Projektbereich B: Werkstoff- und Wirkflächenentwicklung

Die erfolgreiche Realisierung der als Demonstratorsysteme gewählten hochbeanspruchten Gleit- und Friktionssysteme erfordert die Bereitstellung sowohl geeigneter, beanspruchungsspezifisch angepasster keramischer Materialien bzw. Wirkflächen als auch einer Fügetechnologie zur funktionssicheren Einbindung der keramischen Komponenten in ihre metallische Umgebung. Die wissenschaftlichen Arbeiten im Projektbereich B beschäftigen sich daher mit der Entwicklung verbesserter Materialien auf der Basis von Siliziumnitrid, der Bereitstellung geeigneter lasergestützter Wirkflächentexturierungen sowie der Entwicklung des Laserstrahllötens von Keramik-Metall-Verbunden. Die Material- und Verfahrensentwicklungen werden dabei durch tribologische Modellversuche begleitet, auf deren Ergebnisbasis dann im Projektbereich A hochbelastbare Komponenten für die betrachteten Gleit- und Friktionssysteme entwickelt werden.

Die Forschungsarbeiten im Teilprojekt B1 zur Entwicklung von Sialon-Keramiken für Gleitanwendungen werden mit dem Ende der laufenden Förderphase erfolgreich abgeschlossen. Im Rahmen des gemeinsam mit der Firma Ceramtec beantragten Transferprojektes T2 sollen im Teilprojekt B1 gewonnene wissenschaftliche Erkenntnisse in die Praxis übertragen werden. Dabei geht es um die Anwendung von Sialon- Keramiken in der Zerspanungs- und Medizintechnik und um Methoden zur Charakterisierung des unterkritischen Risswachstums.

Das Teilprojekt B2 entwickelt die notwendige lasergestützte Fügetechnik zur Sicherstellung mechanisch und thermisch hochbelastbarer Keramik-Metall-Verbunde, wie sie für die im Teilprojekt A2 entwickelten Bauteilverbindungen zur Integration der keramischen Friktionswerkstoffe in den Demonstrator „Trockenkupplung“ notwendig sind. Die experimentellen Arbeiten werden durch numerische Simulationen begleitet, um sowohl die thermisch induzierten Spannungen als auch die mikrostrukturelle Ausbildung der Fügezone in Abhängigkeit von den gewählten Prozessparametern beim Laserstrahllöten vorhersagen und diese so mit reduziertem experimentellen Aufwand optimieren zu können. Modelluntersuchungen in einem Labortribometer dienen zur Charakterisierung des Einflusses unterschiedlich aufgebauter Keramik-Metall-Verbunde auf das Reibungs- und Verschleißverhalten der ungeschmierten Friktionspaarung. Die erarbeiteten Erkenntnisse liefern die Potenziale und Restriktionen der betrachteten Fügetechnik. Diese werden mit Hilfe der von TP A8 erforschten Ontologie formuliert und so in den keramikspezifischen Entwicklungsprozess integriert. Das TP A2 entwickelt auf dieser Basis konstruktive Bauteilverbindungskonzepte, u.a. für den Demonstrator „Trockenkupplung“. Die im Teilprojekt B2 erfolgreich entwickelte Verfahrenstechnik zur Erzeugung multiphasiger Randschichten auf Aluminiumoxid-Keramik soll zukünftig dazu genutzt werden, modifizierte Keramiken mit gezielt variierter Wärmeleitfähigkeit in der Kontaktzone des Friktionskontaktes für die tribologischen Grundlagenuntersuchungen im Teilprojekt B2 und für die systemorientierten Grundlagenuntersuchungen im Teilprojekt A2 zur Verfügung zu stellen.

Im Teilprojekt B3 werden Verfahren zur lasergestützten Mikrotexturierung tribologischer Wirkflächen für den Einsatz in mediengeschmierten Gleitsystemen entwickelt. Tribologische Modellversuche unter reversierender Gleitbeanspruchung im Hinblick auf den mit niedrigviskosem Ottokraftstoff geschmierten Demonstrator „Hochdruckpumpe für die Benzin-Direkteinspritzung“ dienen dabei der Aufklärung der Wirkmechanismen unterschiedlicher Mikrotexturelemente im mangelgeschmierten tribologischen Kontakt. Auf Basis der im Teilprojekt B3 vorgesehenen wissenschaftlichen Arbeiten sollen zunächst deskriptive Modelle zur systemspezifischen Auslegung des kraftstoffgeschmierten Nocken/Gleitschuh-Systems der Hochdruckpumpe entwickelt werden. Ferner werden die Auslegungskonzepte für den keramikspezifischen Produktentstehungsprozess verallgemeinert und die Entwicklung von Übertragungsmodellen zur Anwendung auf andere mediengeschmierte Gleitsysteme unter hoher tribologischer Beanspruchung im reversierenden Gleitkontakt in Zusammenarbeit mit den kooperierenden Teilprojekten geleistet.

Das Teilprojekt B5 befasst sich mit der Entwicklung von siliciumnitridbasierenden Keramiken im Hinblick auf die Kontaktermüdung, wie sie z.B. bei keramischen Walzensystemen auftritt. Während der beantragten Förderphase soll ein vertieftes Verständnis der Entstehung von Verstärkungsmechanismen beim Rissfortschritt sowie deren Abbau bei einer zyklischen Beanspruchung in Zusammenarbeit mit den TP A7, C4, C7 und C8 erarbeitet werden. Um die Einflüsse verschiedener Verstärkungsmechanismen auf das R-Kurvenverhalten beschreiben zu können, werden sowohl in situ- Messungen in REM, als auch Messungen der Risswiderstandskurven durchgeführt. Mit Hilfe der geplanten wissenschaftlichen Arbeiten sollen schließlich Regeln zum Gefügedesign für Siliciumnitrid-Werkstoffe unter Kontaktermüdung abgeleitet werden, die als Basis für die Werkstoffdefinition bezogen auf die Einsatzrandbedingungen im System des keramikspezifischen Produktentstehungsprozesses dienen.