Moderne Maschinen und mechanische Systeme sind extremen Belastungen ausgesetzt. Besonders in Umgebungen, in denen herkömmliche Flüssigschmierstoffe, wie Öle und Fette, nicht eingesetzt werden können, sind Trockenschmierstoffe als Beschichtungen eine vielversprechende Lösung. Diese können Reibung und Verschleiß reduzieren und sind essenziell für Anwendungen unter hohen Temperaturen, im Vakuum oder in chemisch aggressiven Umgebungen. Besonders molybdän-basierte Beschichtungen eignen sich, da sie nicht nur herausragende tribologische Eigenschaften bieten, sondern sich auch selbst regenerieren.
Vielversprechender neuer Festschmierstoff: Molybdäntrioxid
Herkömmliche Festschmierstoffe umfassen weiche Metalle, Polymere sowie schichtartige Materialien wie Molybdändisulfid (MoS₂) oder Wolframcarbidcobalt. Diese Materialien bieten exzellente Gleiteigenschaften, sind jedoch oft anfällig für Oxidation und Umwelteinflüsse. Besonders Molybdändisulfid zeigt unter feuchter Atmosphäre eingeschränkte Leistungsfähigkeit, da sich oxidative Abbauprodukte bilden.
Eine vielversprechende Alternative stellt Molybdäntrioxid (MoO₃) dar. Unter bestimmten Bedingungen kann es sich selbst regenerieren, indem es mit Umgebungssauerstoff reagiert und eine schützende, reibungsmindernde Schicht bildet. Erste Untersuchungen zeigen, dass MoO₃-beschichtete Lagerstähle hervorragende mechanische Eigenschaften aufweisen und durch die kontinuierliche Neubildung des Schmierstoffs eine lange Lebensdauer erreichen.
Beschichtungstechnologien im Vergleich: PVD versus thermisches Spritzen
Für die Herstellung von Festschmierstoffbeschichtungen existieren verschiedene Verfahren. Eine der etablierten Methoden ist die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), die extrem dünne, aber hochfeste Schichten erzeugt. Der Nachteil dieses Verfahrens ist die begrenzte Schichtdicke, wodurch das Schmierstoffreservoir nur begrenzt zur Verfügung steht. Darüber hinaus wird eine hohe Produktionszeit für die Abscheidung weniger Mikrometer Schicht benötigt. Somit ist das Verfahren sehr teuer.
Eine Alternative stellt das thermische Spritzen dar, insbesondere das Atmosphärische Plasmaspritzen (APS). Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung dickerer Schichten mit einer hohen Abscheiderate und einer guten Haftung auf unterschiedlichsten Substraten. Der Vorteil dieses Verfahrens ist die kurze Produktionszeit der Beschichtung, da die gewünschte Schichtdicke in wenigen Minuten erreicht wird.
Erste Studien zeigen, dass mittels APS beschichtete Molybdänschichten in tribologischen Tests vergleichbare Verschleißschutzeigenschaften wie PVD-Schichten aufweisen können. Zudem könnten die größeren Materialreserven eine längere Schmierstofffreisetzung gewährleisten. Die höheren Schichtdicken verlängern also die Gebrauchsdauer. In mikrotribologischen Untersuchungen ist eine gute Haftanbindung, zwischen Beschichtung und Lagerstahl, sowie eine gute Verschleißresistenz der Beschichtung ermittelt worden. Allerdings bestehen noch Herausforderungen bei der Reduzierung der Porosität und der gezielten Steuerung der Mikrostruktur.
Selbstregenerierende Schmierstoffschichten für industrielle Anwendungen
Der Einsatz selbstregenerativer Festschmierstoffe bietet enormes Potenzial für zahlreiche industrielle Anwendungen. Besonders in Maschinen, die hohen Belastungen und Temperaturen ausgesetzt sind, ist eine gute Schmierstoffversorgung essenziell. Dazu gehören etwa Wälzlager und Zahnräder, die in Getriebe eingesetzt werden, oder Bauteile in der Luft- und Raumfahrt. Aufgrund mangelnder Schmierstoffversorgung kann es zur Notabschaltung großer Anlagen und somit zu Schäden am Maschinenelement kommen. Der Einsatz von MoO₃-beschichteten Bauteilen kann Schäden am Maschinenelement vorbeugen.
Erste Untersuchungen an beschichteten Wälzlagern zeigen, dass sich das Molybdänoxid während des Betriebs auf unbeschichtete Gegenflächen überträgt und eine schützende Triboschicht bildet, die den Verschleiß minimiert.
Zukunftsperspektiven und Forschungsschwerpunkte
Während die bisherigen Forschungsergebnisse vielversprechend sind, besteht weiterer Entwicklungsbedarf. Insbesondere die Optimierung der APS-Prozessparameter steht im Fokus zukünftiger Untersuchungen – mit dem Ziel, die Porosität der Schichten zu verringern und eine gleichmäßige Schmierstoffverteilung zu gewährleisten. Zudem gilt es, den Langzeiteinfluss von Temperaturwechseln und extremen mechanischen Belastungen auf die Beschichtungseigenschaften zu analysieren.
Molybdänbasierte selbstregenerative Trockenschmierstoffe haben das Potenzial, die Notlaufeigenschaften von Maschinenkomponenten zu verbessern. Sie besitzen eine höhere Temperaturbeständigkeit als Öle und Fette, können als Schmierung unter extremen Bedingungen eingesetzt werden und ermöglichen eine Wartungsfreiheit in geschlossenen Systemen. Mit weiteren technologischen Fortschritten könnte diese Beschichtungstechnologie in Zukunft zu einem Standard für hochbelastete Tribosysteme werden.
