Diamond-like Carbon

Thermisch stabile DLC-Schichten

© Foto Fraunhofer IST

Vergleich der Schichthärten vor und nach dem Tempern.

© Foto Fraunhofer IST

Bei Raumtemperatur (RT) und bei 450 °C gemessenen Reibkoeffizienten sowie die nach dem Test ermittelten Verschleißdaten.

Aktuelle Entwicklungen der Automobilindustrie, wie z. B. höhere Leistungsdichten, down-sizing oder der Einsatz niedrigviskoser Öle, erfordern den Einsatz von Beschichtungen, die auch bei Temperaturen von bis zu 500 °C langzeitstabil niedrige Reibwerte und geringe Verschleißraten bieten. Bei den heute in der Industrie etablierten diamantähnlichen Kohlenstoffschichten (DLC – Diamond-like Carbon), handelt es sich größtenteils um wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten (a-C:H-Schichten), zunehmend aber auch um wasserstofffreie ta-C-Schichten, die die gewünschten Anforderungen allerdings nur bis ca. 350 °C erfüllen. Ein Ansatz, die Temperaturbeständigkeit von DLC-Schichten zu erhöhen, besteht darin, die DLC-Schichten durch den Einbau zusätzlicher Elemente zu modifizieren. Im Rahmen eines Entwicklungsprojekts mit der Firma IHI Hauzer Techno Coating, Venlo, NL, wurden am Fraunhofer IST unterschiedlich modifizierte DLC-Schichten hinsichtlich ihrer mechanischen und tribologischen Eigenschaften bis 550 °C untersucht.

Schichtherstellung und Hochtemperatur-Tests

In einem ersten Schritt wurden die modifizierten DLC-Schichten von Hauzer Techno Coating in der Hybrid-Beschichtungsanlage Flexicoat® 1200 abgeschieden. Dabei kamen folgende Technologien zum Einsatz:

Als Modifizierungselemente wurden Wolfram und Silizium für die a-C:H-Schichten sowie Wolfram und Wasserstoff für die ta-C-Schichten verwendet. Im Anschluss an eine vierstündige Temperbehandlung bei Temperaturen von bis zu 500 °C in Umgebungsatmosphäre wurden Härte, Verschleiß und Reibkoeffizienten gemessen. Mit dem am Fraunhofer IST verfügbaren Hochtemperatur-Tribometer konnten darüber hinaus die Reibkoeffizienten direkt bei hohen Temperaturen, z. B. bei 450 °C in Normalatmosphäre gemessen werden.

Bewertung verschiedener modifizierter DLC-Schichten

Die Veränderungen der Schichthärte infolge der Temperbehandlung sind in der nebenstehenden Grafik (oben) für sechs ausgewählte Schichtmaterialien dargestellt. Außer bei den mit Wolfram modifizierten wasserstoffhaltigen Schichten a-C:H:W nimmt die Härte zu bzw. bleibt konstant. Darüber hinaus wird deutlich, dass die Rauigkeit der Schichten und auch die Reibkoeffizienten nach dem Tempern leicht abnehmen.

Für alle Schichten wurden bei 450 °C deutlich höhere Reibkoeffizienten als bei Raumtemperatur gemessen (vgl. nebenstehende Grafik, unten). Vergleichsweise geringe Erhöhungen weisen die Schichten ta-C:H und a-C:H:W auf. Für anwendungsorientierte Bewertungen der Schicht-Potenziale wird neben der Reibung auch der Verschleiß betrachtet. Unter Berücksichtigung dieser Kriterien sind z. B. die a-C:H:Si-Schichten, die bei Raumtemperatur die niedrigsten Reibwerte haben, wegen ihres hohen Verschleißes für Hochtemperaturanwendungen in diesem Belastungsregime weniger geeignet. Die durchgeführten Untersuchungen ergeben Hinweise auf die Eignung verschieden dotierter DLC-Schichten für hochbeanspruchte tribologische Paarungen mit thermischen Belastungen bis zu Temperaturen im Bereich von 500 °C.

Ausblick

Die Ergebnisse dieser Untersuchungen bilden eine Basis, um reibungs- und verschleißmindernde DLC-Beschichtungen für Automobilkomponenten für den Einsatz bei höheren Temperaturen definieren zu können. Für die Entwicklung sind weitere Untersuchungen und Tests, u. a. unter verschiedenen Belastungskollektiven, geschmierten Bedingungen, variierten Schichtmodifikationen und Tests dieser Beschichtungen auf realen Komponenten in Bearbeitung.

 

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