VDI 2840 - Beuth Verlag

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– 16 – VDI 2840 Entwurf Alle Rechte vorbehalten © Verein Deutscher Ingenieure, Düsseldorf 2004 sche Reaktionen [10; 11]. Die Bewertungen in der Tabelle beziehen sich darauf, wie gut die verschiedenen Schichten das Substrat gegen diese Verschleißmechanismen schützen. 5.1.1 Adhäsiv-Verschleißschutz Adhäsion ist die Ausbildung und Trennung von Grenzflächen-Haftverbindungen (z. B. „Kaltverschweißungen“, „Fressen“). Von entscheidender Bedeutung für die Ausbildung von adhäsivem Verschleiß sind stoffliche Wechselwirkungen auf atomarer und molekularer Ebene. Der Verschleißmechanismus beruht darauf, dass bei tribologischer Beanspruchung – besonders bei erhöhten Temperaturen – infolge hoher lokaler Pressungen an einzelnen Rauheitsspitzen schützende Deckschichten durchbrochen werden und lokale Grenzflächenbindungen entstehen (bei Metallen auch Kaltverschweißungen). Weisen diese eine höhere Festigkeit gegenüber den eigentlichen Kontaktpartnern auf, so erfolgt die Trennung bei Relativbewegung der Kontaktpartner nicht in der ursprünglichen Kontakt-Grenzfläche, sondern im angrenzenden Volumen eines Partners. Der Adhäsiv-Verschleißschutz ist bei vielen Anwendungen ähnlich wichtig wie der Abrasiv- Verschleißschutz (siehe Abschnitt 5.1.2). Vor allem im Kontakt mit weichen oder klebrigen Gegenkörpern kommt es oft zu Problemen mit Anhaftungen oder Aufbauschneiden, die zum Herausreißen von Material führen können. Generell ist das Niveau des Adhäsivverschleißschutzes aller Kohlenstoffschichten gegenüber den klassischen Hartstoffschichten, z. B. den nitridischen oder carbidischen Schichten, deutlich höher. Daher werden Kohlenstoffschichten bevorzugt dort eingesetzt, wo nicht nur ein Abrasiv-, sondern auch ein Adhäsiv-Verschleißschutz gefordert wird. Adhäsivverschleiß lässt sich mit Tribometern testen, siehe VDI 3824 Blatt 4. 5.1.2 Abrasiv-Verschleißschutz Abrasion ist definiert als Materialabtrag durch ritzende Beanspruchung (Mikrozerspanungsprozess). Dieser Verschleiß tritt nicht nur auf, wenn z. B. lose oder gebundene Partikel mit einer Kraft über die Oberfläche gleiten (analog zum Schleifen oder Läppen). Abrasivverschleiß findet auch statt, wenn in dem Gegenkörper, der mit einer Kraft über die Oberfläche gleitet, unterschiedlich harte Bestandteile enthalten sind. Beispiele sind Metall-Matrix- Komposite, bei denen Keramikpartikel in der Metallmatrix eingebunden sind, aber auch kristalline Werkstoffe, wie Metalle oder Keramiken, bei denen unterschiedliche Phasen enthalten sind, z. B. Eisencarbide im Stahl. Lizenzierte Kopie von elektronischem Datenträger Der Abrasivverschleiß wird mit Tribometern gemessen, siehe VDI 3824 Blatt 4. Eine verbreitete Methode zur Messung des Abrasivverschleißes von dünnen Schichten ist der Kalottenschleiftest (Calotest). Er basiert auf der Methode der Kalottenschliff-Vermessung zur Ermittlung der Schichtdicke (VDI 3824 Blatt 4). Eine Kugel mit definiertem Durchmesser drückt gegen den Prüfkörper und wird in Rotation versetzt. Unter Zugabe einer Poliersuspension wird eine Kalotte in die Schicht geschliffen. Zur Beurteilung des Verschleißschutzes wird das gemessene Kalottenvolumen herangezogen. Es laufen auf EU-Ebene Normungsaktivitäten (Europäisches Komitee für Normung CEN, Technical Comittee TC 184 Advanced technical ceramics, Working Group WG5 [12 bis 14]). Die hochharten Kohlenstoffschichten, wie ta-C und Diamant, lassen sich mit Tribometern oder dem Kalottenschleiftest nicht sinnvoll auf ihren Verschleiß hin bewerten, da die Prüfzeit zu lange wäre. Der Verschleißwiderstand von CVD- Diamantschichten gegen Abrasion wird oftmals mit Hilfe von Partikelstrahltests (Strahlverschleißtest) ermittelt [15 bis 19]. Dazu werden Hartstoffpartikel aus z. B. Korund, Quarz, Siliciumcarbid oder Glas mit einem Druckluftstrahl unter definierten Bedingungen schräg auf die beschichtete Oberfläche gestrahlt und der Masseverlust oder das Verschleißvolumen bewertet. Mit dem Partikelstrahltest kann auch der Schutz gegen Oberflächenzerrüttung und die Schichthaftung beurteilt werden (siehe Abschnitt 5.1.3). 5.1.3 Schutz gegen Oberflächenzerrüttung „Oberflächenzerrüttung“ ist definiert als Ermüdung und Rissbildung in Oberflächenbereichen durch tribologische Wechselbeanspruchungen, die zu Materialtrennungen führen (z. B. „Grübchen“). Die Oberflächenzerrüttung lässt sich mit der Methode der Kavitationserosion messen (siehe ASTM G32-98). Dabei nutzt man den Effekt, dass beim Einbringen von Ultraschallschwingungen in eine Flüssigkeit Kavitationsblasen entstehen. Lokal wird durch die Druckschwankungen der Dampfdruck unterschritten. Die entstehende Gasblase schnürt ein und teilt sich. Dabei entsteht ein kurzzeitiger Flüssigkeitsstrahl mit sehr hohen Geschwindigkeiten von bis zu 200 m/s. Dieser Strahl übt eine Erosionswirkung auf die in der Nähe befindlichen Festkörperoberflächen aus. Die Erosion wird als Masseverlust oder als Verschleißvolumen bewertet [20; 21]. Bei Diamantschichten benötigt man mit dem Kavitationserosionstest sehr lange Testzeiten oder er-
Alle Rechte vorbehalten © Verein Deutscher Ingenieure, Düsseldorf 2004 Entwurf VDI 2840 – 17 – reicht gar keine Schädigung. Daher wird für diese Schichten ebenfalls der Partikelstrahltest angewendet, mit dem auch der Abrasiv-Verschleiß gemessen wird (siehe Abschnitt 5.1.2). Im Gegensatz zu dem dort verwendeten schrägen Einfallswinkel wird zur Bewertung der Oberflächenzerrüttung der Strahl senkrecht zur Probe ausgerichtet. Durch die Auftreffimpulse entsteht so eine ermüdende Wechselbeanspruchung. Mit der gleichen Versuchsmethode wird außerdem die Schichthaftung von Diamantschichten beurteilt, da auch das Interface zwischen Schicht und Substrat auf Ermüdung belastet wird und zum lokalen Abplatzen der Schicht führen kann. 5.1.4 Schutz gegen tribochemischen Verschleiß und Korrosion Der vierte tribologische Haupt-Verschleißmechanismus der tribochemischen Reaktionen beinhaltet, dass die Schicht chemisch angegriffen wird. Dieser Verschleißmechanismus wird hier mit der Korrosion zusammen behandelt, also dem chemischen oder elektrochemischen Angriff ohne zusätzliche tribologische Einwirkung. Alle Kohlenstoffschichten sind generell chemisch sehr resistent. Ihre Schutzwirkung ist abhängig von der Porosität der Schicht. An den Poren kann es zur Ausbildung lokaler galvanischer Elemente und dadurch zur Lochkorrosion kommen. Speziell bei den amorphen Kohlenstoffschichten ist der Schutz nur mit erhöhtem Mehraufwand erreichbar, da diese Schichten oft eine gewisse Porosität aufweisen. Ergänzend wird darauf verwiesen, dass die Diamantschichten ab ca. 600 °C in Anwesenheit von Sauerstoff zu oxidieren beginnen (siehe Abschnitt 5.1.12). Messverfahren sind in VDI 3824 Blatt 4 genannt. 5.1.5 Reibungsreduzierung Der Reibbeiwert lässt sich durch Messung der Tangentialkraft mit den Tribometern bestimmen, die zur Ermittlung des Verschleißschutzes benutzt werden (VDI 3824 Blatt 4). Zahlenwerte lassen sich hier nicht angeben, da die Reibbeiwerte stark vom Material des Gegenkörpers und von den Umgebungsbedingungen, z. B. der Luftfeuchtigkeit, abhängen. Generell lässt sich jedoch sagen, dass alle Kohlenstoffschichten im Vergleich zu den konventionellen Hartstoffschichten (Nitride, Carbide, Oxide) sehr geringe Reibbeiwerte mit allen Gegenkörperwerkstoffen aufweisen. Die in der Tabelle enthaltene Bewertung bezieht sich auf Stahl als Gegenkörperwerkstoff, die Umgebungsbedingungen sind Raumtemperatur und Lizenzierte Kopie von elektronischem Datenträger maximal 50 % Luftfeuchtigkeit. Bei den Diamantschichten muss beachtet werden, dass die Reibung stark abhängig von der Schichtrauheit ist. Die Rauheit kann eine zusätzliche mechanische Verklammerung oder auch eine Zerspanung des Gegenkörpers bewirken, die die Reibkraft erhöht. Die Rauheit bewirkt auch ein ausgeprägtes Einlaufverhalten, das heißt, die Reibkraft sinkt nach einem höheren Anfangswert auf einen gleichmäßigen, niedrigeren Dauerwert. 5.1.6 Benetzbarkeit Hohe Werte bei dieser Eigenschaft bedeuten gute Benetzbarkeit, also schlechte Antihafteigenschaft. Der physikalische Parameter, der die Benetzbarkeit beschreibt, ist die freie Oberflächenenergie, die man bei Flüssigkeiten auch „Oberflächenspannung“ nennt. Berechnet wird die freie Oberflächenenergie im Allgemeinen auf Basis von Kontaktwinkelmessungen. Hierbei werden die Benetzungswinkel unterschiedlicher Lösemittel auf der Oberfläche eines Festkörpers gemessen. Ein Kontaktwinkel von 0° bedeutet vollständige Benetzung, bei einem theoretischen Winkel von 180° findet gar keine Benetzung statt. Aus den Kontaktwinkeln lassen sich anhand verschiedener verbreiteter Modelle die Oberflächenenergien berechnen. Normen zur Messung der Oberflächenenergie liegen nicht vor, siehe auch [22 bis 24]. 5.1.7 Sonderfunktionen In der Zeile „Sonderfunktionen“ der Tabelle werden Schichtfunktionen genannt, die außerhalb der davor aufgeführten tribologischen Funktionen liegen. Da sich die Richtlinie auf den tribologischen Einsatz der Schichten beschränkt, werden diese Funktionseigenschaften nicht näher charakterisiert. 5.1.8 Schichtdicke Eine sehr objektive, direkt messende, allerdings zerstörende Prüfmethode besteht im Ausmessen der Schichtdicke an Abbildern von Querschnitten bzw. präparierten Bruchflächen, die im Lichtmikroskop (DIN EN ISO 1463) oder im Rasterelektronenmikroskop (DIN EN ISO 9220) aufgenommen werden. Diese Methoden sind zwar nur für metallische und/oder oxidische Schichten genormt, lassen sich aber für Schichten aus allen Werkstoffen anwenden. Für Diamantschichten lässt sich diese Methode nur mit sehr viel Aufwand anwenden. Bei transparenten und in gewissem Maße auch bei transluzenten Dünnschichten lässt sich die Schichtdicke mit einer Reihe von optischen Verfahren zerstörungsfrei bestimmen. Sowohl die amorphen Kohlenstoffschichten als auch die Dia-
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