Ein Beitrag zur Charakterisierung und Auslegung des Verbundes von Kunststoffsubstraten mit harten Dünnschichten

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14606_Sander_Diss_MB_349.pdf (8.51 MB)
Diss. Reihe Maschinenbau, Band 349

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2020-09-29
Issue Year
2020
Authors
Sander, Thomas
Editor
Franke, Jörg
Hanenkamp, Nico
Merklein, Marion
Schmidt, Michael
Wartzack, Sandro
Publisher
FAU University Press
ISBN
978-3-96147-331-1
Abstract

The tribological requirements are relatively high for plastic components in energy-efficient systems due to the demand of low friction and good wear protection. Numerous established test methods are not suitable for coated plastics because of the very small layer thickness in combination with a comparatively soft polymer as a substrate material. Based on an approach which is generally applicable to coated systems, in this presented work test methods are selected, adapted and developed which are particularly suited for the characterization of thin hard coatings on soft substrates. The Young´s modulus of the coatings is evaluated by a combined method of instrumented indentation test and numerical calculation. By using regression models instead of further FE-simulations it is possible to speed up the subsequent application of the method. A modified scratch test creates multi-axial stress states which are comprehended by FE-simulations. The mechanical limits of the layer-substrate composite are determined and the effects of parameter modifications are illustrated. The impact of thin hard layers on the stiffness and the natural frequencies of the whole component is analytically examined and experimentally tested. The tribological and functional potential for the application on coated roller bearing cages is demonstrated for hard and tribological relevant coatings and compared with common cage materials.

Abstract

Die tribologischen Anforderungen an Kunststoffbauteile in energieeffizienten Systemen mit optimierter Reibung und Verschleißschutz sind hoch. Durch die geringen Schichtdicken in Kombination mit dem verhältnismäßig weichen Kunststoff als Substratwerkstoff sind zahlreiche etablierte Charakterisierungsverfahren nicht für solche Bauteile geeignet. Basierend auf einer Vorgehensweise zur Festigkeitsauslegung, werden in der vorgestellten Forschungsarbeit speziell zur Charakterisierung harter Dünnschichten auf weichen Substratmaterialien geeignete Prüfmethoden ausgewählt, angepasst und entwickelt. Hierfür wird der Schicht-Elastizitätsmodul mit einem kombinierten Verfahren aus Indentierungen und numerischen Berechnungen ermittelt. Regressionsmodelle ersetzen für zukünftige Anwendungen die FE-Simulationen und beschleunigen weitere Auswertungen. Ein modifizierter Ritztest erzeugt gezielt mehrachsige Spannungszustände, die mittels FE-Simulationen nachgebildet werden. So werden die mechanischen Grenzen des Schicht-Substrat-Verbundes ermittelt und die Auswirkungen von Parametermodifikationen illustriert. Der Einfluss von dünnen harten Schichten auf die Steifigkeit und die Eigenfrequenzen des gesamten Bauteils wird analytisch und experimentell untersucht. Für das Anwendungsgebiet der beschichteten Wälzlagerkäfige werden die tribologischen und funktionalen Potentiale für harte und tribologisch relevante Schichten aufgezeigt und gängigen Käfigwerkstoffen gegenübergestellt.

Series
FAU Studien aus dem Maschinenbau
Series Nr.
349
Citation
mb.fau.de/diss
Notes
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-330-4
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