Superlubricity und tribochemischer Verschleiß: Interaction of Tetrahedral Amorphous Carbon Coatings with Fatty Acid-based Lubricants
Wasserstofffreie tetraedrisch amorphe Kohlenstoffschichten, auch ta-C-Schichten, weisen aufgrund ihrer hohen Härte und Passivität überragende Reib- und Verschleißeigenschaften aus. In zahlreichen Anwendungen führen sie zu nennenswerter Reibungsminderung, höherer Verschleiß- und Fressbeständigkeit sowie besseren Notlaufeigenschaften. Sie sind kompatibel mit konventionellen Schmierölen, Wasser oder können auch trocken eingesetzt werden. In der vergleichsweise jungen Wissenschaft der Schichttribologie gibt es jedoch noch zahlreiche bemerkenswerte Phänomene, die bislang noch nicht ausreichend verstanden wurden. Hierzu zählt die Wechselwirkung von ta-C-Schichten mit fettsäurebasierten Schmierstoffen, welche aus Pflanzenölen gewonnen werden. Die vorhandenen Forschungsarbeiten berichten unter anderem von Supraschmierung (englisch Superlubricity), teilweise auch von starkem Verschleiß. Insbesondere der Supraschmiereffekt, bei dem die Reibungsverluste nahezu vollständig verschwinden, ist in Kombination mit nachhaltigen Schmierstoffen zum Erreichen aktueller klima- und umweltpolitischer Ziele von höchster Relevanz. In der vorliegenden Arbeit wird zunächst die Literatur zur Schmierstoffwechselwirkung von ta-C-Schichten umfassend aufgearbeitet. Anschließend wird die tribologische Interaktion speziell mit fettsäurebasierten Schmierstoffen anhand systematischer Experimente untersucht, wobei verschiedene Parameter, wie beispielsweise Schmiermittel, Temperatur, Flächenpressung und Gegenkörpermaterial eines oszillierenden Kugel-Scheibe-Modellsystems nacheinander variiert werden. Im Ergebnis werden Zustände des tribologischen Systems identifiziert, bei denen trotz höchster Härte der Oberfläche einer sehr starker Verschleiß auftritt. Dieses Phänomen wird als tribochemischer Verschleiß erkannt, von dem sonst sehr geringen abrasiven Verschleiß abgegrenzt und in Bezug auf die vorhandene Literatur eingeordnet. Unter anderen günstigen Umständen kann der Verschleiß an ta-C-Schichten unter der Messgrenze liegen und Supraschmierung auftreten. Sowohl für den tribochemischen Verschleiß als auch die Supraschmierung wird die Rolle der Kohlenstoff-Doppelbindung der Ölsäure herausgearbeitet, welche oft Hauptbestandteil fettsäurebasierter Schmierstoffe ist. Insgesamt können mit der Kombination von ta-C-Schichten und fettsäurebasierten Schmierstoffen verschiedene außergewöhnliche tribologische Eigenschaften erzielt werden. Eine dafür notwendige Systematisierung der möglichen Wechselwirkungen und erforderlichen Parameterfenster sind in dieser Arbeit dargelegt und bieten die Grundlage für eine zukünftige industrielle Anwendung von supraschmierenden Systemen.:Danksagung Abkürzungsverzeichnis 1. Einleitung 2. Grundlagen 2.1 Tetraedrisch amorphe Kohlenstoffschichten 2.1.1 Die Modifikationen des Kohlenstoffs 2.1.2 Klassifikation amorpher Kohlenstoffschichten 2.1.3 Wachstumsmechanismus 2.1.4 Beschichtungsverfahren 2.1.5 Eigenschaften und Struktur 2.1.6 Temperaturstabilität 2.1.7 Strukturaufklärung mit Raman-Spektroskopie 2.1.8 Technische Anwendung 2.2 Tribologie 2.2.1 Geschichte, Definition und Bedeutung 2.2.2 Beschreibung tribologischer Systeme 2.2.3 Reibung und Verschleiß 2.2.4 Schmierung und Stribeck-Kurve 2.2.5 Schmierstoffe 2.2.6 Tribologische Prüfung 2.2.7 Tribologie von Schichtsystemen 2.3 Superlubricity 2.3.1 Geschichte, Definition und aktuelle Bedeutung 2.3.2 Definition und Einteilung 2.3.3 Funktionsmodelle und Beispielsysteme 2.4 Tribologische Eigenschaften von ta-C-Schichten 2.4.1 Überblick 2.4.2 Eigenschaften der Oberfläche 2.4.3 Schmierung mit konventionellen Schmierstoffen und Additiven 2.4.4 Schmierung mit Gasen, feuchter Luft und Wasser 2.4.5 Superlubricity auf ta-C 2.4.6 Rehybridisierung und Grafitisierung 2.4.7 Verschleiß - Größenordnung und Mechanismen 2.4.8 Mechanisch dominierte Verschleißmechanismen 2.4.9 Tribochemische Prozesse 3. Arbeitsziele 4. Experimentelle Methoden 4.1 Tribologische Prüfung 4.1.1 Prüfkörpergeometrie und Flächenpressung 4.1.2 Werkstoffe und Beschichtungen 4.1.3 Verwendete Schmiermittel 4.1.4 Aufbau und Funktion des Tribometers 4.1.5 Versuchsdurchführung 4.1.6 Prüfparameter 4.1.7 Bestimmung der Reibung 4.1.8 Bestimmung des Verschleißes 4.1.9 Einordnung und Relevanz der untersuchten Systeme 4.1.10 Versuchsplanung 4.2 Raman-Spektroskopie 4.3 Mikroskopie 5. Ergebnisse 5.1 Tribochemischer Verschleiß 5.1.1 Referenzzustand 5.1.2 Schmierstoffeinfluss 5.1.3 Struktur der Kohlenstoffphase 5.1.4 Temperatureinfluss 5.1.5 Oberflächenzustand 5.1.6 Gegenkörpermaterial 5.1.7 Quantifizierung und Analyse des Verschleißmechanismus 5.2 Superlubricity 5.2.1 Schmierstoffeinfluss 5.2.2 Relative Schmierfilmhöhe 5.2.3 Rehybridisierung 5.2.4 Materialpaarung 6. Diskussion 6.1 Verschleiß an ta-C-Schichten 6.1.1 Abrasiver und tribochemischer Verschleiß 6.1.2 Tribochemischer Mechanismus 6.1.3 Verschleißkinetik 6.2 Reibungsminderung auf ta-C-Schichten 6.2.1 Ultra-low friction 6.2.2 Superlubricity 6.2.3 Glättung 6.2.4 Schmierungszustand 6.2.5 Bedeutung der Rehybridisierung für Superlubricity 6.3 Forschungsbedarf 7. Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis ; Hydrogen-free tetrahedral amorphous carbon coatings, called ta-C coatings, show superior friction and wear properties due to their high hardness and passivity. In numerous applications, they account for noteworthy friction reduction, increased wear and fretting resistance as well as improved emergency running properties. They are compatible with conventional lubrication oils and water, or can be used without lubricant. In the comparably young science of coating tribology there are further noteworthy phenomena, which are not sufficiently understood. One of them is the interaction of ta-C coatings with fatty acid-based lubricants, which can be derived from vegetable oils. Among other, existing research reports superlubricity and sometimes very strong wear. Especially superlubricity, where friction losses nearly vanish and sustainable lubricants are used, is a topic of utmost relevance to achieve current climate political and environmental goals. In the presented work, the available literature to lubricant interaction of ta-C coatings is comprehensively reviewed. Then, tribological interaction with fatty acid-based lubricants in particular is investigated with systematic experiments, successively varying parameters like lubricant, temperature, contact pressure and counter body material in an oscillating ball-on-flat model system. As a result, conditions of the tribological system are identified in which strong wear occurs, despite highest hardness of the surface. The phenomenon is then attributed to tribochemical wear, distinguished from usually much lower abrasive wear and discussed with respect to existing literature. In other beneficial circumstances, wear decreases below measurability and superlubricity can occur. For both tribochemical wear and superlubricity the role of the carbon double bond in oleic acid is highlighted, which is the main component fatty acid-based lubricants. In summary, various exceptional tribological properties can be achieved when combining ta-C coatings and fatty acid-based lubricants. This work presents both a systematic categorization as well as parameter windows, and thus the foundation for future industrial application of superlubricious systems.:Danksagung Abkürzungsverzeichnis 1. Einleitung 2. Grundlagen 2.1 Tetraedrisch amorphe Kohlenstoffschichten 2.1.1 Die Modifikationen des Kohlenstoffs 2.1.2 Klassifikation amorpher Kohlenstoffschichten 2.1.3 Wachstumsmechanismus 2.1.4 Beschichtungsverfahren 2.1.5 Eigenschaften und Struktur 2.1.6 Temperaturstabilität 2.1.7 Strukturaufklärung mit Raman-Spektroskopie 2.1.8 Technische Anwendung 2.2 Tribologie 2.2.1 Geschichte, Definition und Bedeutung 2.2.2 Beschreibung tribologischer Systeme 2.2.3 Reibung und Verschleiß 2.2.4 Schmierung und Stribeck-Kurve 2.2.5 Schmierstoffe 2.2.6 Tribologische Prüfung 2.2.7 Tribologie von Schichtsystemen 2.3 Superlubricity 2.3.1 Geschichte, Definition und aktuelle Bedeutung 2.3.2 Definition und Einteilung 2.3.3 Funktionsmodelle und Beispielsysteme 2.4 Tribologische Eigenschaften von ta-C-Schichten 2.4.1 Überblick 2.4.2 Eigenschaften der Oberfläche 2.4.3 Schmierung mit konventionellen Schmierstoffen und Additiven 2.4.4 Schmierung mit Gasen, feuchter Luft und Wasser 2.4.5 Superlubricity auf ta-C 2.4.6 Rehybridisierung und Grafitisierung 2.4.7 Verschleiß - Größenordnung und Mechanismen 2.4.8 Mechanisch dominierte Verschleißmechanismen 2.4.9 Tribochemische Prozesse 3. Arbeitsziele 4. Experimentelle Methoden 4.1 Tribologische Prüfung 4.1.1 Prüfkörpergeometrie und Flächenpressung 4.1.2 Werkstoffe und Beschichtungen 4.1.3 Verwendete Schmiermittel 4.1.4 Aufbau und Funktion des Tribometers 4.1.5 Versuchsdurchführung 4.1.6 Prüfparameter 4.1.7 Bestimmung der Reibung 4.1.8 Bestimmung des Verschleißes 4.1.9 Einordnung und Relevanz der untersuchten Systeme 4.1.10 Versuchsplanung 4.2 Raman-Spektroskopie 4.3 Mikroskopie 5. Ergebnisse 5.1 Tribochemischer Verschleiß 5.1.1 Referenzzustand 5.1.2 Schmierstoffeinfluss 5.1.3 Struktur der Kohlenstoffphase 5.1.4 Temperatureinfluss 5.1.5 Oberflächenzustand 5.1.6 Gegenkörpermaterial 5.1.7 Quantifizierung und Analyse des Verschleißmechanismus 5.2 Superlubricity 5.2.1 Schmierstoffeinfluss 5.2.2 Relative Schmierfilmhöhe 5.2.3 Rehybridisierung 5.2.4 Materialpaarung 6. Diskussion 6.1 Verschleiß an ta-C-Schichten 6.1.1 Abrasiver und tribochemischer Verschleiß 6.1.2 Tribochemischer Mechanismus 6.1.3 Verschleißkinetik 6.2 Reibungsminderung auf ta-C-Schichten 6.2.1 Ultra-low friction 6.2.2 Superlubricity 6.2.3 Glättung 6.2.4 Schmierungszustand 6.2.5 Bedeutung der Rehybridisierung für Superlubricity 6.3 Forschungsbedarf 7. Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis
