Untersuchung des Einflusses von Schichtarchitektur und Elementdotierung von diamantähnlichen Kohlenstoffschichten auf das Schädigungsverhalten bei zyklisch-mechanischer Beanspruchung

Amorpher Kohlenstoff, auch als diamantähnlicher Kohlenstoff (englisch: diamond-like carbon, kurz DLC) bezeichnet, reduziert die Reibung und steigert die Verschleißbeständigkeit von Werkzeugen. Allerdings verfügen amorphe Kohlenstoffschichten über hohe Druckeigenspannungen, die zu einer reduzierten Schichthaftung auf den Werkzeugen führen. Bei der Zerspanung von inhomogenen Werkstoffen erfahren die beschichteten Werkzeuge eine zyklisch-mechanische Beanspruchung, die eine Schichtdelamination infolge der geringen Schichthaftung auslösen kann und somit ein frühzeitiges Werkzeugversagen verursacht. Allerdings lässt sich die Schichthaftung sowohl durch die Modifikation der amorphen Kohlenstoffschichten durch Hinzufügen anderer Elemente als auch durch einem an dem Belastungskollektiv angepassten Schichtdesign deutlich steigern. Die wissenschaftliche Zielsetzung des Forschungsvorhabens ist somit die Untersuchung des Einflusses der Elementmodifikation und der Schichtarchitektur auf die mechanischen Eigenschaften bei einer zyklisch-mechanischen Beanspruchung sowie die Identifikation der auftretenden schädigungsrelevanten Mechanismen. Die amorphen Kohlenstoffschichten (a-C) werden hierbei durch Hinzugabe von Wasserstoff (H), Silizium (Si), Wolfram und Silber (Ag) modifiziert. Diese werden entweder als monolagige a-C oder a-C:X mit X = H, Si und Ag oder einem alternierenden Multilagenaufbau, bestehend aus a-C/a-C:X, mit einer Cr-basierten Zwischenschicht abgeschieden (siehe Abbildung). Die Elementmodifikation sowie die Schichtarchitektur wirken sich neben der Schichthaftung ebenfalls auf die mechanischen und tribologischen Schichteigenschaften aus, die am LWT grundlegend untersucht werden. Das Ermüdungsverhalten der Schichten wird am LWK der Universität Paderborn mit einem eigens für die dünnen Schichtsysteme entwickelten Prüfverfahren untersucht. Basierend auf die Erkenntnisse wird eine angepasste Schichtstruktur für zyklisch-mechanische Beanspruchungen entwickelt, die die Standzeit der beschichteten Werkzeuge deutlich erhöht.

1. W. Tillmann, N.F. Lopes Dias, D. Stangier: Tribo-mechanical properties of CrC/a-C thin films sequentially deposited by HiPIMS and mfMS. Surface and Coatings Technology 335 (2018), 173-180. doi:  https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.12.035
2. W. Tillmann, N.F. Lopes Dias, D. Stangier: Influence of plasma nitriding pre-treatments on the tribo-mechanical properties of DLC coatings sputtered on AISI H11. Surface and Coatings Technology 357, (2019) 1027-1036. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.11.002
3. W. Tillmann, N.F. Lopes Dias, D. Stangier: Investigation of the tribo-mechanical properties of sputtered a-C:Si films using design of experiments. Diamond and Related Materials 91 (2019), 127-137. doi: https://doi.org/10.1016/j.diamond.2018.11.014
4. W. Tillmann, N.F. Lopes Dias, D. Stangier, M. Bayer, H. Moldenhauer, J. Debus, M. Schmitz, U. Berges, C. Westphal: Interaction effects of cathode power, bias voltage, and mid-frequency on the structural and mechanical properties of sputtered amorphous carbon films. Applied Surface Science 487 (2019), 857-867. doi: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.05.131
5. W. Tillmann, N.F. Lopes Dias, D. Stangier, W. Maus-Friedrichs, R. Gustus, C.A. Thomann, H. Moldenhauer, J. Debus: Improved adhesion of a-C and a-C:H films with a CrC interlayer on 16MnCr5 by HiPIMS-pretreatment. Surface and Coatings Technology 375 (2019), 877-887. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.07.076
6. W. Tillmann, H. Ulitzka, N.F. Lopes Dias, D. Stangier, C.A. Thomann, H. Moldenhauer, J. Debus: Effects of acetylene flow rate and bias voltage on the structural and tribo-mechanical properties of sputtered a-C:H films. Thin Solid Films 693, (2020) 137691. doi: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2019.137691
7. W. Tillmann, N.F. Lopes Dias, D. Stangier, A. Nienhaus, C.A. Thomann, A. Wittrock, H. Moldenhauer, J. Debus: Effect of the bias voltage on the structural and tribo-mechanical properties of Ag-containing amorphous carbon films. Diamond and Related Materials 105 (2020), 107803. doi: https://doi.org/10.1016/j.diamond.2020.107803
8. W. Tillmann, N.F. Lopes Dias, D. Stangier, M. Schaper, F. Hengsbach, K.P. Hoyer: Tribo-mechanical properties and adhesion behavior of DLC coatings sputtered onto 36NiCrMo16 produced by selective laser melting. Surface and Coatings Technology 394 (2020), 125748. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125748
9. W. Tillmann, N.F. Lopes Dias, D. Stangier, S. Matveev, C.A. Thomann, J. Debus: Design of Cu- and Ag-containing amorphous carbon multilayers with improved tribo-mechanical properties. Materials Letters 284 (2021), 128905. doi: https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.128905
10. W. Tillmann, N.F. Lopes Dias, D. Stangier, S. Matveev, C.A. Thomann, J. Debus: Structure and tribo-mechanical properties of Si- and W-containing amorphous carbon based multilayers. Applied Surface Science Advances 1 (2021), 100105. doi: https://doi.org/10.1016/j.apsadv.2021.100105

1. W. Tillmann, N.F. Lopes Dias, D. Stangier: Investigation of the tribo-mechanical properties of sputtered a-C:Si films using design of experiments. 46th International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films, San Diego, USA, 19.-24. Mai 2019.
2. W. Tillmann, N.F. Lopes Dias, D. Stangier, W. Maus-Friedrichs, R. Gustus, C.A. Thomann, H. Moldenhauer, J. Debus: Improved adhesion of a-C and a-C:H films with a CrC interlayer on 16MnCr5 by HiPIMS-pretreatment. 46th International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films, San Diego, USA, 19.-24. Mai 2019.

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