23 Schmierstoff + Schmierung · 4. Jahrgang · 1/ 2023 FacHartiKEl Einfluss von Wasserstoff auf das Tribologische Verhalten bei Reibpaarungen Prof. Dr. Joichi Sugimura Joichi Sugimura von der Kyushu University Japan veröffentlichte 2019 im Heft 2 der „Tribologie und Schmierungstechnik“ einen Artikel über tribologische Untersuchungen für Hochdruck-Wasserstoffsysteme. In der aktuellen Diskussion über Alternative Energiequellen ist das Thema Wasserstoff omnipräsent, eine Zusammenfassung des Artikels von Sugimura soll hier die wichtigsten Merkmale und Probleme bei der Verwendung von Wasserstoff aufzeigen. Einleitung Wasserstoff wird in großem Umfang als Material, Kühlmittel, Reduktionsmittel in Chemieanlagen und Stahlwerken, Rohstoff in Halbleiterfabriken und in Kernreaktoren verwendet. Er wird auch als Treibstoff für Raketen verwendet und war vor einigen Jahrzehnten ein Teil des Stadtgases. Zukünftig soll Wasserstoff auch als universeller Energieträger fossile Brennstoffe ersetzen. Diese Verwendungen von Wasserstoff erfordert nicht nur die Entwicklung z. B. von Brennstoffzellen, sondern auch von zuverlässigen und wirtschaftlich erschwinglichen Systemen und Komponenten zur Speicherung und zum Transport von Wasserstoff. Brennstoffzellen nach dem Stand der Technik verwenden einen Druck von bis zu 700 Bar, um Wasserstoffgas in Fahrzeugen zu speichern. Der Grund für den sehr hohen Druck besteht darin, eine ausreichende Energiemenge für eine längere Reisestrecke zu speichern. Außerdem lässt sich Wasserstoff bei Raumtemperatur nicht verflüssigen. Wasserstofftankstel- Prof. Dr. Joichi Sugimura Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Kyushu University Research Center for Hydrogen Industrial Use and Storage, Kyushu University International Institute for Carbon-Neutral Energy Research, Kyushu University Schmierstoff + Schmierung · 4. Jahrgang · 1/ 2023 24 Fachartikel | Einfluss von Wasserstoff auf das Tribologische Verhalten bei Reibpaarungen len und die entsprechende Infrastruktur müssen daher Wasserstoffgas unter sehr hohem Druck speichern und handhaben. Es gibt einige kritische Probleme, die durch Wasserstoff verursacht werden, wenn Wasserstoff in einem Feststoff eindringt, was leicht passiert. So ist z. B. die Wasserstoffversprödung von Metallen ist seit langem ein technologisches Problem, und weitere Forschung und Entwicklung sind erforderlich, da der sehr hohe Druck die Wasserstoffaufnahme in Metallen verstärkt und zu Ausfällen führt. Ein weiteres großes Problem ist die Wechselwirkung von Wasserstoff kann auch Ausfällen von Kautschuken und Polymeren für Dichtungen führen, mit katastrophalen Auswirkungen. Wie im Großteil des Maschinenbaus gehört die Tribologie zu den wichtigsten Basistechnologien in mechanischen Systemen für Wasserstoff. In der konventionellen Industrie haben Anlagen wie Pumpen, Kompressoren und Rohrleitungssysteme in Chemieanlagen und Halbleiterfabriken eine Reihe tribologischer Komponenten, darunter Dichtungen, Lager, Ventile und andere Gleitteile. In Raumfahrtanwendungen sind Dichtungen und Lager die wichtigsten Elemente in Antriebssystemen, die ebenfalls f lüssigen Wasserstoff als Brennstoff verwenden. Diese Komponenten spielen alle eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Sicherheit der Systeme. Eine typische Wasserstofftankstelle besteht aus Kompressoren, Speichertanks, Wasserstoffzapfsäulen, Rohren, Kupplungen und Ventilen. Sie werden verwendet, um den Wasserstofffluss zu komprimieren, zu speichern, abzudichten und zu steuern, während das Gas Druck- und Temperaturänderungen erfährt. Kompressoren werden verwendet, um Wasserstoffgas auf über 800 Bar zu komprimieren. Kolbenringe und Stangenpackungen bestehen in der Regel aus Polymerwerkstoffen. Wälzlager werden als Hauptlager der Kurbelwelle und Pleuellager verwendet. Das Eindringen von Wasserstoff in Stahl kann zu einem frühen Ausfall der Lager durch Abblättern führen, wenn sie in Wasserstoffgas verwendet werden. Es ist notwendig, wasserstoffverstärkte Ausfälle zu vermeiden, indem die Struktur des Kompressors so gestaltet wird, dass die Lager keinem Wasserstoffgas ausgesetzt sind, oder indem eine Technologie entwickelt wird, die verhindert, dass Wasserstoff in Stähle diffundiert. Nadelventile und Kugelventile werden verwendet, um den Gasfluss zu steuern. Abb. 1 zeigt einen Kugelhahn für Ultrahochdruck-Wasserstoff. Sie verwenden normalerweise Hartmetalle und Beschichtungen für ihre Gleitteile. Dichtungen sind auch wichtige Teile in den Ventilsystemen, um ein Austreten von Wasserstoff zu vermeiden. Als dynamische Dichtungen werden Stopf buchspackungen verwendet, die typischerweise aus Polymeren bestehen. Ihre Gegenlauffläche ist in der Regel das Material der Ventilkörper, also Edelstähle, mit oder ohne Oberflächenbehandlungen und Beschichtungen. Metalloberflächen und Wasserstoff Reibung und Verschleiß von Materialien hängen von der Kombination der Reibpartner, den Gleitbedingungen und der den Kontakt umgebenden Umgebung ab. Der Reibungskoeffizient in Wasserstoff ist bei gleicher Last und Drehzahl anders als in Luft. Exemplarisch ist in Abb. 2 der Reibwert einiger Legierungen für Ventilkegel in Wasserstoff mit dem in Luft verglichen. Die Daten stammen aus Reibungstests vom Kreuzzylindertyp in einer Kammer. Wasserstoff enthielt einige ppm Wasser, während Luft Wasserdampf von etwa tausend ppm enthielt. Die verwendeten Materialien waren rostfreie Stähle, Legierungen auf Nickelbasis, Nickel-Kupfer-Legierungen eine Kobaltlegierung und Wolframkarbid. Die rostfreien Stähle enthalten hauptsächlich Eisen, Abb. 1: Kugelhahn für 980 Bar Wasserstoff Abb. 2: Reibwert einiger Legierungen für Ventilkegel 25 Schmierstoff + Schmierung · 4. Jahrgang · 1/ 2023 Fachartikel-|-Einfluss von Wasserstoff auf das Tribologische Verhalten bei Reibpaarungen Chrom und Nickel, während die meisten Legierungen auf Nickelbasis hauptsächlich Nickel enthalten. Die Abbildung zeigt deutlich, dass im Allgemeinen die Reibungskoeffizienten mit Nickel- und Kupferlegierungen in Wasserstoff höher sind als in Luft, und insbesondere die Nickel-Kupfer-Legierung (M400) zeigt eine sehr hohe Reibung in Wasserstoff. Im Gegensatz dazu sind die Reibungskoeffizienten bei Edelstahl (316) und Stellite 6B in Wasserstoff niedriger. Diese Ergebnisse beinhalten, dass die Wirkung von Oxidfilmen auf die Reibung von der Legierungszusammensetzung abhängt, obwohl ihre mechanischen Eigenschaften ebenfalls die Reibung beeinflussen können. Transferfilmbildung bei Polymerverbundwerkstoffen Die tribologische Leistung von Polymermaterialien wie Polytetrafluorethylen, PTFE und seinen Verbundwerkstoffen hängt stark von der Bildung von übertragenen Filmen auf der Gegenfläche ab. Gemäß der klassischen Theorie der Festkörperschmierung wird eine geringe Reibung erreicht, wenn ein dünner Transferfilm aus Polymer auf härteren Gegenlaufmaterialien wie Hartmetallen gebildet wird. Es ist leicht vorstellbar, dass die Bildung von Polymertransferfilmen auf Metallen stark durch Umweltgas beeinflusst wird. Übertragende Materialien sind nicht nur Polymere, sondern auch Füllstoffe. Abb. 3 zeigt die Verteilung von PTFE- und Kohlenstoffübertragungsfilmen, die auf Gußeisenscheiben gebildet wurden, welche in Luft und in Wasserstoff gegen kohlefasergefülltes PTFE aus Polyacrylnitril (PAN) geschoben wurden. Die Abbildung zeigt deutlich, dass der PTFE-Transferfilm in Luft dominiert und der Kohlenstoff-Transferfilm in Wasserstoff dominiert. Damit ändern sich die Reibverhältnisse deutlich. DLC-Beschichtungen DLC(Diamantartiger Kohlenstoff)- und Kohlenstoffmaterialien sind gute Kandidaten für den Einsatz in Wasserstoffanwendungen, da sie in Wasserstoff hervorragende Reibungs- und Verschleißeigenschaftenzeigen. Die geringe Reibung und der geringe Verschleiß von DLCs durch die Bildung von Filmen Kohlenstoff aus dem DLC und Wasserstoff auf der Oberfläche verursacht werden. Diese Struktur wird im Gleitkontakt gebildet. DLCs werden daher heute weithin als gutes tribologisches Material in verschiedenen Umgebungen mit oder ohne Schmiermittel verwendet. Sugimura untersuchte die Reibungskoeffizienten von zwei DLCs gegen sieben Metalle in Wasserstoff mit 3ppm Wasser und 0,5 ppm Sauerstoff. Hier wird die Erhöhung des Reibungskoeffizienten mit zunehmendem Wassergehalt bei der Reibpaarung DLC - Aluminium und Wasserstoff im Vergleich zu einer Umgebung mit dem Edelgas Argon aufgezeigt, bei der die Reibwerte unter Argon Umgebung sehr viel höher als bei Wasserstoff sind. Um die Entfernung der DLC- Beschichtung in Hochdruckwasserstoff zu vermeiden, wäre es notwendig, die Bindungsstärke zu erhöhen und/ oder die Grenzfläche so zu modifizieren, dass sich kein Wasserstoff an der Grenzfläche ansammelt. Fazit Wasserstoff ist auf unterschiedliche Weise an verschiedenen tribologischen Phänomenen beteiligt. Chemische und tribochemische Reaktionen an der Tribo-Grenzfläche werden oft stärker durch Spuren von Sauerstoff und Wasser als durch Wasserstoff beeinflusst. Bei der Auslegung von Triboelementen für Wasserstoffanwendungen müssen sowohl die Betriebsbedingungen als auch die Bedingungen des Umgebungsgases berücksichtigt werden. »« Eingangsabbildung: © malp - stock.adobe.com Abb. 3: PTFE und Kohlenstoffübertragungsfilme in Luft und Wasserstoff