Borkarbonitrid (BCN) als Verschleißschutzkonzept für Hochlastanwendungen in Common Rail Systemen
Creators: name: Hirte, Tina
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: surface
coating
PVD
sputtering
tribology
boron carbon nitride
BCN

description: Es ist das Ziel der vorliegenden Arbeit, einen verbesserten Verschleißschutz für einen Common Rail Injektor zu identifizieren und die technologische Entwicklung an einen Punkt zu bringen, an dem das Potenzial des gewählten Konzepts abgeschätzt werden kann. Zu Beginn der Promotion wurden daher mehrere Schichtklassen auf ihre Eignung für diese Anwendung bewertet, um eine geeignete Verschleißschutzschicht auswählen zu können. Es wurden nitridische Schichten aus der Werkzeugbeschichtungstechnik, Magneliphasen‐bildende Schichtsysteme, disulfidische Festschmierstoffe und kohlenstoffbasierte Schichten betrachtet. Ein den Kohlenstoffschichten in seiner Hybridisierung verwandtes System ist das ternäre Borkarbonitrid (BCN), das aufgrund der besonderen Kombination von möglichen Schichteigenschaften als vielversprechendster Kandidat zur Betrachtung im Rahmen dieser Arbeit ausgewählt wird. Gerade die Erzeugung dieser Schichten mit hochionisiertem Plasma, erzeugt durch Hochleistungsimpulsmagnetronsputtern, bietet erweiterte Möglichkeiten, das Schichtwachstum und damit die Leistung der Verschleißschutzschichten positiv zu beeinflussen. Da die Kombination von Material und Technologie – BCN und HiPIMS – bisher in der Literatur nicht thematisiert wurde, wird in dieser Arbeit das Materialsystem BCN in Verbindung mit der recht jungen HiPIMS‐Technologie möglichst umfangreich charakterisiert und dabei die Einflüsse von Prozessparametern und Schichtzusammensetzung auf die Schichteigenschaften möglichst individuell betrachtet. Es wird der Einfluss von zwei unterschiedlichen HiPIMS‐Pulsen auf die Inkorporationsraten von Stickstoff und Kohlenstoff in die Schichten betrachtet und die Anregung der unterschiedlichen Plasmaspezies mit optischer Emissionsspektroskopie untersucht. Das im Rahmen der Versuche verwendete B4C‐Target zeigt im HiPIMS‐Betrieb ein für die HiPIMS‐Entladung charakteristisches Verhalten: Es wird ein materialspezifisches, modulierendes Pulsverhalten beobachtet, das sich mit den konkurrierenden Effekten von Gasverdünnung und Druckausgleich vor dem Target erklären lässt. Es wird beobachtet, dass in gepulsten Zerstäubungsprozessen bei gleichem Stickstoffanteil im Gasgemisch doppelt so viel Stickstoff in die Schichten eingebracht wird wie in HiPIMSProzessen. Die optische Emissionsspektroskopie zeigt, dass in HiPIMS‐Prozessen die Stickstoffmoleküle durch die höhere Plasmadichte dissoziiert werden und Stickstoffüberwiegend atomar vorkommt. Die Untersuchungen zeigen geeignete Möglichkeiten zur Haftanbindung der BCNSchichten an das Stahlsubstrat. Eine Zwischenschicht aus B4C und Cr stellt sich als vielversprechendste Variante heraus. Diese Mischlage mit ihrer amorphen Mikrostruktur bietet eine zuverlässige Anbindung an die amorphen BCN-Funktionsschichten. Die Einflüsse der Schichtzusammensetzung und der unterschiedlichen zusätzlichen Kohlenstoffquellen – Graphit in Form eines Feststofftargets und Acetylen als Gas – auf die für die Anwendung wesentlichen Schichteigenschaften wie Härte, Reib‐ und Verschleißverhalten und thermische Widerstandsfähigkeit werden dargestellt. Die Untersuchungen zeigen, dass die BC4N‐Zusammensetzung besonders vorteilhafte Schichteigenschaften bietet, so dass im weiteren Verlauf dieser Arbeit der Einfluss der Substratvorspannung bei Schichten nahe der BC4N‐Zusammensetzung betrachtet wird. Bei der Abscheidung der Schichten mit Acetylen und ‐400 V Substratvorspannung im HiPIMS‐Betrieb kann die vielversprechendste Schichtvariante abgeschieden werden, die die folgenden Eigenschaften zeigt: ‐ Oberflächenrauheit Sa von 0,025 μm, gemessen auf poliertem Siliziumsubstrat ‐ Mikrohärte von 22 GPa bei einer Druckeigenspannung von 1,8 GPa ‐ mikrotribologisch niedriger Reibkoeffizient μ = 0,13 gegen Rubin bei einer Normalkraft von 200 mN und 40 % Luftfeuchtigkeit ‐ mikrotribologisch niedriger Reibkoeffizient μ = 0,25 gegen Stahl (100Cr6) bei einer Normalkraft von 500 mN und 40 % Luftfeuchtigkeit ‐ geringes Gegenkörperverschleißvolumen von 3 nm³ der Stahlkugel (100Cr6) bei einer Normalkraft von 1200 mN und 40 % Luftfeuchtigkeit ‐ im Vergleich mit anderen Varianten geringste Oxidationsneigung bei thermischer Auslagerung an Raumluft bei 450 °C für 10 h ‐ keine Oxidation und sehr gute Haftklasse 1,5 im Doppelnanoscratch‐Test nach Auslagerung unter Stickstoffatmosphäre bei 350 °C für 120 h. Die Beschichtungsrate der oben beschriebenen Vorzugsvariante liegt bei 0,66 μm/s. Es zeigt sich bei mehreren Varianten, dass Substratvorspannungen von ‐250 V bis ‐400 V die thermische Stabilität der Schichten maßgeblich erhöhen können. Die Auslagerung unter Stickstoffatmosphäre bei 350 °C für 120 h führt bei den mit Acetylen und ‐400 V Substratvorspannung zerstäubten HiPIMS‐Schichten nicht zu thermischer Zersetzung. Gleichzeitig kann eine hohe Substratvorspannung von ‐250 V bis ‐400 V jedoch gerade in Verbindung mit Co‐Zerstäuben eines Graphit‐ und eines B4C‐Targets zu stark abrasivem Verschleißverhalten der Schichten gegenüber dem Reibpartner führen. Unter trockenen Bedingungen und bei 40 % Luftfeuchtigkeit sind bei einer Normalkraft von 500 mN gegen eine 100Cr6‐Kugel vor allem Aufschweißungen des Gegenkörpers zu beobachten. Bei höheren Lasten von 40 N bei 40 Hz im SRV4‐Schwingverschleißtest verschleißt die BCN‐Beschichtung stark und das tribologische System zeigt Reibkoeffizienten oberhalb derer von Stahl gegen Stahl. Bei Tests mit EN590 Diesel ist das System zwar schmierstoffgesteuert und zeigt geringe Reibkoeffizienten unterhalb oder gleich 0,2, doch die Schichten weisen auch hier hohe Verschleißraten auf und halten nur etwa 40 Min. Testdauer stand, während die ta‐C‐Referenzschicht auch nach 130 Min. keinen maßgeblichen Verschleiß von Beschichtung und Gegenkörper zeigt. Die Ergebnisse weisen die Richtung für die Optimierung des Verschleißschutzes und weitere Analysemethoden auf, die zur Weiterentwicklung der BCN‐Schicht als Verschleißschutz notwendig sind. Da die thermische Beständigkeit und tribologische Verschleißbeständigkeit der Schichten vor allem von ihrer Mikrostruktur abhängig ist, wären weitere Untersuchungen nützlich, mit denen die Mikrostruktur besser charakterisiert werden kann, wie z.B. mittels Atomsonde oder XANES‐Analysen.