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The tribological behaviour of MoS2/ta-C double layer coatings deposited by Laser-Arc technology was investigated in vacuum and air. In vacuum environment, the friction coefficient against steel balls varies between 0.005 and 0.02 depending on the contact pressure. At high contact pressures, the friction coefficient is as low as 0.005 and the life time between 340,000 and 500,000 cycles. Furthermore, it is shown that a ta-C base layer improves the performance of MoS2 coating.
Surface analyses were performed before and after the tribological tests by means of SEM, EDX, XRD, and TEM. They show that in the top layer beneath the sliding surface crystallization of the initially quasi-amorphous MoS2 took place. TEM images also verified an orientation of the basal MoS2-lattice planes parallel to the surface.
Mittels lasergesteuerter gepulster Vakuumbogentechnologie (Laser-Arc) wurde eine reihe von reinen MoS2-Schichten sowie Kombinationsschichten aus MoS2 und tetraedrischem amorphen Kohlenstoff (ta-C) hergestellt. Mit diesen Schichtvarianten erfolgten tribologische Tests im Vakuum sowie in Atmosphäre. Dabei wurden im Hochvakuum reibungskoeffizienten bis zu 0,005 gemessen. Durch die Verwendung einer ta-C unterschicht konnte eine Lebensdauer von über 5×105 Lastzyklen erreicht werden. Zudem erwies sich diese unterschicht als vorteilhaft für das tribologische Verhalten der MoS2/ta-C Schichten unter atmosphärischen Bedingungen. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
A series of MoS2 and combined MoS2/ta-C coatings were prepared by lasercontrolled arc evaporation (Laser-Arc) in order to study the tribological coating behaviour under vacuum and atmospheric conditions. Very low friction coefficients down to 0.005 were measured under high vacuum. By using a ta-C underlayer beneath the MoS2 a increased lifetime up to 5×105 load cycles could be obtained. Also under atmospheric conditions the underlayer had a beneficial effect on coating performance.
Slip-rolling resistant thin film ta-C coatings for up to 3.000 MPa of Hertzian contact pressure
(2009)
Wälzbeständigkeit von ta-C Dünnschichten unter hohen Hertzschen Beanspruchungen bis zu 3000 MPa
(2010)
The slip-rolling resistances of hard and stiff thin films under high Hertzian contact pressures can be improved by optimizing the 'coating/substrate systems'. It is known from former investigations that the so-called 'egg-shell' effect is no general hindrance for high slip-rolling resistance of thin hard coatings. The coating stability depends more on specific deposition process and coating/substrate interface design. In this article it is experimentally shown, that pure amorphous carbon thin films with hardness between 15 and 63 GPa can be slip-rolling resistant several million load cycles under a maximum Hertzian contact pressures of up to 3.0 GPa. Whereas all coatings were stable up to 10 million load cycles in paraffin oil at room temperature, reduced coating lifetime was found in SAE 0W-30 engine oil at 120°C. It was shown how the coating hardness and the initial coating surface roughness influence the running-in process and coating lifetime. No clear correlation between coating hardness and coating lifetime could be observed, but friction coefficients seem to be reduced with higher coating hardness. Very low friction down to ~0.03 in unmodified engine oils was found for the hardest ta-C film.------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Die Wälzbeständigkeit von harten und steifen Dünnschichten unter hohen Hertzschen Kontaktpressungen kann durch die Optimierung des 'Beschichtung/Substrat Systems' deutlich verbessert werden. Aus vorangegangenen Untersuchungen ist bekannt, dass der so genannte 'Eierschaleneffekt' kein generelles Hindernis für eine hohe Wälzbeständigkeit für harte Dünnschichten darstellen muss. Die Stabilität der Beschichtungen hängt vielmehr von dem spezifischen Prozessparametern und dem Schicht/Substrat Grenzflächendesign ab. In diesem Artikel wird experimentell nachgewiesen, dass reine amorphe Kohlenstoffdünnschichten mit Härtewerten zwischen 15 und 63 GPa für mehrere Millionen Lastzyklen unter maximalen Hertzschen Kontaktpressungen bis 3.0 GPa überrollbeständig sein können. Während alle Beschichtungen bis 10 Millionen Lastzyklen in Paraffinöl bei Raumtemperatur keine Defekte aufweisen wurde unter Verwendung eines SAE 0W-30 Motorenöls bei 120°C eine Verringerung der Überrollbeständigkeit nachgewiesen. Es wurde nachgewiesen, wie die Schichthärte und ursprüngliche Oberflächenrauheit der Beschichtung den Einlaufprozess und die Lebensdauer beeinflussen. Es konnte keine offensichtliche Korrelation zwischen Schichthärte und Lebensdauer festgestellt werden, allerdings wurde eine scheinbare Reduktion des Reibwertes mit steigender Schichthärte beobachtet werden. Dabei zeigte die härteste ta-C Schicht unter Verwendung des Motorenöls sehr geringe Reibwerte mit ~0.03.