Der Einfluss des Mikro- und Nassstrahlens auf die Haftung und die tribologischen Eigenschaften von diamantähnlichen Kohlenstoffschichten (a-C:H) auf Stahl (100Cr6)
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Beschreibung
Für die Anwendung von Beschichtungen im Allgemeinen ist deren Haftung von essentieller Bedeutung. Die Schichthaftung von diamantähnlichen Kohlenstoffschichten (DLC; diamond-like carbon) mit einer leicht durchführbaren und kostengünstigen Methode zu verbessern, ist das vorrangige Ziel der vorliegenden Arbeit. Im Speziellen wurde dabei auf Stahloberflächen das Mikrostrahlen mit Wolframkarbid in Kombination mit einem Nassstrahlverfahren angewandt, um die Haftung von wasserstoffhaltigen DLC-Schichten (a-C:H) durch eine Strukturierung der Stahloberfläche zu verbessern. Neben der intensiven Analyse der durch die Strahlmethoden erzeugten Oberflächenzustände, wurden die Schichthaftung sowie das tribologische Verhalten der resultierenden, strukturierten Schichten untersucht.
Innerhalb der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, inwieweit die Haftung von diamantähnlichen Kohlenstoffschichten (DLC; diamond-like carbon) auf Stahl durch eine Vorstrukturierung der Stahloberfläche verbessert werden kann. Die Strukturierung erfolgte dabei über ein kombiniertes Strahlverfahren aus Mikrostrahlen mit Wolframkarbidkugeln (70 µm) und Nassstrahlen mit Edelkorund. Durch Variation der Strahlparameter konnten sehr unterschiedliche Oberflächenzustände erzeugt werden, die hinsichtlich der Topografie (Profilometrie, AFM) und der implantierten Strahlmittelrückstände analysiert wurden. Die Topografie soll dabei die mechanische Verankerung von Schichten erhöhen, die implantierten Strahlmittelrückstände sollen als Haftvermittler fungieren.
Für die anschließend mittels PECVD abgeschiedene DLC-Schicht konnte gezeigt werden, dass die durch das kombinierte Strahlen strukturierte Stahloberfläche zum einen das Wachstum und die Rauheit der Schicht beeinflusst und zum anderen eine verbesserte Haftung bei adhäsivem Schichtversagen bewirkt. Als Maß für die Haftung wurde das durch Rockwell-Indentationen induzierte Delaminationsverhalten herangezogen, das durch mikroskopische Methoden quantifiziert werden konnte. Da die Schicht die Struktur der Stahloberfläche weitestgehend adaptiert, konnte eine veränderte Kontaktmechanik und mikrostrukturelle Schädigung unter der Last des Rockwell-Indenters sowie unter tribologischer Last gezeigt werden. Im Gegensatz zu polierten Oberflächen verteilt sich Schichtschädigung hier auf ein fein verzweigtes Rissnetzwerk, das bei zyklischen Überrollversuchen zu einer gesteigerten Lebensdauer führte. Im trockenen und geschmierten Kontakt konnten zusätzlich ein ausgeprägtes Einlaufverhalten der strukturierten Schichten sowie eine veränderte Tribochemie neben einer Reibwertverringerung nachgewiesen werden.
Autor*in
Matthias Kachel
Themen in »Der Einfluss des Mikro- und Nassstrahlens auf die Haftung und die tribologischen Eigenschaften von diamantähnlichen Kohlenstoffschichten (a-C:H) auf Stahl (100Cr6)«
Fraunhofer IWM diamantähnliche Kohlenstoffschicht Tribologie Kugelstrahlen Oberflächenbearbeitung Schichthaftung Werkstoffingenieure