Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Methodische Entwicklung von Metall-Graphit-Verbundwerkstoffen für Gleitlagerandwendungen im Hochtemperaturbereich

Im beantragten Forschungsvorhaben soll der Einsatz von leichtmetallinfiltriertem Graphit für Gleitlageranwendungen bei Temperaturen bis 400 °C untersucht werden. Durch eigene tribologische Voruntersuchungen an aluminiuminfiltriertem Graphit konnte bisher von Raumtemperatur bis 370 °C eine gleichbleibend hohe Verschleißresistenz bei geringerer Gleitreibung, im Vergleich zu konventionellen Lagerwerkstoffen, nachgewiesen werden. Aus diesem Grund wird in leichtmetallinfiltriertem Graphit eine vielversprechende Alternative zu höhertemperaturstabilen Gleitlagerwerkstoffen aus Kunststoff, Metall oder Graphit gesehen. Insbesondere bei höheren Einsatztemperaturen wird für dieses moderne Verbundmaterial eine Verbesserung des Reib- und Verschleißverhaltens von Gleitlagern erwartet. Allerdings sind die komplexen Wechselwirkungen zwischen den Herstellungsrandbedingungen, der Art und Menge der verwendeten Ausgangsstoffe, den daraus resultierenden Verbundeigenschaften sowie dem Einfluss auf das tribologische Verhalten bei höherer Temperatur bisher nicht ausreichend untersucht. Um die Eigenschaften gezielt und anwendungsbezogen gestalten zu können, besteht die Notwendigkeit diese Zusammenhänge zu analysieren. Deren Auswirkung auf das thermo-tribologische Materialverhalten zu verstehen und Richtlinien zur Fertigung, Konstruktion und Verwendung abzuleiten. Die exakte Kenntnis über Einsatzmöglichkeiten und -grenzen dieser Verbundwerkstoffe bietet enormes Potenzial für die Entwicklung innovativer Produkte sowohl für Gleitlagerhersteller als auch für Gleitlageranwender, welche traditionell im KMU geprägten Maschinenbau zu finden sind.

Das Vorhaben hat hohe wirtschaftliche Relevanz, besonders für KMU. Es ist ein großer Nutzerkreis, speziell im weitgehend mittelständisch geprägten Bereich Lagerherstellung und Endverbraucher, zu erwarten.

Das Vorhaben führt zur Entwicklung eines neuen temperaturstabilen, langlebigeren und umweltfreundlicheren Werkstoff für Hochtemperaturgleitlager. Für die Anwender, insbesondere KMU, bedeutet das eine bessere Wirtschaftlichkeit durch längere Lebensdauer der Geräte und Maschinen, bei gleichzeitiger Schonung von Umwelt und Ressourcen.

Ergebniszusammenfassung:

In dem abgeschlossenen AiF-Projekt wurde ein neuartiger, temperaturstabiler Verbundwerkstoff aus Graphit und NE-Metallen entwickelt. Durch die Kombination der hervorragenden Gleiteigenschaften des Graphits mit den höheren Festigkeiten der Metalle konnten die Einsatzgrenzen für Gleitlageranwendungen auf Temperaturen über 300 °C angehoben werden.

Es konnte gezeigt werden, dass durch die Nutzung des direkten Squeeze-Casting-Verfahrens zur Infiltration von Graphiten, sehr unterschiedliche Legierungen verwendet werden können, mit denen in Abhängig von den verwendeten Infiltrationsparametern, sehr hohe Infiltrationsgrade erreicht werden können. Zudem konnten in den bisher durgeführten metallographischen Untersuchungen keine Hinweise auf eine mögliche Bildung von Karbiden an der Grenzfläche von der Aluminium- bzw. Magnesium-Legierungen zum Graphit erkannt werden.

Des Weiteren konnten die sehr guten tribologischen Eigenschaften dieser neuartigen Verbundwerkstoffe herausgearbeitet und in entsprechenden anwendungsnahen Untersuchungen verifiziert werden. Die ermittelten Gleitkoeffizienten unter 0,1 stellen eine hervorragende Basis für die Anwendung im Bereich der Gleitlagerungen unter extremen Umgebungsbedingungen dar. Somit konnte die Eignung der Metall-Graphite für Gleitlageranwendungen im Temperaturbereich bis zu 400 °C eindrucksvoll nachgewiesen werden.

Die Untersuchungen der mechanischen Eigenschaften anhand der 3-Punkt-Biegung zeigten sehr gute Biegefestigkeiten mit einer geringen Reduzierung der Festigkeit im Hochtemperaturbereich. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Metall-Graphite in Zukunft auch für lasttragende Komponenten geeignet sein könnten. In Verbindung mit den exzellenten Wärmeleitfähigkeiten ist hier ein Einsatz in lastübertragenden und temperaturbeanspruchten Anwendungen denkbar. Im Folgeprojekt MeGraV II steht daher die Langzeitbeanspruchung sowie die Modellierbarkeit des mechanischen und thermo-tribologischen Verhaltens im Fokus der Untersuchungen.