Quantitative Bewertung des Verschleißes von DLC-beschichteten Oberflächen im Nanometerbereich durch Messungen mit dem Rasterkraftmikroskop

Diamantähnliche kohlenstoffbasierte Beschichtungen (oft unter der allgemeinen Bezeich-nung „Diamond-like-Carbon“ (DLC) zusammengefasst) zeichnen sich durch sehr geringe Reibkoeffizienten beziehungsweise durch eine sehr hohe Verschleißbeständigkeit aus. Diese Materialeigenschaften favorisieren DLC-Schichten für den Einsatz als Verschleißschutz in modernen Getrieben, Differenzialen und kompletten Antriebssträngen. Für das Verständnis der Ursachen der geringen Verschleiß- und Reibungseigenschaften dieser Beschichtungen ist die quantitative Bewertung des Verschleißes im Nanometerbereich eine grundlegende Aufgabe. Im Rahmen des EMRP-Projektes „Metrologie zur Bewertung der Beständigkeit und Funktion von technischen Oberflächen (MADES)“ wurden Untersuchungen durchgeführt, um aus topografischen Messungen mit einem kalibrierten Rasterkraftmikroskop (AFM) quantitative Aussagen zum Verschleiß an dünnen DLC-Beschichtungen herzuleiten. Die Schichten wurden vorab tribologischen Tests (Slip-Rolling, Dry Sliding) unterzogen.

Aufgrund der sehr geringen Abnutzung bei Verschleißtests an diesen speziellen Beschichtungen ist die damit verbundene Änderung der Oberflächentopografie nur schwer direkt zu messen. Mit dem Ziel der Charakterisierung der Verschleißbeständigkeit wurden diverse flächenbezogene Rauheitskennwerte (Sa, Sq, Ssk u.a.) sowie volumenbasierte Parameter aus den mit dem Rasterkraftmikroskop ermittelten, ungefilterten Bildern berechnet. Durch den Vergleich der Kennwerte aus Messungen an den durch die Reibtests modifizierten und originären Oberflächen wurde untersucht, inwieweit jeder einzelne Kennwert die Unterschiede in der Topografie herausstellt. Parallel dazu wurde ein Gaußfilter auf die AFM-Bilddaten angewendet, um den Einfluss der Änderungen der lokalen Oberflächentopografie auf die Kennwerte zu minimieren. Im Ergebnis der Untersuchungen kann festgestellt werden, dass der Kennwert Ssk , die Schiefe der Amplitudendichtekurve1, am empfindlichsten auf die durch die tribologischen Tests verursachten Oberflächen-änderungen reagiert und auch zuverlässige Ergebnisse liefert. Bild 1 zeigt zwei AFM-Bilder, die die Topografie der Oberfläche in einem durch die Verschleißtests modifizierten sowie einen durch die Tests nicht veränderten Bereich beispielhaft illustrieren, sowie eine Grafik über die Änderung des Kennwertes Ssk bei insgesamt 21 Messungen an verschiedenen Positionen auf dem Messobjekt. Die Verlässlichkeit der Messungen mit dem Rasterkraft-mikroskop wurde systematisch untersucht. Hierbei fanden das gerätespezifische Rauschen, der Einfluss des gewählten Scanbereiches, der Abstand der Messpunkte sowie die Geometrie der Tastspitze und ihr Verschleiß während der Messungen ihre Berücksichtigung.

Die im Rahmen des Projektes durchgeführten Untersuchungen liefern wertvolle Ergebnisse für die weitere Optimierung von verschleißarmen Beschichtungen.

Bild 1. Variation des Kennwertes Ssk an unterschiedlichen Messpositionen: In den durch tribologische Tests belasteten (AFM Bild oben rechts) und im nicht modifizierten Bereich (AFM Bild oben links) des Messobjektes