Anwendungsbericht | Tribologie bei kontrollierter Feuchte
Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf die Tribologie von DLC-Beschichtungen
Wie die relative Luftfeuchtigkeit Reibung, Transferfilm und Verschleiß von diamantähnlichem Kohlenstoff verändert
Forschung & experimentelle Prüfung
NANOVEA Laboratory
Gestaltung & Redaktion
Andrew Shore
Einleitung
Beschichtungen aus diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) besitzen verbesserte tribologische Eigenschaften, nämlich hervorragende Verschleißbeständigkeit und einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten (COF). DLC-Beschichtungen verleihen verschiedenen Werkstoffen, auf die sie abgeschieden werden, diamantähnliche Eigenschaften. Ihre günstigen tribomechanischen Eigenschaften machen DLC-Beschichtungen in vielen industriellen Anwendungen bevorzugt, etwa für Luftfahrtbauteile, Rasierklingen, Zerspanungswerkzeuge, Lager, Motorradmotoren und medizinische Implantate.
Warum die Verschleißbewertung von DLC bei Feuchte wichtig ist
DLC-Beschichtungen zeigen unter Hochvakuum und trockenen Bedingungen gegen Stahlkugeln einen sehr niedrigen COF (unter 0,1)1, 2. DLC-Beschichtungen reagieren jedoch empfindlich auf veränderte Umgebungsbedingungen, insbesondere auf die relative Luftfeuchtigkeit (rF)3. Umgebungen mit hoher Feuchte und Sauerstoffkonzentration können zu einem deutlichen Anstieg des COF führen4. Eine zuverlässige Verschleißbewertung bei kontrollierter Feuchte bildet die realen Umgebungsbedingungen von DLC-Beschichtungen in tribologischen Anwendungen nach. Durch einen sachgerechten Vergleich des Verschleißverhaltens von DLC bei unterschiedlicher Feuchte wählen Anwender die beste DLC-Beschichtung für ihre Zielanwendung.
Ziel der Messung
Diese Studie zeigt, dass das mit einem Feuchteregler ausgestattete Tribometer von NANOVEA das ideale Werkzeug ist, um das Verschleißverhalten von DLC-Beschichtungen bei verschiedenen relativen Luftfeuchtigkeiten zu untersuchen.
NANOVEA T200 Compact
Pneumatisches Tribometer
Prüfablauf
Reibung und Verschleißbeständigkeit der DLC-Beschichtungen wurden mit dem Tribometer von NANOVEA bewertet. Die Prüfparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Ein an der Tribokammer angeschlossener Feuchteregler regelte die relative Luftfeuchtigkeit (rF) präzise mit einer Genauigkeit von ±1 %. Nach den Prüfungen wurden die Verschleißspuren auf den DLC-Beschichtungen und die Verschleißkalotten auf den SiN-Kugeln mit einem Lichtmikroskop untersucht.
Hinweis: Jeder feste Kugelwerkstoff kann eingesetzt werden, um das Verhalten unterschiedlicher Werkstoffpaarungen unter Umgebungsbedingungen wie in Schmierstoff oder bei hoher Temperatur nachzubilden.| Parameter | Wert |
|---|---|
| Werkstoff der Probe | Edelstahl SS304 |
| Kugelwerkstoff | SiN |
| Kugeldurchmesser | 6 mm |
| Normalkraft | 2 N |
| Drehzahl | 200 rpm |
| Prüfdauer | 15 min |
| Radius der Verschleißspur | 3 mm |
| Schmierstoff | Keiner |
| Atmosphäre | Luft |
| Temperatur | 24°C (Raum) |
| Luftfeuchtigkeit | 10 %, 30 %, 50 %, 70 % und 90 % |
Tabelle 1: Prüfparameter der Verschleißmessungen.
Ergebnisse und Diskussion
DLC-Beschichtungen eignen sich dank niedriger Reibung und überlegener Verschleißbeständigkeit hervorragend für tribologische Anwendungen. Die Reibung der DLC-Beschichtung zeigt das in Abb. 2 dargestellte feuchteabhängige Verhalten. Unter relativ trockenen Bedingungen (10 % rF) zeigt die DLC-Beschichtung während der gesamten Verschleißprüfung einen sehr niedrigen COF von ~0,05. Steigt die rF auf 30 %, zeigt die DLC-Beschichtung während der Prüfung einen konstanten COF von ~0,1. Steigt die rF über 50 %, ist in den ersten 2000 Umdrehungen eine anfängliche Einlaufphase des COF zu beobachten. Die DLC-Beschichtung zeigt bei 50, 70 und 90 % rF einen maximalen COF von ~0,20, ~0,26 bzw. ~0,33. Nach der Einlaufphase bleibt der COF der DLC-Beschichtung bei 50, 70 und 90 % rF konstant bei ~0,11, 0,13 bzw. 0,20.
| Relative Luftfeuchtigkeit | Maximaler COF (Einlauf) | Stationärer COF |
|---|---|---|
| 10% | – | ~0.05 |
| 30% | – | ~0.1 |
| 50% | ~0.20 | ~0.11 |
| 70% | ~0.26 | ~0.13 |
| 90% | ~0.33 | ~0.20 |
Tabelle 2: COF der DLC-Beschichtung bei verschiedenen relativen Luftfeuchtigkeiten.
Abb. 3 vergleicht die Verschleißkalotten der SiN-Kugeln und Abb. 4 die Verschleißspuren der DLC-Beschichtung nach den Verschleißprüfungen. Der Durchmesser der Verschleißkalotte war kleiner, wenn die DLC-Beschichtung einer Umgebung mit niedriger Feuchte ausgesetzt war. Während des wiederholten Gleitens an der Kontaktfläche lagert sich eine DLC-Transferschicht auf der Oberfläche der SiN-Kugel an. In diesem Stadium gleitet die DLC-Beschichtung gegen ihre eigene Transferschicht, die als effizienter Schmierstoff wirkt, die Relativbewegung erleichtert und weiteren Masseverlust durch Scherverformung begrenzt. In Umgebungen mit niedriger rF (z. B. 10 % und 30 %) ist in der Verschleißkalotte der SiN-Kugel ein Transferfilm zu beobachten, der den Verschleiß der Kugel verlangsamt. Dieser Verschleißprozess spiegelt sich in der Morphologie der Verschleißspur der DLC-Beschichtung wider (Abb. 4). In trockener Umgebung zeigt die DLC-Beschichtung eine kleinere Verschleißspur, weil sich an der Kontaktgrenzfläche ein stabiler DLC-Transferfilm bildet, der Reibung und Verschleißrate deutlich senkt.
Fazit
Die Luftfeuchtigkeit spielt für das tribologische Verhalten von DLC-Beschichtungen eine entscheidende Rolle. Unter trockenen Bedingungen besitzt die DLC-Beschichtung eine deutlich höhere Verschleißbeständigkeit und eine überlegen niedrige Reibung, weil sich eine stabile graphitische Schicht auf den Gleitpartner (in dieser Studie eine SiN-Kugel) überträgt. Die DLC-Beschichtung gleitet gegen ihre eigene Transferschicht, die als effizienter Schmierstoff wirkt, die Relativbewegung erleichtert und weiteren Masseverlust durch Scherverformung begrenzt. Mit steigender relativer Luftfeuchtigkeit ist auf der SiN-Kugel kein Film mehr zu beobachten, was zu einer höheren Verschleißrate an SiN-Kugel und DLC-Beschichtung führt.
Das Tribometer von NANOVEA bietet reproduzierbare Verschleiß- und Reibungsprüfungen in ISO- und ASTM-konformen rotierenden und linearen Modi, mit optionalen Feuchtemodulen in einem vorintegrierten System. Es erlaubt, die Einsatzumgebung bei unterschiedlicher Feuchte nachzubilden, und ist damit das ideale Werkzeug, um das tribologische Verhalten von Werkstoffen unter verschiedenen Einsatzbedingungen quantitativ zu bewerten.
Literatur
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.
Häufige Fragen zur Tribologie von DLC-Beschichtungen bei Feuchte
Warum ist die Luftfeuchtigkeit für DLC-Beschichtungen wichtig?
DLC-Beschichtungen zeigen unter Hochvakuum und trockenen Bedingungen gegen Stahl eine sehr niedrige Reibung (unter 0,1), reagieren aber empfindlich auf Umgebungsänderungen, besonders auf die relative Luftfeuchtigkeit; hohe Feuchte und Sauerstoffkonzentration können die Reibung deutlich erhöhen.
Wie wird der Verschleiß von DLC bei kontrollierter Feuchte geprüft?
Ein Tribometer mit an der Tribokammer angeschlossenem Feuchteregler hält die relative Luftfeuchtigkeit auf ±1 %. Hier lief eine 6-mm-SiN-Kugel auf der DLC-Beschichtung bei 2 N und 200 rpm auf einem Radius von 3 mm 15 Minuten lang bei 10 %, 30 %, 50 %, 70 % und 90 % rF.
Wie veränderte sich die Reibung mit der Feuchte?
Der COF lag bei 10 % rF bei ~0,05 und bei 30 % rF bei ~0,1. Oberhalb von 50 % rF trat in den ersten 2000 Umdrehungen eine Einlaufphase auf, mit Spitzen von ~0,20, ~0,26 und ~0,33 bei 50 %, 70 % und 90 % rF, bevor sich der COF bei ~0,11, 0,13 und 0,20 einpendelte.
Warum ist die DLC-Reibung unter trockenen Bedingungen niedriger?
Während des Gleitens lagert sich auf der Gegenkugel eine DLC-Transferschicht an, sodass die Beschichtung gegen ihren eigenen Transferfilm gleitet. Dieser wirkt als effizienter Schmierstoff und begrenzt den Masseverlust. Der Film bildet sich bei niedriger Feuchte (10 % und 30 % rF), wird bei steigender Feuchte aber nicht beobachtet.
Wie beeinflusste die Feuchte den Verschleiß?
Die Verschleißkalotten der SiN-Kugel waren bei niedriger Feuchte kleiner, und auch die DLC-Beschichtung zeigte dank des stabilen Transferfilms in trockener Umgebung eine kleinere Verschleißspur; der Verschleiß von Kugel und Beschichtung nahm mit der relativen Luftfeuchtigkeit zu.
Wo werden DLC-Beschichtungen eingesetzt?
Dank ihrer hervorragenden Verschleißbeständigkeit und ihres sehr niedrigen Reibungskoeffizienten in Luftfahrtbauteilen, Rasierklingen, Zerspanungswerkzeugen, Lagern, Motorradmotoren und medizinischen Implantaten.
