Haftungsoptimierte DLC-Schichten durch Konditionierung der Stahloberflächen mittels Plasmanitrieren

• Antragsteller: Professor Dr. Günter Bräuer; Professor Dr.-Ing. Thomas Lampke
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 422219047

Diamantähnliche Kohlenstoffschichten (DLC) sind auf Grund ihrer hervorragenden Eigenschaften für viele tribologische Anwendungen unverzichtbar. Limitierend ist in vielen Fällen die unbefriedigende Schichthaftung bzw. mechanische Belastbarkeit. Ein Lösungsansatz, der bisher kaum genutzt wird, ist die vorherige Plasmanitrierung. Neben einer verbesserten Stützwirkung wurde auch eine verbesserte Schichthaftung beobachtet. Gründe für den bisher geringen Einsatz dieses Lösungsansatzes sind die schlechte Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und der geringe Kenntnisstand über die wirkenden Haftungsmechanismen.Ziel dieses Projektes ist die Identifizierung, Beschreibung und Bewertung der Haftungskriterien von DLC-Schichten auf plasmanitrierten Stahloberflächen. In Vorarbeiten konnte gezeigt werden, dass durch eine Plasmanitrierung von Stahloberflächen eine sehr gute Haftung erzielt werden kann, ohne genauer auf die Ursachen einzugehen. Weiterhin wurde ermittelt, dass die Modifikationen der Oberfläche durch geeignete Parameterwahl während des Nitrierprozesses gezielt einstellbar sind. Diese Ergebnisse bilden die Basis für folgende Arbeitshypothesen: • Die verbesserte Haftung der DLC-Schichten wird durch Veränderungen der Oberfläche hervorgerufen, die beim Plasmanitrierprozess entstehen. Dazu gehören Phasenumwandlungen, Veränderungen der Gitterstruktur, der Löslichkeit und Diffusionsgeschwindigkeit von Kohlenstoff sowie veränderte Reaktionsbedingungen. • Die Korrelationen zwischen diesen Veränderungen und der Haftung sind noch weitgehend unbekannt, können aber experimentell ermittelt werden.• Besonderes Augenmerk wird auf die Kohlenstofflöslichkeit gelegt, da auf diese Weise Diffusionsprozesse bei der Beschichtung gefördert werden könnten, die die Haftung positiv beeinflussen.Darauf aufbauend, werden folgende Teilziele abgeleitet:1. Das Erlangen eines vertieften Verständnisses der Zusammenhänge zwischen den Nitrierparametern und den sich einstellenden Mikrostrukturen und Werkstoffeigenschaften.2. Die Modellierung von Diffusionsvorgängen bei Plasmanitrieren und DLC-Beschichten unter Berücksichtigung der Mikrostruktur.3. Die Aufklärung der Zusammenhänge zwischen den durch Plasmanitrieren einstellbaren Oberflächenmodifizierungen und der Haftung von DLC Schichten.4. Die Identifikation geeigneter Modifikationen von DLC-Schichten, die eine gute Haftung auf plasmanitrierten Oberflächen ermöglichen.Um diese Teilziele zu erreichen, werden geeignete Stähle ausgewählt, unter Variation der Prozessparameter plasmanitriert und umfassend analysiert. Die nitrierten Proben werden dann mit dem PACVD-Verfahren mit DLC beschichtet und bezüglich ihrer Schichthaftung untersucht. Die aus den Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Modellierung und Simulation der im Werkstoff ablaufenden Vorgänge ein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen