Surface modification and tribological properties of excimer laser machined ceramics

Für die Endbearbeitung tribologisch beanspruchter Bauteiloberflächen eröffnet die Excimerlaserstrahlbearbeitung neue Wege, die über die Möglichkeiten konventioneller, spanender Verfahren hinausgehen bzw. diese ergänzen. Excimerlaserstrahlung eignet sich sowohl für eine gezielte Modifizierung der Oberflächenmikrotopographie als auch zur Herstellung geometrisch exakt definierter Mikrostrukturen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird erstmals grundlegend und umfassend untersucht, welche Möglichkeiten die Excimer-laserstrahlbearbeitung beinhaltet, um durch eine gezielte Gestal-tung der Oberflächentopographie das Gleit- und Verschleißverhalten keramischer Bauteile zu optimieren. Dabei wird die Excimerlaserstrahlbearbeitung von Keramiken vor dem Hintergrund eines Einsatzes der hergestellten Oberflächen in tribologisch beanspruchten Systemen neu bewertet und weiterentwickelt. Die tribologischen Untersuchungen geben Aufschluß darüber, welche Oberflächentopographien und -strukturen tribologisch vorteilhaft sind und welches Potential das Strahlwerkzeug Excimerlaser zur Herstellung dieser Oberflächen besitzt.Excimer laser processing offers new possibilities for the surface finishing of ceramics which exceed and/or complete the variety of conventional finishing methods. In order to optimize the surface topography of ceramics for lubricated sliding applications, two different ways of surface treatment by excimer laser radiation are examined: One is the homogeneous modification of the surface topography, i.e. reducing or increasing the roughness or waviness of the ceramics depending on the laser processing parameters. The other possibility is the microstructuring of the surface by a mask projection technique. The surface structures act as lubricant pockets and generate hydrodynamic pressures in the lubricant at high sliding velocities and thus support a full lubricant-film separation of the contact bodies of the bearing. The experimental results indicate that the load-carrying capacity of ceramic bearings is improved both by a homogeneous modification of the surface topography and by the microstructuring of the surface. A significant increase of the lubricant film thickness can be achieved for both examined alternatives. The regime of elastohydrodynamic lubrication could possibly be extended to lower sliding velocities; this could minimize wear-intensive boundary lubrication at frequent starting and running-out procedures