Haltbare DLC-Beschichtungen
FVA 585 III | IGF-Nr. 21103 N
Haltbarkeit reibungsmindernder Diamond-like Carbon (DLC)-Beschichtungen für Zahnräder
Im Forschungsvorhaben wurden Untersuchungen zur Haltbarkeit von Diamond-like Carbon (DLC)-Beschichtungen für Zahnräder durchgeführt. Hierzu wurden wesentliche Einflussfaktoren auf die Verbundhaftfestigkeit betrachtet und auf Basis abgeleiteter tribologischer Größen eine Methode zur Vorausberechnung kritischer Betriebsparameter ermittelt.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde das am Institut für Oberflächentechnik (IOT) entwickelte gradierte, wasserstoffhaltige und titanhaltige Schichtsystem TiCg betrachtet. Insbesondere die Prozessgröße Biasspannung wurde systematisch variiert, wobei zusätzlich eine Anpassung der Beschichtungstemperatur an die betrachteten Substratwerkstoffe erfolgte. Auf Basis etablierter Methoden zur Schichtcharakterisierung wie dem Scratch-Test und der Rockwell-Eindringprüfung wurden vielversprechende Varianten anschließend an der Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebesysteme (FZG) unter Wälzbeanspruchung auf ihre Haltbarkeit getestet. Dabei wurde ein skalenübergreifender Versuchsansatz von der Messung der Schmierfilmdicke an einem optischen EHD-Tribometer über Reibungsmessungen am FZG-Zweischeibentribometer bis hin zu Haltbarkeitsuntersuchungen an einem FZG-Wirkungsgradverspannungsprüfstand durchgeführt.
Die Ergebnisse zeigen, dass für das betrachtete Schichtsystem eine Steigerung der Haltbarkeit beschichtungsprozessbedingt durch eine Reduzierung der Biasspannung von UB = -200 V auf UB = -100 V erreicht werden kann. Des Weiteren kann die Haltbarkeit auf gleitgeschliffenem 16MnCr5 sowie durch den Einsatz von Schmierstoffen, die zu hohen Schmierfilmdicken im Wälzkontakt führen, erhöht werden.
Die aus den experimentellen Untersuchungen abgeleiteten tribologischen Größen zeigen einen direkten Zusammenhang der Haltbarkeit mit der spezifischen Grenzreibleistung im geschmierten Wälzkontakt. Die Erkenntnisse zum Einfluss der Verzahnungsgeometrie verdeutlichen dabei, dass eine Berechnung dieser Größen unter Berücksichtigung der lokalen Eingriffsverhältnisse erfolgen muss.
Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens tragen zu einem vertieften Verständnis der Schichtabtragsmechanismen und Beanspruchungsgrenzen von DLC-beschichteten Zahnrädern bei. Für das betrachtete gradierte Schichtsystem wurden dabei drei Schichtabtragsmechanismen bzw. -formen identifiziert. Eine Zwischenschichtdelamination mit Abtrag bis zum Interlayer der Beschichtung, eine Grenzflächendelamination mit Abtrag bis zum Substratwerkstoff sowie Ausbrücke im Bereich von ca. 100 μm. Abgeleitete tribologische Größen zur Berechnung kritischer Betriebsparameter sind mit analytischen Gleichungen berechenbar und damit auch Anwendern ohne den Zugang zu komplexen numerischen Berechnungsprogrammen zugänglich.
Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 21103 der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages mit den Mitteln der IGF gefördert.
