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AR Monatliches Archiv: Februar 2020
Einfluss von Luftfeuchtigkeit auf die Tribologie von DLC-Beschichtungen
Bedeutung der Abnutzungsbewertung von DLC bei Luftfeuchtigkeit
Beschichtungen aus diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) verfügen über verbesserte tribologische Eigenschaften, nämlich eine hervorragende Verschleißfestigkeit und einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten (COF). DLC-Beschichtungen verleihen Diamanteigenschaften, wenn sie auf verschiedenen Materialien abgeschieden werden. Aufgrund ihrer günstigen tribomechanischen Eigenschaften sind DLC-Beschichtungen in verschiedenen industriellen Anwendungen bevorzugt, beispielsweise für Teile in der Luft- und Raumfahrt, Rasierklingen, Metallschneidewerkzeuge, Lager, Motorradmotoren und medizinische Implantate.
DLC-Beschichtungen weisen unter Hochvakuum und trockenen Bedingungen einen sehr niedrigen COF (unter 0,1) gegenüber Stahlkugeln auf12. DLC-Beschichtungen reagieren jedoch empfindlich auf Veränderungen der Umweltbedingungen, insbesondere der relativen Luftfeuchtigkeit (RH).3. Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit und Sauerstoffkonzentration können zu einem erheblichen Anstieg der COF führen4. Zuverlässige Verschleißbewertung bei kontrollierter Luftfeuchtigkeit simuliert realistische Umgebungsbedingungen von DLC-Beschichtungen für tribologische Anwendungen. Benutzer wählen durch einen entsprechenden Vergleich die besten DLC-Beschichtungen für ihre Zielanwendungen aus
des DLC-Verschleißverhaltens bei unterschiedlicher Luftfeuchtigkeit.
Messung Zielsetzung
Diese Studie stellt den Nanovea vor Tribometer Ausgestattet mit einem Feuchtigkeitsregler ist das ideale Werkzeug zur Untersuchung des Verschleißverhaltens von DLC-Beschichtungen bei verschiedenen relativen Luftfeuchtigkeiten.
Testverfahren
Reibung und Verschleißfestigkeit von DLC-Beschichtungen wurden mit dem Nanovea Tribometer bewertet. Die Testparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Ein an der Tribokammer angebrachter Feuchtigkeitsregler regelte die relative Luftfeuchtigkeit (RH) präzise mit einer Genauigkeit von ±1%. Verschleißspuren auf DLC-Beschichtungen und Verschleißnarben auf SiN-Kugeln wurden nach Tests mit einem optischen Mikroskop untersucht.
Hinweis: Jedes feste Kugelmaterial kann verwendet werden, um die Leistung verschiedener Materialkopplungen unter Umgebungsbedingungen wie Schmiermittel oder hohen Temperaturen zu simulieren.
Ergebnisse und Diskussion
DLC-Beschichtungen sind aufgrund ihrer geringen Reibung und überlegenen Verschleißfestigkeit hervorragend für tribologische Anwendungen geeignet. Die Reibung der DLC-Beschichtung zeigt ein feuchtigkeitsabhängiges Verhalten, wie in Abbildung 2 dargestellt. Die DLC-Beschichtung zeigt einen sehr niedrigen COF von ~0,05 während des gesamten Verschleißtests unter relativ trockenen Bedingungen (10% RH). Die DLC-Beschichtung weist während des Tests einen konstanten COF von ~0,1 auf, wenn die RH auf 30% ansteigt. Die erste Einlaufphase der COF wird in den ersten 2000 Umdrehungen beobachtet, wenn die relative Luftfeuchtigkeit über 50% steigt. Die DLC-Beschichtung zeigt eine maximale COF von ~0,20, ~0,26 und ~0,33 bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50, 70 bzw. 90%. Nach der Einlaufphase bleibt der COF der DLC-Beschichtung konstant bei ~0,11, 0,13 und 0,20 bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50, 70 bzw. 90%.
In Abbildung 3 werden die Verschleißspuren der SiN-Kugel und in Abbildung 4 die Verschleißspuren der DLC-Beschichtung nach den Verschleißtests verglichen. Der Durchmesser der Verschleißnarbe war kleiner, wenn die DLC-Beschichtung einer Umgebung mit geringer Luftfeuchtigkeit ausgesetzt war. Während des wiederholten Gleitvorgangs an der Kontaktfläche sammelt sich eine DLC-Schicht auf der SiN-Kugeloberfläche an. In dieser Phase gleitet die DLC-Beschichtung gegen ihre eigene Transferschicht, die als effizientes Schmiermittel die Relativbewegung erleichtert und den durch Scherverformung verursachten weiteren Massenverlust eindämmt. In der Verschleißnarbe der SiN-Kugel wird in Umgebungen mit niedriger Luftfeuchtigkeit (z. B. 10% und 30%) ein Übertragungsfilm beobachtet, der zu einem verlangsamten Verschleißprozess der Kugel führt. Dieser Verschleißprozess spiegelt sich in der Morphologie der Verschleißspur der DLC-Beschichtung wider, wie in Abbildung 4 dargestellt. Die DLC-Beschichtung weist in trockenen Umgebungen eine kleinere Verschleißspur auf, was auf die Bildung eines stabilen DLC-Übertragungsfilms an der Kontaktfläche zurückzuführen ist, der die Reibung und die Verschleißrate erheblich verringert.
Schlussfolgerung
Luftfeuchtigkeit spielt eine entscheidende Rolle für die tribologische Leistung von DLC-Beschichtungen. Die DLC-Beschichtung verfügt über eine deutlich verbesserte Verschleißfestigkeit und eine überlegen niedrige Reibung unter trockenen Bedingungen aufgrund der Bildung einer stabilen Graphitschicht, die auf das gleitende Gegenstück (in dieser Studie eine SiN-Kugel) übertragen wird. Die DLC-Beschichtung gleitet auf ihrer eigenen Übertragungsschicht, die als effizientes Schmiermittel fungiert, um die Relativbewegung zu erleichtern und weiteren Massenverlust durch Scherverformung einzudämmen. Mit zunehmender relativer Luftfeuchtigkeit wird auf der SiN-Kugel kein Film beobachtet, was zu einer erhöhten Verschleißrate der SiN-Kugel und der DLC-Beschichtung führt.
Das Nanovea Tribometer bietet wiederholbare Verschleiß- und Reibungstests im ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodus, wobei optionale Feuchtigkeitsmodule in einem vorintegrierten System verfügbar sind. Es ermöglicht Benutzern die Simulation der Arbeitsumgebung bei unterschiedlicher Luftfeuchtigkeit und bietet Benutzern ein ideales Werkzeug zur quantitativen Bewertung des tribologischen Verhaltens von Materialien unter verschiedenen Arbeitsbedingungen.
Erfahren Sie mehr über das Nanovea Tribometer und den Laborservice
1 C. Donnet, Surf. Coat. Technol. 100-101 (1998) 180.
2 K. Miyoshi, B. Pohlchuck, K.W. Street, J.S. Zabinski, J.H. Sanders, A.A. Voevodin, R.L.C. Wu, Wear 225-229 (1999) 65.
3 R. Gilmore, R. Hauert, Surf. Coat. Technol. 133-134 (2000) 437.
4 R. Memming, H.J. Tolle, P.E. Wierenga, Thin Solid Coatings 143 (1986) 31
UND NUN ZU IHRER BEWERBUNG
3D-Oberflächenanalyse eines Pennys mit berührungsloser Profilometrie
Bedeutung der berührungslosen Profilometrie für Münzen
Währungen haben in der modernen Gesellschaft einen hohen Stellenwert, da sie gegen Waren und Dienstleistungen eingetauscht werden. Münzen und Scheine zirkulieren in den Händen vieler Menschen. Der ständige Transfer physischer Währung führt zu einer Oberflächenverformung. Nanoveas 3D Profilometer scannt die Topographie von Münzen, die in verschiedenen Jahren geprägt wurden, um Oberflächenunterschiede zu untersuchen.
Münzmerkmale sind für die breite Öffentlichkeit leicht erkennbar, da es sich um alltägliche Gegenstände handelt. Ein Cent ist ideal, um die Stärken der Advanced Surface Analysis Software von Nanovea vorzustellen: Mountains 3D. Mit unserem 3D-Profilometer erfasste Oberflächendaten ermöglichen umfassende Analysen komplexer Geometrien mit Oberflächensubtraktion und 2D-Konturextraktion. Die Oberflächensubtraktion mit einer kontrollierten Maske, einem Stempel oder einer Form vergleicht die Qualität von Fertigungsprozessen, während die Konturextraktion Toleranzen mithilfe einer Dimensionsanalyse identifiziert. Die 3D-Profilometer- und Mountains-3D-Software von Nanovea untersucht die Submikrontopographie scheinbar einfacher Objekte wie Pennys.
Messung Zielsetzung
Die gesamte Oberseite von fünf Pfennigen wurde mit dem Hochgeschwindigkeits-Zeilensensor von Nanovea gescannt. Der innere und äußere Radius jedes Pennys wurde mit der Mountains Advanced Analysis Software gemessen. Eine Extraktion von jeder Pfennigoberfläche in einem Bereich von Interesse mit direkter Oberflächensubtraktion quantifizierte die Oberflächenverformung.
Ergebnisse und Diskussion
3D-Oberfläche
Das Nanovea HS2000-Profilometer benötigte nur 24 Sekunden, um 4 Millionen Punkte in einem 20 mm x 20 mm großen Bereich mit einer Schrittgröße von 10 um x 10 um zu scannen und die Oberfläche eines Pennys zu erfassen. Unten sehen Sie eine Höhenkarte und eine 3D-Visualisierung des Scans. Die 3D-Ansicht zeigt die Fähigkeit des High-Speed-Sensors, kleine Details zu erfassen, die mit dem Auge nicht wahrnehmbar sind. Auf der Oberfläche des Pennys sind viele kleine Kratzer zu erkennen. Textur und Rauheit der Münze in der 3D-Ansicht werden untersucht.
Dimensionale Analyse
Die Konturen des Pennys wurden extrahiert, und die Dimensionsanalyse ergab den Innen- und Außendurchmesser des Kantenmerkmals. Der Außenradius betrug durchschnittlich 9,500 mm ± 0,024, der Innenradius durchschnittlich 8,960 mm ± 0,032. Weitere dimensionale Analysen, die Mountains 3D mit 2D- und 3D-Datenquellen durchführen kann, sind Abstandsmessungen, Stufenhöhe, Ebenheit und Winkelberechnungen.
Oberflächen-Subtraktion
Abbildung 5 zeigt den Bereich, der für die Analyse der Oberflächensubtraktion von Interesse ist. Der Pfennig von 2007 wurde als Referenzoberfläche für die vier älteren Pfennige verwendet. Die Oberflächensubtraktion von der Oberfläche des Pfennigs von 2007 zeigt die Unterschiede zwischen den Pfennigen mit Löchern/Spitzen. Die Gesamtvolumendifferenz der Oberfläche ergibt sich aus der Addition der Volumina der Löcher/Spitzen. Der RMS-Fehler gibt an, wie gut die Oberflächen der Pfennige übereinstimmen.
Schlussfolgerung
Der High-Speed HS2000L von Nanovea scannte fünf Pfennige, die in verschiedenen Jahren geprägt wurden. Die Mountains 3D-Software verglich die Oberflächen der einzelnen Münzen mithilfe von Konturextraktion, Dimensionsanalyse und Oberflächensubtraktion. Die Analyse definiert eindeutig den inneren und äußeren Radius zwischen den Münzen und vergleicht direkt die Unterschiede zwischen den Oberflächenmerkmalen. Mit der Fähigkeit des Nanovea 3D-Profilometers, beliebige Oberflächen mit einer Auflösung im Nanometerbereich zu messen, in Kombination mit den 3D-Analysefähigkeiten von Mountains, sind die möglichen Anwendungen für Forschung und Qualitätskontrolle endlos.
