Der Einfluss des Mikro- und Nassstrahlens auf die Haftung und die tribologischen Eigenschaften von diamantähnlichen Kohlenstoffschichten (a-C:H) auf Stahl (100Cr6)

Matthias Kachel
2018
Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM im Geschäftsfeld Tribologie in der Arbeitsgruppe "Tribologische Schichtsysteme". An dieser Stelle gebührt einer Reihe von Menschen Dank, die zu einem erfolgreichen Abschluss dieser Arbeit beigetragen haben. Allen voran Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Matthias Scherge, der als Betreuer innerhalb vieler Diskussionen einen wesentlichen Beitrag zur wissenschaftlichen Qualität dieser Arbeit geleistet hat. Außerdem
more » ... tet hat. Außerdem Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze für die Übernahme des Korreferats und die überaus wertvollen Hinweise, insbesondere zu allen Bereichen des Strahlens. Dipl. Phys. Bernhard Blug sei gedankt für die tägliche Betreuung und die kritischen Beurteilungen der Ergebnisse, die zu vielen der gewonnenen Erkenntnisse führten. Ein besonderer Dank gilt meinen Arbeitskollegen Stefan Schnakenberg, Manuel Mee, Matthias König und Norman Virgens, die sowohl in wissenschaftlicher, als auch in technischer Hinsicht eine unverzichtbare Hilfestellung geleistet haben. Dominic Linsler (KIT Karlsruhe) sei gedankt für die Anfertigung der FIB-Schnitte. Zuletzt gebührt meiner Familie ein besonderer Dank für die jahrelange Unterstützung, ohne die diese Arbeit nicht möglich gewesen wäre. Diese Arbeit wurde finanziert durch die deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, GZ: ME 3814) und die Dr. Axel Münch Stiftung. i Kurzfassung Die Strukturierung von Oberflächen ist eine weit verbreitete Methode, um die Haftung von Beschichtungen jeglicher Art zu verbessern. Besonders häufig wird diese Methode bei der Herstellung von Spritzschichten verwendet, bei CVD-Beschichtungen hingegen wird meist mit Zwischenschichten zur Verbesserung der Adhäsion gearbeitet. Innerhalb dieser Arbeit wurde bei der Abscheidung von wasserstoffhaltigen Kohlenstoffschichten (a-C:H) mittels PECVD auf Stahl die Verwendung von Zwischenschichten mit einer gezielten Oberflächenstrukturierung kombiniert und deren Auswirkungen auf die Schichteigenschaften untersucht. Die Oberflächenvorbereitung erfolgte über ein kombiniertes Strahlverfahren aus Mikro-und Nassstrahlen. Das Mikrostrahlen mit Wolframkarbidkugeln (70 µm) sorgt für die Einstellung einer definierten Oberflächentopografie und die Implantation von Strahlmittelrückständen. Das Nassstrahlen entfernt lose Rückstände und reduziert einzelne Rauheitsspitzen. Innerhalb einer ausgedehnten Parameterstudie konnten Oberflächen generiert werden, die zu einer verbesserten Schichthaftung führen. Zum einen bewirkte die Oberflächentopografie eine verbesserte mechanische Verankerung der DLC-Schicht, zum anderen fungierten die implantierten Strahlmittelrückstände als Haftvermittler. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die aufgeraute Substratoberfläche ebenfalls das Schichtwachstum und somit die gesamte Schichtstruktur beeinflusst. Gegenüber polierten Oberflächen ist die Folge eine erheblich veränderte mikrostrukturelle Schichtschädigung, die die Tendenz zu kohäsiven Versagensanteilen erhöht. Die mikrostrukturelle Schädigung erfolgt aufgrund der veränderten Kontaktmechanik der rauen Schichtoberfläche unter Last in einer Art Segmentierung. So kann die DLC-Schicht höhere Lasten bis zum kritischen Versagen ertragen und kann der plastischen Verformung des Substrats besser folgen. iii Die veränderte Kontaktmechanik und mikrostrukturelle Schädigung hat zusätzlich zu einer erhöhten Lebensdauer bei tribologischen Untersuchungen geführt, indem Delamination aufgrund von Grenzflächenermüdung später eintritt. Die DLC-Schichten auf gestrahlten Substraten zeigen gegenüber polierten im tribologischen Kontakt zudem ein ausgeprägtes Einlaufverhalten mit verringertem Reibwert und eine veränderte Tribochemie. Beides konnte mit den Oberflächeneigenschaften korreliert und mit den durch das Strahlen veränderten Schichteigenschaften begründet werden. iv Abstract Surface roughening is a widely used method to improve the adhesion of a lot of different coatings. While it is common practice upon plasma spraying, the adhesion of CVD coatings is mostly improved by the deposition of a metal containing adhesion layer. In this work, both methods were combined to improve the adhesion of hydrogenated diamond-like carbon coatings (a-C:H) on steel deposited via PECVD. Surface roughening was achieved by combining micro peening and wet abrasive blasting. Micro peening was performed using tungsten carbide globular grains with an average size of 70 µm, in order to generate a defined surface topography and to implant peening residuals into the substrate surface. Abrasive blasting as post-treatment was used to remove loose residuals and smoothen high roughness peaks. Within an extensive parameter study of the peening process, a variety of different surfaces were created which led to an improved adhesion. The increased roughness enhanced the mechanical interlocking between coating and substrate. The implanted peening residuals of tungsten carbide act as adhesion layer and therefore enhanced its chemical affinity to the steel substrate. Beside, it was shown that the roughened surface influenced the coating growth in a manner that the coating surface as well as the coating structure was changed distinctly. As a consequence, the coating on peened surfaces showed a complete different microstructural damage under load and an increase in cohesive failure compared to coatings on polished surfaces. The microstructural damage arose alongside a segmentation of the coating that was able to withstand higher loads until critical failure occured. Furthermore, the coating could follow plastic deformation of the substrate better. v It could be shown that the changed microstructural damage and a change of the contact mechanics on the rough surfaces can enhance the lifetime of the coating under cyclic load in tribological experiments. Moreover, DLC on the peened surfaces showed a pronounced running-in behaviour with a reduced coefficient of friction and a changed tribochemistry. Both effects could directly be correlated to the substrate surface properties and could be explained with the coating properties that were modified by the shot peening process.
doi:10.5445/ir/1000086029 fatcat:ngssg3hr7zbf7pq44mxuqpave4