IGF-Nr N μm 50 μm

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1 IGF-Nr N 34 Abbildung 34: Verschleißspuren an Grundkörper (links) und Gegenkörper (rechts) bei 185 MPa maximaler Hertzscher Pressung im System ZrC g /1Cr6 gegen Si 3 N 4 (Abbruch des Tribometers nach kurzer Laufzeit) Einen weiteren Hinweis auf die Entstehung der erwähnten Partikel liefern die Untersuchungen mittels Scratch-Test (Abbildung 22 und Abbildung 35). Es ist ersichtlich, dass die Verschleißspuren der Proben gemessen bei 16 MPa und,15 m/s sowie,25 m/s am Rand ähnliche Versagensmuster aufweisen, wie die der Ritzspur bei einer Last von 45 N. Die in Gleit- bzw. Scratchrichtung weisenden, über den Rand der Ritz- bzw. Verschleißspur hinausgehenden Risse werden durch Zugspannungsrisse bedingt durch die Reibkraft infolge der Bewegung des Gegenkörpers verursacht. Gleitrichtung Scratchrichtung 1 μm 5 μm Abbildung 35: Vergrößerte Ausschnitte der Verschleißspur (16 MPa,,25 m/s, links) sowie der Ritzspur bei L C2 = 45 N (rechts) Die nachfolgenden Diagramme (Abbildung 36 und Abbildung 37) zeigen in Abhängigkeit von der maximalen Hertzschen Pressung und den Gleitgeschwindigkeiten die verschiedenen auftretenden Verschleißerscheinungen, die nach Auswertung der lichtmikroskopischen Aufnahmen ermittelt wurden. Hier können bereits verschiedene Bereiche identifiziert werden, die Aussagen über das Verschleißverhalten des Werkstoffverbundes bei verschiedenen Belastungen und somit die Erstellung einer Wear Map ermöglichen.

2 IGF-Nr N 35 max. Hertz'sche Pressung [MPa] ZrC g /1Cr6 gegen Si 3 N 4 * * * * * ,5,1,15,2,25,3,35,4,45,5 Gleitgeschwindigkeit v [m/s] Einlaufverschleiß Riefen vollst. Abrieb * Abbruch nach kurzer Laufzeit aufgrund vollständigen Schichtversagens Abbildung 36: Wear Map ZrC g /1Cr6 gegen Si 3 N 4 im PoD-Tribometer Abbildung 37: Abstrahierte Wear Map ZrC g /1Cr6 gegen Si 3 N 4 im PoD-Tribometer Weiterführende Untersuchungen sollen die Ursachen für die zuvor beschriebenen Verschleißerscheinungen klären. Hierzu wurde stichpunktartig die Verschleißspur ZrC g /Si 3 N 4 bei 16 MPa/,25 m/s unter dem REM analysiert. Die REM-Aufnahme des Grundkörpers (Abbildung 38) zeigt deutliche Riefen sowie ausgeprägte Rissbildung am Rand der Spur. Der EDX-Linescan weist noch Zirkoniumreste in der Spur nach, während der kohlenstoffreiche Bereich vollständig abgetragen wurde. Darüber hinaus ist kein Übertrag des Si 3 N 4 - Gegenkörpers in der Spur vorhanden. Die genauere Betrachtung der Verschleißspur (Abbildung 39) zeigt fischgrätenartige Abplatzungen im Randbereich (ähnlich Versagen nach Scratchtest), in denen die Kolumnen des Zirkonium-Haftvermittlers sichtbar werden. Offenbar brechen im Randbereich unter Belastung Partikel der zumeist spröden kohlenstoffreichen Lage aus. Diese sind für die Riefenbildung und letztendlich den vollständigen Abtrag der Schicht im weiteren Verlauf der Tribometeruntersuchung verantwortlich.

3 IGF-Nr N 36 C K SiK ZrL FeK ArK CrK Zählrate C, Si, Zr, Fe Abstand [μm] Zählrate Ar, Cr Abbildung 38: Linescan über Verschleißspur ZrC g gegen Si 3 N 4, 16 MPa/,25 m/s Abbildung 39: REM-Aufnahme der Verschleißspur ZrC g gegen Si 3 N 4, 16 MPa/,25 m/s (Cr,Al)N/1Cr6 gegen Si 3 N 4 In den folgenden Abbildungen sind die Reibwertverläufe in Abhängigkeit von der maximalen Hertzschen Pressung und der Geschwindigkeit dargestellt. Das Reibwertniveau bewegt sich über alle Belastungen auf einem vergleichbar hohen Niveau. Dieses ist dadurch begründet, dass (Cr,Al)N als Hartstoffschichtsystem im Gegensatz zu ZrC g nicht als Festschmierstoff dienen kann. Die Versuche mit 16 MPa (außer,5 m/s) und 185 MPa maximaler Hertzscher Pressung wurden aufgrund des Erreichens der maximalen tangentialen Belastung vom PoD-Tribometer kurz nach Beginn der Prüfung abgebrochen, sodass kein Reibwertverlauf ermittelt werden konnte. Die hohen Reibwerte sind u. a. bedingt durch ausgebrochene Partikel, die Riefen schon bei sehr niedrigen Belastungen in der Beschichtung hinterlassen. Lediglich der Versuch 75 MPa/,5 m/s weist eine Einglättung der Oberfläche auf, was sich positiv auf den Reibwert auswirkt (Abbildung 4, links). Auffällig ist das deutlich reduzierte Reibniveau des Versuchs mit der höchsten Belastung (Abbildung 41, rechts). Es wird vermutet, dass hier eine Reaktionsschicht, beispielweise bestehend aus Oxiden, die sich durch die erhöhten Temperaturen im Tribokontakt bedingt

4 IGF-Nr N 37 durch die hohe Belastung gebildet hat, zu diesem positiven Effekt geführt haben. Das hohe Niveau des Reibwertes spiegelt sich ebenfalls in den Verschleißraten wider (Abbildung 42 und Abbildung 43) MPa 1 95 MPa.8.8 Reibkoeffizient μ.6.4.2,5 m/s,15 m/s,25 m/s,35 m/s Reibkoeffizient μ.6.4.2,5 m/s,15 m/s,25 m/s,35 m/s,45 m/s Laufweg s [m] Laufweg s [m] Abbildung 4: Reibwertverlauf bei 75 MPa (links) und 95 MPa (rechts) max. Hertzscher Pressung im System (Cr,Al)N/1Cr6 gegen Si 3 N MPa 1 16 MPa.8.8 Reibkoeffizient μ.6.4.2,5 m/s,15 m/s,25 m/s,35 m/s,45 m/s Reibkoeffizient μ.6.4.2,5 m/s,15-,45 m/s: Abbruch durch Tribometer Laufweg s [m] Laufweg s [m] Abbildung 41: Reibwertverlauf bei 13 MPa (links) und 16 MPa (rechts) max. Hertzscher Pressung im System (Cr,Al)N/1Cr6 gegen Si 3 N 4 Verschleißrate [mm³/nm] 1,E-4 1,E-5 1,E-6 1,E-7 1,E-8 1,E-9 75 MPa Kugel Grundkörper,5,15,25,35,45 Geschwindigkeit v [m/s] Verschleißrate [mm³/nm] 1,E-4 1,E-5 1,E-6 1,E-7 1,E-8 1,E-9 95 MPa Kugel Grundkörper,5,15,25,35,45 Geschwindigkeit v [m/s] Abbildung 42: Verschleißraten bei 75 MPa (links) und 95 MPa (rechts) max. Hertzscher Pressung im System (Cr,Al)N/1Cr6 gegen Si 3 N 4

5 IGF-Nr N 38 Verschleißrate [mm³/nm] 1,E-4 1,E-5 1,E-6 1,E-7 1,E-8 1,E-9 13 MPa Kugel Grundkörper,5,15,25,35,45 Geschwindigkeit v [m/s] Verschleißrate [mm³/nm] 1,E-4 1,E-5 1,E-6 1,E-7 1,E-8 1,E-9 16 MPa Kugel Grundkörper * Abbruch durch Tribometer * * * *,5,15,25,35,45 Geschwindigkeit v [m/s] Abbildung 43: Verschleißraten bei 13 MPa (links) und 16 MPa (rechts) max. Hertzscher Pressung im System (Cr,Al)N/1Cr6 gegen Si 3 N 4 Neben der Riefenbildung, die nahezu unabhängig von Last und Geschwindigkeit auftritt (Abbildung 44 bis Abbildung 47), sind Ausbrüche zu erkennen, die teilweise über die gesamte Verschleißspurbreite reichen (Abbildung 44, Abbildung 46). Allerdings scheinen diese Ausbrüche nicht bis zum Substrat zu reichen. Es scheint sich auch hier, ähnlich den Ergebnissen aus der Ritzprüfung, um ein partielles kohäsives Schichtversagen zu handeln. Als Ursache für die Ausbrüche kann eine lokale Überlastung des Schicht-Substratverbundes bedingt durch die hohen Schubspannungen, die durch das hohe Reibwertniveau verursacht werden, herangezogen werden. Deutliche Hinweise hierauf sind die groben Bruchkanten am Rand der Verschleißspuren, die insbesondere bei den Versuchen bei hohen Hertzschen Pressungen zu beobachten sind (13 MPa, Abbildung 46 und 16 MPa, Abbildung 47).

6 IGF-Nr N 39 Abbildung 44: Verschleißspuren an Grundkörper (links) und Gegenkörper (rechts) bei 75 MPa maximaler Hertzscher Pressung im System (Cr,Al)N/1Cr6 gegen Si 3 N 4

7 IGF-Nr N 4 Abbildung 45: Verschleißspuren an Grundkörper (links) und Gegenkörper (rechts) bei 95 MPa maximaler Hertzscher Pressung im System (Cr,Al)N/1Cr6 gegen Si 3 N 4

8 IGF-Nr N 41 Abbildung 46: Verschleißspuren an Grundkörper (links) und Gegenkörper (rechts) bei 13 MPa maximaler Hertzscher Pressung im System (Cr,Al)N/1Cr6 gegen Si 3 N 4

9 IGF-Nr N 42 Abbildung 47: Verschleißspuren an Grundkörper (links) und Gegenkörper (rechts) bei 16 MPa maximaler Hertz scher Pressung im System (Cr,Al)N/1Cr6 gegen Si 3 N 4 Abbildung 48 und Abbildung 49 zeigen nachfolgend auf zwei unterschiedliche Arten die entsprechende Wear Map, die aus den oben dargestellten Ergebnissen ermittelt wurde. max. Hertz'sche Pressung [MPa] (Cr,Al)N/1Cr6 gegen Si 3 N 4 * * * * ,5,1,15,2,25,3,35,4,45,5 Gleitgeschwindigkeit v [m/s] Einlaufverschleiß Riefen Abplatzungen/Partikelverschleiß * Abbruch durch Tribometer Abbildung 48: Wear Map (Cr,Al)N/1Cr gegen Si 3 N 4 im PoD-Tribometer Abbildung 49: Abstrahierte Wear Map (Cr,Al)N/1Cr gegen Si 3 N 4 im PoD-Tribometer Genaueren Aufschluss über die Versagensmechanismen und die Abläufe unter Gleitbeanspruchung geben auch beim System (Cr,Al)N/1Cr6 gegen Si 3 N 4 rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen, die stichprobenartig an zwei verschiedenen

10 IGF-Nr N 43 Spuren durchgeführt wurden. Bei der Auswahl der Spuren sollten unterschiedliche Verschleißstadien berücksichtigt werden. Die Spur 95 MPa/,45 m/s repräsentiert dabei ein frühes Stadium des Verschleißvorganges, bei dem zunächst nur Einglättungserscheinungen bzw. leichte Riefen sichtbar sind (Abbildung 5, links). Die 5fache (Abbildung 5, rechts) und 1fache Vergrößerung (Abbildung 5, unten) zeigen neben einer deutlichen Aufweitung der Kolumnen in Laufrichtung auch Risse quer zur Laufrichtung (Pfeile). Darüber hinaus weisen einzelne Bereiche Ausbrüche des Schichtmaterials auf, die jedoch nicht vollständig bis zum Substrat reichen, was durch den Linescan (Abbildung 51) bestätigt wird. Dieser weist zudem vereinzelt Siliziumreste des Gegenkörpers in der Spur nach. Laufrichtung (Cr,Al)N geg. Si3N4, 95 MPa,,45 m/s Ausbruch Abbildung 5: REM-Aufnahmen der Verschleißspur (Cr,Al)N gegen Si3N4, 95 MPa/,45 m/s bei 1facher (links), 5facher (rechts) sowie 1facher Vergrößerung (unten)

11 IGF-Nr N 44 O K AlK SiK CrK C K N K ClK FeK Zählrate Cr, Al, Si, O Zählrate Fe, Cl, C, N Abstand [μm] Abbildung 51: Linescan über Verschleißspur (Cr,Al)N gegen Si 3 N 4, 95 MPa/,45 m/s Die Verschleißspur (Cr,Al)N gegen Si 3 N 4, 13 MPa/,15 m/s, wurde als Beispiel für ein fortgeschrittenes Verschleißstadium herangezogen. Hier sind schon in der lichtmikroskopischen Aufnahme (Abbildung 47) größere Bereiche, in denen das Substratmaterial freigelegt wurde, sowie tiefe Riefen sichtbar. Jedoch verlaufen die Bruchkanten nicht parallel zur Laufrichtung. Die REM-Aufnahmen (Abbildung 52) sowie der Linescan (Abbildung 53) bestätigen diesen Eindruck. Die 5fache Vergrößerung des Randbereichs der Verschleißspur zeigt eine Bruchkante, die bis zum Substrat reicht. Darüber hinaus sind an der Kante fischgrätenartige Risse zu erkennen, die sich entlang der Kolumne ausbreiten. Die Richtung dieser Risse gibt z. T. die Richtung der Bruchkante am Rand der Verschleißspur vor. Insofern ist davon auszugehen, dass dem Ausbrechen eines Schichtpartikels ein Risswachstum entlang der Kolumnen vorausgeht. Die Richtung der Risse bzw. die Richtung der Aufweitung der Kolumnen ist durch die Richtung der Tangentialspannungen im Hertzschen Kontakt vorgegeben [CZI92]. Als Versagensursache kann hier das kolumnare Wachstum des Schichtsystems mit einer geringen Festigkeit zwischen den Kolumnen und das hierdurch begünstigte Risswachstum herangeführt werden. Günstig wäre an dieser Stelle, ungeachtet eines günstigeren Reibverhaltens, eine deutlich feinkristallinere Schichtmikrostruktur, die ein derartiges Risswachstum hemmen würde. Dies könnte im Rahmen eines Nachfolgeprojektes durch eine Anpassung der Biasspannung im Beschichtungsprozess oder höhere Spitzenleistungen an den Targets erreicht werden.

12 IGF-Nr N 45 Laufrichtung (Cr,Al)N geg. Si3N4, 13 MPa,,15 m/s OK 3 AlK SiK CrK FeK CK NK ClK Zählrate Cl, C, N Zählrate Cr, Fe, Al, Si, O Abbildung 52: REM-Aufnahmen der Verschleißspur (Cr,Al)N gegen Si3N4, 13 MPa/,15 m/s bei 1facher (links), 5facher (rechts) sowie 1facher Vergrößerung (unten) Abstand [μm] 6 7 Abbildung 53: Linescan über die Verschleißspur (Cr,Al)N gegen Si3N4, 13 MPa/,15 m/s

13 IGF-Nr N D++ gegen Si 3 N 4 Abbildung 54, Abbildung 55 und Abbildung 56 zeigen das Reibverhalten des Systems D++ gegen Si 3 N 4. Auffällig ist das hohe Reibverhalten, das im Wesentlichen über alle Belastungen hinweg konstant bleibt. Lediglich bei der geringsten Belastung (75 MPa) ist ein geringfügig höheres Reibniveau sichtbar. Trotz der reibungsmindernden Woframdisulfidschicht ist das Reibniveau vergleichsweise hoch. Ab 16 MPa Hertzscher Pressung nimmt die Streuung der Reibwertverläufe zu, ohne jedoch eine Abhängigkeit von der Geschwindigkeit zu zeigen MPa 1 95 MPa.8.8 Reibkoeffizient μ.6.4,5 m/s,15 m/s,25 m/s,35 m/s,45 m/s Reibkoeffizient μ.6.4,5 m/s,15 m/s,25 m/s,35 m/s,45 m/s Laufweg s [m] Laufweg s [m] Abbildung 54: Reibwertverlauf bei 75 MPa (links) und 95 MPa (rechts) max. Hertzscher Pressung im System D++/1Cr6 gegen Si 3 N MPa 1 16 MPa.8.8 Reibkoeffizient μ.6.4,5 m/s,15 m/s,25 m/s,35 m/s,45 m/s Reibkoeffizient μ.6.4,5 m/s,15 m/s,25 m/s,35 m/s,45 m/s Laufweg s [m] Laufweg s [m] Abbildung 55: Reibwertverlauf bei 13 MPa (links) und 16 MPa (rechts) max. Hertzscher Pressung im System D++/1Cr6 gegen Si 3 N 4

14 IGF-Nr N MPa Reibkoeffizient μ ,5 m/s,15 m/s,25 m/s,35 m/s,45 m/s Laufweg s [m] Abbildung 56: Reibwertverlauf bei 185 MPa max. Hertzscher Pressung im System D++/1Cr6 gegen Si 3 N 4 Das hohe Reibniveau spiegelt sich nur z. T. im Verschleißverhalten wider. Bis einschließlich 13 MPa Hertzscher Pressung ist mittels Laserprofilometrie kein Verschleiß am beschichteten Grundkörper zu ermitteln (Abbildung 57). Dies ist auf die hohe Härte der CrN- Beschichtung zurückzuführen. Der Gegenkörperverschleiß bewegt sich jedoch durchgehend auf einem hohen Niveau, wobei die Verschleißrate die Grenze von 1-6 mm³/nm, die nach Konvention der International Research Group on Wear of Engineering Materials (lrg-oecd) schweren Verschleiß von mildem Verschleiß trennt [CZI92], erst ab einer Pressung von 16 MPa durchgehend überschreitet (Abbildung 58 Abbildung 59). Die Verschleißspur 185 MPa/,45 m/s wurde mittels EDX einer chemischen Charakterisierung unterzogen (Abbildung 6). Der Linescan zeigt, dass sogar die verschleißschützende CrN-Schicht vollständig abgetragen wurde, lediglich am Rand der Spur sind Wolframreste der reibungsmindernden Decklage zu finden. Aus diesem Grund wurde die Belastung in den Versuchen nicht weiter gesteigert. Verschleißrate [mm³/nm] 1,E-4 1,E-5 1,E-6 1,E-7 1,E-8 1,E-9 75 MPa Kugel Grundkörper n.m. n.m. n.m. n.m. n.m.,5,15,25,35,45 Geschwindigkeit v [m/s] Verschleißrate [mm³/nm] 1,E-4 1,E-5 1,E-6 1,E-7 1,E-8 1,E-9 95 MPa Kugel Grundkörper n.m. n.m. n.m. n.m. n.m.,5,15,25,35,45 Geschwindigkeit v [m/s] Abbildung 57: Verschleißraten bei 75 MPa (links) und 95 MPa (rechts) max. Hertzscher Pressung im System D++/1Cr6 gegen Si 3 N 4

15 IGF-Nr N 48 Verschleißrate [mm³/nm] 1,E-4 1,E-5 1,E-6 1,E-7 1,E-8 1,E-9 13 MPa Kugel Grundkörper n.m. n.m. n.m. n.m. n.m.,5,15,25,35,45 Geschwindigkeit v [m/s] Verschleißrate [mm³/nm] 1,E-4 1,E-5 1,E-6 1,E-7 1,E-8 1,E-9 16 MPa Kugel Grundkörper,5,15,25,35,45 Geschwindigkeit v [m/s] Abbildung 58: Verschleißraten bei 13 MPa (links) und 16 MPa (rechts) max. Hertzscher Pressung im System D++/1Cr6 gegen Si 3 N 4 Verschleißrate [mm³/nm] 1,E-4 1,E-5 1,E-6 1,E-7 1,E-8 1,E MPa Kugel Grundkörper,5,15,25,35,45 Geschwindigkeit v [m/s] Abbildung 59: Verschleißraten bei 185 MPa max. Hertz'cher Pressung im System D++/1Cr6 gegen Si 3 N 4

16 IGF-Nr N 49 D++/1Cr6 gegen Si 3 N 4, 185 MPa,,45 m/s Abbildung 6: Linescan über die Verschleißspur D++/1Cr6 gegen bei 185 MPa,,45 m/s Die Untersuchung der lichtmikroskopischen Aufnahmen der Verschleißspur und des Si 3 N 4 - Gegenkörpers zeigt unterschiedliche Verschleißerscheinungen. Bis einschließlich 95 MPa ist in den Verschleißspuren des beschichteten Gegenkörpers lediglich eine Einglättung der Oberfläche zu erkennen (Abbildung 61, Abbildung 62). Bei 13 MPa sind erste Riefen sichtbar (Abbildung 63), die mittels Laserprofilometrie allerdings nicht detektiert werden konnten. Die Gegenkörper zeigen deutlichen Verschleiß, zudem sind diese z. T. mit anhaftendem Abrieb bedeckt. Riefen sind auf diesen zunächst keine zu sehen. Mit steigender Belastung weisen die Verschleißspuren der Grundkörper zunehmend starke Riefen auf, die sich auch auf den Gegenkörpern abbilden, Abbildung 64 und Abbildung 65. Hervorgerufen werden diese vermutlich durch Schichtpartikel.

17 IGF-Nr N 5 Abbildung 61: Verschleißspuren an Grundkörper (links) und Gegenkörper (rechts) bei 75 MPa maximaler Hertzscher Pressung im System D++/1Cr6 gegen Si 3 N 4

18 IGF-Nr N 51 Abbildung 62: Verschleißspuren an Grundkörper (links) und Gegenkörper (rechts) bei 95 MPa maximaler Hertzscher Pressung im System D++/1Cr6 gegen Si 3 N 4

19 IGF-Nr N 52 Abbildung 63: Verschleißspuren an Grundkörper (links) und Gegenkörper (rechts) bei 13 MPa maximaler Hertzscher Pressung im System D++/1Cr6 gegen Si 3 N 4

20 IGF-Nr N 53 Abbildung 64: Verschleißspuren an Grundkörper (links) und Gegenkörper (rechts) bei 16 MPa maximaler Hertzscher Pressung im System D++/1Cr6 gegen Si 3 N 4

21 IGF-Nr N 54 Abbildung 65: Verschleißspuren an Grundkörper (links) und Gegenkörper (rechts) bei 185 MPa maximaler Hertzscher Pressung im System D++/1Cr6 gegen Si 3 N 4 Die Wear Maps, die sich aus den dargestellten und beschriebenen Schadensbildern ergeben, sind nachfolgend in Abbildung 66 und Abbildung 67 dargestellt.

22 IGF-Nr N 55 max. Hertz'sche Pressung [MPa] ,5,1,15,2,25,3,35,4,45,5 Gleitgeschwindigkeit v [m/s] Einlaufverschleiß Riefen Abplatzungen/Partikelverschleiß Abbildung 66: Wear Map D++/1Cr gegen Si 3 N 4 im PoD-Tribometer Abbildung 67: Abstrahierte Wear Map D++/1Cr gegen Si 3 N 4 im PoD-Tribometer Balinit C gegen Si 3 N 4 Die Reibwertverläufe aus den PoD-Untersuchungen des Balinit C-beschichteten Kontaktes zeigen ein für kohlenstoffbasierte Systeme zunächst ungewöhnliches Reibverhalten. Bei niedrigen Belastungen (75 und 95 MPa, Abbildung 68) ist zunächst ein Anstieg auf einen Reibwert von z. T. über,4 zu verzeichnen, der im weiteren Verlauf z. T. wieder abfällt. Bei steigenden Lasten sind jedoch wieder die für kohlenstoffbasierte Systeme typischen niedrigen Reibwerte zu erkennen. Verantwortlich für dieses Verhalten ist ein Einlaufprozess, in dem ein Schichtübertrag auf den Gegenkörper bzw. eine Mikrographitisierung der oberflächennahen Bereiche stattfindet, die letzten Endes das günstige Reibverhalten ermöglicht [NIU93], [HOL2], [MER3]. Die Bildung des Transferfilms wird von der tribologischen Belastung beeinflusst, die im Rahmen dieser Untersuchungen in erster Linie von der Hertzschen Pressung beeinflusst wird. Weitere Arbeiten beispielsweise von Ronkainen et. al. zeigen zudem einen deutlichen Einfluss der Geschwindigkeit auf die Bildung eines Transferfilms [RON92]. Dies allerdings erst bei Geschwindigkeiten oberhalb von 2 m/s, die mit dem am IOT verfügbaren PoD-Tribometer nicht einstellbar sind.

23 IGF-Nr N 56 Mit zunehmender Belastung werden jedoch Unregelmäßigkeiten im Reibwertverlauf sichtbar, die vermutlich auf Schicht- oder Gegenkörperpartikel zurückzuführen sind, die im Verlauf der Untersuchung aus der Schicht ausbrechen und durch die Spur gerieben werden. Besonders deutlich wird dies im Versuch 23 MPa/,45 m/s, dessen Reibwertverlauf insgesamt auf einem sehr niedrigen Niveau verbleibt (Abbildung 7, rechts). Von allen getesteten Schichten konnte nur Balinit C mit der am Tribometer maximal möglichen Belastung von 2 N, dies entspricht einer Hertzschen Pressung von 23 MPa, untersucht werden, ohne ein sofortiges Schichtversagen zu zeigen oder einen Abbruch durch zu hohe Tangentialkräfte hervorzurufen. Reibkoeffizient μ MPa,5 m/s,15 m/s,25 m/s,35 m/s,45 m/s Reibkoeffizient μ MPa,5 m/s,15 m/s,25 m/s,35 m/s,45 m/s Laufweg s [m] Laufweg s [m] Abbildung 68: Reibwertverlauf bei 75 MPa (links) und 95 MPa (rechts) max. Hertzscher Pressung im System Balinit C/1Cr6 gegen Si 3 N 4 Reibkoeffizient μ MPa,5 m/s,15 m/s,25 m/s,35 m/s,45 m/s Reibkoeffizient μ MPa,5 m/s,15 m/s,25 m/s,35 m/s,45 m/s Laufweg s [m] Laufweg s [m] Abbildung 69: Reibwertverlauf bei 13 MPa (links) und 16 MPa (rechts) max. Hertzscher Pressung im System Balinit C/1Cr6 gegen Si 3 N 4

24 IGF-Nr N 57 Reibkoeffizient μ MPa,5 m/s,15 m/s,25 m/s,35 m/s,45 m/s Reibkoeffizient μ MPa MPa,5 m/s,15 m/s,25 m/s,35 m/s,45 m/s Laufweg s [m] Laufweg s [m] Abbildung 7: Reibwertverlauf bei 185 MPa (links) und 23 MPa (rechts) max. Hertzscher Pressung im System Balinit C/1Cr6 gegen Si 3 N 4 Die folgenden Abbildungen zeigen die ermittelten Verschleißraten. Bis einschließlich 16 MPa ist auf den beschichteten Grundkörpern mittels Laserprofilometrie kein Verschleiß zu messen (Abbildung 71, Abbildung 72 und Abbildung 73). Der Gegenkörperverschleiß liegt ebenfalls auf einem sehr niedrigen Niveau. Die lichtmikroskopischen Aufnahmen der Si 3 N 4 - Kugeln zeigen einen Schichtübertrag, der die Kugel zusätzlich vor Verschleiß schützt (Abbildung 74 - Abbildung 79). Die Untersuchung der Verschleißspuren auf den Grundkörpern zeigt bis einschließlich 9 MPa lediglich eine Einglättung der Oberfläche, bis 16 MPa leichte Riefen. Erst ab einer Belastung von 185 MPa sind lokal tiefere Reifen, infolge von Furchungs- bzw. Partikelverschleiß erkennbar. Ab 23 MPa Hertzscher Pressung sind insbesondere im Versuch bei,45 m/s Gleitgeschwindigkeit Riefen über die gesamte Spurbreite sichtbar, die vermutlich bis zum Substrat reichen. Diese Verschleißerscheinung korreliert mit dem ermittelten Reibwertverlauf. Verschleißrate [mm³/nm] 1,E-4 1,E-5 1,E-6 1,E-7 1,E-8 1,E-9 75 MPa Kugel Grundkörper n.m. n.m. n.m. n.m. n.m.,5,15,25,35,45 Geschwindigkeit v [m/s] Verschleißrate [mm³/nm] 1,E-4 1,E-5 1,E-6 1,E-7 1,E-8 1,E-9 95 MPa Kugel Grundkörper n.m. n.m. n.m. n.m. n.m. n.m.,5,15,25,35,45 Geschwindigkeit v [m/s] Abbildung 71: Verschleißraten bei 75 MPa (links) und 95 MPa (rechts) max. Hertzscher Pressung im System Balinit C/1Cr6 gegen Si 3 N 4

25 IGF-Nr N 58 Verschleißrate [mm³/nm] 1,E-4 1,E-5 1,E-6 1,E-7 1,E-8 1,E-9 13 MPa Kugel Grundkörper n.m. n.m. n.m. n.m. n.m.,5,15,25,35,45 Geschwindigkeit v [m/s] Verschleißrate [mm³/nm] 1,E-4 1,E-5 1,E-6 1,E-7 1,E-8 1,E-9 16 MPa Kugel Grundkörper n.m. n.m. n.m. n.m. n.m.,5,15,25,35,45 Geschwindigkeit v [m/s] Abbildung 72: Verschleißraten bei 13 MPa (links) und 16 MPa (rechts) max. Hertzscher Pressung im System Balinit C/1Cr6 gegen Si 3 N 4 Verschleißrate [mm³/nm] 1,E-4 1,E-5 1,E-6 1,E-7 1,E-8 1,E MPa Kugel Grundkörper,5,15,25,35,45 Geschwindigkeit v [m/s] Verschleißrate [mm³/nm] 1,E-4 1,E-5 1,E-6 1,E-7 1,E-8 1,E-9 23 MPa Kugel Grundkörper,5,15,25,35,45 Geschwindigkeit v [m/s] Abbildung 73: Verschleißraten bei 185 MPa (links) und 23 MPa (rechts) max. Hertzscher Pressung im System Balinit C/1Cr6 gegen Si 3 N 4

26 IGF-Nr N 59 Abbildung 74: Verschleißspuren an Grundkörper (links) und Gegenkörper (rechts) bei 75 MPa maximaler Hertzscher Pressung im System Balinit C/1Cr6 gegen Si 3 N 4

27 IGF-Nr N 6 Abbildung 75: Verschleißspuren an Grundkörper (links) und Gegenkörper (rechts) bei 95 MPa maximaler Hertzscher Pressung im System Balinit C/1Cr6 gegen Si 3 N 4

28 IGF-Nr N 61 Abbildung 76: Verschleißspuren an Grundkörper (links) und Gegenkörper (rechts) bei 13 MPa maximaler Hertzscher Pressung im System Balinit C/1Cr6 gegen Si 3 N 4

29 IGF-Nr N 62 Abbildung 77: Verschleißspuren an Grundkörper (links) und Gegenkörper (rechts) bei 165 MPa maximaler Hertzscher Pressung im System Balinit C/1Cr6 gegen Si 3 N 4

30 IGF-Nr N 63 Abbildung 78: Verschleißspuren an Grundkörper (links) und Gegenkörper (rechts) bei 185 MPa maximaler Hertzscher Pressung im System Balinit C/1Cr6 gegen Si 3 N 4

31 IGF-Nr N 64 Abbildung 79: Verschleißspuren an Grundkörper (links) und Gegenkörper (rechts) bei 23 MPa maximaler Hertzscher Pressung im System Balinit C/1Cr6 gegen Si 3 N 4 Abbildung 8 und Abbildung 81 zeigen die für die untersuchten Versuchsparameter ermittelten Verschleißerscheinungsformen als Wear Map.

32 IGF-Nr N 65 max. Hertz'sche Pressung [MPa] ,5,1,15,2,25,3,35,4,45,5 Gleitgeschwindigkeit v [m/s] Einlaufverschleiß Riefen Abplatzungen/Partikelverschleiß Abbildung 8: Wear Map Balinit C/1Cr6 gegen Si 3 N 4 im PoD-Tribometer Abbildung 81: Abstrahierte Wear Map Balinit C/1Cr6 gegen Si 3 N 4 im PoD-Tribometer Tribologische Charakterisierung im Impacttester Die Ergebnisse der Impact-Untersuchungen der Werkstoffverbunde zeigen in Abhängigkeit von den Versuchsparametern und Werkstoffverbunden ein sehr unterschiedliches Verschleißverhalten ZrC g /1Cr6 gegen Si 3 N 4 Die lichtmikroskopischen Aufnahmen zeigen in der Gesamtheit zunächst keine Auffälligkeiten. Bei hohen Belastungen (8,7 GPa max. Hertzsche Pressung) sind in der Mitte der Impacteindrücke lediglich Einglättungen erkennbar, die jedoch zunächst nicht als Schäden zu bezeichnen sind, Abbildung 82.

33 IGF-Nr N 66 Abbildung 82: Übersicht Impacteindrücke ZrC g /1Cr6 gegen Si 3 N 4 Für eine tiefer gehende Analyse der Schadensmechanismen sind REM-Aufnahmen des Impacteindrucks mit der höchsten Belastung erstellt worden (Abbildung 83). Hier zeigen sich am Rand des Eindrucks überwiegend konzentrische Risse. Darüber hinaus bildet sich durch die kohlenstoffreiche Decklage die kolumnare Mikrostruktur des Haftvermittlers ab. Die Risse breiten sich allerdings nicht entlang der Kolumnen aus, sondern relativ geradlinig über sie hinweg. Dies deutet darauf hin, dass nur die Decklage Risse aufweist und nicht die gesamte Schicht. Die Mitte des Eindrucks zeigt lediglich eine Einglättung der Oberfläche. Hier sind die Kolumnen des Haftvermittlers deutlich schlechter zu sehen.

34 IGF-Nr N 67 Abbildung 83: REM-Aufnahmen des Impacteindruckes ZrCg/1Cr6 gegen Si3N4 bei 8,7 GPa Hertzscher Pressung nach 2 Mio. Impacts (Cr,Al)N/1Cr6 gegen Si3N4 Die Untersuchungen der (Cr,Al)N-beschichteten Werkstoffverbunde lassen auf ein anderes Verschleißverhalten schließen (Abbildung 84). Die lichtmikroskopischen Aufnahmen zeigen in der Mitte der Eindrücke zunächst wieder Einglättungen der Oberfläche. Zudem sind bei den Versuchen bei 8,7 GPa Hertzscher Pressung dunkle, halbmondförmige Bereiche zu erkennen, die auf einen Übertrag der Si3N4-Kugel deuten. Ansonsten sind hier keine weiteren Schäden sichtbar.

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