Tribo-active HPPMS-PVD (Cr,Al)N coatings
Final Report Abstract
Im abgeschlossenen Projekt wurde erforscht, inwieweit durch die Zugabe triboaktiver Elemente X in (Cr,Al)N-Beschichtungen Reibungs- und Verschleißreduktionen unter tribologischer Beanspruchung infolge der Bildung tribochemischer Reaktionsschichten in Wechselwirkung mit additivierten Schmierstoffen erzielt werden können. Diesem Forschungsvorhaben lag der Ansatz zu Grunde, das bereits in vielen Verschleißschutzanwendungen erfolgreich eingesetzte Schichtsystem (Cr,Al)N so weiterzuentwickeln, dass es auch hinsichtlich Reibungsreduktion eine Alternative zu auf Maschinenelementen etablierten DLC-Beschichtungen darstellt. Zu Beginn des Projektes wurden basierend auf umfangreichen Variationen hinsichtlich Targetzusammensetzung, Kathodenleistung und Kathodenanzahl Niedertemperaturhybridprozesse mittels dcMS/HPPMS entwickelt, die die Herstellung einer (Cr,Al)N-Matrix bei Prozesstemperaturen T < 200 °C ermöglichen. Mit dem Ziel eine verschleißbeständige (Cr,Al)N-Matrix zu entwickeln wurde das Cr/Al-Verhältnis der Beschichtungen variiert und der Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften untersucht. Hierbei hat sich ein Cr/Al-Verhältnis von x = 40/60-50/50 als vielversprechend herausgestellt. Da die (Cr,Al)N-Matrix neben einer Verschleißreduktion aber auch die triboaktiven Elemente X unter tribologischer Beanspruchung zur Verfügung stellen soll, wurde auch eine Matrixvariante mit einem Anteil an hexagonalem AlN entwickelt. Anschließend erfolgte der Einbau der triboaktiven Elemente Mo und W in die (Cr,Al)N-Matrizes. Hierbei hat sich gezeigt, dass die Zugabe der triboaktiven Elemente bei identischer Targetkonfiguration infolge von Rücksputtereffekten zu einer Abnahme des Cr/Al-Verhältnisses führt. Zudem kann durch die Zugabe der triboaktiven Elemente Mo und W die hexagonale AlN-Phase auch bei Cr/Al-Verhältnissen x ≈20/80 unterdrückt werden. Zur Analyse des Einflusses der triboaktiven Varianten (Cr,Al,Mo)N und (Cr,Al,W)N auf Reibung- und Verschleiß infolge tribochemischer Reaktionen mit additivierten Schmierstoffen wurden Versuche im PoD-Tribometer mit S-, S-P- und MoDTC-addiviertem Öl FVA3 durchgeführt. Insbesondere die Zugabe von Mo in Kombination mit hohen Hertzschen Pressungen pH und hohen Temperaturen kann zu signifikanten Reibungsreduktionen führen. Analysen mittels des im Rahmen des Projektes am IOT beschafften MikroRaman-Spektrometers haben die in situ-Bildung der disulfidischen Festschmierstoffe MoS2 und WS2 belegt. Analysen zur Verteilung der gebildeten tribochemischen Reaktionsprodukte in den Verschleißspuren haben jedoch gezeigt, dass diese nicht homogen in der Verschleißspur vorliegen. Die in situ-Bildung von MoS2 und WS2 konnte bei allen hergestellten triboaktiven Varianten und dem Einsatz von S-haltigen Additiven beobachtet werden. Verschleißanalysen mittels CLSM haben jedoch gezeigt, dass bei den triboaktiven Beschichtungen mit niedrigem Cr/Al-Verhältnis Schichtausbrüche bei der tribologischen Beanspruchung auftreten. Dies wird auf die reduzierten mechanischen Eigenschaften Universalhärte HU und Eindringmodul EIT zurückgeführt. E konnte eine schwache Korrelation zwischen Verschleiß und dem Verhältnis HU /EIT2 beobachtet werden. Aufgrund der nachgewiesenen tribochemischen Wechselwirkungen zwischen den triboaktiven Varianten (Cr,Al,Mo)N und (Cr,Al,W)N infolge der in situ-Bildung von MoS2 und WS2 konnte das hohe Potential dieser Beschichtungen belegt und das Projektziel erreicht werden. Es besteht jedoch noch umfangreicher Forschungsbedarf mit dem Ziel Schichtarchitektur und Gehalte triboaktiver Elemente so anzupassen, dass die Bildung triboaktiver Reaktionsschichten verstärkt wird und weitere Reibungs- und Verschleißreduktionen erzielt werden können. In weiteren Untersuchungen sollte zudem das triboaktive Element Cu weiter betrachtet werden, da hierzu Wirkmechanismen zur Reibungs- und Verschleißreduktion bekannt sind [ERE+16], die aufgrund der Komplexität der im abgeschlossenen Vorhaben durchgeführten Arbeiten nicht bertrachtet werden konnten, jedoch ein hohes Potential für zukünftige Forschungsarbeiten bieten. Zudem sollten weitere Additivvariationen vorgenommen werden. Der Umfang der zu leistenden Untersuchungen geht dabei deutlich über das vorliegende Projekt hinaus.
Publications
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(2017) Triboactive CrAlN+X hybrid dcMS/HPPMS PVD nitride hard coatings for friction and wear reduction on components. Surface and Coatings Technology 332 452–463
Bobzin, K.; Brögelmann, T.; Kalscheuer, C.
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Analyse des Reibungs- und Verschleißverhaltens von Niedertemperatur Hybrid dcMS/HPPMS-(Cr,Al)N-Beschichtungen als Alternative zu konventionellen DLC-Beschichtungen. Gesellschaft für Tribologie e.V. (GfT) Tribologie-Fachtagung 2015, Band I, Nr. 56, 2015, ISBN 978-3-9817451-0-8
K. Bobzin, T. Brögelmann, R.H. Brugnara, C. Kalscheuer
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Entwicklung triboaktiver (Cr,Al)N-Beschichtungen im dcMS/HPPMS-Hybridprozess für Maschinenelemente. Gesellschaft für Tribologie e.V. (GfT) Tribologie-Fachtagung 2016, Band II, Nr. 57, 2016, ISBN 978-3-9817451-1-5
K. Bobzin, T. Brögelmann, C. Kalscheuer
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Friction and Wear Analysis of Low Temperature Hybrid dcMS/HPPMS (Cr,Al)N Hard Coatings as Alternative to Conventional DLC Coatings ICT – 20th International Colloquium Tribology 2016, 12.01.-14.01.2016, Ostfildern
K. Bobzin, T. Brögelmann, R.H. Brugnara, C. Kalscheuer
