Harte Kohlenstoffschichten und umweltfreundliche Schmierstoffe - eine passende Kombination

Diamantartige Kohlenstoffschichten (DLC), insbesondere deren härteste Variante ta-C (tetraedrisch amorpher Kohlenstoff), zeichnen sich durch eine hohe Verschleißfestigkeit gepaart mit niedrigen Reibungskoeffizienten selbst unter ungeschmierten Bedingungen aus. Für Anwendungen mit kleiner und mittlerer Belastung sind ta-C beschichtete Gleitpaarungen bereits in schmierstofffreien Anwendungen anzutreffen. Aber auch für Gleitpaarungen unter hohen Belastungen, wo Schmierstoffe aufgrund der Funktionseigenschaften Kühlung, Dämpfung und Korrosionsschutz nicht wegzudenken sind, spielen harte Kohlenstoffbeschichtungen eine zunehmende Rolle. Für mineralölbasierte Schmierstoffe ist das tribologische Verhalten verschiedener DLC-Schichten umfassend beschrieben worden. Weniger bekannt ist hingegen, welche tribologischen Eigenschaften die Kohlenstoffschichten in Wechselwirkung mit umweltfreundlichen Schmierstoffen wie Pflanzenöle und Wasser-basierte Fluide zeigen. Für die Aufklärung der Zusammenhänge wurden im Oszillationstribometer Versuchsreihen mit verschiedenen Fettsäuren, Fettsäureestern und unterschiedlichen wässrigen Lösungen an ta-C Schichten durchgeführt. Die meisten der Versuche fanden in der Kombination ta-C vs. Stahlkugel statt, es wurden jedoch auch ergänzende Versuche mit ta-C vs. ta-C Paarung durchgeführt. Für jeden Versuch wurde der Reibungsverlauf sowie nachträglich der Verschleißkoeffizient der Schicht bestimmt. Im Ergebnis der Tribometermessungen zeigte sich, dass in nahezu allen Fällen mit ta-C Schichten ein signifikant besseres tribologisches Verhalten als mit einem Stahl/Stahl-Kontakt erreicht wird. Für alle wässrigen Lösungen ergibt sich ein recht einheitliches Bild des tribologischen Verhaltens, nahezu unabhängig von der Art der Lösung. Bei Fettsäuren und Fettsäureestern hingegen zeigen sich signifikante Unterschiede. Es kann gezeigt werden, wie sich die Kettenlänge, die Sättigung (Doppelbindung ja/nein) und der sterische Einfluss auf Reibung und Verschleiß auswirken. Sowohl mit bestimmten Fettsäuren als auch Fettsäureestern wurden mit ta-C-Schichten Reibwerte im Superlubricity-Bereich gemessen. Durch begleitende analytische Untersuchungen an den tribologischen Kontaktflächen können Zusammenhänge zwischen Schmierstoffchemie und den offenbar beteiligten tribologischen Mechanismen hergestellt werden.