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Die Bewertung des Oberflächenermüdungsverhaltens amorpher Kohlenstoffschichten durch zyklische Nanoindentierung war Gegenstand einer gemeinsamen, internationalen Forschungsarbeit im Rahmen des Sonderforschungsbereich/Transregio 73, deren Erkenntnisse und Ergebnisse nun in der Zeitschrift „Surface and Coatings Technology“ erschienen sind.

Diamantartige Kohlenstoff (DLC) Schichten, die häufig zur Verringerung von Verschleiß und Reibung in Maschinenkomponenten sowie auf Umformwerkzeugen verwendet werden, sind häufig einer zyklischen Belastung ausgesetzt. Die Dotierung von DLC-Schichten mit Metallen oder Metallcarbiden sowie die Verwendung von Mehrschichtarchitekturen stellen vielversprechende Ansätze zur Verbesserung der Zähigkeit dar, was sich positiv auf das Verhalten der Schichten unter zyklischer Belastung auswirkt. In dieser Studie wurde die zyklische Nanoindentierung genutzt, um das tribologisch induzierte Oberflächenermüdungsverhalten von einlagigen Wolfram-dotierten (a-C:H:W) und mehrlagigen amorphen Siliciumoxid (a-C:H:Si:O/a-C:H)25 Kohlenstoffschichten unter zyklischer Belastung zu charakterisieren. ​

Für beide Schichten wurde durch fokussierte Ionenstrahlmikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie stängelkristallines Wachstum beobachtet, während die Mehrlagenarchitektur der (a-C:H:Si:O/a-C:H)25-Schicht durch den Siliziumgehalt unter Verwendung der Glimmentladungsspektroskopie gezeigt wurde. Bei der zyklischen Nanoindentierung der (a-C:H:Si:O/a-C:H)25-Mehrlagenschicht wurden schrittweise kleine Änderungen der Eindringtiefe über mehrere Eindrückzyklen beobachtet. Der Oberflächenermüdungsprozess der einlagigen a-C:H:W-Schicht umfasste eine geringere Anzahl von Eindrückzyklen und war durch einen frühen steilen Anstieg des Signals der statischen Verschiebung gekennzeichnet. Mikroskopische Analysen deuten auf eine Kornverformung, ein Gleiten an den Säulengrenzen und eine Kornablösung als zugrundeliegende Ermüdungsmechanismen der a-C:H:W-Schicht hin, während die (a-C:H:Si:O/a-C:H)25-Mehrlagenschicht eine transgranulare Rissausbreitung und allmähliche Brüche zeigte. Im Fall der Mehrlagenschicht (a-C:H:Si:O/a-C:H)25 deuten eine bessere Eindringhärte (HIT) und ein besserer Eindringmodul (EIT) sowie ein höheres HIT3/EIT2-Verhältnis auf eine höhere Beständigkeit gegen plastische Verformung hin. Ein hohes HIT3/EIT2 Verhältnis als Indikator für eine behinderte Rissinitiierung in Kombination mit der Fähigkeit zur Spannungsrelaxation in weichen Schichten trug in dieser Studie zum günstigen Oberflächenermüdungsverhalten der (a-C:H:Si:O/a-C:H)25-Mehrlagenschicht bei.​

Den vollständigen Beitrag „Evaluation of the surface fatigue behavior of amorphous carbon coatings through cyclic nanoindentation“ (DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.126769) unter Autorenschaft von Tim Weikert, Sandro Wartzack, Maximilian Volkan Baloglu , Kai Willner, Stefan Gabel, Benoit Merle, Fabiola Pineda, Magdalena Walczak, Max Marian, Andreas Rosenkranz und Stephan Tremmel finden Sie hier.