Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2406
Main Title: Slip-rolling resistance of novel Zr(C,N) thin film coatings under high Hertzian contact pressures
Translated Title: Wälzbeständigkeit von neuartigen Zr(C,N) Dünnschichten unter hohen Hertzschen Kontaktpressungen
Author(s): Manier, Charles-Alix
Advisor(s): Woydt, Mathias
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Heutzutage sind Beschichtungen in breiten technologischen Anwendungsfeldern von Dekorierungszwecken bis zur Verbesserung der Leistung von Werkzeugen in der Massenfertigung, von medizinischen Werkzeugen oder noch von Computer Bestandteilen und vielen Anderen verbreitet. Besonders rechnet die Automobilindustrie mit einem Leistungsgewinn bei der Verwendung von Dünnschichten in mechanischen Bauteilen des Antriebstranges und des Getriebes. Das auf einer kostengünstigen Alternative basierte Konzept ist die Leistungssteigerung durch Erhöhung der Tragfähigkeit durch Aufbringung von Dünnschichten, die zu zusätzlichen Eigenschaften beitragen könnten, ohne das Design der Bauteile grundlegend zu verändern. Es würde auch einen Weg in Richtung Downsizing darstellen. In der vorliegenden Arbeit ist eine kurz gefasste Literaturübersicht bezüglich der Wälzbeständigkeit von verschiedenen Dünnschichten zusammengestellt. Bei der Durchführung von Wälzversuchen sind kristalline Zr(C,N) Dünnschichten als wälzbeständig nachgewiesen worden und zwar bis zu einer mittleren Hertzschen Kontaktpressung von P0mitteln = 1,94 GPa (P0max = 2,91 GPa) bei 120°C in Erstbefüllungsmotoröl bis zu zehn Millionen Zyklen. Grundsätzlich stellt dieses Ergebnis hier eine Verdoppelung der auf die Oberfläche wirkenden Normalkraft gegenüber unbeschichteter Kontaktkonfiguration dar, die herkömmlich mit gebrauchsfertig formulierten Ölen (d.h. mit hohem Anteil an Additiven) geschmiert sind. Typischerweise bestehen die zu beschichtenden Substrate aus vergütetem Lagerstahl Cronidur 30. Die Zr(C,N) Dünnschichten sind mittels verschiedenen Untersuchungsmethoden charakterisiert worden, um die Ursachen festgestellter Ergebnisunterschiede bezüglich der Wälzbeständigkeit unter diesen hohen tribologischen Beanspruchungen zu klären. Die Wälzbeständigkeit verschiedener Beschichtungschargen ist mittels eines festgelegten, leistungsfähigen Prüfverfahrens evaluiert worden. Verschiedene Standzeitergebnisse sind zwischen den einzelnen Chargen erreicht worden, ohne wesentliche Änderungen bei den Abscheidungsprozessen vorzunehmen. Die durchgeführte Charakterisierung stellt mikrostrukturelle Unterschiede fest, die die Wälzbeständigkeit beeinflussen und als Ursache der Wälzverhaltensunterschiede der Zr(C,N) Dünnschichten sein können. Außerdem ist die Leistung der Zr(C,N) Dünnschicht nicht nur im Bezug auf die Steigerung der Wälzbeständigkeit sondern auch hinsichtlich des tribologischen Einflusses (u. a. Nachwirkungen auf den Verschleiß und die Reibung) bewertet worden. Darum wurden die tribologischen Ergebnisse mit den entsprechenden gemessenen Größen von unlängst entwickelten DLC-Dünnschichten (DLC, Diamond Like Carbon) verglichen, die auch bei der gleichen Prüfprozedur getestet worden sind und gleiche Überrollungszahlen erwiesen hatten.
Today, coatings are used in many applications ranging from the decoration purposes to the improvement of efficiency such as in machining tools, medical tools, computer devices (hard disks) and many more. Especially the automotive industry anticipates a benefit in using coatings for example in powertrains and gears where the mechanical components are stressed under slip-rolling motion. A cost effective option to increase efficiency is based on the increase of the load carrying capacity by thin film coatings. It would also represent a way towards downsizing. In the work presented here, a small review concerning rolling contact fatigue of coatings was performed. Experimentally it is then shown, that crystalline Zr(C,N) coatings can be slip-rolling resistant at 120 °C in factory fill engine oil up to ten million cycles under average Hertzian contact pressures up to P0mean = 1.94 GPa (P0max = 2.91 GPa). Basically, it represents here the doubling of the normal force acting on the surface compared to uncoated steel traditionally lubricated with fully formulated oil. Typically, the coated substrates are made of the quenched and tempered bearing steel Cronidur 30. The Zr(C,N) coatings were fully characterized using different characterisation techniques in order to understand the difference in slip-rolling resistance under those high tribological demands. Effectively, the slip-rolling resistance of different batches of the Zr(C,N) coatings is evaluated using a defined and powerful testing procedure. Different results of lifetime were achieved without fundamental changes of the deposition procedure. The characterisation achieved permits the identification of microstructural disparities which should affect the load carrying capacity of the coating. Moreover, the efficiency of the high slip-rolling resistant Zr(C,N) coating was considered not only with respect to the improvement of the load carrying capacity of the substrate but also in terms of tribological performances in respect of wear and friction induced. Tribological results are also compared with those of newly developed DLC coatings (Diamond-Like Carbon) principally known for their “chameleon” tribological properties enabling the singular combination of low friction and low wear, i.e. those having shown the best performances until now under the same slip-rolling testing procedure.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-26033
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2703
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2406
Exam Date: 11-Feb-2010
Issue Date: 25-Mar-2010
Date Available: 25-Mar-2010
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Dünnschichten
Multilayer
PVD
Wälzbeständigkeit
Zr(C,N)
Coating
Multilayer
PVD
Slip-rolling resistance
Zr(C,N)
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