Oberflächenmodifikation additiv prozessierter Einsatzstähle durch ein Schichtsystem aus Nickel- und amorphen Kohlenstoffschichten
Creators: name: Hankel, Jonas
Publisher: name: Bergische Universität Wuppertal
Year: 2023

description: Additiv gefertigte Bauteile aus Metall bieten sich zum Einsatz in tribologischen Systemen wie Lagern oder Getrieben an, da sie eine höhere Designfreiheit und mehr Leichtbaupotential bieten. Die Oberflächenqualität additiv gefertigter Bauteile genügt dabei allerdings nicht den Anforderungen, die an tribologisch belastete Oberflächen gestellt werden, was maßgeblich durch die vorliegende Rauheit und Porosität verursacht wird. Insbesondere eignen sich diese Oberflächen daher nicht für eine Deposition von Dünnschichten aus amorphem Kohlenstoff, die eingesetzt werden, um den Verschleiß und die Reibung tribologischer Systeme maßgeblich zu reduzieren. In dieser Arbeit wurde der mittels selektivem Laserstrahlschmelzen (PBF-LB/M) prozessierte und einsatzgehärtete Stahl 20MnCr5 hinsichtlich seiner Oberflächenqualität analysiert, tribologisch geprüft und mit einem PBF-LB/M prozessierten X2CrNiMo17-12-2 sowie einem warmgewalzten und einsatzgehärteten 20MnCr5 verglichen. Beide Varianten des 20MnCr5 wurden anschließend in unterschiedlichen Oberflächenzuständen durch die anodische Lichtbogenabscheidung mit amorphen Kohlenstoffschichten versehen und tribologisch geprüft, wobei unterschiedliche Zwischenschichten aus Nickel bzw. Nickel-Legierungen zum Einsatz gekommen sind. Zusätzlich wurden die Abscheideparameter der amorphen Kohlenstoffschichten in einem fest gewählten Bereich variiert und analysiert. Zur Bewertung der unterschiedlichen Substrate und Schichtsysteme fanden tribologische Prüfungen im trockenen Reibverschleiß mit Wolframcarbid-Hartmetallkugeln, sowie Nanoritzversuche statt. Die Substrat- und Schichtoberflächen wurden durch Mittel der Werkstoffanalyse, wie Rasterelektronen-, Rastersonden- und Laserscanningmikroskopie, Profilometer, Vickers-Härtemessung und Nanoindentation ausgewertet. Unterstützend wurde ein Simulationsmodell eines vereinfachten tribologischen Systems aufgebaut. Des Weiteren wurden die amorphen Kohlenstoffschichten durch Rama nspektroskopie analysiert...
description: Additively manufactured metal components are well suited for use in tribological systems such as bearings or gears, as they offer greater design freedom and more lightweight potential. However, the surface quality of additively manufactured components does not meet the requirements for tribologically loaded surfaces, which is mainly caused by the roughness and porosity. In particular, these surfaces are therefore not suitable for the deposition of amorphous carbon thin coatings, which are used to significantly reduce the wear and friction of tribological systems. In this work, a powder bed fusion (PBF-LB/M) processed and case-hardened 20MnCr5 steel was analyzed with regard to its surface quality, tribologically tested and compared with a PBF-LB/M processed X2CrNiMo17-12-2 and a hot-rolled and case-hardened 20MnCr5. Both variants of 20MnCr5 were then coated with amorphous carbon layers in different surface conditions by anodic arc deposition and tribologically tested, using different interlayers of nickel or nickel alloys. In addition, the deposition parameters of the amorphous carbon layers were varied and analyzed in a selected range. Tribological tests in dry frictional wear with tungsten carbide hard metal balls, as well as nanoscratch tests, were carried out to evaluate the different substrates and coating systems. The substrate and coating surfaces were evaluated by means of materials analysis, such as scanning electron, scanning probe and laser scanning microscopy, profilometer, Vickers hardness measurement and nanoindentation. In support, a simulation model of a simplified tribological system was built. Furthermore, the amorphous carbon films were analyzed by Raman spectroscopy...