Untersuchungen zur Tribologie von ta-C-Schichten bei Schmierung mit mehrwertigen Alkoholen und C18-Fettsäuren

Aufgrund der steigenden Vorgaben, CO2-Emissionen einzusparen, nimmt das Interesse an reibungs- und verschleißarmen Hartstoffschichten zu. Diamant-ähnliche Kohlenstoffschichten bieten das Potential sowohl Reibung als auch Verschleiß zu reduzieren. Die Schichten sind sehr vielfältig in ihren Eigenschaften, allerdings müssen die Wechselwirkungen von Schmierstoffen mit den Schichten besser verstanden werden, um das Potential der Schichten nutzen zu können. Die Arbeit beschäftigt sich mit der Tribologie von wasserstofffreien tetragonalen amorphen Kohlenstoffschichten (ta-C). Als Gegenkörpermaterial wird 100Cr6-Stahl verwendet. Es werden verschiedene mehrwertige Alkohole (Ethylenglykol, Glycerol, DL-Threitol) und Carbonsäuren (Stearin-, Öl-, Elaidin-, Linol-, Linolensäure) untersucht, da beide Schmierstoffgruppen Reibwerte unter 0,1 ermöglichen (Ultra-Low Friction Bereich). Während bei Schmierung mit den Alkoholen kein Verschleiß beobachtet wird, wird bei Schmierung mit Carbonsäuren ein hoher Verschleiß beobachtet. Die Untersuchungen liefern damit einen Beitrag zu einem besseren Verständnis der tribologischen Eigenschaften von ta-C-Schichten. Dazu werden tribologische Versuche an einem Schwing-Reib-Verschleiß Tribometer (Oszillation) und mit einer Tribologie-Messzelle (Rotation) durchgeführt. Des Weiteren werden Methoden zur mechanisch-technologischen Schichtcharakterisierung verwendet: Kalottenschleifverfahren, Nanoindentation und Rockwell Eindringprüfung. Außerdem wirddie Morphologie optisch und elektronenoptisch analysiert (Auflicht-, Konfokal- und Elektronenmikroskopie). In ausgewählten Fällen wird die Oberfläche mittels Rasterkraftmikroskopie untersucht (Morphologie, Rauheit) und die Reibwerte mit der Lateralkraftmikroskopie gemessen. Mittels Sekundärionenmassenspektrometrie werden Anlagerungen im Bereich der Reibspur nachgewiesen. Ausgewählte Gegenkörper werden mit der Röntgenphotoelektronenspektroskopie untersucht. Das Benetzungsverhalten wird mittels Kontaktwinkelmessungen analysiert. Änderungen in der Bindungscharakteristik werden im Transmissionselektronenmikroskop mit Hilfe der Elektronenenergieverlustspektroskopie detektiert. Das tribologische Screening der Schmierstoffe zeigt ein für ta-C-Schichten charakteristisches Reibwert-Pressungs-Verhältnis. Mit sinkender Pressung sinken die Reibwerte. Außerdem fällt bei Schmierung mit Ethylenglykol ein spontanes Abfallen des Reibwerts auf, was für die anderen untersuchten mehrwertigen Alkohole nicht der Fall ist. Dieser Reibwertabfall wird genutzt, um Anlagerungen in der Reibspur mit Reibwertniveaus korrelieren zu können. Dazu werden isotopenmarkierte Schmierstoffe verwendet. Zwar können nach dem Reibwertabfall mehr Anlagerungen nachgewiesen werden als vor dem Abfall, da aber auch auf der tribologisch unbelasteten Schicht Anlagerungen nachgewiesen werden, kann der Reibwertabfall nicht allein durch die Anlagerung von Hydroxylgruppen erklärt werden. Die Anlagerung von Hydroxylgruppen wird als Mechanismus für die Reibungsreduzierung angeführt, da dadurch geringe van-der-Waals-Kräfte zwischen den terminierten Oberflächen und den Schmierstoffmolekülen wirken, was die Ausbildung anderer chemischer Bindungen verhindern und damit die Reibung reduzieren kann. Auf den Gegenkörpern wird vor den Messungen weniger Kohlenstoffanlagerung nachgewiesen als nach dem Versuch, was auf die Bildung einer Transferschicht oder auf die Anlagerung von Schmierstofffragmenten hindeutet. Allerdings korrelieren die Reibwertniveaus nicht mit dem angelagerten Kohlenstoff. Plasmabehandelte Schichten bieten die Möglichkeit, die Wechselwirkung der Schicht mit dem Schmierstoff zu modifizieren, wodurch insbesondere die Einlaufzeit reduziert werden kann. Nach der tribologischen Belastung sind in der Schicht strukturelle Veränderungen nachweisbar. Bei Glycerol-Schmierung bewirkt die Selbstanpassung der Schicht eine Stabilitätssteigerung und die Schicht zeigt keine Verschleißerscheinungen. Bei Schmierung mit der ungesättigten Ölsäure bildet sich auf der ta-C-Schicht eine weichere amorphe Kohlenstoffschicht aus, die jedoch keine verschleißreduzierende Wirkung hat. In den Schmierstoffen werden nach den tribologischen Versuchen amorphe, parakristalline und kristalline Verschleißpartikel nachgewiesen. Versuche auf unterschiedlich harten ta-C-Schichten (Variation sp2/sp3-Gehalt) zeigen den erhöhten Gegenkörperverschleiß auf härteren Schichten, wodurch die finalen Effektivreibwerte auf harten Schichten niedriger sind als auf weicheren