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Wechselwirkungen zwischen gradierten diamantähnlichen Kohlenstoffschichten und additivierten Schmierstoffen

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.