Grafit könnte auch hochbelastete Wälzlager schmieren

Forschende haben herausgefunden, dass Festkörperschmierungen aus Grafit auch Anpressdrücken im Gigapascal-Bereich standhalten können. Verantwortlich dafür ist ein bislang unbekannter Effekt im Reibkontakt.

Die bedeutendsten Schmierstoffe bleiben die Mineralöle. Im Tribosystem trennen sie die Kontaktpartner und schützen sie vor Verschleiß – sofern die Einsatzbedingungen nicht extrem sind. Sehr hohe oder sehr tiefe Temperaturen, aggressive Medien und Vakuumbedingungen setzen dem Einsatz von Ölen und Fetten Grenzen, wie Karl-Heinz Habig und Theo Mang im Kapitel Schmierstoffe des Tribologie-Handbuchs schreiben. Auch wartungs-, sicherheits- oder umwelttechnische sowie gesundheitliche Gründe können gegen Öle und Fette sprechen, beispielsweise in der Lebensmittelverarbeitung.

Wo Schmieröle und -fette nicht mehr weiterhelfen, sind Festschmierstoffe das Mittel der Wahl. Oxidische Verbindungen wie Blei- oder Molybdänoxid, weiche Metalle wie Indium oder Silber oder Polymere wie PTFE oder Polyimid kommen in Frage, insbesondere aber auch Verbindungen mit Schichtgitterstruktur, allen voran Molybdänsulfid und Grafit. Charakteristisch für die beiden Festschmierstoffe ist ihre hexagonale Gitterstruktur. Bei Relativbewegungen gleiten die Basisflächen im Gitter aufeinander ab. Wassermoleküle oder Fremdatome, die in das Grafitgitter interkaliert sind, sorgen für niedrige Scherkräfte zwischen den Gleitflächen im Gitter.

Feststoffschmierung zumeist in Sonderanwendungen

Doch auch der Einsatz von Festschmierstoffen kennt Grenzen. Zum einen funktionieren die Schmierungen nur bei ausreichender Luftfeuchte. Bei zu geringer Feuchtigkeit kaltverschweißen die Reibpartner. Zum anderen verschleißen die Schmierschichten mit steigender Belastung und Geschwindigkeit, wie Habig und Mang weiter schreiben, und die Lebensdauer der Festschmierstoffe nimmt ab. Deswegen kommt insbesondere Grafit heute nur unter niedrigen Anpressdrücken zum Einsatz.

Im Jahr 2012 brachten Herbert Birkhofer und Timo Kümmerle die Anwendung feststoffgeschmierter Wälzlager so auf den Punkt: "Feststoffgeschmierte Lager werden üblicherweise dann eingesetzt, 'wenn es nicht mehr anders geht'", und das seien fast ausschließlich Sonderanwendungen:

Eine gravierende Einschränkung für die größere Verbreitung und höhere Marktakzeptanz feststoffgeschmierter Wälzlager liegt laut Birkhofer und Kümmerle in der weit verbreiteten Unkenntnis ihrer Eigenschaften und der Unsicherheit im Bezug auf ihre Lebensdauer. Es fehle an einer Theorie, mit der sich die Lebensdauer der Wälzlager in Abhängigkeit von Lagerbelastungen und Umgebungsbedingungen prognostizieren lasse. Stattdessen stütze man sich auf Erfahrungswerte der Lagerhersteller oder auf Vorversuche. Doch die Autoren äußern in ihrem Buch auch eine Vorahnung: "Es muss angenommen werden, dass die Feststoffschmierung durchaus auch dort angewendet werden kann, wo derzeit noch konventionelle Schmierstoffe verwendet werden."

Grafitkristalle wandeln sich unter Scherbelastung um

Das dachten sich auch Forschende des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und untersuchten, ob sich Grafit nicht auch für Anpressdrücke im Gigapascal-Bereich eignet, wie sie beispielsweise in Wälzlagern auftreten. Auch die Forschenden weisen darauf hin, dass die Effekte der Grafitschmierung, die zumeist durch das Adsorptionsmodell von Savage beschrieben werden, bislang nur bedingt verstanden sind.

In Experimenten mit hohen und niedrigen Flächenpressungen und variierenden Luftfeuchtigkeiten haben die Forschenden nun eine interessante Entdeckung gemacht: Durch die Scherung verändert sich die Struktur im Reibkontakt des Grafits von einem polykristallinen System hin zu turbostratischem Kohlenstoff. Es reibt also nicht mehr Grafit auf Grafit, sondern turbostratischer Kohlenstoff auf turbostratischem Kohlenstoff. Je höher die Drücke dabei sind, desto mehr Grafit wandelt sich um. Quantenmechanische Simulationen haben dieses Werkstoffverhalten bestätigt. 

Aus dieser Erkenntnis ziehen die Forschenden den Schluss, dass Festkörperschmierungen aus Grafit auch unter Anpressdrücken von mehr als 1 GPa angewendet werden können, sofern die Luftfeuchtigkeit weder zu hoch noch zu gering ist. Die Forschenden rechnen mit zahlreichen neue Anwendungen für Grafitschmierungen. Am Beispiel eines grafitgeschmierten Axiallagers wollen die Forschungseinrichtungen die neuen Möglichkeiten nun demonstrieren.