Tribologische Untersuchungen von MXenen als Festschmierstoff am Mehrfach-Sinterlager-Verschleiß-Tribometer

Abstract

Tribologie ist eine interdisziplinäre Wissenschaft, die sich mit Reibung, Verschleiß und Schmierung beschäftigt. Reibung und Verschleiß haben einen deutlichen Einfluss auf den gesamten weltweiten Energieverbrauch. Aus diesem Aspekt heraus ist es wichtig Reibung und Verschleiß zu minimieren. Um dies auch unter extremen Bedingungen, wie hohen oder tiefen Temperaturen, im Vakuum oder bei sehr aggressiven Umgebungsbedingungen zu erreichen,sind Festschmierstoffe eine Möglichkeit. Dabei stellen die sogenannten MXene vielversprechende Kandidaten für die Reibungsoptimierung dar. Hierbei handelt es sich um Übergangsmetallcarbide, -nitride und -carbonitride, die aus atomar dünnen Schichten aufgebaut sind und zu den 2D-Nanomaterialien zählen.In dieser Arbeit wird das MXen Ti3C2Tx als Festschmierstoff getestet und mit der etablierten Referenz MoS2 verglichen. Dazu werden Wellen aus Stahl mit MoS2, Ti3C2Tx und einem Komposit, bestehend aus 50 % Ti3C2Tx und 50 % MoS2, sprühbeschichtet und so die Beschichtungen mit Versuchen am Mehrfach-Sinterlager-Verschleiß-Tribometer gegen ein Massivbronzegleitlager getestet. Die tribologische Performance wird über die Reibzahl undeiner Verschleißanalyse bewertet. Weiters sollen Raman-Spektroskopie und energiedispersive Röntgenanalyse am Raster-elektronenmikroskop (REM-EDX) Aufschluss über die chemische Zusammensetzung der entstehenden Tribofilme geben.Während dieser Arbeit konnte festgestellt werden, dass bereits eine dünne SchichtFestschmierstoff mit der Dicke von ~1,7 μm verglichen mit der unbeschichteten Referenz eine Verringerung der Reibung und eine Erhöhung der Verschleißbeständigkeit bewirkt. Dabei spielen vor allem Parameter wie der Kontaktdruck und die Luftfeuchtigkeit eine große Rolle.Verglichen mit MoS2 hatte weder Ti3C2Tx noch das Komposit ein geringere Reibzahl, wobeidie Verschleißbeständigkeit bei geringer Luftfeuchtigkeit ähnlich ist. Durch die Raman-Analyse war es möglich, die unterschiedlichen Verbindungen, die im Tribofilm der einzelnen Proben vorhanden waren, zu analysieren. So konnten Peaks sowohl den Ausgangssubstanzen derBeschichtung als auch deren Oxidationsprodukten zugeordnet werden. Die Stereomikroskop Aufnahmen gaben durch den Vergleich der Proben nach einer Dauer von 5 min und 1 h wiederum einen interessanten Einblick in die Entstehung des Tribofilms, die für die Ti3C2Tx Beschichtung verglichen mit den anderen beiden Beschichtungen suboptimal war. Die REM-EDX Analysen zeigten die elementare Zusammensetzung der Verschleißspur und der abgelagerten Verschleißpartikel. Zusammenfassend wird eine schlechtere Tribofilmbildung bei Ti3C2Tx vermutet, wohingegen diese beim Komposit besonders wirkungsvoll ist.Anhand dieser Erkenntnisse sollte auch in Zukunft weiter an MXenen geforscht werden, dadurch Variation der Zusammensetzung bessere oder andere tribologische Eigenschaftenerhalten werden könnten und hier noch viel Potential vermutet wird.

Tribology is an interdisciplinary science dealing with friction, wear, and lubrication. Friction andwear have a significant impact on the worldwide energy consumption. From this point of view,it is important to minimize friction and wear. Under extreme conditions such as high or lowtemperatures, in a vacuum or in very aggressive environmental conditions, solid lubricants area possibility. Here, the so-called MXenes are promising candidates for friction optimization.MXenes are transition metal carbides, nitrides and carbonitrides, which consist of atomicallythin layers and belong to the 2D nanomaterials.In this thesis, the MXene Ti3C2Tx and the reference MoS2 is tested as a solid lubricant. For thispurpose, steel shafts are spray-coated with MoS2, Ti3C2Tx and a composite consisting of 50 %Ti3C2Tx and 50 % MoS2. The coatings are tested in the multiple bearing wear tribometer against a solid bronze bearing. The coefficient of friction and a wear analysis provided information about the tribological properties of the system. Furthermore, Raman spectroscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy with the scanning electron microscope (SEM-EDX) shed lighton the chemical composition of the resulting tribofilm. Finally, the SEM-EDX analyses revealed the elemental composition of the wear track and the deposited wear particles.During this work, it was found that already a thin layer of solid lubricant with a thickness of~1.7 μm leads to a reduction in friction and an increase in wear resistance compared to the uncoated reference. Above all, parameters such as contact pressure and humidity play a major role. Compared to MoS2, Ti3C2Tx and the composite had no better coefficient of friction but comparable wear resistance at low humidity. It was possible to analyze the different compounds in the tribofilm of the individual samples through Raman spectroscopy. In this way,peaks could be assigned to the coating substances as well as their oxidation products. By comparing the samples after 5 min and 1 h test duration, the stereo microscope images provide an interesting insight into the evolution of the tribofilm, which seems to be suboptimal for theTi3C2Tx coating compared to the other two coatings. Finally, the SEM-EDX analysis revealedthe elemental composition of the wear track and the adjacent accumulations. In summary, a less effective tribofilm formation is assumed with Ti3C2Tx, where as this is particularly effective with the composite.Based on this first results, research on MXene should be continued, as better or different tribological properties could be obtained by varying their composition and a huge potential is foreseen.