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Der Einfluss des E-Moduls und des Grundöls auf das Wälzverhalten von DLC- und Diamantbeschichtungen
(2004)
Das tribologische Verhalten wird neben den chemischen und physikalischen Eigenschaften der Reibpartner auch von deren Oberflaechentopographie bestimmt. Um deren Beitrag auf die Reibkraft zu untersuchen, wurden daher definierte Rauheitsstrukturen in Siliziumwafer geaetzt. Reibversuche mit einem Mikrotribometer [1, 2] gaben Aufschluss ueber den Einfluss dieser Strukturen auf das Deformationsverhalten im Kontaktbereich. Mit Hilfe der gewonnenen Daten wurde ein Deformationsmodell entwickelt, das eine Abschaetzung der Reibkraft in Abhaengigkeit von der Rauheit erlaubte. Treten starke Adhaesionskraefte im Reibkontakt auf, ist ein inverter Einfluss der Rauheit auf die Reibkraft zu verzeichnen. Um diesen Verlauf weiter zu charakterisieren, wurden mit einem UHV-AFM Adhaesionsmessungen an strukturierten Siliziumwafern durchgefuehrt. Diese zeigen den Verlauf der Adhaesionskraft in Abhaengigkeit von der Groesse der Kontaktflaeche auf. Ein Vergleich dieser experimentell gefundenen Korrelation mit den klassischen Kontaktmodellen machte dabei den Einfluss der Oberflaechenrauheit auf die Groesse der Adhaesionskraft deutlich. Danach ergab sich, dass bei gleicher Kontaktflaeche, aber unterschiedlicher Rauheit sich die Adhaesionskraefte um bis zu einem Faktor 3 unterscheiden. [1] K. Meine, T. Schneider, D. Spaltmann, E. Santner, Wear, 253, 2002, 725-732 [2] K. Meine, T. Schneider, D. Spaltmann, E. Santner, Wear, 253, 2002, 733-738
In situ Acoustic Emission for wear life detection of DLC coatings during slip-rolling friction
(2006)
Different diamond-like carbon (DLC) coatings on a steel substrate (100Cr6) were tested under slip-rolling friction conditions against uncoated counter bodies of the same steel. The initial maximum Hertzian pressure was varied in a range of P0 = 1.52.3 GPa. The friction tests were carried out under dry conditions and with an unadditivated paraffin oil as lubricant. It could be shown that the thickness of the coatings affects the respective wear life. Further, a very important factor for the wear life of a coating under lubricated slip-rolling conditions is the roughness of the surface of the respective counterbody. The wear life tests were monitored by recording in situ the Acoustic Emission (AE) signals. Some causes for a high AE activity could be identified.
Paraffinöl geschmierte Wälztests wurden an extrem harten Diamantschichten auf hartem SSiC Substrat, unterschiedlichen, harten DLC-Schichten auf 100Cr6 Substraten (HRC60) sowie ausgewählten DLC-Schichten auf ungehärtetem Stahl (HRC 20) durchgeführt. Die Wälztests wurden in einem Zweischeibentribometer vom Typ Amsler bei einer anfänglichen, maximalen Flächenpressung nach Hertz von P0=2,3 GPa ausgeführt. Als Abbruchkriterium für die Tests wurde das Erreichen von n=1.000.000 Überrollungen (Langzeittests n=10.000.000 Überrollungen) oder das Auftreten einer Schädigung mit einer zusammenhängenden Fläche von A>1 mm2 festgelegt. Die Wälztests zeigten, dass das harte SSiC Substrat zwar eine stützende Wirkung auf die Diamantschicht hat, diese aber aufgrund von Rissen im Substrat versagte. Ferner gibt es wenigstens zwei DLC-Schichten, die, aufgebracht auf 100Cr6 Scheiben (HRC60), den Wälztests bis n=10.000.000 Überrollungen ohne nennenswerte Schäden widerstanden. Diese Schichten passten sich auch den Verformungen des weichen, stickstofflegierten Stahls (HRC20) an, ohne das es zu größeren Abplatzungen kam (A>1 mm2).
Leichtbaustrategien im Antriebsstrang erhöhen durch Downsizing die Hertz’schen Kontaktpressungen und die mechanischen Lasten. Dadurch müssen neben wälzbeständigen Stählen auch dazu passende reibungsmindernde Konzepte gefunden werden, in der vorliegenden Arbeit wurden alternative, hoch zähe Stähle mit einer Wälzbeständigkeit bis Pomax = 4,2 GPa untersucht, welche mit geeigneten Grundöl- und Additivkombinationen die Reibungszahlen herunter auf 0,025 reduzieren konnten. Diese alternativen Stahllegierungen erlauben nicht nur an der Zahnflanke sehr hohe Kontaktpressungen, sie bieten außerdem entsprechende Zähigkeits- und Festigkeitseigenschaften für den Zahnfuß. In vorangegangenen Untersuchungen wurde eine Vielzahl verschiedener Dünnschichten auf ihre Überrollbeständigkeit unter Extrembeanspruchungen validiert. Allerdings zeigte sich bei den meisten Dünnschichten ein Qualitätsunterschied von Charge zu Charge. Unter Verwendung verschiedener organischer, metallorganischer und anorganischer Additive konnten, sich daran anschließende Versuche, vielversprechende Ergebnisse erzielt werden. Sämtliche Versuche unter extremen Beanspruchungen wurden bei +120°C Öltemperatur auf Zwei-Scheiben-Tribometern vom Typ AMSLER und 2Disk von Optimol Instruments unter Misch-/Grenzreibungsbedingungen durchgeführt und die tribologischen Eigenschaften der neuartigen, unbeschichteten Stähle und in Relation zu leistungsstarken DLC-/ZrCN Dünnschichten gesetzt.