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From steel to plastics: Friction reducing diamond-like carbon films

 
: Karpinski, S.; Salz, Dirk; Paulkowski, Dominik M.

Tribologie und Schmierungstechnik 63 (2016), Nr.4, S.38-43
ISSN: 0724-3472
ISSN: 0036-6218
Englisch
Zeitschriftenaufsatz
Fraunhofer IFAM ()

Abstract
Plastics are used in a wide field of applications. Their tribological properties are of crucial interest to reduce friction and wear. Thereby the lifetime of the components can be enhanced, for example at applications using gears. The friction of plastics can be reduced by applying diamond-like carbon (DLC) coatings using a plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) process. The tribological properties of the coated and uncoated substrates were investigated using Universal Material Tester (UMT1 and UMT3) systems with oscillating pin-on-plate contact geometry. The tribological tests were ran dry under ambient conditions with velocities of 10 mm/s or 200 mm/s and a stroke length of 11 mm for five minutes. As counterpart an uncoated 100Cr6 steel ball with a diameter of 10 mm was used. For specific tests the counterpart was coated with a diamond-like carbon film as well. In the first instance a basic characterization of the coating was done on steel substrates. Therefore the bias voltage was varied between -400 V and -1200 V in steps of 200 V. All coated substrates showed a reduced friction compared to the uncoated one, achieving the best results with the highest bias voltage. At a normal force of 2 N and a velocity of 200 mm/s the coefficient of friction was reduced by 57 % from 0.53 to 0.23 using an uncoated counterpart. Further reduction of the coefficient of friction up to 61 % from 0.16 to 0.06 was achieved by using a coated counterpart. Additionally to the reduced friction no wear track could be observed using coatings on substrate and counterpart. Applying the a-C:H coatings on plastics substrates (Ultramid A4H PA66), the effect of the friction reduction could be observed as well. The tribological tests using a normal force of 2 N and a velocity of 10 mm/s showed a reduced friction by 25 % from 0.24 to 0.18. Improved loading capacity tests with varied forces between 2 N and 25 N, representing initial Hertzian pressures between 69 MPa and 160 MPa, were performed using a coated Ultramid substrate and a coated steel ball as counterpart. With increasing force the coefficient of friction was only slightly increasing from 0.04 to 0.07.

 

Kunststoffe werden in vielen Anwendungen eingesetzt. Ihre tribologischen Eigenschaften sind von großem Interesse, um Reibung und Verschleiß zu reduzieren. Dadurch kann die Lebensdauer der Komponenten verlängert werden. Dies sind beispielsweise Anwendungen mit Zahnrädern. Die Reibung von Kunststoffen kann durch eine Beschichtung mit diamantartigen Kohlenstoffschichten (DLC, diamond-like carbon) reduziert werden. Die Schichten werden mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) auf die Bauteile abgeschieden. Die tribologischen Eigenschaften der unbeschichteten und beschichteten Substrate wurden mit Hilfe von Universal Material Tester (UMT1 undUMT3) Systemen in oszillierender Pinon-Plate Kontaktgeometrie untersucht. Die tribologischen Untersuchungen wurden trocken bei Umgebungsbedingungen mit Geschwindigkeiten von 10 mm/s oder 200 mm/s und einem Hub von 11 mm für fünf Minuten durchgeführt. Als Gegenkörper wurde eine unbeschichtete 100Cr6 Stahlkugel mit einem Durchmesser von 10 mm verwendet. Für einige Untersuchungen wurde auch der Gegenkörper mit einer diamantartigen Kohlenstoffschicht beschichtet. Zunächst wurde eine Grandcharakterisierung der Beschichtung aufStahlsubstraten durchgeführt. Dazu wurden Schichten bei einer Biasspannung zwischen -400 V und -1200 V in Schritten von 200 V abgeschieden. Alle beschichteten Substrate zeigten eine reduzierte Reibung im Vergleich zum unbeschichteten Substrat, wobei die besten Ergebnisse mit der größten Biasspannung erzielt wurden. Bei einer Normalkraft von 2 N und einer Geschwindigkeit von 200 mm/s wurde bei Verwendung eines unbeschichteten Gegenkörpers der Reibungskoeffizient um 57 % von 0,53 auf 0,23 reduziert. Eine weitere Reduzierung des Reibungskoeffizienten um bis zu 61 % von 0,16 auf 0,06 wurde bei Verwendung eines beschichteten Gegenkörpers erzielt. Zusätzlich zur reduzierten Reibung konnte bei Anwendung von beschichteten Substraten und Gegenkörpern keine Verschleißspur beobachtet werden. Bei der Abscheidung der a-C:H Schichten auf Kunststoffsubstrate (Ultramid A4H PA66) konnte der Effekt der Reibungsreduzierung ebenfalls gezeigt werden. Die tribologischen Messungen mit einer Nonnalkraft von 2N und einer Geschwindigkeit von 10 mm/s zeigten eine Reibungsreduzierung um 25 % von 0,24 auf 0,18. Tests zur verbesserten Tragfähigkeit mit Kräften zwischen 2 N und 25 N, entsprechend initialen Hertz'schen Flächenpressungen zwischen 69 MPa und 160 MPa wurden mit beschichteten Ultramidsubstraten und beschichteten Stahlkugeln als Gegenkörper durchgeführt. Mit steigender Normalkraft stieg der Reibungskoeffizient nur leicht von 0,04 auf 0,07 an.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-423782.html