Physikalisch-chemische Wirkmechanismen zwischen DLC-Beschichtungen und additivierten Schmierstoffen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Kirsten Bobzin; Professor Dr.-Ing. Karsten Stahl
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 299147040

Aus der weltweiten Sensibilisierung für die Gefahren des Klimawandels und der Forderung zur Reduzierung der Emissionen klimaschädlicher Gase resultieren stetig steigende Anforderungen an die Energieeffizienz von tribologischen Systemen. Eine wichtige Technologie zur Effizienzsteigerung von Antriebssystemen stellt die Beschichtung von Maschinenelementen mit amorphen Kohlenstoffbeschichtungen (engl. diamond-like carbon, DLC) aufgrund der erzielbaren sehr günstigen Reibungs- und Verschleißeigenschaften dar. Zunehmend rückt der tribologische Einsatz von Kohlenstoffbeschichtungen im Bereich der Vollschmierung in den Fokus der Forschungsanstrengungen. Unter Schmierung muss jedoch die gegenseitige Wechselwirkung von beschichteter Bauteiloberfläche und Schmierstoff berücksichtigt werden. Dies ist insbesondere von großem Forschungsinteresse, da industriell eingesetzte Schmierstoffe üblicherweise für den Einsatz im Kontakt mit eisenbasierten Werkstoffen entwickelt wurden. Die von eisenhaltigen Oberflächen bekannte Ausbildung tribochemischer Reaktionsschichten mit den Schmierstoffen und dessen Additiven zur Reibungs- und Verschleißreduzierung können jedoch nicht auf kohlenstoffbasierte Beschichtungen übertragen werden kann. Daraus leitet sich unmittelbar der Forschungsbedarf des beantragen Vorhabens ab. Das übergeordnete Ziel dieses Gemeinschaftsforschungsvorhabens der Forschungsstellen IOT und FZG besteht in der Erforschung der physikalisch-chemischen Wirkmechanismen zwischen der DLC-Beschichtung gradiertes Zirkoniumkarbid (ZrCg) und marktüblichen Schmierstoffen mit industriell gebräuchlichen Additiven im tribologischen Kontakt unter Misch- und Grenzreibungsbedingungen wie auch unter Vollschmierung im elastohydrodynamischen Bereich (EHD). In einem ersten Schritt erfolgt die Herstellung von ZrCg mittels middle frequency Magnetron Sputtering (mfMS). Im Anschluss werden tribologische Modelltests vom Pin-on-Disk-Tribometer über den Zweischeiben- bis zum Zahnradwirkungsgradprüfstand unter Einsatz verschiedener additivierter Schmierstoffe durchgeführt. Durch Anwendung umfassender physikalisch-chemischer Analysemethoden wie Focussed Ion Beam/Rasterelektronenmikroskopie, Sekundärneutralteilchen-Massenspektrometrie und MikroRaman-Spektroskopie werden auf Basis der tribologischen Modelltests die physikalischen und chemischen Wechselwirkungen zwischen der Kohlenstoffbeschichtung ZrCg und Schmierstoff/Additiv-Kombinationen im tribologischen Kontakt untersucht. Durch den Gewinn wichtiger Erkenntnisse über die Mechanismen der Entstehung und Zusammensetzung tribochemischer Reaktionschichten auf DLC-Beschichtungen soll auf diese Weise ein Beitrag zum Verständnis des tribologischen Verhaltens von DLC-Beschichtungen unter Schmierung gewonnen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen