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Wechselwirkungen zwischen gradierten diamantähnlichen Kohlenstoffschichten und additivierten Schmierstoffen = Interactions between graded diamond-like carbon coatings and additivated lubricants
2021
Dissertation, RWTH Aachen University, 2020
Deutsche und englische Zusammenfassung
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-11-26
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
DLC (frei) ; PVD (frei) ; Raman-Spektroskopie (frei) ; Schmierstoff (frei) ; ZnDTP (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Um die steigenden Anforderungen in der Automobilbranche durch politische Vorgaben und das wachsende öffentliche Bewusstsein zur CO2-Reduktion erfüllen zu können, ist die Anwendung neuer technologischer Ansätze zunehmend erforderlich. Der Einsatz von diamantähnlichen Kohlenstoffbeschichtungen (engl. Diamond-like Carbon, DLC) im Antriebsstrang bietet aufgrund ihrer reibungs- und verschleißreduzierenden Wirkung in tribologischen Systemen das Potential die aktuellen und zukünftigen Anforderungen zu erfüllen. Heutige Schmierstoffe und Additive wurden für Stahl/Stahl-Kontakte ausgelegt. Aufgrund der zunehmenden Verwendung von DLC-Beschichtungen auf Bauteilen tribologischer Systeme, wie beispielsweise Tassenstößeln, Kolbenbolzen, Kolbenringen und Einspritzdüsen, ist ein Verständnis bezüglich der physikalisch-chemischen Wechselwirkungen zwischen Schmierstoffen, Additiven und DLC-Beschichtungen ein Forschungsbereich von zunehmender Bedeutung. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist die Erforschung von physikalisch-chemischen Wechselwirkungen zwischen DLC-Beschichtungen und industriell relevanten additivierten Schmierstoffen im tribologischen DLC/DLC-Kontakt unter Grenz- und Mischreibungsbedingungen. Durch die Wechselwirkungen entstehen Triboschichten, welche einen Einfluss auf das Reibungs- und Verschleißverhalten im tribologischen Kontakt haben. Auf Basis der wasserstoff- und metallhaltigen diamantähnlichen Kohlenstoffbeschichtungen a-C:H:Zr (ZrCg) und a-C:H:Ti (TiCg) werden diskrete Schichtvarianten der beiden Schichtsysteme mittels Magnetron Sputtering abgeschieden. Die Grundcharakterisierung ermöglicht einen Vergleich und die Analyse des Einflusses unterschiedlicher Metalle sowie Wasserstoffgehalte der DLC-Beschichtungen auf die physikalisch-chemischen Wechselwirkungen. Zusätzlich werden die Eigenschaften der ausgewählten Schmierstoffe untersucht. Für die tribologische Analyse werden die Parameter aus der Leitanwendung, dem Zahnradkontakt, abgeleitet. Nachfolgend werden die Strukturen, chemischen Zusammensetzungen der Triboschichten sowie deren Scherverhalten mittels Nanoscratch auf der ZrCg- und TiCg-Beschichtung bestimmt. Abschließend erfolgen die Korrelationen der Erkenntnisse bezüglich der DLC-Beschichtungen, den Schmierstoffen und Triboschichten mit den Systemgrößen Reibung und Verschleiß. Anhand der Ergebnisse konnte nachgewiesen werden, warum sich die Wechselwirkung zwischen ZrCg und dem Additiv Zinkdialkyldithiophosphat (ZnDTP) negativ auf das Reibungs- und Verschleißverhalten im tribologischen Kontakt auswirken.In order to meet the increasing demands on the automotive industry due to political guidelines and the growing public awareness of CO2 reduction, the need of new technological approaches is increasingly required. The use of diamond-like carbon (DLC) coatings in powertrain offers the potential to meet current and future requirements due to their friction and wear reducing effect in tribological systems. Today's lubricants and additives are designed for steel/steel contacts. Due to the growing use of DLC coatings on components of tribological systems, such as tappets, piston pins, piston rings and injection nozzles, an understanding of the physical and chemical interactions between lubricants, additives and DLC coatings is an area of research of rising importance. The overall objective of this thesis is the investigation of physical and chemical interactions between DLC coatings and industrially relevant additivated lubricants in tribological DLC/DLC contacts under boundary and mixed friction conditions. The interactions result in tribo-induced layers, which have an influence on the friction and wear behavior in tribological contacts. On the basis of the hydrogen and metal-containing diamond-like carbon coatings a-C:H:Zr (ZrCg) and a-C:H:Ti (TiCg), discrete coatings of the coating systems are deposited using magnetron sputtering technology. The characterization allows a comparison and analysis of the influence of different metals and hydrogen contents of the DLC coatings on the physical and chemical interactions. In addition, the properties of the selected lubricants will be investigated. For the tribological analysis, the parameters are derived from the guide application, the gear contact. Subsequently, the structures, chemical compositions and shearing properties of the tribo-layers on the ZrCg and TiCg coating are determined. Finally, correlations of the findings regarding the DLC coatings, lubricants and tribo-layers with the system parameters friction and wear are shown, with the aim of interpreting the physical and chemical interactions. Based on the results, it was demonstrated for which reasons the interaction between ZrCg and the additive zinc dialkyl dithiophosphate (ZnDTP) has a negative effect on the friction and wear behavior in tribological contact.
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
print
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT020865843
Interne Identnummern
RWTH-2021-02163
Datensatz-ID: 814318
Beteiligte Länder
Germany
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