Abriebtolerante DLC-Schichten
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
© Fraunhofer IWM
- Zielsetzung
- Arbeiten und Ergebnisse
- Zusammenfassung
Zielsetzung
Die Kombination aus niedrigem Reibwert, niedrigem Verschleiß und hoher Haftfestigkeit auch in Gegenwart von Verschleißprodukten oder Fremdteilchen soll in diesem Projekt über einen Schichtaufbau mit vielen, zum Teil nanoskaligen Zwischenschichten erreicht werden, wie er schon von kristallinen Hartstoffschichten bekannt ist.
In diesem Projekt sollen Multilayer-DLC-Schichten auf Basis von Fe, Si, B, SiOx und (amorphen bzw. hexagonalem) BN entwickelt werden. Diese sollen die positiven DLC-Eigenschaften (niedriger Reibwert, hohe Verschleißfestigkeit) mit den positiven Eigenschaften der jeweiligen Zwischenschichten kombinieren. So soll die Verschleißfestigkeit und die Temperaturbeständigkeit durch Einbringung von hochverschleißfesten (amorphen bzw. hexagonalen) Bornitrid-Layern erhöht werden. Silizium dotierte DLC-Interlayer sollen als Rissstoppschichten die Haft- und Überrollfestigkeit erhöhen, da Si-dotierte DLC-Layer eine deutlich höhere Risszähigkeit als undotiertes DLC besitzen. Zusätzlich bilden Siliciumoxid-Interlayer thermische und elektrische Barriereschichten. Die Reduktion der Druckeigenspannungen erfolgt durch einen Kombination von DLC-Layern mit höheren (gute tribologische Eigenschaften) und niedrigeren Druckeigenspannungen (weniger gute tribologische Eigenschaften), so dass die Belastung des Interfaces deutlich reduziert wird.
Arbeiten und Ergebnisse
Folgende Arbeitspakete wurden bearbeitet:
- AP 1: Beschichtungstechnologie
- AP 2: Schichtcharakterisierung
- AP 3: Musterteilbeschichtung
- AP 4: Musterteilprüfung
- AP 5: Schichtoptimierung
- AP 6: Modellbildung, Simulation
AP 1 - Beschichtungstechnologie
Im Rahmen dieses Arbeitspakets wurden neuartige Plasma- und Gasführungssysteme erprobt. Diese wurden gebaut und anschließend in die IWM-Labor-PECVD-Anlage integriert. Dieser Prozess war ein iterativer Vorgang, da die geänderten Anlagensysteme auf ihre Prozesstauglichkeit hin überprüft werden mussten. In Zusammenhang mit der durch sie erzeugten Schichtqualität werden neue Lösungen erarbeitet und entsprechend der jeweils herrschenden Randbedingungen für die IWM-Labor-PECVD-Anlage angepasst. Dabei wurde sich auf die Entwicklung einer mikrowellenbasierten Plasmaquelle konzentriert, welche als zusätzliche Plasmquelle zwischen dem Inert- und Reaktivgaskessel der IWM-Laboranlage in das patentierte Anlagenkonzept integriert wurde.
- Bild 1 links: MW-Plasmaquelle
- Bild 1 rechts: IWM-PECVD-Laboranlage
AP 2 - Schichtcharakterisierung
Verschiedenene Multilayer Beschichtungskombinationen aus DLC, amorphem Bornitrid und BCN wurden bei unterschiedlichen Temperaturen auf ihre tribologischen Eigenschaften hin untersucht. So wurde der Temperatureinfluss auf den Reibwert, den Verschleiß und die mechanischen Eigenschaften untersucht. Je nach Schichtzusammensetzung und Schichtkombination reagierten die Multilayerschichten unterschiedlich auf den Temperatureinfluss und die Art der tribologischen Belastung. Nach Auswertung aller Versuche stellte sich heraus, dass nicht die Inhaltsstoffe im speziellen die Schichteigenschaften bestimmen, sondern das durch sie beeinflusste Zusammenwirken von Härte und E-Modul.
Die Darstellungen in Bild 2 zeigen den Effekt des E/H-Verhältnisses auf den Reibungskoeffizienten von verschiedenen DLC-Schichtsystemen.
- Bild 2 links: eisenhaltiges DLC.
- Bild 2 rechts: DLC ohne Zusatzelemente.
Interessanterweise ist das Verhältnis von E/H nicht nur für den sich einstellenden Reibwert wesentlich, sondern bestimmt auch das Verschleißverhalten und damit die Lebensdauer des Schichtsystems. DLC-Schichten kommerzieller Hersteller haben in der Regel einen E/H-Wert von 8 bis 10. Obwohl der Einfluss von Zusatzelementen auf das E/H-Verhältnis nachweisbar ist, ist der Einfluss der Prozessparameter dennoch wesentlich größer. Das beste Verschleißverhalten innerhalb einer Schichtklasse (Zusatzelemente, Multilagen, …) zeigte immer das Schichtsystem mit dem geringsten E/H-Verhältnis.
AP 3, 4, 5 - Musterteilbeschichtung, Prüfung, Optimierung
Während des Projekts wurden die ausgewählten Musterteile der Projektpartner beschichtet und getestet.
Zum Beispiel wurden verschieden Typen von Multilagenschichten auf Ventilsteuerschiebern abgeschieden und getestet. Um die unterschiedlichen Schichttypen quantifizieren zu können, wurden die Steuerschieber am IWM auf einem speziell eingerichteten Gleitverschleißprüfstand getestet. Für einen anderen Anwendungsfall wurden Muster einer Schneidstempel/Matrizenkombination beschichtet. Erwartungsgemäß konnten auch die modifizierten amorphen Schichtsysteme den Belastungen eines Schneid- Umformprozesses nicht standhalten. Für Bauteile die der Kraftumlenkung in den Werkzeugen dienen (Wippengelenke) und mit hohen Linienlasten konfrontiert wurden, konnte mit den neuartigen Multilagenschichten praktisch Verschleißfreiheit realisiert werden.
Für die denkbare Anwendung in Chemiepumpen wurden Muster von Lagerbuchsen und Axialscheiben aus austenitischem Stahl einer Spaltrohrpumpe beschichtet. Durch die Multilagen-DLC-Beschichtung der Stahlbuchsen können diese in chemisch aggressiven Medien eingesetzt werden, in denen die Standardvarianten mit flammgespritzten Hartstoffschichten stark korrodieren und dadurch eine sehr kurze Lebensdauer besitzen.
AP 6 - Modellbildung, Simulation
Im Rahmen dieses Arbeitspakets wurden verschiedene Fragestellungen verfolgt.
Es wurde eine Schichtkombination gesucht, welche für die betrachteten Anwendungen theoretisch eine optimale Lösung bietet. Das hauptsächlich das E/H-Verhältnis für das Verhalten des Schichtsystems verantwortlich ist, wie auch praktisch nachgewiesen werden konnte, ergab sich aus der Analyse eines Schichtsystems, welches eine dünne und relativ weiche Decklage hatte. Dieses Schichtsystem konnte viele der geforderten Anforderungen besser erfüllen als vergleichbare Standard-Schichten (Bild 3).
- Bild 3 links: Optimal ist harte Grundschicht (E=110 GPa, H= 1500 HV) ...
- Bild 3 rechts: ... mit weicher Deckschicht (E=50 GPa, H= 750 HV).
Zur Simulation des Verschleißes wurde ein Archard Modell in Abaqus integriert, mit dem der Verschleiß der Schichten inklusive der Verformung simuliert werden kann.
- Bild 4: Modell zur Verschleißberechnung, 3D-Model: Teilkugel auf Platte, Belastungsdauer: 270.000 Zyklen, Verschleißgesetz: Archard angepasst.
Zusammenfassung
Mithilfe von Simulationen konnte im Rahmen dieses Projekts das Modell eines Schichtsystems erarbeitet werden, welches im Rahmen der geforderten Anforderungsprofile als optimal gelten kann.
Die speziellen Design-Vorgaben konnten durch eine modifizierte Anlagentechnik in die Praxis umgesetzt werden. Die Funktion des Schichtsystems wurde anschließend durch den Test beschichteter Versuchsmuster bei den Projektpartnern nachgewiesen.
Abschlussbericht Abriebtolerante DLC-Schichten (PDF)
Partner
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik
www.iwm.fraunhofer.de
GAS-Automation GmbH
www.gas-automation.de
Fritz Stepper GmbH & Co. KG
www.stepper.de
Mewatec Mechanische Werkstatt & Technologie e.K
www.mewatec.de
HERMETIC-Pumpen GmbH
www.lederle-hermetic.com
Eckerle Industrie-Elektronik GmbH
www.eckerle.com
wvib e.V.
www.wvib.de
Bei dem Forschungs- und Entwicklungsprojekt »AT-DLC« mit dem Förderkennzeichen 2-4332.62-IWM/6 handelte es sich um einen Forschungsauftrag des Landes Baden-Württemberg, der aus Mitteln der Landesstiftung Baden-Württemberg gGmbH finanziert wurde.
Durchführungszeitraum: 01.01.2008 bis 31.12.2010
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