Physical-chemical interactions between DLC coatings and additivated lubricants
Final Report Abstract
Das Forschungsprojekt lieferte neue Erkenntnisse über die Wechselwirkungen in geschmierten, hochbelasteten DLC/DLC- und DLC/Stahl-Kontakten und deren Auswirkungen auf das tribologische Verhalten. Die SNMS-Analysen zeigen, dass es in den untersuchten Kontakten durch Wechselwirkungen zwischen Oberflächen und Schmierstoff und infolge der gehemmten Wärmeleitung zur Ausbildung von triboinduzierten Schichten kommen kann. In Anwesenheit von Eisen bilden sich auf der Stahloberfläche die bekannten, funktionalen Triboschichten. Zusätzlich kann es dabei zur Anlagerung von Kohlenstoff kommen, dessen Ursprung im thermischen Zerfall des Grundöls und dem Transfer von Kohlenstoff der DLC-Beschichtung liegen kann. Die Herkunft der nachgewiesenen Schwefel- und Phosphor-Additivelemente auf der DLC-Beschichtung kann nicht zweifelsfrei geklärt werden und könnte somit auf der DLC-Oberfläche entstanden sein oder von der Stahloberfläche übertragen worden sein. In den Verschleißspuren von DLC/DLC-Gleitkontakten konnten Spuren von MoS2 mittels Raman-Spektren nachgewiesen werden, was auf die Bildung von tribochemsichen Reaktionsschichten auch auf metallhaltigem, gradiertem Zirkoniumkarbid ZrCg hinweist und somit den Stand des Wissens erweitert. Durch die möglicherweise schwächere Anbindung von MoS2 auf DLC durch Adsorptionskräfte im Vergleich zu chemischen Bindungen an der metallischen Oberfläche ist der messbare Einfluss auf die Reibung klein. Weitere Wechselwirkungen der Oberflächen mit anderen Schmierstoffelementen können darüber hinaus zur Hinderung der selbstschmierenden Wirkung von DLC in Festkörperkontakten führen. PAG-basierte Schmierstoffe zeigen beispielsweise bei hohem Festkörpertraganteil eine höhere Reibungszahl, was mit der Relaxation der Decklage der Beschichtung zusammenhängen kann, wie die Raman-Spektren zeigen. Aus dem Schmierstoff gelöste Wasserstoff-Ionen können hierfür verantwortlich sein. Die Untersuchungen am hochbelasteten Wälzkontakt zeigen insgesamt einen untergeordneten Einfluss der Schmierstoffadditive auf das Reibungsverhalten im Vergleich zu den Grundölen. In DLC/DLC-Wälzkontakten kam es zur Delamination der Beschichtungen, die auf eine Überlastung des tribologischen Systems hinweisen, jedoch weiterer Forschung bedürfen. Eine Übertragung dieser Erkenntnisse auf Zahnräder war aufgrund der Delamination der Beschichtung nicht möglich und unterliegt somit ebenfalls weiterem Forschungsbedarf. Das Verständnis der Wechselwirkungen, die das tribologische Verhalten kohlenstoffbasierter Schichtsysteme in Kombination mit marktüblichen Schmierstoffen und deren industriell gebräuchlichen Additiven beeinflussen, wurde gesteigert. Die Ziele des Forschungsvorhabens wurden damit erreicht. Im Hinblick auf eine spätere Anwendung der DLC-Beschichtung bspw. im Zahnradkontakt können die gewonnen Erkenntnisse als Grundlage für die Fortsetzung des Forschungsvorhabens zur Entwicklung angepasster Schmierstoffe für DLC-beschichtete Bauteile im tribologischen Kontakt dienen. Ein weiterer Ansatzpunkt sind die Mikrostrukturen, die mechanischen Eigenschaften sowie die chemischen Zusammensetzungen der triboinduzierten Schichten. Hierzu sollten ausgewählte Schmierstoffe, Additive und DLC-Beschichtungen in Anlehnung an das vorliegende Vorhaben eingesetzt werden, um auf Basis eines systematischen Ansatzes den Bildungsmechanismus der triboinduzierten Schichten auf DLC-Beschichtungen zu untersuchen. Darüber hinaus kann eine oberflächennahe chemische Analyse dieser mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) erfolgen. Begleitend sollten SNMS-Untersuchungen zur tiefenaufgelösten Abbildung der chemischen Schichtstruktur berücksichtigt und mit Analysen mittels Raman-Spektroskopie verglichen werden. Die Ergebnisse können vor dem Hintergrund der Fachliteratur bezüglich triboinduzierten Schichten auf Stahlwerkstoffen verglichen und interpretiert werden. Zusätzlich sollte eine Methodik zur Analyse der mechanischen Eigenschaften der triboinduzierten Schichten auf DLC mittels Nanoindentation entwickelt werden. Hierbei kann durch weiterführende Nanoscratchversuche das plastische und elastische Verhalten der Reaktionsschichten analysiert werden.
Publications
- Bildung tribochemischer Reaktionsschichten auf amorphen Kohlenstoffbeschichtungen, Tagungsband der 59. Gesellschaft für Tribologie (GfT) Tribologie-Fachtagung 2018, Bd. 2, Seite 64/1-64/11, ISBN: 978-3-9817451-3-9
K. Bobzin, T. Brögelmann, C. Kalscheuer, M. Thiex
- Effects of Lubricants and Additives on Friction in Highly-loaded DLC Contacts, 04.12.2018, Brazilian Tribology Conference (TriboBR) 2018, Florianopolis, Brasilien
E. Maier; T. Lohner; K. Stahl; M. Thiex; C. Kalscheuer; T. Brögelmann; K. Bobzin
- Formation of Tribochemical Reaction Layers on Amorphous Carbon Coatings 19.09.2018, 16th International Conference on Plasma Surface Engineering (PSE) 2018, Garmisch-Partenkirchen
K. Bobzin, T. Brögelmann, C. Kalscheuer, M. Thiex, E. Maier, T. Lohner, K. Stahl
- Formation Mechanisms of Zn, Mo, S and P Containing Reaction Layers on a DLC Coating, 22.05.2019, International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films (ICMCTF) 2019, San Diego, CA, USA
K. Bobzin, T. Brögelmann, C. Kalscheuer, M. Thiex
- Formation of tribochemical reaction layers on a metal modified amorphous carbon coating a-C:H:Zr (ZrCg). Tribology International, Volume 135, 2019, Seite 152-160
K. Bobzin, T. Brögelmann, C. Kalscheuer, M. Thiex
(See online at https://doi.org/10.1016/j.triboint.2019.02.040) - (2020): Formation mechanisms of zinc, molybdenum, sulfur and phosphorus containing reaction layers on a diamond‐like carbon (DLC) coating. In: Materialwiss. Werkstofftech. 51 (7), S. 1009–1030
K. Bobzin, T. Brögelmann, C. Kalscheuer, M. Thiex
(See online at https://doi.org/10.1002/mawe.201900178)
