| Titel | Analyse des Reibungs- und Verschleißverhaltens von Niedertemperatur Hybrid dcMS/HPPMS-(Cr,Al)N-Beschichtungen als Alternative zu konventionellen DLC-Beschichtungen |
| Autor | Kirsten Bobzin, Tobias Brögelmann, Ricardo H. Brugnara, Christian Kalscheuer |
| Infos zum Autor | Dipl.-Ing. Christian Kalscheuer, RWTH Aachen University Institut für Oberflächentechnik (IOT), Kackertstr. 15, 52072 Aachen kalscheuer@iot.rwth-aachen.de, 0241/80 96282 Prof. Dr.-Ing. Kirsten Bobzin, info@iot.rwth-aachen.de, 0241/80 95327 M.Sc. Tobias Brögelmann, broegelmann@iot.rwth-aachen.de, 0241/80 96512 M.Sc. Ricardo H. Brugnara, brugnara@iot.rwth-aachen.de, 0241/80 95577 |
| Inhalt | Zusammenfassung Geringe CO2-Emissionen stellen ein zentrales Ziel der Forschungs- und Entwicklungsarbeit der Automobilindustrie dar. Dies führt zu steigenden Anforderungen an zentrale Motorkomponenten, wie Einspritzpumpenkolben und Kolbenringen, die zyklisch gleitenden Beanspruchungen ausgesetzt sind. Die hieraus folgenden Belastungskollektive können vom eingesetzten Grundwerkstoff häufig nicht mehr ertragen werden. Einen Lösungsansatz stellt der Einsatz verschleiß- und reibungsreduzierender Beschichtungen auf tribologisch hochbeanspruchten Motorkomponenten dar. Industriell weit verbreitet sind Diamond-like-Carbon (DLC)-Beschichtungen, da sie in vielen Anwendungen zur Reibungsreduzierung und zum Verschleißschutz beitragen. Diese Beschichtungen weisen allerdings eine vergleichsweise niedrige Belastungsgrenze hinsichtlich dauerhaft ertragbarer Temperaturbelastungen auf. Eine vielversprechende Alternative stellen diesbezüglich nitridische Physical Vapor Deposition (PVD)-Hartstoffschichten dar. Seitens der Prozesstechnik ermöglicht das High Power Pulsed Magnetron Sputtering (HPPMS) eine Steigerung der mechanischen Schichteigenschaften und der Homogenität der Schichtdickenverteilung insbesondere auf Bauteilen komplexer Geometrie. Das Ziel der Arbeit besteht in einer Analyse des nitridischen Schichtsystems (Cr,Al)N hinsichtlich des Verschleißverhaltens unter Minimalmengenschmierung bei erhöhter Einsatztemperatur. Die Herstellung der Schichtsysteme unter Variation des Cr/Al-Verhältnisses erfolgte am Institut für Oberflächentechnik (IOT) 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 Schicht- und Verbundanalyse wurde in Auslagerungsversuchen bei T = 600 ?C die thermische Stabilität der Beschichtungen nachgewiesen. Anschließend wurde der Einfluss des Cr/Al-Verhältnisses auf das tribologische Verhalten untersucht. Hierzu wurden tribologische Modelltests bei reversierend gleitender Belastung unter Minimalmengenschmierung im Schwing-Verschleiß-Tribometer (SVT) mit einem kommerziell verfügbaren Schmierstoff durchgeführt. Als Referenz wurden der unbeschichtete, gasnitrierte Substratwerkstoff X90CrMoV18 (1.4112) und eine mittels middle frequency Magnetron Sputtering (mfMS) hergestellte (Cr,Al)NReferenzbeschichtung betrachtet. Unter den gegebenen tribologischen Bedingungen konnte abhängig vom Cr/Al-Verhältnis eine signifikante Verschleißreduktion durch die dcMS/HPPMS-Hybrid (Cr,Al)N-Beschichtungen erreicht werden. Die untersuchten (Cr,Al)N-Beschichtungen stellen somit eine vielversprechende Lösung zum Verschleißschutz alternativ zu DLC-Beschichtungen dar. Abstract Reduction of CO2 emissions is a main goal of research and development in the automotive industry. This results in continuously increasing demands on central engine components such as pistons of injection pumps and piston rings. These components are required to operate under periodically sliding conditions, which often exceed the load carrying capabilities of the base material. Therefore, friction and wear reducing coatings such as diamond-likecarbon (DLC) are applied on highly stressed engine components. However, DLC coatings exhibit comparatively low temperature stability. A promising alternative in this regard are nitride hard coatings applied by physical vapor deposition (PVD). In order to produce 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 to evaluate the tribological behavior of the nidride hard coating (Cr,Al)N under minimum quantity lubrication at elevated operating temperatures. At Surface Engineering Institute (IOT) (Cr,Al)N coatings with different Cr/Al ratios 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. By means of an annealing test at T = 600 ?C the thermal stability of the (Cr,Al)N coating was demonstrated. The tribological behavior of the coatings was tested in a reciprocating sliding tribometer (RST) under minimum quantity lubrication with a commercially available lubricant. Furthermore, the tribological tests were conducted with an uncoated nitrided substrate steel AISI 440B (X90CrMoV18, 1.4112) and with a (Cr,Al)N reference coating deposited by middle frequency magnetron sputtering (mfMS). Under the given tribological conditions depending on the Cr/Al ratio a significant wear reduction was observed for the dcMS/HPPMS hybride (Cr,Al)N coatings. Therefore, the investigated (Cr,Al)N coatings are a promising alternative for DLC coatings in order to reduce wear in tribological systems. |
| Datum | 2015 |
