Einfluss der Oberflächengüte des Substrats auf Reibung und Verschleißverhalten beschichteter Kolbenbolzen – Teil 2

Von Martin Kommer, HTW Aalen

Zur Erhöhung der Motoreneffizienz wurde das Reibungs- und Verschleißverhalten DLC-beschichteter Kolbenbolzen im Extremfall, also im Bereich der Grenz- beziehungsweise Mischreibung, untersucht. Vor allem der Einfluss unterschiedlicher Oberflächengüten und Substrathärten sowie verschiedene Härtevariationen der DLC-Schicht auf das Reibungs- und Verschleißverhalten der Kolbenbolzen standen hierbei im Mittelpunkt. Die Abscheidung der Diamantschicht erfolgte auf Einsatzstahl 20MnCr5 sowie Einsatzstahl 17Cr3 unter Verwendung eines kombinierten PVD/PECVD-Verfahrens. Damit können sehr gut haftende Schichten erzeugt werden. Dies ist vorwiegend auf eine gute haftende Grundschicht und eine gradierte Zwischenschicht zurückzuführen.

Effect of Substrate Surface Finish on Friction and Wear of Plated Piston Gudgeon Pins – Part 2

Seeking to maximise engine efficiency, the friction and wear behaviour of DLC coated piston bolts was investigated under extreme conditions, that is under limiting or mixed frictional regimes. It was found that variation in the quality of surface finish and substrate hardness as well as variations in the hardness of the DLC coating, were the main factors influencing friction and wear behaviour of piston bolts. DLC coatings were applied to low-alloy steels 20MnCr5 and 17Cr3 using a combined PVD/PECVD process. This produced coatings with excellent adhesion to substrate which can be attributed to a base coat with high adhesion and a compositionally-graded interlayer.

3.3 Beschichtungsverfahren

Für das Aufbringen einer DLC-Schicht stehen verschiedene Beschichtungsverfahren­ zur Verfügung, welche jedoch immer auf einer physikalischen oder chemischen Abscheidung aus der Gasphase (PVD bzw. CVD) beruhen. Bei den PVD-Verfahren werden feste Ausgangsstoffe durch Verdampfungs- oder Zerstäubungsprozesse als Kondensat auf dem Substrat abgeschieden. Diese Verfahren werden je nach Transfer in die Gasphase in drei verschiedene Gruppen eingeteilt:

• durch thermische Energie (Aufdampfen, Elektronenstrahlverdampfen, Lichtbogenverdampfen)
• durch kinetische Energie (Sputterdeposition)
• durch elektromagnetische Energie (gepulste Laserablation PLD).

Bei den CVD-Verfahren werden gasförmige Ausgangsstoffe über Energiezufuhr dissoziiert. Die durch chemische Reaktion entstandenen Reaktionsprodukte können sich auf dem Substrat abscheiden und bilden eine zusammenhängende Schicht aus.

Die in der vorliegenden Arbeit verwendeten Schichtsysteme wurden schwerpunktmäßig über Sputtern und die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) hergestellt, so dass im Folgenden nur auf diese Prozesse detaillierter eingegangen wird.

3.3.1 Sputterdeposition

Beim Sputtern liegen die Beschichtungs­materialien als sogenannte Targets (feste­ Ausgangsstoffe) vor, welche an den Innenwänden des Rezipienten angebracht sind. Durch Beschuss der Targets mit energiereichen geladenen Teilchen wird das Beschichtungsmaterial aus der Oberfläche des Targets herausgeschlagen und mit Vorzugsrichtung zum Substrat transportiert, wo es kondensiert. Die typischen Prozessdrücke (zwischen 10^-5 mbar und 10^-2 mbar) bestimmen die mittlere freie Weglänge dieser Teilchen und gewährleisten, dass diese den Weg vom Target zum Substrat ohne Kollision mit anderen Gasteilchen zurücklegen können. Bei der Sputterdeposition herrschen in der Regel Prozesstemperaturen bis zu 200 °C.

Der Beschuss des Targets erfolgt in der Regel mit einem inerten Gas (oft hochreines Argon), das durch Anlegen einer Hochspannung zwischen einer Anode und dem als Kathode geschalteten Targets ionisert wird. Die gebildeten positiv geladenen Argon­ionen werden anschließend in Richtung der Kathode beschleunigt und treffen auf der Targetoberfläche auf. Durch diesen Ionenbeschuss werden aus der Targetoberfläche Atome und Ionen herausgelöst und in die Gasphase überführt. Da sich die erzeugten Teilchen überwiegend geradlinig im Rezipienten bewegen, ist die Beschichtung von komplex geformten Bauteilen schwierig. Um trotzdem eine gleichmäßige Schichtabscheidung zu gewährleisten, werden die Substratkörper auf sich kontinuierlich drehende Halterungen aufgebracht.

Eine Verbesserung der Haftung von abgeschiedenen Schichten wird durch Anlegen einer negativen Biasspannung am Substrat realisiert. Dadurch erfahren die Ionen des Plasmas eine zusätzliche, auf das Substrat gerichtete Kraft, wodurch schlecht haftende Schichtatome abgetragen werden und gleichzeitig die gut haftende Schicht verdichtet wird.

Zur Steigerung der Abscheidungsrate wird das so genannte Magnetronsputtern eingesetzt (Abb. 18). Hierbei werden durch Magnete die Elektronen des Plasmas in der Nähe der Targets gehalten. Dadurch wird die Zahl der Zusammenstöße zwischen Elektronen und den Argonatomen und ­damit der Ionisationsgrad des Plasmas vor der Targetoberfläche erhöht.

Wird dem Prozess zusätzlich ein reaktives Gas (z. B. Stickstoff oder Acetylen) zugeführt, können weitere Schichtzusammensetzungen, wie zum Beispiel Nitride (z. B. Chromnitrid (CrN)), abgeschieden werden. Dieser modifizierte Prozess wird als reaktives Sputtern bezeichnet. PVD-Verfahren zeichnen sich dahingehend aus, dass nahezu alle Beschichtungsmaterialien (z. B. Metalle, Metalloxide, -nitride, -carbide, Legierungen, Cermets) auf einer Vielfalt von Substratmaterialien abgeschieden werden können. Unter Einsatz von Kohlenstofftargets können auch weiche wasserstofffreie Kohlenstoffschichten mit einem hohen sp2-Anteil hergestellt werden. Nachteile des Sputterns sind geringe Streufähigkeit der Beschichtung, vor allem bei komplexer Bauteilgeometrie, sowie die vergleichsweise geringen Beschichtungsraten und erzielbaren Schichtdicken [13, 38, 49, 51, 52].

3.3.2 Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD)

PECVD- beziehungsweise PACVD (engl. Plasma Enhanced bzw. Assisted Chemical Vapour Deposition) sind modifizierte CVD-Verfahren, bei denen die Aktivierung der chemischen Reaktionen durch ein gezündetes Plasma realisiert wird. Somit laufen die chemischen Reaktionen in der Gasphase bei Drücken zwischen 0,01 bis 1 bar und Temperaturen bis 350 °C ab. Die zur Schichtbildung beitragenden Ausgangsmaterialien liegen bei CVD-Verfahren bereits als gasförmige Precusoren vor, die oftmals zusammen mit einem inerten Trägergas (z. B. Argon) in die Prozesskammer eingeführt werden. Das benötigte Plasma wird durch Anlegen einer elektrischen Hochspannung zwischen einer Kathode (Substrat) und einer Anode (häufig die Wand des Rezipienten) gezündet. Durch das Plasma werden die Gasmoleküle dissoziiert und bilden Molekülfragmente. Diese reagieren miteinander und werden anschließend durch eine hohe negative Biasspannung zur Substrat­oberfläche beschleunigt und zum großen Teil in die sich bildende Schicht eingebaut. Für den Fall von nichtleitenden amorphen Kohlenstoffschichten wird in der Regel das HF-PECVD-Verfahren (HF = Hochfrequenz) eingesetzt, da durch eine hochfrequente Wechselspannung ein Aufladen der Schichten durch ständigen Beschuss mit positiv geladenen Ionen verhindert und so ein stetiges Schichtwachstum ermöglicht wird. Der schematische Aufbau einer PECVD-Anlage ist in Abbildung 19 dargestellt.

Der besondere Vorteil von Plasma-CVD-gegenüber konventionellen CVD-Verfahren sind die wesentlich niedrigeren Prozess­temperaturen. Während konventionelle CVD-Verfahren mit Prozesstemperaturen von bis zu 2000 °C arbeiten, betragen diese­ bei den plasmaaktivierten CVD-Verfahren lediglich bis zu 200 °C. Dadurch können auch temperaturempfindliche Materialien, wie Kunststoffe, beschichtet werden. CVD-Schichten weisen hohe Reinheiten und gute Haftungseigenschaften auf. Nachteile der CVD-Verfahren sind die ökologisch oft bedenklichen chemischen Verbindungen und Nebenprodukte sowie die eingeschränkte Zahl an Ausgangsstoffen für Schichten [10, 48, 49, 51, 52].

3.4 Einfluss der Parameter auf die Schichthärte

Die Struktur des Kohlenstoffnetzwerks und damit die Eigenschaften der entstehenden Diamantschicht kann durch eine gezielte Einstellung der Beschichtungsparameter gesteuert werden. Dabei ist vor allem die kinetische Energie der im Plasma angeregten Argronionen von entscheidender Bedeutung, da sich deren kinetische Energie direkt auf den sp³-Gehalt und somit auf die Härte der Schicht auswirkt. Es zeigte sich, dass bei etwa 100 eV die Schichten mit dem günstigsten sp³-Gehalt bilden [53]. Bei zu niedrigen Energien können die schichtbildenden Ionen nicht tief genug in die Schicht eindringen; sie scheiden sich dagegen als sp2-gebundener Kohlenstoff an der Oberfläche ab. Bei zu hohen Energien wird die aufwachsende Schicht durch daraus resultierende Sputterprozesse wieder abgetragen. Zudem kommt es durch Wärmedissipation zu lokalen Degradationen, indem sp³-Bindungen in graphitähnliche sp²-Bindungen überführt werden [54].

Den größten Einfluss auf die Energie der schichtbildenden Ionen hat die sich bildende Potentialdifferenz der Biasspannung, die zwischen der Kolbenbolzenhalterung und der Wand der Prozesskammer realisiert wird. Dabei wird die Halterung negativ ­geschaltet, während die Kammerwand geerdet vorliegt. Die vorliegende Potential­differenz (und damit die Stärke des elektrischen Feldes) bestimmt die Beschleunigung der Ionen zur Kathode. Durch eine Erhöhung der Biasspannung sinkt zudem die Oberflächenrauheit der Schicht. Die auf der Oberfläche auftreffenden hochenergetischen Ionen induzieren Oberflächenreaktionen und -verschiebungen, wodurch die Mobilität der Teilchen auf der Oberfläche erhöht wird, verbunden mit einer Verdichtung der Schicht [55].

Ein weiteres entscheidendes Kriterium für die Schichthärte ist der Wasserstoffgehalt der Schicht, welcher durch das verwendete Precursorgas beeinflusst wird. Die Härte ­einer wasserstoffhaltigen Kohlenstoffschicht steigt mit abnehmendem Wasserstoffgehalt an. Der Wasserstoff­gehalt einer Schicht kann durch ein höheres C/H-Verhältnis des Gases, aber auch durch eine Erhöhung der Biasspannung verringert werden. Für tribo­logische Verschleißschutzschichten ist häufig ein niedrigerer Wasserstoffanteil wünschenswert, da dann deren Eigenspannungen verringert und somit die Schichthaftung verbessert werden.

Zu hohe Substrattemperaturen bei der Abscheidung wirken sich ebenfalls negativ auf das Schichtwachstum aus, da bei hohen Temperaturen die Ätzrate durch atomaren Wasserstoff steigt und damit die Schicht­bildungsrate kleiner wird [42, 54, 56].

3.5 Schichtdefekte

Jede Oberfläche weist Defekte auf, wobei grundsätzlich zwischen echten Defekten der Substratoberfläche und Wachstumsstörungen bei der Schichtbildung unterschieden wird. Diese Defekte können je nach Dimensionierung zu Funktionsbeeinträchtigungen bis hin zum kompletten Versagen der Funktionsschicht und damit des Bauteils führen.

Die echten Defekte, meist hervorgerufen durch die mechanische Bearbeitung der Oberfläche (z. B. Schleifen), sind dabei im Vergleich zur Schichtdicke oft größer. Ein Beispiel hierfür ist der in Abbildung 20 gezeigte Außenlunker. Weitere sind Kratzer, Schlagstellen, eingebautes Fremdmaterial und Flitter (schichtfreie Stelle).

Die durch Wachstumsstörungen hervorgerufenen Defekte sind dadurch gekennzeichnet, dass sie oft in derselben Größenordnung wie die Schichtdicke liegen. Solche Wachstumsstörungen werden überwiegend durch Inhomogenitäten in der Substratoberfläche (z. B. chemisch oder geometrisch), Inhomogenitäten während des Beschichtungsprozesses (z. B. Abschattungen, Mobilität der schichtbildenden Teilchen auf der Substratoberfläche) oder durch Fremdpartikel verursacht. Ein typisches und häufig auftretendes Beispiel sind Nodules (Abb. 20), bei dem auf der blanken Substratoberfläche angelagerte Fremdpartikel während des Beschichtungsprozesses Wachstumsfehler der Schicht verursachen. Nodules sind kleine, oftmals runde Objekte mit einem Durchmesser von wenigen Mikrometern und einer Höhe vergleichbar zur Schichtdicke. Sie haben die gleiche chemische Zusammensetzung wie die Schicht, besitzen aber gegenüber dieser eine deutlich schlechtere Haftung zum Substrat. Das Entstehen dieser Nodules während der Beschichtung von tribologisch hochbeanspruchten Bauteilen ist unerwünscht, da sie häufig der Grund für die Verschleiß verursachenden hohen Rpkx-Werte sind [57, 58].

4 Experimentelles

4.1 Verwendete Materialien

4.1.1 Kolbenbolzen

Für die durchgeführten Hauptuntersuchungen wurden Kolbenbolzen (Abb. 21) aus dem Einsatzstahl 20MnCr5 verwendet. Für ergänzende Versuche wurden Kolbenbolzen aus dem Einsatzstahl 17Cr3 verwendet. In Tabelle 4 sind die wichtigsten Kennwerte der gehärteten und endbearbeiteten Kolbenbolzen zusammengestellt.

Um den Einfluss der Oberflächengüte auf das Reibungs- und Verschleißverhalten genauer untersuchen zu können, wurden die Kolbenbolzen mit zwei unterschiedlichen Substrathärten und jeweils vier unterschiedlichen Oberflächengüten (3rd V-Twin, 4th Lapper, 5th Polisher und 6th Hone) angeliefert. Während die eine Hälfte der Kolbenbolzen bei einer Temperatur von etwa 300 °C angelassen wurde und somit eine Härte von mehr als 52 HR C erreicht, wurde die andere Hälfte bei cirka 220 °C angelassen und wies eine Härte von mehr als 57 HR C auf. Die vier verschiedenen Oberflächengüten sind mit typischen Rauheitskennwerten in Tabelle 5 aufgeführt. Die Oberflächengüte 5th Polisher wird aufgrund annähernd gleicher Werte mit der Oberflächengüte 4th Lapper in dieser Arbeit nicht näher behandelt. Nachfolgend wird die Oberflächengüte 3rd V-Twin mit OFG 3, die 4th Lapper mit OFG 4 und die 6th Hone mit OFG 6 abgekürzt.

Tab. 5: Übersicht der vier unterschiedlichen Oberflächengüten der Kolbenbolzen im Anlieferungszustand 

Güte	3rd V-Twin	4th Lapper	5th Polisher	6th Hone
	Oberflächenrauheit (Mittelwert)
Rz (μm)	1,02	0,45	0,54	0,28
Ra (μm)	0,12	0,05	0,05	0,03
Rpk (μm)	0,12	0,06	0,05	0,03
Rpkx (μm)	0,26	0,15	0,18	0,10

 

4.1.2 Gegenkörper

Als Gegenkörper (Abb. 22) standen zwei unterschiedliche Materialien zur Verfügung. Zur Simulation des Reibkontakts Zylinderkolben-Kolbenbolzen ohne Laufbuchse wurde eine standardisierte Zylinderrolle (nachfolgend Pin genannt) aus Wälzlagerstahl 100Cr6 verwendet, die durch eine Härte von etwa 750 HV und eine Oberflächenrauheit Rz von 0,45 μm gekennzeichnet ist. Für die Simulation des Reibkontakts Zylinderkolben-Laufbuchse-Kolbenbolzen­ wurde eine Zylinderrolle aus dem für Laufbuchsen typischen Material CuSn8 eingesetzt. CuSn8 gehört zu den Kupfer-Zinn-Knetlegierungen und besitzt neben dem Hauptbestandteil Kupfer (Cu), 8 % Zinn (Sn), 0,4 % Phosphor (P) sowie weitere Elemente­ mit insgesamt maximal 0,72 % [59]. Der CuSn8-Pin besitzt eine Härte von etwa 210 HV und eine Oberflächenrauheit Rz von ≤ 1,5 μm. In Tabelle 6 sind typische Eigenschaften der hier verwendeten Gegenkörper vergleichend aufgeführt.

4.1.3 Verschleißschutzschicht

Für die Kolbenbolzen wurde ausschließlich die Balinit® DLC Star-Schicht von OC Oerlikon Balzers AG mit drei unterschiedlichen Härten (26 GPa, 23 GPa, 20 GPa) verwendet. Die modifizierte Kohlenstoffschicht setzt sich aus einer metallischen Haftschicht, einer Stützschicht, einer Übergangsschicht (Interface) sowie der eigentlichen Funktionsschicht zusammen. Abbildung 23 zeigt den Aufbau der Multifunktionsschicht.

Die metallische Haftschicht aus Chrom bildet den Übergang vom Substrat auf das Schichtsystem und wird mit Hilfe des Magnetronsputterns auf die gereinigte blanke­ Oberfläche der Kolbenbolzen aufgebracht. Diese ist nötig, da eine direkte­ Abscheidung von DLC-Schichten auf Stahloberflächen aufgrund ihrer geringen Adhäsionsneigung gegenüber Metallen zu Haftungsproblemen führen würde.

Für extreme Lastbeanspruchungen wird die Kohlenstoffschicht mit einer Stützschicht aus Chromnitrid (CrN) kombiniert. Chromnitrid bildet eine harte, zähe und chemisch äußerst stabile Schicht, die zudem die Lasttragfähigkeit und die Korrosionsbeständigkeit der Kohlenstoffschichten erhöht. Diese wird über reaktives Sputtern, durch Einbringen von Stickstoff als Reaktivgas während des Beschichtungsprozesses, auf der Haftschicht aus Chrom abgeschieden.

Die Übergangsschicht (Interface) zur amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoffschicht (zwischen CrN- und a-C:H-Schicht) bestimmt entscheidend die Haftung der ­eigentlichen Funktionsschicht und muss die Materialeigenschaften (wie E-Modul oder Struktur) der CrN-Stützschicht und der a-C:H-Funktionsschicht kontinuierlich aneinander angleichen. Hierfür wird oft eine Chromcarbidschicht (CrC/a-C:H) mit gradiertem Übergang, das heißt mit kontinuierlicher Reduzierung des Chromgehalts von der Chromnitridschicht zur a-C:H-Funktionsschicht hin, eingesetzt. Durch diesen stetigen Übergang wird die Gefahr der Rissbildung entlang der sonst auftretenden Grenzfläche Metall-DLC auf ein Minimum reduziert. Die Chromcarbidzwischenschicht wird mit Hilfe des Reaktionsgases Acetylen (C₂H₂) auf der Chromnitridschicht abgeschieden.

Die außen liegende, amorphe wasserstoffhaltige Kohlenstoffschicht wird mittels PECVD-Verfahrens auf die Chromcarbidschicht abgeschieden [33, 50, 51]. Tabelle 7 fasst die wichtigsten Eigenschaften der Funktionsschicht zusammen.

4.1.4 Schmieröle

Für die Reibungs- und Verschleißuntersuchungen im anwendungsnahen Zustand des tribologischen Systems standen vier unterschiedliche Schmieröle zur Verfügung. Diese­ unterscheiden sich grundlegend in ihrer Viskosität (von niedrig- bis hochviskos).

Das für die Hauptversuche verwendete Motorenöl der SAE-Klasse 20W/50 (Wagner Spezialschmierstoffe) ist ein unlegiertes Mehrbereichsmotorenöl mit einer relativ hohen Viskosität auch bei hohen Anwendungstemperaturen und kommt überwiegend in Motoren von Oldtimern zum Einsatz. Das auf Mineralöl basierte Motorenöl wird häufig für tribologische Versuche verwendet, da es keine Hochleistungsadditive enthält, die das Ergebnis verfälschen würden. Andererseits ist es im Gegensatz zu Grundölen hinreichend anwendungsnah [62]. Die weiteren drei Öle sind Referenzöle der Forschungsvereinigung für Antriebstechnik (FVA). Dies Öle (FVA-Öl Nr. 1 (ISO VG 15), FVA-Öl Nr. 2 (ISO VG 32), FVA-Öl Nr. 3 (ISO VG 100)) wurden speziell für Laboruntersuchungen entwickelt, um mit gleichbleibender Qualität der eingesetzten Schmieröle reproduzierbar arbeiten zu können. Diese unlegierten Öle unterscheiden sich in ihrer kinematischen Viskosität. Tabelle 8 gibt einen Überblick über die wichtigsten Eigenschaften der vier verwendeten Schmieröle.

Tab. 8: Wichtigste Eigenschaften der verwendeten Schmieröle [62, 63, 64, 65]

Eigenschaften	Referenzöle			Motoröl
	FVA 1	FVA 2	FVA 3	SAE 20W/50
Dichte (g/cm3 bei 15 °C)	0,861	0,87	0,896	0,89
kin. Viskosität ν (mm2/s bei 40 °C)	15	32	95	150
kin. Viskosität ν (mm2/s bei 100 °C)	3,4	5,2	11,1	17,5
Flammpunkt (°C)	204	220	250	240
Stockpunkt (°C)	-18	-12	-12	-20
Farbe	bernsteingelb	bernsteingelb	bernsteingelb	bernsteingelb
Geruch	ölig	mineralölartig	ölig	mineralölartig
Aggregatzustand	flüssig	flüssig	flüssig	flüssig

4.2 Verwendete Methoden

4.2.1 Beschichtungsverfahren

Die Balinit® DLC Star-Schichten werden mittels kombiniertem PVD- beziehungsweise PECVD-Prozess angewendet. Die Beschichtungsanlage OC Oerlikon Balzers AG RS90 ermöglicht einen kontinuierlichen Übergang von einem auf das andere Verfahren. Dabei unterteilt sich der Gesamtprozess in verschiedene Teilprozesse, die im Folgenden genauer beschrieben werden.

Eine optimale Beschichtung setzt voraus, dass die Oberfläche der Kolbenbolzen frei von Verunreinigungen und Kontaminationen ist. Dazu werden diese vor dem Beschichtungsprozess einer gründlichen Reinigung unter Einsatz von alkalischem Reinigungsmittel, Spülen und Ultraschall unterzogen. Die gereinigten Kolbenbolzen werden anschließend in Wärmeschränken aufbewahrt, wo sie vor Staub, Verunreinigungen und Korrosion geschützt sind.

Für den Beschichtungsprozess werden die gereinigten Kolbenbolzen auf beschichtungsgerechte Halterungen chargiert. Die Halterungen lassen sich während des Beschichtungsprozesses um mehrere Achsen rotieren, wodurch eine gleichmäßige Beschichtung der Kolbenbolzen gewährleistet ist (Abb. 24). Bei der Bestückung des Karussells mit den Kolbenbolzen wird Schutzkleidung (z. B. Mundschutz oder Latex-Handschuhe) verwendet, damit auch minimale Verunreinigungen durch Speichel und Fett vermieden werden.

Die Beschichtungsphase beginnt mit dem Evakuieren der Prozesskammer auf ein End­vakuum von 10^-7 mbar. Die meisten Prozesse starten bei 2 · 10^-5 mbar. Im zweiten Schritt werden die zu beschichtenden Kolbenbolzen durch plasmaunterstützes Heizen gleichmäßig erwärmt, um flüchtige Verbindungen zu verdampfen und ein späteres Ausgasen der Kolbenbolzen während der Beschichtung zu verhindern. Der desorbierte Wasserdampf wird unter anderem mit Hilfe einer Kältefalle abgepumpt. Schließlich erfolgt noch eine Reinigung der Kolbenbolzen durch Ionenätzen, um die Oberfläche der Kolbenbolzen vollständig von Verunreinigungen und insbesondere von Oxidschichten zu befreien.

Im ersten Beschichtungsschritt wird auf die Kolbenbolzen durch Magnetronsputtern eine metallische Haftschicht aus Chrom aufgebracht, auf die im zweiten Beschichtungsschritt eine Stützschicht aus Chromnitrid durch reaktives Sputtern appliziert wird. Zur Abscheidung der Übergangsschicht (Interface) aus Chromcarbid wird zusätzlich zum Magnetronsputtern der PECVD-Prozess gestartet. Aus dem Reaktionsgas Acetylen werden die Bruchstücke Kohlenstoff und teilweise Wasserstoff erzeugt und auf den Substraten abgelagert. Zur Erzeugung eines gradierten Übergangs wird der Acetylenfluss kontinuierlich erhöht, während das Sputtern der Chromtargets zurückgefahren wird, bis nur noch Acetylen zur Schichtbildung beiträgt und eine reine a-C:H-Schicht abgeschieden wird. Anschließend erfolgt das Schichtwachstum der Kohlenwasserstoffschicht nur noch über den plasmaaktivierten CVD-Prozess.

Für die Realisierung der drei unterschiedlichen Härten der a-C:H-Funktionsschicht von 26 GPa, 23 GPa und 20 GPa kann im Allgemeinen der Acetylenfluss und die zwischen der Kolbenbolzenhalterung und der Reaktorwand angelegte Biasspannung variiert werden.

Nach Abschluss des eigentlichen Beschichtungsprozesses wird Helium als Kühlgas eingelassen, das die Wärmeenergie der aufgeheizten Kolbenbolzen zu den wassergekühlten Wänden der Beschichtungsanlage abführt [51, 56].

4.2.2 Nachbearbeitungsprozess Bürsten

Der Nachbearbeitungsprozess Bürsten als spanabhebende Rundbearbeitung wird häufig bei rotationssymmetrischen Bauteilen verwendet, um eine hohe Rundheit bei gleichzeitig günstiger Oberflächenrauheit zu gewährleisten. Für die im Rahmen dieser Arbeit zu untersuchenden Einflüsse des Bürstverfahrens auf das Reibungs- und Verschleißverhalten beschichteter Kolbenbolzen standen manuelle Bürstmaschinen und eine Automationsbürste der Serien­bearbeitungslinie zu Verfügung.

Der Bürstprozess (Abb. 25) folgt dem spitzenlosen Schleifen. Die Kolbenbolzen wurden über die Zuführrinne der Bürstmaschine zugeführt und unterbrechungsfrei zwischen Antriebs- und Schleifrolle selbstlaufend hindurchgeführt. Der Kolbenbolzen rotiert während der Bearbeitung zwischen der schnell drehenden Schleifrolle (1500 min^-1) und der langsamer drehenden Antriebsrolle (20 min^-1) und wird zusätzlich von unten durch das Führungslineal unterstützt.

Der Nachbearbeitungsprozess Bürsten wurde zur Verringerung der Oberflächenrauheit der beschichteten Kolbenbolzen verwendet. Der Bürstprozess erfüllt in Bezug auf die Oberflächenglättung einen weiteren positiven Effekt, da die Nodules, welche oftmals für einen hohen Rpkx-Wert verantwortlich sind, teilweise oder ganz abgetragen und so die maximalen Spitzen­höhen des Rauheitsprofils der Schicht verringert werden [67–69].

4.2.3 Kolbenbolzenprüfstand

Für tribologische Untersuchungen von beschichteten Kolbenbolzen hat Oerlikon Balzers in Kooperation mit der NTB Buchs einen Prüfstand entwickelt, mit dessen Hilfe die Schichtqualität beurteilt werden kann. Der Prüfstand (Abb. 26) erlaubt die Untersuchung und Simulation des Reibungs- und Verschleißverhaltens zylindrischer Bauteile in Abhängigkeit von Last, Geschwindigkeit, Beanspruchungsdauer und Schmierungszustand. Mit Hilfe einer variablen Lastaufbringung kann zur Simulation des Reibkontakts eine Zylinderrolle aus verschiedenen Materialien mit ihrer ebenen Stirnfläche von oben auf den rotierenden Kolbenbolzen gedrückt werden und so Pressungen bis etwa 300 MPa bei Drehzahlen bis 3000 min-1 erzeugt werden. Alternativ zur linienförmigen Kontaktgeometrie kann durch den Einsatz einer Kugel auch ein Punktkontakt realisiert werden. Damit ein definierter Kontakt zwischen Pin und Kolbenbolzen sichergestellt ist, wurde eine gelenkige Pinhalterung eingesetzt.

Mit Hilfe des graphischen Programmiersystems LabView lassen sich Parameter wie Drehzahl, Normalkraft, Kolbenbolzendurchmesser, Messdauer oder Abbruchkriterien, wie zum Beispiel der höchstzulässige­ Reibungskoeffizient, regeln. Im Vorfeld der eigentlichen Versuchsreihen wurden Optimierungsmaßnahmen unternommen, um den Kolbenbolzenprüfstand weiter den realitätsnahen Bedingungen des tribologischen Systems anzupassen. Hierbei wurden vor allem ursprünglich auftretende Schwingungen vermindert oder die Schmierstoffzuführung durch Einsatz eines steuerbaren Dosiersystems [70] verbessert. In Tabelle 9 sind die Prüfstandparameter zusammen­gefasst.

Tab. 9: Übersicht der Prüfstandparameter

Belastung	aktuell bis 200 N
Drehzahl	bis 3000 min-1
Drehmoment	bis 5 Nm
Bewegungsart	Gleiten (Rotation)
Kontaktgeometrie	Linien- und Punktkontakt, Flächenkontakt in Entwicklung
Kolbenbolzengröße	Ø von 20 mm bis 32 mm
Gegenkörper	Zylinderrolle (Ø 12 mm) oder Kugel (Ø 6 mm)
Reibungszustände	Festkörper-, Misch- und Flüssigkeitsreibung
Umgebungsmedium	Atmosphäre (30–40 % rel. Luftfeuchte)
Schmierstoff-Dosiersystem:
Schmierstoffdosierung	ab ca. 4 nL pro Schuss, abhängig von Viskosität des Schmierstoffes
Schmierstoffarten	niedrig bis hochviskose Flüssigkeiten
Schmierstofftemperierung	25 bis 100 °C ± 0,1 °C

4.2.4 Härte- und Haftungsprüfung

Für die Härtebestimmung der Proben wurde ausschließlich das Prüfverfahren nach Rockwell C (HR C) angewendet. Bei diesem Verfahren wird ein Diamantkegel mit einem Spitzenwinkel von 120° in die Oberfläche des Untersuchungskörpers gedrückt. Der Härtewert wird durch die verbleibende Eindringtiefe nach Rücknahme des Diamantkegels berechnet. Das HR C-Verfahren wird üblicherweise für gehärtete Stähle und Legierungen mit typischen Härten von 20 HR C bis 70 HR C angewendet.

Für die Beurteilung der Schichthaftung wurden die HR C-Eindrücke analysiert, wobei die Größe und die Art des Rissnetzwerkes sowie der Abplatzungen der Beschichtungen im Randbereich eines Eindruckes beurteilt und daraus direkte Schlussfolgerungen zur Haftfestigkeit gewonnen werden können. Insgesamt kann in sechs unterschiedliche Haftungsklassen (Abb. 27) unterschieden werden, wobei HF 1 bis 4 eine sehr gute bis ausreichende Haftung repräsentieren. (Die Haftungsklassen HF 5 und 6 sind für Balinit® DLC Star-Schichten unzulässig.) [71]

Die Ermittlung der Schichthärte erfolgte mit Hilfe der instrumentierten Eindringprüfung [72], die mit dem Picodentor® HM500 der Helmut Fischer GmbH durchgeführt wurde und mit dem die Eindringhärte HIT bereits während der Belastungsphase über die Eindringtiefe des Prüfkörpers berechnet wird. Als Prüfkörper kommt eine Vickerspyramide mit einem Spitzenwinkel von 136° zum Einsatz. Das Gerät kann speziell für ultradünne Hartstoffbeschichtungen mit Schichtdicken von 1 μm bis 4 μm eingesetzt werden, wobei Eindringtiefen bis zu 150 nm bei einer maximalen Lastaufbringung von 500 mN realisierbar sind.

Für eine ausreichende Reproduzierbarkeit werden für jede Probe insgesamt 30 Messungen durchgeführt und daraus wird der Mittelwert gebildet. Die Voraussetzung für eine ausreichende Messgenauigkeit liegt im Verhältnis der Eindringtiefe zur Schichtdicke und zur Oberflächenrauheit der zu prüfenden Probe begründet. Es wurde darauf geachtet, dass die Schichtdicke der Probe mindestens zehnmal größer als die Eindringtiefe war, da sonst das darunterliegende weichere Substrat den Härtewert verfälschen kann. Zudem wurde berücksichtigt, dass die Eindringtiefe 20-mal größer als die mittlere Rauheit Ra ist, da bei zu großen Rauheiten kein guter Kontakt zwischen Eindringkörper und Oberfläche gegeben ist [72, 73].

4.2.5 Schichtdickenmessung

Die Bestimmung der Schichtdicke erfolgte über das Kalottenschleifverfahren [74]. Bei diesem zerstörenden Prüfverfahren (Abb. 28) wird eine sphärische Vertiefung mit Hilfe einer rotierenden Stahlkugel (Ø  20 mm) und einem Schleifmittel (Diamantsuspension mit 1,0 μm und 0,25 μm Korngröße) in die zu prüfende Schicht eingebracht. Die sphärische Vertiefung kann anschließend lichtmikroskopisch vermessen und ausgewertet werden. Vor dem Ausmessen werden die erzeugten Kalotten von Mehrschichtsystemen häufig mit einer Ätzlösung aus Salpetersäure in Ethanol angeätzt, um den Übergang zwischen dem Substrat und der Schicht besser sichtbar zu machen.

Abb. 28: Prinzip des Kalottenschleifverfahrens bei zylindrischen Proben

Das Kalottenschleifverfahren ist ein einfaches Messverfahren mit geringen Messzeiten und minimalem Messaufwand. Die Messgenauigkeit liegt im Bereich von etwa 0,1 μm, worin der Nachteil des Verfahrrens zur Schichtdickenbestimmung ultradünner DLC-Schichten liegt [74, 75].

4.2.6 Messung der Oberflächenrauheit

Die Beurteilung und Charakterisierung der für das Verschleißverhalten entscheidenden Rauheitskenngrößen erfolgte überwiegend mit Hilfe der taktilen Messmethode [27, 29, 30], für ausgewählte Proben wurde­ zusätzlich ein Konfokalmikroskop eingesetzt (μsurf von NanoFocus).

Für die taktile Messung der unbelasteten und belasteten Kolbenbolzen wurde das Perthometer M1 des Herstellers MAHR verwendet, während die Gegenkörper mit dem Tastschnittgerät Talysurf von Taylor-Hobson untersucht wurden. Diese taktilen Messgeräte, bestehend aus den Komponenten Taster, Vorschubeinrichtung und Auswertegerät, erfassen das Primärprofil einer Oberfläche mit einer kegelförmigen Tastspitze aus Diamant. Diese fährt mit Hilfe der Vorschubeinrichtung mit konstanter Geschwindigkeit horizontal über das Prüfobjekt, wobei sich die Messlänge üblicherweise aus fünf Einzelmessstrecken einer Länge von jeweils 0,8 mm zusammensetzt. Die durch das Abtasten entstehende Senkrechtbewegung des Tasters wird mit Hilfe eines induktiven Wandlers in ein elektrisches Signal umgesetzt. Mit Hilfe des Auswertegeräts können diese Messsignale des Primärprofils durch digitale Filterung in Welligkeits- und Rauheitsprofile getrennt werden sowie alle wichtigen Rauheitskennwerte berechnet werden.

Bei der optischen Prüfmethode mit dem Konfokalmikroskop μsurf wird die Oberfläche der tribologischen Kontaktpartner berührungslos mit einem Hochleistungs-LED-Punktsensor abgescannt. Dabei wird das Licht auf einen Punkt in der Probe fokussiert und reflektiert. Das von diesem Punkt der Probe ausgehende Licht wird über einen Strahlteiler wiederum auf der Eingangslochblende eines Detektors fokussiert und anschließend im Detektor detektiert. Das streuende Licht, das außerhalb der Fokusebene liegt, wird nicht auf die Lochblende fokussiert und daher ausgeblendet. Da, bedingt durch das Messprinzip, stets nur ein Punkt der Probe gemessen wird, ist zur Bildgenerierung ein abrastern der Probe erforderlich. Somit lassen sich mit diesem Messverfahren komplette flächenhafte Oberflächentopographien (2D- und 3D-Profile) reflektierender Proben aus Zeile für Zeile gewonnenen Höhenprofilen bis in den Nanometerbereich zusammensetzen [24–26, 75–77].

4.2.7 Charakterisierung mit REM und EDX

Für die genaue Beurteilung der Oberflächen von Kolbenbolzen und Gegenkörper auf Verschleißerscheinungen und chemische Zusammensetzung wurde ein Rasterelektronenmikroskop Tescan von Vega ver-
wendet mit bis 2000-facher Vergrößerung. Mit Hilfe des EDX-Verfahrens kann die chemische Zusammensetzung der einzelnen Proben analysiert werden. Da die Schichten verhältnismäßig dünn sind, wird bei einem optimalen Arbeitsabstand von 28 mm in der Regel mit einer Anregungsspannung von 10 kV gearbeitet. Beachtet werden muss, dass der in den DLC-Schichten vorhandene Wasserstoff nicht detektiert werden kann und der vorhandene Kohlenstoff sich nahe der Auflösungsgrenze der EDX-Methode befindet. Auch wenn die EDX-Methode für die Ermittlung der exakten quantitativen Zusammensetzung der Proben weniger gut geeignet ist, konnten die erhaltenen Ergebnisse für den Vergleich der Schichten herangezogen werden [19, 60, 78].

wird fortgesetzt

Literatur (zu Teil 2)

[10] C. Eisenmenger-Sittner: Physik und Technologie dünner Schichten; Vorlesungsskript TU Wien, SS2011, S. 9 ff, S. 39 ff

[13] www.gft-ev.de/tribologie.htm
(Stand: 11.02.2013, 13:10 Uhr)

[19] B. Heine: Werkstoffprüfung; Fachbuchverlag Leipzig, Aalen, 2003, S. 88 ff, S. 287 ff

[24] R. Volk: Rauheitsmessung Theorie und Praxis; DIN Deutsches Institut für Normung e. V., Beuth Verlag GmbH, München, 2005

[25] H. Sorg: Praxis der Rauheitsmessung und Oberflächenbeurteilung; Carl Hanser Verlag, München, 1995

[26] Hommelwerke GmbH: Rauheitsmessung Theorie und Praxis; VS-Schwenningen, 1992

[27] VDI-Richtlinie 2615: Rauheitsprüfung an Zylinder und Kegelrädern mit Tastschnittgeräten; Verein Deutscher Ingenieure, Düsseldorf, 2006

[29] DIN EN ISO 4287: Geometrische Produktspezifikation (GPS) – Oberflächenbeschaffenheit: Tastschnittverfahren – Benennung, Definitionen und Kenngrößen der Oberflächenbeschaffenheit; Deutsches Institut für Normung e. V., Berlin, 2010

[30] DIN EN ISO 13565-2: Geometrische Produktspezifikation (GPS) – Oberflächenbeschaffenheit: Tastschnittverfahren, Teil 2: Beschreibung der Höhe mittels linearer Darstellung der Materialanteilkurve; Deutsches Institut für Normung e. V., Berlin, 1998

[33] OC Oerlikon Balzers AG: Beschichtete Bauteile Leistungsfähiger und zuverlässiger; 3. Auflage, Balzers, 2008, S. 7 ff

[38] D. McKenzie, D. Muller, B. Pailthorpe: Compressive-stress-induced formation of thin-film tetrahedral amorphous carbon; Physical Review Letters 67 (1991), Nr. 6, S. 773–776

[42] T. Schwarz-Selinger, A. von Keudell, W. Jacob: Plasma chemical vapor deposition of hydrocarbon films: The influence of hydrocarbon source gas on the film properties; Journal of Applied Physics 86 (1999), Nr. 7, S. 3988

[48] J. Albrecht: Dünnschichtechnik III; Vorlesungsskript, HTW Aalen, SS 2012

[49] J. Albrecht: Dünnschichttechnik II; Vorlesungsskript, HTW Aalen, SS 2010

[50] Oerlikon Balzers Coating: DLC-coating performance and tribology- Modul 5; interne Präsentation, Balzers, 2006

[51] F. Seibert: Einfluss des Interfaces auf die Haftung von DLC-Schichten auf Stahl; Diplomarbeit an der FH Bingen, 2008

[52] K. L. Choy: Chemical vapour deposition of coatings; Progress in Materials Science 48 (2003), Nr. 2, S. 57–170

[53] K. Graupner: Untersuchungen zur Hochrate­abscheidung harter DLC-Schichten; Diplomarbeit an der TU Chemnitz, Chemnitz, 2004, S. 67

[54] Dr. J. Becker; Development Manager Automotive, Oerlikon Balzers Coating Germany GmbH, Bingen, 2013

[55] N. Maitre: Effects of negative low self-bias on hydrogenated amourphous carbon film deposited by PECVD technique; Diamond and Related Materials 12, 2003, S. 988

[56] G. Capote: Effects of the growth conditions on the roughness of amorphous hydrogenated carbon films deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition; Journal of Vacuum Science & Technology, Nr. 6, 2006, S. 2212

[57] J. Becker, M. Grischke: Selection and Evaluation of Carbon-based Coatings for Automotive-components; Script, OC Oerlikon Balzers AG, Balzers, 2012

[58] J. Becker: Defekte in Beschichtungen: Möglichkeiten und Grenzen; interne Präsentation, OC Oerlikon Balzers AG, Balzers, 2013

[59] Deutsches Kupferinstitut: Kupfer-Zinn-Knetlegierungen (Zinnbronzen); Informationsdruck i.15, Düsseldorf, 2004

[60] H. J. Bargel, G. Schulze: Werkstoffkunde; 9. überarbeitete Aufl., Springer-Verlag, Berlin, 2005, S. 184 ff, S. 219 ff, S. 275 ff

[61] www.ibc-waelzlager.eu/file/Downloads/Waelzlagerwerkstoffe.pdf (Stand: 11.01.2013, 15:00 Uhr)

[62] http://www.kabel-schmidt.ch/PDF/­schmierstoffe_fuer_oldtimer.pdf (Stand: 12.01.2013, 14:10 Uhr)

[63] Deutsche BP Aktiengesellschaft: Sicherheitsdatenblatt FVA-Versuchsoel Nr. 1; Hamburg 2008

[64] Deutsche BP Aktiengesellschaft: Sicherheitsdatenblatt FVA-Versuchsoel Nr. 2; Hamburg 2008

[65] Deutsche BP Aktiengesellschaft: Sicherheitsdatenblatt FVA-Versuchsoel Nr. 3; Hamburg 2008

[66] Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren: Fertigungstechnik I – Außenrundschleifen; RWTH Aachen Werkzeugmaschinenlabor, Aachen

[67] https://www.crystec.com/kmiclgd.htm (Stand: 14.02.2013, 14:35 Uhr)

[68] http://www.winterthurtechnology.com/de/gruppe/loesungen/schleifverfahren/­spitzenlos.html (Stand: 14.02.2013,14:45 Uhr)

[70] Nordson EFD Deutschland GmbH: PICO-Dosiersysteme mit Piezoantrieb; Informationsbroschüre, Pforzheim, 2012

[71] http://www.balzers.com/bfl/ger/­01-products-services/02-balinit-coatings/
01-measurement/indexW3DnavidW261.php (Stand: 29.01.2013, 08:19 Uhr)

[72] DIN EN ISO 14577-1: Instrumentierte Eindringprüfung zur Bestimmung der Härte und anderer Werkstoffparameter, Teil 1: Prüfverfahren; Deutsches Institut für Normung e. V., 2003

[73] http://www.helmut-fischer.com/­globalfiles/DE_PICODENTOR500_DE.pdf (Stand: 29.01.2013, 10:00 Uhr)

[74] DIN EN 1071-2: Verfahren zur Prüfung keramischer Schichten, Teil 2: Bestimmung der Schichtdicke mit dem Kalottenschleifverfahren; Deutsches Institut für Normung e. V., 2003

[75] http://www.konfokalmikroskop.de/#header1 (Stand: 01.02.2013, 07:35 Uhr)

[76] http://www.pi3.uni-stuttgart.de/SMG/pdf/biophysueb_mikroskopie.pdf (Stand: 01.02.2013, 10:15 Uhr)

[77] G. Hinze: Konfokale Einzelmolekülmikroskopie, Fluoreszenzmessungen an einzelnen Molekülen mit Hilfe der konfokalen Mikroskopie; Universität Mainz, 2005

[78] M. Dürr: Experimentelle Methoden in der Oberflächenanalyse; Vorlesungsskript HS Esslingen, WS 2012/2013, S. 80 ff

DOI: 10.7395/2014/Kommer2

 

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