Festschmierstoffen hohe Werte aufweisen, wobei die nichtmetallmodifizierte Kohlenstoffschicht am härtesten ist. Aus Wissenschaft und Forschung 35 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 6/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0030 Bild 1: Getestete Kombinationen der (beschichteten) Ringe und der (beschichteten) Kugeln Schichtsystem Schichtdicke in µm Haftung Rauheit Rz in µm Mikrohärte H IT in GPa Graphit 0,73 HF1 0,26 9,2 MoS 2 : Ti 1,92 *) 0,43 1,5 a-C: H: X 1,15 HF1 0,32 18,9 a-C: H: Me 1,55 HF1 0,26 14,1 *) Festschmierstoffschichten wie MoS 2 : Ti liegen außerhalb des Anwendungsbereichs von DIN 4856. Tabelle 1: Eigenschaften der vier untersuchten Schichtsysteme, gemessen auf flachen beschichteten Probekörpern TuS_6_2019.qxp_T+S_2018 28.11.19 14: 53 Seite 35 anderen drei Versuchen mindestens ein Lager schon früher aus. Dies äußert sich in dem deutlichen Anstieg im Reibungsmomentverlauf, wodurch das Erreichen von 0,5 Nm zum Abschalten des Versuchs führt. Die kürzeste Laufzeit beträgt lediglich 18 h. In den Diagrammen in Bild 3 ist für alle Beschichtungs-Kugel-Kombinationen der Screening-Versuchsreihe mit unbeschichteten Kugeln jeweils nur noch ein Versuch exemplarisch dargestellt. Dabei entspricht der dargestellte Versuch dem Median der erzielten Gebrauchsdauern für die Versuchskombination. Im Falle der in Bild 2 dargestellten Versuchsreihe mit der a-C: H: X-Schicht auf den Ringen und Si 3 N 4 -Kugeln ist dies der Versuch Aus Wissenschaft und Forschung 36 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 6/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0030 Für die Auswertung der Versuche werden die Summenreibungsmomente M R der Versuchsläufe über der Laufzeit t in Diagrammen aufgetragen und analysiert. Der Verschleiß in den Laufbahnen der Ringe und gegebenenfalls auf den Kugeln wird qualitativ mithilfe eines Lichtmikroskops (Leica DM2500 M) bewertet. Für topologische Untersuchungen wird ein Laserrastermikroskop (Keyence VK-X260K) verwendet und Elementanalysen werden mittels eines Rasterelektronenmikroskops (Zeiss Crossbeam 1540EsB) durch energiedispersive Röntgenspektroskopie durchgeführt. Ergebnisse und Diskussion In [9] wurden bereits Ergebnisse der Versuche mit den amorphen Kohlenstoffschichten auf den Ringen mit Stahl- und Keramikkugeln als Gegenkörper aufgezeigt, in [10] ergänzt um die Versuche mit beschichteten Kugeln. Im Folgenden werden die Erkenntnisse aus sämtlichen Versuchen, also zuzüglich der zwei Festschmierstoffschichten, aufgezeigt und insbesondere auch auf die Wiederholbarkeit der Ergebnisse näher eingegangen. Bild 2 zeigt alle Verläufe der Summenreibungsmomente M R der Versuche mit a-C: H: X-beschichteten Ringen und Keramikkugeln aufgetragen über der Zeit t mit den jeweils erreichten Versuchsdauern. Dabei fällt auf den ersten Blick auf, dass sich die Versuchsdauern sehr unterschiedlich verhalten. Während bei zwei Versuchen die Mindestanforderung von 168 h erfüllt ist, fällt bei den Bild 2: Verläufe der Summenreibungsmomente MR über der Zeit t der Versuchsreihe mit a-C: H: Xbeschichteten Ringen und Keramikkugeln Bild 3: Für jedes Schichtsystem (Graphit, MoS 2 : Ti, a-C: H: X, a-C: H: Me) ist der jeweilige Median der Gebrauchsdauern pro Versuchskombination mit Stahl- und Keramikkugeln sowie zum Vergleich ein Verlauf einer unbeschichteten Hybridlagerpaarung (grau) dargestellt TuS_6_2019.qxp_T+S_2018 28.11.19 14: 54 Seite 36 mit der Laufzeit von 77 h. Allerdings wird durch die sehr unterschiedlichen Verläufe auch deutlich, dass ein einzelner Versuch nicht zwangsweise repräsentativ für die gesamte Beschichtungs-Kugel- Kombination ist. Dies wird anhand Bild 4 noch diskutiert. In Bild 3 repräsentiert ein Diagramm ein Schichtsystem, jeweils ein Versuch mit Stahlkugeln und einer mit Keramikkugeln als Gegenkörper. Darüber hinaus ist in grau zum Vergleich ein Referenzversuchslauf unbeschichteter Hybridlager (Ringe: 100Cr6, Kugeln: Si 3 N 4 , Käfig: PA 66 H) aufgetragen. Das typische Einlaufverhalten, bei dem es zu Beginn des Versuchs zu einem höheren Reibungsmoment kommt, ist im Allgemeinen nur sehr gering ausgeprägt. Anschließend wird bei den beschichteten Versuchsreihen ein stationärer Zustand erreicht, in dem sich das Reibungsmoment weitgehend konstant verhält. Ein Ausfall der Lager, der durch den Anstieg im Reibungsmomentverlauf ersichtlich ist, tritt bei allen Versuchsreihen auf, außer bei den Serien mit a-C: H: Me- und den MoS 2 -beschichteten Ringen jeweils mit Keramikkugeln. Das Reibungsmoment bei dem Versuchslauf mit der Molybdändisulfid-Schicht steigt zwar über den Grenzwert an, allerdings mit einem flacheren Verlauf. Darüber hinaus wird kurzzeitig ein zweites stationäres jedoch höheres Niveau erreicht. B IRKHOFER erklärt dies mit einer Erholung, die das Lager erfährt, wenn bereits verschlissene Kontaktstellen beim Überrollen wieder mit noch in den Laufbahnen vorhandenen Schmierstoffpartikeln beschichtet werden [11]. In Bild 4 sind in einem W EIBULL -Diagramm die Gebrauchsdauer-Ergebnisse der untersuchten acht Versuchsreihen eingetragen. Aufgetragen ist hierbei die Ausfallwahrscheinlichkeit F(t) über der Ausfallzeit t unter Berücksichtigung der Sudden-Death-Prüfung mit Zeitlimit. Ein Konfidenzintervall wird aufgrund des kleinen Umfangs an Versuchsergebnissen nicht angegeben. Die Steigung der an die Datenpunkte angenäherten Geraden gibt dabei Auskunft über die Aussagekraft des oben dargestellten Medians in Bezug auf die restlichen Gebrauchsdauern der jeweiligen Versuchskombination. Die zwei blauen Geraden der Versuche mit der a-C: H: X-Schicht auf den Ringen und Stahlbeziehungsweise Keramikkugeln weisen die flachsten Steigungen mit Werten b ≤ 1 auf und fallen damit in die Kategorien der Frühbeziehungsweise Zufallsausfälle. Offensichtlich streuen die Gebrauchsdauerergebnisse hier stark. Im Gegensatz dazu verlaufen die Geraden der MoS 2 : Ti-Versuchsreihen sowie die a-C: H: Me- und Graphitbeschichteten Ringe mit Stahlkugeln sehr steil mit einem maximalen Wert von b = 9,4 für die Graphit- Versuche. Hier liegen die Ergebnisse der Laufzeiten sehr nahe beieinander und die Wahl des Medians stellt einen repräsentativen Versuch der jeweiligen Versuchsreihen dar. Bei der Kombination mit der metallhaltigen amorphen Kohlenstoffschicht im Kontakt mit den Si 3 N 4 -Kugeln kommt es während der gesamten Versuchsdauer zu keinerlei Anstieg im Reibungsmoment und somit zu keinen Ausfällen durch Erreichen der Gebrauchsdauer. Für die Darstellung dieser Ergebnisse im W EIBULL -Diagramm musste eine Ausfallsteilheit angenommen werden, die mit einem Wert von b = 5 an die Versuche mit Stahlkugeln angeglichen wurde. Aufgrund der in dieser Versuchsreihe gezeigten guten Gebrauchsdauerergebnissen wird das a-C: H: Me-Schichtsystem in weiteren Versuchen vertieft. Einerseits werden zur statistischen Absicherung der Ergebnisse die Versuche mit den Keramikkugeln wiederholt, andererseits wird die Kohlenstoffschicht auch auf den Kugeln appliziert und mit unbeschichteten Ringen sowie im Selbstkontakt getestet. In Bild 5 sind die Ergebnisse der erweiterten Versuchsserie dargestellt. Auch hier ist wieder jeweils der Median in Bezug auf die erzielten Versuchsdauern für jede Beschichtungs-Kugel-Kombination dargestellt. In gelb ist ein typischer Verlauf für a-C: H: Me-beschichtete Kugeln und unbeschichtete Ringe dargestellt, orange zeigt die komplett beschichtete Variante, hellrot zum Vergleich den oben gezeigten exemplarischen Verlauf der Screening-Versuche mit Keramikkugeln und in dunkelrot den Wiederholversuch davon. Aus Wissenschaft und Forschung 37 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 6/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0030 Bild 4: W EIBULL -Diagramm der Screening-Versuchsreihe mit unbeschichteten Kugeln TuS_6_2019.qxp_T+S_2018 28.11.19 14: 54 Seite 37 kelrote Kurve zeigt dabei wieder die Versuchskombination der a-C: H: Me-Schicht mit Keramikkugeln der zweiten Charge (siehe Bild 5) und die hellrote Kurve den Wiederholversuch aus der dritten Charge. Ebenso entspricht die orange Kurve dem bereits oben dargestellten Versuchslauf und die gelbe Kurve der neuen Charge mit a-C: H: Me-beschichteten Ringen und Kugeln. Hier zeigen sich jeweils sehr ähnliche Verläufe der zweiten und dritten Beschichtungscharge der zwei Beschichtungs-Kugel-Kombinationen in Bezug auf die Gebrauchsdauern im Vergleich untereinander. Auch hier sind zum Teil wieder höhere Werte bei den Rauheitsmessungen aufgetreten, bei der Härte zeigen sich jedoch keine Auffälligkeiten. Allerdings wird die Haftung bei dem Probekörper einer Außenringcharge nur mit HF2 bewertet. Eine Erklärung zu den unterschiedlichen Ergebnissen der Gebrauchsdauern in der Screening-Versuchsreihe und den zwei Wiederholungsserien könnte in der Reinigung Aus Wissenschaft und Forschung 38 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 6/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0030 Zwei Punkte sind auf den ersten Blick direkt ersichtlich. Erstens werden sehr gute Ergebnisse in Bezug auf die Gebrauchsdauer mit beschichteten Kugeln erzielt, sowohl mit unbeschichteten Ringen (gelb) als auch im Schicht-Schicht-Kontakt (orange). Und zweitens entsprechen die Ergebnisse der Wiederholversuche mit Keramikkugeln nicht den zuvor erzielten Werten. Bei den Versuchen mit den beschichteten Kugeln fällt auf, dass die invertierte Kombination von a-C: H: Me gegen 100Cr6 bereits bei den Screening-Versuchen getestet wurde, allerdings mit deutlich kürzeren Gebrauchsdauern (siehe Bild 3/ rechts unten/ hellrote Kurve und Bild 5/ gelbe Kurve). Berechnungen des auf den Kugeln vorhandenen Schichtvolumens ergibt im Vergleich zu dem nutzbaren Schichtvolumen auf den Ringen in den Kontaktbereichen (am Innenring über den gesamten Umfang, am Außenring in der Lastzone) einen ca. fünffach so hohen Wert [10]. Unter der Annahme, dass die Gebrauchsdauer erreicht ist, wenn das Schichtvolumen abgetragen ist, korreliert dieser Faktor sehr gut mit den Werten für die Gebrauchsdauern. Bei qualitativer, mikroskopischer Analyse des Verschleißverhaltens zeigt sich einerseits ein gleichmäßiger Abtrag der Kugelschicht über die gesamte Oberfläche, als auch das erwartete Verschleißverhalten über den gesamten Umfang der Innenringe sowie in der Lastzone der Außenringe. Die Kombination der beschichteten Ringe und Kugeln zeigt über alle Versuche hinweg die niedrigsten Werte für die Reibung. Hierfür wird das arithmetische Mittel über die stationären Bereiche aller Versuchsreihen je Beschichtungs-Kugel-Kombination ermittelt. Als stationärer Bereich sind dabei alle Werte, bevor es zu einem verschleißinduzierten Anstieg des Reibungsmomentes kommt, definiert. Durch die spezielle Tribologie amorpher Kohlenstoffschichten kann es zu extrem niedrigen Reibungszahlen im Schicht-Schicht-Kontakt kommen. Aufgrund der Sättigung der freien kovalenten Bindungen der Kohlenstoffatome an der Oberfläche mit Wasserstoff und OH-Gruppen kommt es zu einer Passivierung der a-C: H: Me-Schichten auf den Ringen und den Kugeln [12]. Durch die Einwertigkeit des Wasserstoffs ist die chemische Affinität der Kontaktpartner zueinander und somit die adhäsive Komponente der Reibung minimiert [12]. Allerdings zeigen, wie bereits erwähnt, die Wiederholversuche im Vergleich zu der Screening-Versuchsreihe stark reduzierte Gebrauchsdauern auf. Eine getrennte Analyse der charakterisierten Eigenschaften auf den Probekörpern, zeigt zum Teil höhere Werte für die gemessenen Rauheitskennzahlen sowie niedrigere Werte bei den Härte-Prüfungen der zweiten Beschichtungscharge im Vergleich zur ersten. Aus diesem Grund wurden die zwei Versuchsreihen, mit Si 3 N 4 - und a-C: H: Mebeschichteten Kugeln, (noch) einmal wiederholt. Die Ergebnisse dieser Versuchsläufe im Vergleich zu den Kurven der zweiten Versuchsreihe sind wieder in Form des Versuchsdauern-Medians in Bild 6 dargestellt. Die dun- Bild 5: Mediane der Gebrauchsdauern der jeweiligen Versuchsläufe mit beschichteten Kugeln gegen unbeschichtete Ringe (gelb) sowie gegen beschichtete Ringe (orange) und des Wiederholversuchs der a-C: H: Mebeschichteten Ringe gegen Keramikkugeln (dunkelrot) im Vergleich zur ersten Versuchsserie (hellrot) Bild 6: Mediane der Gebrauchsdauern der jeweiligen Versuche der zweiten a-C: H: Me-Charge auf den Ringen (dunkelrot: Si 3 N 4 -Kugeln; orange: a-C: H: Me- Kugeln) und deren Wiederholversuche (hellrot: Si 3 N 4 - Kugeln; gelb: a-C: H: Me-Kugeln) TuS_6_2019.qxp_T+S_2018 28.11.19 14: 54 Seite 38 vor den Versuchen liegen. Nach dem Beschichtungsprozess wurden die entfetteten und beschichteten Lager montiert und in Korrosionsschutzpapier verpackt. Unmittelbar vor den Versuchen wurden die Prüflager einmal mit Isopropanol gespült, um gegebenenfalls noch vorhandene Verschmutzungen zu entfernen. Im Laufe des Versuchsprozesses wurde jedoch diese Reinigung umgestellt, um den Reinigungsprozess für jedes Lager möglichst identisch zu halten. Hierzu wurden die Lager nun in Isopropanol im Ultraschallbad für 10 min gereinigt. Eine Untersuchung, wie stark der Einfluss von Mikromengen an Schmierstoffen durch das Korrosionsschutzmittel im Trockenlauf auf die Gebrauchsdauer ist und ob dies die Ursache für die unterschiedlichen Ergebnisse der Versuchsreihen sein kann, steht an dieser Stelle noch aus. Zusammenfassung und Ausblick In dieser Arbeit sind Ergebnisse für beschichtete, trockenlaufende Radial-Rillenkugellager in Bezug auf ihre Gebrauchsdauer, ihr tribologisches Verhalten und die Wiederholbarkeit der Versuche vorgestellt worden. Als tribologisch wirksame Schichtsysteme wurden zwei Festschmierstoffe mit Schichtgitterstruktur und zwei wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten untersucht. Als Festschmierstoffe kamen Graphit und eine titandotierte Molybdändisulfidschicht zum Einsatz, während die Kohlenstoffschichten einmal mit einem Nichtmetall modifiziert und zum anderen mit einer Metalldotierung versehen wurden. Die vier untersuchten Schichtsysteme wurden auf den Innen- und Außenringen der Wälzlager aufgebracht und sowohl mit Stahlals auch mit Keramikkugeln als Gegenkörper auf einem Vier-Lager-Prüfstand getestet. In einer ersten Versuchsreihe hat die Beschichtungs-Kugel-Kombination mit der metallischen Kohlenstoffschicht auf den Ringen gegen Keramikkugeln die besten Ergebnisse in Bezug auf die Gebrauchsdauer erzielen können. Daraufhin wurde sie zusätzlich auf den Kugeln appliziert und im invertierten Fall mit unbeschichteten Ringen sowie im Schicht-Schicht-Selbstkontakt geprüft. Auch hier konnten sehr gute Ergebnisse erzielt werden. Neben den guten Gebrauchsdauerwerten haben sich im vollbeschichteten Lager sehr niedrige Reibungswerte im stationären Zustand eingestellt. Die Wiederholversuche mit Keramikkugeln konnten jedoch die Ergebnisse der Screening-Versuchsreihe nicht reproduzieren und die Lager sind deutlich früher mit einem Anstieg im Reibungsmomentenverlauf ausgefallen. Da die charakterisierten Eigenschaften Rauheit und Härte des a-C: H: Me-Schichtsystems der zweiten Versuchsreihe zum Teil schlechtere Werte als bei den Screening- Versuchen aufgewiesen haben, wurden die zwei Versuchsreihen mit den beschichteten Ringen noch einmal wiederholt. Mit der dritten Versuchsreihe ließen sich die Ergebnisse der zweiten Versuchsreihe reproduzieren. Eine mögliche Erklärung für den Unterschied zu der ersten Versuchsserie liegt in der Umstellung der Reinigung der Prüflager unmittelbar vor der Montage am Prüfstand. Mithilfe der Ultraschallbadreinigung sollte der Einfluss der Reinigung minimiert und eine reproduzierbare Durchführung der Reinigung gewährleistet werden. Eine weiterführende Untersuchung, ob dies die Ursache ist und wie stark der Einfluss von Mikromengen an Schmierstoffen im Trockenlauf ist, stellt den Ausblick auf die weiteren Arbeiten dar. Danksagung Diese Arbeit wurde vom Freistaat Bayern im Rahmen des Projekts Green Factory Bavaria sowie vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Projektes Poseidon II finanziert. Die Autoren danken Herrn Weber und Herrn Reinhardt von der FAU für ihre Unterstützung bei den Experimenten. Darüber hinaus gilt der Dank Herrn Dr. Kursawe, Frau Dr. Procelewska und Herrn Dr. Bagcivan von Firma Schaeffler Technologies AG & Co. KG für ihre Unterstützung und die Möglichkeit die Forschungsergebnisse zu veröffentlichen. Literatur [1] A. R. Lansdown, Hg., Molybdenum Disulphide Lubrication. Elsevier, 1999. [2] T. 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