Graphite lubrication mechanism under high mechanical load

Viele tribologische Extremanwendungen wie im Vakuum, in sauren Umgebungen, bei Hochtemperaturanwendungen oder unter hoher Last sind anspruchsvoll und führen oft zum Versagen herkömmlicher flüssiger Schmierstoffe wie Öle und Fette. Für diese Fälle stellen Festschmierstoffe wie Graphit eine exzellente Alternative dar. Trotz seiner frühen Entdeckung ist das Verständnis des Graphitschmiermechanismus weiterhin unvollständig. Zwei Modelle werden hierbei bis heute viel zitiert: das von Bragg postulierte, so genannte Deck-of-Card-Modell und das Adsorptionsmodell von Savage. Ersteres liefert keine eindeutige Erklärung zur Feuchtigkeitsabhängigkeit der Graphitschmierung und wurde experimentell widerlegt. ... mehrDas Adsorptionsmodell von Savage bezieht die Wirkung der Wassermoleküle mit ein, wurde jedoch hauptsächlich auf atomar flachen Oberflächen oder für kleine Normalkräfte getestet.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung des Schmierungsmechanismus von Graphit als Festschmierstoff und die tiefgreifende Erforschung der möglichen Einflussgrößen. In dieser Arbeit wurden deshalb Mikrotribometer-Gleitexperimente im Kugel-Platte-Kontakt durchgeführt, um die Graphitschmierung vor allem unter hohen Flächenpressungen zu untersuchen. Als Proben dienen hierfür mittels eines Airbrush-Sprühverfahren graphitbeschichteten Eisenplatten. Erste Parameterstudien widmeten sich dem Einfluss von Normalkraft und Schichtdicke und zeigten eine starke Korrelation sowie niedrigste Reibung bei höchster Normalkraft und dünnster Schichtdicke. Die Substrat-Beschichtungs-Adhäsion hat hierbei einen limitierenden Einfluss auf die Schichtlebensdauer, weshalb die Substratrauigkeit graduell variiert und untersucht wurde. Eine gute Reibminderung sowie lange Lebensdauer konnten auf die Bildung einer dünnen Kohlenstoffschicht zurückgeführt werden, welche bei industrie-nahen Oberflächenrauheiten gebildet wurde. Ein weiterer wichtiger Aspekt dieser Arbeit war im Anschluss die eingehende Analyse der Feuchtigkeitsabhängigkeit auf die Graphitschmierung. Mittels Transmissionselektronenmikroskopie konnte die Umformung von Graphit in turbostratischen Kohlenstoff nachgewiesen werden und somit ein neuer, erweiterter Schmiermechanismus vorgeschlagen werden. Diese in-situ-Bildung des turbostratischen Kohlenstoffs an der Gleitfläche wurde sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Lasten beobachtet.

Als letzter Aspekt wurde der Graphitschmierstoff unter Rollreibung getestet. Hierdurch konnte Korrelationen zur gewünschten Anwendung, einem Axialwälzlager, gezogen und wichtige Erkenntnisse gewonnen werden. Es wurde die Bildung eines dünnen Tribofilms auf dem Gegenkörper beobachtet und durch Raman-Spektroskopie bestätigt, welcher die tribologische Leistung der Graphitbeschichtung maßgeblich zu beeinflussen scheint.

Many extreme applications such as in a vacuum, acidic environments, high-temperature applications, or under high load are challenging and lead to failure of conventional liquid lubricants such as oils and greases. For these cases, solid lubricants like graphite are an excellent alternative. Despite its early discovery, the understanding of graphite's lubrication mechanism remains incomplete. Two models are frequently cited up till today: the so-called card-deck model postulated by Bragg and Savage's adsorption model. The former does not provide a clear explanation for the moisture dependence of graphite lubrication and has been experimentally refuted. ... mehrSavage's adsorption model offers a more profound explanation and also incorporates the effect of water molecules. However, it has been tested mainly on atomically flat surfaces or for small normal forces.

The subject of this work is the investigation of lubrication mechanism of graphite as a solid lubricant and the fundamental research of influencing parameters. For this purpose, microtribometer sliding experiments were carried out in a sphere-on-flat setup to investigate graphite lubrication especially under high loads. Iron plates coated with graphite by airbrush spray coating were used as samples. The first parameter studies were dedicated to the influence of normal force and coating thickness. A strong correlation between these parameters and the tribological performance were revealed, with the lowest friction being measured at the highest normal force and thinnest coating thickness. The substrate-coating adhesion hereby limits the coating lifetime, hence a step-wise investigation of the substrate roughness was conducted. Large friction reduction and a long lifetime rely on a thin carbon film formation, which is observed for industrial surface roughness values. Subsequently, an important aspect of this thesis is the in-depth analysis of the humidity dependence on graphite lubrication. Using transmission electron microscopy, a shear-induced transformation of graphite to turbostratic carbon is reported; hence, a new, extended graphite lubrication mechanism is proposed which is valid for both high and low contact pressures.

As a final aspect, the graphite lubricant was tested under rolling friction. These experiments ensured a comparability between the desired application, an axial rolling bearing, and revealed new insights. The formation of a thin tribofilm on the counterbody was observed and confirmed by Raman spectroscopy, which seems to significantly influence the tribological performance of the graphite coating.