| Titel | Entwicklung triboaktiver (Cr,Al)N-Beschichtungen im dcMS/HPPMS-Hybridprozess für Maschinenelemente |
| Autor | Kirsten Bobzin, Tobias Brögelmann, Christian Kalscheuer |
| Infos zum Autor | Prof. Dr.-Ing. Kirsten Bobzin, M.Sc. Tobias Brögelmann, Dipl.-Ing. Christian Kalscheuer RWTH Aachen University, Institut für Oberflächentechnik (IOT), Kackertstr. 15, 52072 Aachen |
| Inhalt | Zusammenfassung Zunehmendes Umweltbewusstsein und steigende Energiekosten sind treibende Faktoren hinter der Entwicklung energieeffizienter Maschinen. Gleichzeitig bedingt eine Erhöhung der Energieeffizienz häufig gesteigerte Leistungsdichten, wodurch der Verschleiß erhöht und somit die Lebensdauer reduziert werden können. Die gesteigerten Anforderungen können oft nicht mehr vom verwendeten Grundwerk¬stoff erfüllt werden. Einen Lösungsansatz stellt der Einsatz von Beschichtungen auf tribologisch hochbean¬spruchten Maschinenelementen dar. Neben Diamond-like Carbon (DLC)-Beschichtungen haben sich im industriellen Einsatz auch nitridische Physical Vapour Deposition (PVD)-Hartstoffschichten bewährt, da sie in vielen Anwendungen zur signifikanten Verschleißreduktion beitragen können und gleich¬zeitig eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweisen. Allerdings besteht hinsichtlich der Reibungsreduktion beim Einsatz nitridischer Hartstoffschichten noch hoher Forschungsbedarf. Einen vielversprechenden Ansatz diesbezüglich stellt die Zugabe triboaktiver Elemente (X) in nitridische Hartstoffschichten dar, welche mit den ein¬gesetzten Schmierstoffen wechselwirken und zur Reibungsreduktion beitragen können. Seitens der Prozesstechnik ermöglicht das High Power Pulsed Magnetron Sputtering (HPPMS) eine Steigerung der mechanischen Schichteigenschaften und der Homo¬genität der Schichtdickenverteilung auf Bauteilen komplexer Geometrie. Das Ziel der Arbeit ist eine Analyse des nitridischen Schichtsystems (Cr,Al)N+W hin¬sichtlich des tribologischen Verhaltens in Wechselwirkung mit additivierten Ölen. Die Herstellung der Schichtsysteme erfolgte in einem Niedertemperatur-Hybridprozess. Durch Einsatz von Hybridprozessen können die Vorteile der Verfahren direct current Magnetron Sputtering (dcMS) und HPPMS kombiniert werden. Im Rahmen einer Schichtanalyse wurden die mechanischen Eigenschaften und die chemische Zusam¬mensetzung der Beschichtungen untersucht. Das Reibungs- und Verschleißverhalten wurde in Tribometerversuchen evalu¬iert. Als Referenz wurden der unbeschichtete, einsatzgehärtete Substrat-werkstoff 16MnCr5E und eine (Cr,Al)N-Referenzbeschichtung betrachtet. Unter den gegebenen tribo-logischen Bedingungen konnte abhängig vom eingesetzten triboaktiven Element W und Additiv eine Reibungsreduktion erreicht werden. Die untersuchten (Cr,Al)N+W-Beschichtungen stellen somit eine viel-versprech¬ende Möglichkeit zur Reibungs¬reduktion in hochbelasteten tribologischen Systemen dar. Abstract Increasing environmental awareness and energy costs are major driving forces behind the development of energy efficient machines. Simultaneously, increased energy efficiency often leads to higher power densities and therefore higher wear rates and reduced life times. The consequences are load spectrums which often exceed the load carrying capabilities of the base material. Therefore, coatings for the application on tribological highly stressed components were developed. Besides diamond-like-carbon (DLC) coatings, nitride hard coatings applied by physical vapor deposition (PVD) show a high potential for wear reduction in industrial applications and also exhibit a high thermal stability. Regarding friction reduction, nitride hard coatings exhibit a high demand for research. A promising approach is the addition of tribo effective elements (X) into nitride hard coatings in order to interact with lubricants and lead to friction reduction. In order to deposit PVD coatings on complex geometries with increased mechanical properties the high power pulsed magnetron sputtering (HPPMS) technology shows high potential. The aim of the paper is the analysis of the tribological interaction between the nitride hard coating (Cr,Al)N+W and doped lubricants. At Surface Engineering Institute (IOT), the coatings were deposited in a low temperature hybrid PVD coating process. Hybrid PVD coating processes allow the combination of the direct current magnetron sputtering (dcMS) technology with the HPPMS technology. The coating and compound properties of the deposited coatings were investigated. The tribological behavior of the coatings was tested in a pin on dics (PoD) tribometer. The uncoated case hardened steel 16MnCr5E and a (Cr,Al)N coating were investigated as reference. Under the given tribological conditions a friction reduction was achieved by adding a tribo effective element W. The investigated (Cr,Al)N+W coatings are therefore a promising approach for friction reduction in highly stressed tribological systems. |
| Datum | 2016 |
