Fraunhofer-Gesellschaft

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Tribologisches Verhalten von harten und superharten Kohlenstoffschichten

Tribological behavior of superhard amorphous carbon films
 
: Schultrich, B.; Weihnacht, V.

:

Vakuum in Forschung und Praxis 20 (2008), Nr.1, S.12-17
ISSN: 0947-076X
ISSN: 1522-2454
Deutsch
Zeitschriftenaufsatz
Fraunhofer IWS ()
Reibung; Kohlenstoff; Schicht=nach räumlicher Anordnung; amorphe dünne Schicht; Tribologie; Schmierstoff; Luftfeuchte; Stahl; Wasserdampf; Oberfläche; Werkzeug; Dieseldirekteinspritzung

Abstract
Das Reibungsverhalten amorpher Kohlenstoffschichten wird durch die feste Anbindung monomolekularer Bedeckungen bestimmt. Sie bedingen die sehr geringe Reibung in normaler (feuchter) Luft, ihr Fehlen führt in trockener Luft bzw. im Vakuum zu hohen Reibungszahlen. Mit wässrigen oder öligen Schmierstoffen ergeben sich gewöhnlich keine wesentlichen Verbesserungen des tribologischen Verhaltens. Bei wasserstofffreien ta-C-Schichten gelingt jedoch durch Ankopplung speziell angepasster Schmierstoffgruppen eine weitere deutliche Reduzierung der Reibkräfte. Amorphe Kohlenstoffschichten können zum einen über CVD-Verfahren durch plasmagestützte Zersetzung von Kohlenwasserstoffen abgeschieden werden. Bei der PVD-Abscheidung aus einem Graphittarget werden wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschichten abgeschieden. Mit PVD-Verfahren wie der Puls-Laser-Deposition oder dem Vakuumbogen, die hohe Energien der Beschichtungsteilchen von einigen zehn Elektronenvolt ermöglichen, gelingt die Abscheidung von Schichten mit einem hohen Anteil an Diamantbindungen (taC). Die verschiedenen Typen der harten amorphen Kohlenstoffschichten zeigen beim Schwinggleitversuch gegen Stahl-Gegenkörper gleichartige Abhängigkeiten von der Luftfeuchtigkeit. Dabei liegt die Reibungszahl für ta-C-Schichten unter der für a-C:H-Schichten. Bei hohen und mittleren Luftfeuchtigkeiten sind Schicht- und Gegenkörperverschleiß für ta-C-Schichten geringer als der bei a-C:H-Schichten (wasserstoffhaltiger amorpher Kohlenstoff).Das Reibverhalten im System Kohlenstoff gegen Stahl wird durch den Materialübertrag vom Kohlenstoff zur Stahloberfläche bestimmt. Gleichzeitig wird die Stahl-Randschicht durch die intensive tribologische Belastung zerrüttet und teilweise oxidiert. Es bildet sich damit eine Kontaktschicht aus, die den Gegenkörper schützt und zugleich das Abgleiten begünstigt. Das Tribosystem Kohlenstoff gegen Stahl wird damit in ein System Kohlenstoff gegen Kohlenstoff auf Reaktionsschicht überführt. Die Kohlenstoffoberflächen reiben aber nicht direkt gegeneinander. Durch den in der Luft enthaltenen Wasserdampf sind die Kohlenstoffbindungen an der Oberfläche weitgehend durch Wasserstoff bzw. OH-Gruppen abgesättigt. Die geringe Wechselwirkung zwischen diesen Endgruppen (und nicht etwa das Abgleiten von Graphitebenen) ist die Ursache für die niedrigen Reibungszahlen. Bei geringen Feuchtigkeiten kehren sich diese Verhältnisse um. Dank ihrer unikalen Kombination von geringer Adhäsion, hohem Abrasionswiderstand und chemischer Inertheit setzen sich die amorphen Kohlenstoffschichten - ausgehend von den bisher allein kommerziell verfügbaren a-C:H-Schichten - zunehmend als in vielen Fällen optimale tribologische Beschichtung durch. Vorreiter bei der Bauteilbeschichtung sind die Anwendungen in Dieselseinspritzsystemen, die heute ohne Kohlenstoffbeschichtungen undenkbar wären. Bei Werkzeugen kommen sie naturgemäß wegen der Kohlenstofflöslichkeit der Eisenwerkstoffe für die Stahlzerspanung nicht in Frage, wohl aber für die Zerspanung von Nichteisen-Werkstoffen und für Umformprozesse. Neue Möglichkeiten ergeben sich durch die in jüngerer Zeit bis zur industriellen Reife geführten ta-C-Schichten mit ihrer noch einmal deutlich höheren Härte und ihrer spezifischen Schmierstoff-Wechselwirkung.
Entnommen aus TEMA

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-71495.html