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Organisationseinheit der BAM
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
Einfluss der Topographie von DLC-Schichten auf deren Verhalten unter geschmierter Wälzbeanspruchung
(2004)
Adhesion measurements are presented which were carried out with an atomic force microscope between polymer balls attached to a cantilever and a silicon wafer under ultra high vacuum conditions. In using a silicon surface with a defined structure a correlation between adhesion force and contact area was found. This correlation could partly be explained by the Johnson-Kendall-Roberts model, if a change of the surface energy is assumed as a result of the structuring. For a constant geometric contact area an additional structuring leads to a decrease of the adhesion force.
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).
Diamond like carbon (DLC)-coatings are applied very successfully on computer discs. Sliding friction tests confirm their high performance as dry lubricants with friction coefficients (COFs) below 0.1. In contrast to sliding tests, until very recently most of the DLC-coatings failed in slip-rolling test after fewer cycles than uncoated samples. However, present tests with DLC-coatings of seven different suppliers show a more promising tribological behaviour under slip-rolling conditions. The DLC-coatings were deposited onto steel 100Cr6, HRC 60, with a thickness of 23 ?m. The counter bodies were uncoated, grinded or polished 100Cr6 discs with 30 mm radius of curvature. The tests were performed on a twin disc testing rig (Amsler type) with paraffin oil under boundary/mixed lubrication and rolling with 10% slip. The initial, average Hertzian contact pressure was adjusted to Pm = 1.0, 1.25, and 1.5 GPa. The failure criterion was defined as the occurrence of a single damaged area larger than 1 mm2, which was controlled by optical microscopy (OM). An acoustic emission (AE) measurement system was installed as an additional online control for coating failure. The stressed coatings and the chipping areas were analyzed by OM, SEM, EDX, AFM and Raman spectroscopy.
Until now, the results reveal that a large scatter in lifetime of coatings occurs not only between samples of different coaters but also between the samples of one single batch. The highest lifetime reached by a DLC-coating under these testing conditions is 10 × 106 cycles. That is the highest life time for a coating tested under the testing conditions above in our laboratory so far. The following factors were identified to influence the life time of the coatings: coating thickness, interlayer type, topography of the coatings, counter body roughness and mechanical properties. But the most important factor determining the life time of the coatings is that the coating process does produce homogenous layers free of faults.