Mikrotribologie

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

Rasterkraftmikrosopie-Aufnahme einer tribologisch belasteten Aluminium-Zylinderlaufbahn© Fraunhofer IWM

Tribologische Fragestellungen haben skalenübergreifende Ursachen von der Nano- bis zur Millimeter-Skala. Molekulare Wechselwirkungen auf atomarer Skala charakterisieren beispielsweise das Verhalten eines Schmierstoffs mit betroffenen Oberflächen. Ebenso bedeutend sind mesoskopische Effekte, wie der Einfluss der Mikrostruktur, der Rauheit und der Festigkeit von Oberflächen.

Um Verschleißmechanismen aufzuklären, werden Ansätze auf schädigungsmechanischer und energetischer Basis verwendet sowie kontinuierliche hochauflösende Reibungs- und Verschleißmessungen. Den Einfluss der tribologischen Beanspruchung auf oberflächennahe Bereiche der Werkstoffe bestimmen wir mit Hilfe von Methoden der Oberflächenphysik und Oberflächenchemie.

Leistungen

  • Reibungs- und Verschleißanalytik an automotiven Bauteilen
  • Mechanochemie zur Entwicklung neuartiger Verschleißschutzadditive
  • Grundlagenforschung zum Verständnis der Mechanismen
  • Tribologie im Leistungssport
  • Nanoverschleiß diamantähnlicher Kohlenstoffschichten

Themen

Motortribologie

Motortribologie

Bauteile in Motoren haben nach optimalem Einlauf ultrakleine Verschleißgeschwindigkeiten im Bereich von wenigen Nanometern pro Stunde. Zur Analyse derartiger Systeme wird die Radionuklidtechnik eingesetzt, die diese kleinen Verschleißraten in Echtzeit erfasst. Damit ist es möglich, die hauptsächlichen Hebel der tribologischen Optimierung – Einlaufdynamik, Additivchemie und energetisch gesteuerte Endbearbeitung – zu bedienen. Neben einer drastischen Reduktion von Reibung und Verschleiß findet auch eine Stabilisierung des Systems statt bei gleichzeitiger Verringerung der Empfindlichkeit.

»Triboman«: Reduktion von Reibung und Verschleiß in Motoren. (PDF)

Tribologie von AlSi-Legierungen in Verbrennungsmotoren. (PDF)

 

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Grundlagenforschung Tribologie

Elementare Reibungs- und Verschleißmechanismen

Reibung und Verschleiß sind hochdynamische Nichtgleichgewichtsvorgänge, die einer intensiven Rückkopplung unterworfen sind. Ziel der Forschung ist die Aufklärung der grundlegenden Reibungs- und Verschleißmechanismen in Makrosystemen. Im Detail geht es um die Korrelation von Topographie mit der oberflächennahen Kristallstruktur und Chemie. Weitere Schwerpunkte sind die Effekte des plastischen Fließens von Mikrorauheiten und die Bestimmung der mikromechanischen Kenngrößen, die Eingang in die Simulation finden.

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Tribokonditionierung

Tribokonditionierung bei der Endbarbeitung

Die Endbearbeitung von Bauteilen wird als erster tribologischer Abschnitt im Leben eines Tribosystems aufgefasst. Durch energetisch gesteuerte Endbearbeitung können Bauteile so konditioniert werden, dass Einläufe sich stark verkürzen und zu signifikant geringer Reibung sowie kleiner Verschleißrate führen.

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Tribochemie

Tribochemie

Im Resultat von Reibung und Verschleiß werden Oberflächen mechanisch aktiviert, was zu chemischen Reaktionen im oberflächennahen Bereich führt. Die tribochemischen Reaktionen beeinflussen sowohl den Einlauf des mechanischen Systems sowie dessen Langzeitverhalten. Durch geschickte Wahl der Energiedichte sowie der chemischen Umgebung können die tribochemischen Reaktionen über weite Bereiche gesteuert werden und für den Verschleißschutz nutzbar gemacht werden.

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Tribologie von Polymeren mit Nanopartitkeln

Tribologie von Polymeren mit Nanopartitkeln

Mit Hilfe von Nanopartikeln können die mechanischen Eigenschaften von Polymeren stark beeinflusst werden. Von besonderem Interesse ist die Veränderung der lokalen Schereigenschaften der Polymere im oberflächennahen Bereich und die damit verbundene Auswirkung auf Reibung und Verschleiß.

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Publikationen

Über den Link gelangen Sie zur Seite von Fraunhofer Publica, auf der Sie unsere Veröffentlichungen recherchieren können: Fraunhofer Publica

Liste unserer Veröffentlichungen:

  • Antusch, S.; Dienwiebel, M.; Nold, E.; Albers, P.; Spicher, U.; Scherge, M., On the Tribochemical Action of Engine Soot Wear 269/1-2 (2010) 1-12; Volltext auf Fraunhofer Publica
  • Berlet, P.; Dienwiebel, M.; Scherge, M., The effect of sample finishing on the tribology of metal/metal lubricated contacts, Wear 268/11-12 (2010) 1518-1523
  • Dienwiebel, M.; Scherge, M.; Gumbsch, P., Message from the scientific organizers, special issue on the 428th Wilhelm and Else Heraeus Seminar, Physics of Tribology – understanding friction and wear in technical systems, Tribology, Letters 39/1 (2010) 1
  • Hiratsuka, K.; Dienwiebel, M.; Martin, J.-M., Friction and wear behavior of Fe-DLC coatings, Reports of C.I.T. 57 (2010) 1-8
  • Jiao, M.; Rehl, A.; Sagel, A.; Mollenhauer, O.; Scherge, M., Friction and wear studies of AISi liners, in Proc. of 17th International Colloquium Tribology – Solving Friction and Wear Problems, Bartz, W. J. (Ed.), Technische Akademie Esslingen TAE, Ostfildern (2010) 66
  • Korres, S.; Dienwiebel, M., Design and construction of a novel tribometer with online topography and wear measurement, Review of Scientific Instruments 81/6 (2010) 1-7
  • Scherge, M.; Dienwiebel, M., Levers of tribological optimization, in Proc. of 17th International Colloqium Tribology – Solving Friction and Wear Problems; Bartz, W. J. (Ed.), Technische Akademie Esslingen TAE, Ostfildern (2010) 13

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Artikel in referierten Journalen

  • Bauer, C. L., Scherge, M.; Mullins, W. W., Field-Induced Evolution of Surface Topography in Polycrystalline Thin Films, Materials Science Forum, 207-209(1996), Part 2
  • Dienwiebel, M.; Pöhlmann, K.; Scherge, M.,Origins of the wear resistance of AlSi cylinder bore surfaces studied by surface analytical tools, Tribology International, 40(2007)10-12, 1597-1602
  • Ditroi, F.; Takacs, S.; Tarkanyi, F.; Reichel, M.; Scherge, M.; Gerve, A.,Thin layer activation of large areas for wear study, Wear, 261(2006), 1397-1400
  • Gatzen, H. H.; Ma, X.; Scherge, M.; Jhon, M. S.;. Bauer, C. L., Observations Regarding the Tribological Properties of SiC and Altic Sliders, IEEE Transaction on Magnetics, 32(1996)5, 3783-3785
  • Gebeshuber, I.C.; Drack, M.; Scherge, M., Tribology in biology, accepted Tribology, 2(2008)4, 200-212
  • Gorb, S. N.; Beutel, R. G.; Gorb, E.; V.; Jiao, Y.; Kastner, V.; Niederegger, S.; Popov, V.L.;:Scherge, M.; Schwarz, U.;Vötsch, W.,Structural Design and Biomechanics of Friction-Based Releasable Attachement Devices in Insects, Integrative and Comparative Biology, 42(2002)6, 1127-1139
  • Gorb, S. N.; Jiao, Y.; Scherge, M., Ultrastructural architecture and mechanical properties of attachment pads in Tettigonia viridissima, Journ. of Comparative Physiology A, 186(2000), 821-831
  • Gorb, S. N.; Scherge, M., Biological microtribology: Anisotropy in frictional forces of orthopteran attachment pads reflects ultrastructure of highly-deformable material Proc. Royal Soc., 267(2000)1449, 1239-1244
  • Hild, W.; Schaefer, J. A.; Scherge, M., The effect of wetting on the microhydrodynamics of surfaces lubricated with water and oil, Wear, 254(2003), 871-875
  • Jiao, Y.; Scherge, M.; Gorb, S. N., Adhesion measured on the attachment pads of the Tettigonia viridissima (Orthoptera, Insecta), Journ. of Exp. Biol., 203(2000)12, 1887-1895.
  • Klotzbücher, T.; Scherge, M.; Mergens, M.; Wesner, D. A.; Kreutz, E. W., Deposition of Carbon Nitride Thin Films in a Hybrid RF-PLD-Technique, Surf. and Coat. Techn., 98(1998)1-3
  • Liu, H.; Ahmed, S. I.; Scherge, M., Microtribological properties of silicon and silicon coated with diamond like carbon, oxtadecyltrichlorosilane and stearic acid cadmium salt films: a comparative study, Thin Solid Films, 381(2000)1, 135-142
  • Liu, Y.; Gubisch, M.; Hild, W.; Scherge, M.;. Schaefer, J.A., Nanoscale Multilayer WC/C Coatings Developed for Nanopositioning. Part II: Friction and wear, Thin Solid Films, 488 (2005)1-2, 140-148
  • Nevshupa, R.A.; Scherge, M.; Ahmed, S.I.-U., Transitional friction behavior of hydrophilic silicon induced by spontaneous water adsorption, Surface Science, 517(2002)1-3, 17-28
  • Opitz, A.; Scherge, M.; Ahmed, S. I.-U.; Schaefer, J. A., A comparative investigation of thickness measurements of ultra-thin water films by scanning probe technique, J. Appl. Phys., 101(2007), 064310
  • Opitz, A.; Ahmed, S. I.-U.; Scherge, M.; Schaefer, J. A., Nanofriction mechanisms derived from the dependence of friction on load and sliding velocity from air to UHV on hydrophilic silicon Tribology Letters, 20(2005)3, 237-242
  • Opitz, A.; Ahmed, S. I.-U.; Schaefer, J. A .; Scherge, M., Friction of silicon oxide covered with thin water film, Wear, 254(2003), 924-929
  • Opitz, A.; Ahmed, S. I.; Schaefer, J. A.; Scherge, M., Friction in thin water films: A nanotribological study, Surface Science, 504 (C)(2002), 199-207
  • Scherge, M.; Martin, J. M.; Pöhlmann, K.,Characterization of wear debris of systems operated under low wear-rate conditions, Wear, 260(2004)1-2, 458-461
  • Scherge, M.; Schaefer, J. A., Macro and Microtribology – Similar Results, Different Origins?, TriboTest, 7(2001), 245-253
  • Scherge, M.; Chakhvorostov, D.; Pöhlmann, K., Fundamental wear mechanisms of metals Wear, 255/1-6(2003), 395-400
  • Scherge, M.; Pöhlmann, K.; Gerve, A., Wear Measurement using Radio-Nuclide-Technique (RNT) Wear, 254(2003), 801-818
  • Scherge, M.; Gorb, S. N., Using Biology to Design MEMS, J. of Micromech. Microeng. 10(2000)1449, 359-364
  • Scherge, M.; Gorb, S. N., Microtribology of Bio-Substrates, Tribology Letters, 8(2000), 1-7
  • Scherge, M.; Schaefer, J. A.; Mollenhauer, O.; Spiller, F., Micromechanical Thin-Film Characterization MRS Symp. Proc., 569(1999), 139
  • Scherge, M.; Li, X.; Schaefer, J. A., The effect of water on friction of MEMS, Tribology Letters, 6(1999)3-4, 215-220
  • Scherge, M.; Li, X.; Schaefer, J. A., Nanotribological Improvements due to Surface Chemistry Modification, MRS Symp. Proc., 522(1998), 481-486
  • Scherge, M.; Schaefer, J. A., Surface Modification and Mechanical Properties of Bulk Silicon, in: Tribology Issues and Opportunities in MEMS, Kluwer Academic Publishers, 1998, 529-538
  • Scherge, M.; Schaefer, J. A., Microtribological Investigations of Stick/Slip Phenomena using a novel Oscillatory Friction and Adhesion Tester, Tribology Letters, 4(1998)1, 37-42
  • Scherge, M.; Büchner, H.; Jäger, G.; Schaefer, J. A., Interferometric detection of adhesion induced nano-deflections, Journal of Optics, 29(1998), 1-5
  • Scherge, M.; Bauer, C. L.; Mullins, W. W., Stress Distribution and Mass Transport along Grain Boundaries during Steady-State-Electromigration, Acta Metallurgica et Materialia, 43(1995)9.
  • Scherge, M.; Sui, X.; Bauer, C. L.; Jhon, M. S.; Kryder, M. H., Tribological Properties of Barium Ferrite Films, IEEE Transaction on Magnetics, 31(1995)6, 2928-2930
  • Scherge, M., Electromigration - Simulation and Experiment, AIP Conference Proceedings, 305(1993).
  • Scherge, M.; Breternitz, V.;Knedlik, Ch., Electromigration Behaviour in Al metallizations of integrated circuits, Microelectronics and Reliability, 32(1992)1/2, 21-24.
  • Scherge, M., The Simulation of the Ion Movement in Thin Metal Films, Modeling, Measurement and Control, 45(1992)3
  • Shakhvorostov, D.; Gleising, B.; Büscher, R.; Dudzinsky, W.; Fischer, A.; Scherge, M., Microstructure of tribologically induced nanolayers produced under ultra-low wear rates, angenommen durch:, Wear, 263(2007), 1259-1265
  • Shakhvorostov, D.; Pöhlmann, K.; Scherge, M., Structure and mechanical properties of tribologically induced nanolayers, Wear, 260(2004)1-2, 433-437
  • Shakhvorostov, D.; Pöhlmann, K.; Scherge, M., An energetic approach to friction, wear and temperature Wear, 257(2004)1-2, 124-130
  • Sui, X.; Scherge, M.; Kryder, M. H.; Snyder, J. E.; Harris, V. G.; Koon, N. C., Barium Hexaferrite Thin Film Recording Media, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 155(1996)1-3
  • Zou, P.; Scherge, M.; Lambeth, D., Tribological Characterization of Carbon Nitride Hard Disk Overcoat at Quasi-Contact Operating Conditions, IEEE Transaction on Magnetics, 31(1995)6, 2985-2987

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Artikel in technischen Zeitschriften

  • 2007
  • Dienwiebel, M.; Scherge, M., Neue Erkenntnisse zur Tribologie von übereutektischen AlSi-Zylinderlaufflächen, MTZ, 3(2007)
  • 2005
  • Hild, W.; Hungenbach, G.; Liu, Y.;. Schaefer, J.A.; Gubisch, M.; Scherge, M., Einfluss der Korngrösse auf die tribologischen Eigenschaften und das Einlaufverhalten von gesputterten Chromschichten, Tribologie und Schmierungstechnik, 528(2005)2, 24-28
  • 2004
  • Opitz, A.; Ahmed, S. I.-U.; Scherge, M.; Schaefer, J. A., Nanotribologische Untersuchungen von ultradünnen Wasserfilmen auf hydrophilem Siliziumoxid, Tribologie und Schmierungstechnik, 5(2004), 7-10
  • Scherge, M.; Chakhvorostov, D.; Pöhlmann, K., Nanoeffekte bei Reibung und Verschleiß, Erdöl, Erdgas, Kohle, 120(2004)2, 76-83
  • 2003
  • Scherge, M.; Gerve, A., Mikrotribometrie im Maschinenbau, Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 34(2003)10-11, 934-937
  • Scherge, M.; Chakhvorostov, D.; Pöhlmann, K.,Neueste Ergebnisse zu grundlegenden Verschleißmechanismen von Metallen, Tribologie und Schmierungstechnik, 3(2003)
  • Berlet, P.; Scherge, M., Zum Einfluss von Fertigung, Einlauf und Betrieb, Tribologie und Schmierungstechnik, 1(2003), 14-18
  • 2002
  • Scherge, M.; Kehrwald, B.; Gerve, A., Tribology and Motor Mechanics, MTZ, 3(2002)
  • 2001
  • Spiller, F.; Mollenhauer, O.; Scherge, M.,Ontwikkeling van apparatuur vor materiaalonderzoekonder hoogvacuum, Constructeur, 4(2001)
  • 2000
  • Scherge, M.; Hungenbach, G.; Tönshoff, H.K.; von Alvensleben, F.; Temme, T., Reibungs- und Verschleißverhalten lasermodifizierter SiC-Keramiken, Mat.-wiss. u. Werkstofftechn., 31(2000)8, 683-687
  • Scherge, M.; Gorb, S. N., Mechanical Microcharacterization of Bio-Substrates Biona Reports, 14(2000), 24-27
  • Gorb, S. N.; Scherge, M., Frictional forces of orthopteran attachment pads measured by a novel microfriction tester, Biona Reports, 14(2000), 28-30
  • Jiao, Y.; Scherge,M.; Gorb, S. N., Adhesive properties of attachment pads in Tettigonia viridissima Biona Reports, 14(2000), 168-169
  • Scherge, M.,Tribologische Untersuchungen auf der Mikroskala, Tribologie und Schmierungstechnik, 2(2000), 38-39
  • Scherge, M., Mikro- und Makrotribologie - Ähnliche Erscheinungen, unterschiedliche Ursachen?, Tribologie und Schmierungstechnik, 2(2000), 7-9
  • Scherge, M.; Ahmed, S. I.; Mollenhauer, O.; Spiller, F., Detection of Micronewton Forces in Tribology, Technisches Messen, 67(2000)7-8, 1-4
  • 1999
  • Spiller, F.; Gubi, T.; Mollenhauer, O.; Scherge, M., Besonderheiten beim Einsatz von Präzisionsantrieben im Vakuum, Konstruktion, 51(1999) 11, 25-28
  • Scherge, M.; Li, X.; Schaefer, J. A., Tribologische Untersuchungen zum Einfluß von Wasser auf die Reibung von Siliziummikrobauteilen, Tribologie und Schmierungstechnik, 3(1999), 24-28
  • 1998
  • Scherge, M.; Schaefer, J. A., Liquid- and Solid-Like Sliding as a Function of Water Layer Thickness, Polymer Preprints, 39(1998)2
  • Scherge, M.; Schaefer, J. A.; Mollenhauer, O., The Role of Water on the Micro-Tribology of MEMS, Proc. of: MICRO SYSTEM Technologies 98, VDE Verlag GmbH, 630-632
  • 1997
  • Scherge, M., Mikrotribologie von Hartstoffschichten, fhs-prints, 3(1997)

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