Entwicklung und Untersuchung mehrlagiger PVD-Kohlenstoffschichten als Schutz vor tribologischer und korrosiver Beanspruchung

Bei der Herstellung von Maschinenkomponenten, die einer korrosiven und tribologischen Beanspruchung ausgesetzt sind, entstehen Industrie und Wirtschaft hohe Kosten. Ein Grund hierfür ist die Notwendigkeit, auf widerstandsfähige Sondergusswerkstoffe und Spezialstähle zurückzugreifen, die aufwändige Herstellungsverfahren, den Einsatz teurer Rohstoffe, einen hohen konstruktiven Aufwand und Energieeinsatz bedingen. Als Alternative kann das Aufbringen von Schutzschichten auf etablierten, kostengünstigeren und leichter zu bearbeitenden Werkstoffen wie niedriglegierter Stahl die profitablere und umweltfreundlichere Lösung sein. Moderne amorphe Kohlenstoffschichten scheinen aufgrund ihrer Eigenschaften als Beschichtungsmaterial für einen solchen Schutz vor korrosiver und tribologischer Beanspruchung geeignet. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Duplexsystems aus dem vergüteten und plasmanitrierten niedriglegierten Stahl 42CrMo4 und mehrlagigen Schichtsystemen auf Kohlenstoffbasis, welche mittels reaktivem MSIP PVD abgeschieden werden. So soll der Verbund aus Beschichtung und vorbehandeltem Substrat eine hohe Beständigkeit unter tribologischer und korrosiver Beanspruchung erreichen. Hierzu werden zum einen verschiedene Werkstoffkonzepte und Schichtarchitekturen realisiert und analysiert. Zum anderen werden Variationen an den Beschichtungsprozessen und -parametern vorgenommen. Der jeweilige Verbund aus Beschichtung und Substrat wird zunächst hinsichtlich der reinen Schichteigenschaften wie Schichtdicke, -morphologie und -architektur, Härte und Eindringmodul, Oberflächenrauheit und chemischer Zusammensetzung untersucht. Anschließend erfolgt eine Analyse der Haftfestigkeit der Beschichtung auf dem Substrat. Die Beständigkeit der Beschichtung unter korrosiver Beanspruchung sowie die Durchlässigkeit für ein flüssiges Korrosionsmedium werden anhand von Polarisationsversuchen und Salzsprühnebeltests ermittelt. Die Analyse des tribologischen Verhaltens erfolgt sowohl unter Gleit- als auch unter Prallbeanspruchung. Die Durchlässigkeit der Beschichtung für ein flüssiges Medium wird im Anschluss an die tribologischen Untersuchungen mittels des Ferroxyl-Tests erforscht. Die durch die Analysen generierten wissenschaftlichen Erkenntnisse und die abgeleiteten Einflussgrößen hinsichtlich der Beschichtungsparameter und unterschiedlicher Schichtarchitekturen auf die Schicht-, Verbund- und Systemeigenschaften dienen dazu, unter einem gegebenen Beanspruchungskollektiv aus korrosiver und tribologischer Belastung geeignete Konzepte auszuwählen oder bestehende Konzepte entsprechend anzupassen.