Untersuchung des Einlaufverhaltens von laser-strukturierten metallischen Oberflächen unter trockenen Bedingungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Innerhalb des durchgeführten Projektes konnte mittels zwei verschiedenen, gepulsten Lasersystemen (Nanosekunden und Pikosekunden) mit Hilfe des Prinzips der Laserinterferenz eine homogene und reproduzierbare Oberflächenstrukturierung von Ni, Ti und W erreicht werden. Diese modellhafte Oberflächentopographie ermöglicht es, einen stochastischen Einfluss der Oberflächenrauheit für tribologische Messungen auszuschließen. Zudem konnte die Oberflächenchemie durch die gezielte Wahl der Pulslänge der Laser manipuliert werden, um so den Einfluss der durch die Laserstrukturierung induzierten Oxidschichtbildung auf den Reibkoeffizienten analysieren zu können. Dabei wurde am Beispiel von Titan gezeigt, dass es bei gleicher Oberflächentopographie und tribologischen Messparametern ausschließlich aufgrund von lokal unterscheidbaren Zusammensetzungen von Oxidschichten zu zwei grundsätzlich verschiedenen Einlaufvarianten kommen kann. In einem Fall ist keine Abweichung des Einlaufs zur unstrukturierten Referenz erkennbar während es im zweiten Fall zu einer deutlichen Reibreduzierung kam. Es wurde gefolgert, dass eine Oberflächenstrukturierung bei gleichzeitiger Beeinflussung der Oberflächenchemie auch zu keinerlei Beeinflussung des Reibkoeffizienten führen kann. Weiterhin wurde anhand von strukturierten Nickelproben gezeigt, dass es im Falle einer Strukturierung mittels Pikosekundenlaserinterferenz von Grund- und Gegenkörper zu Anisotropieeffekten bzgl. des Reibkoeffizienten kommt. Dies konnte sowohl bei Paarung der gleichen Strukturgrößen, als auch bei unterschiedlichen Strukturgrößen, welche kein periodisches Vielfaches voneinander darstellen, nachgewiesen werden. Wird der Gegenkörper hingegen nicht strukturiert, bleiben die Anisotropieeffekte entgegen der Aussage von Gachot et al. aus. Dies konnte erneut auf die verstärkte Bildung einer Oxidschicht im Falle der Verwendung eines Pikosekundenlasers zurückgeführt werden. Somit wurde gefolgert, dass die Art der Oxidation die Art der Oberflächenstrukturierung hinsichtlich der Beeinflussung des Reibkoeffizienten dominiert, die Kombination beider Einflussgrößen allerdings zu einem Synergieeffekt führen kann. Schließlich ermöglichte die Verwendung eines Holographiemikroskops in Zusammenarbeit mit Prof. Dienwiebel die in-situ Modellierung der realen Kontaktfläche während des Einlaufbereichs strukturierter Wolframproben. Hierbei war es möglich, im Falle des Abtrags der Oxidschicht eine direkte Korrelation zwischen Kontaktfläche und Reibkoeffizient herzustellen. Auf diese Weise kann für den gegebenen Fall sogar eine Vorhersage der Entwicklung des Reibkoeffizienten bei gemessener realer Kontaktfläche erfolgen. So wäre es in weiteren Arbeiten denkbar, bei bekannter und konstanter tribochemischer Kontaktsituation aus Oberflächenaufnahmen den Reibverlauf zu ermitteln. Das Projekt hat letztlich entscheidende Erkenntnisse zum Verständnis des Einlaufprozesses metallischer Oberflächen und den dominierenden Systemeinflussgrößen geliefert. Es dient daher als wertvoller Ausgangspunkt für weitere Forschungsvorhaben. Überraschenderweise konnte mit Hilfe des Pikosekundenlasers entscheidende Erkenntnisse zum Einfluss des Oxidationsverhaltens von strukturierten Oberflächen auf den Reibkoeffizienten gewonnen werden. Auf diese Weise war es möglich, trotz der Geräteausfälle, wichtige Informationen zum Verständnis des Einlaufprozesses zu gewinnen. Des Weiteren zeigte sich, dass die durch den Pikosekundenlaser aufgebrachten Oxidschichten den Nanosekundenlaser, in Bezug auf Verschleißbeständigkeit, überlegen sind. So erwies sich der anfängliche Nachteil der starken Oxidation im Nachhinein als echter Vorteil, welcher gezielt eingesetzt werden kann.
