Tribologische Untersuchung von WS2 und Bi2S3 Schichten in Abhängigkeit von Temperatur und Herstellungsverfahren

Abstract

Das Ziel der vorliegenden Diplomarbeit ist es, die tribologische Performance der beiden Festschmierstoffe Wolframdisulfid (WS2) und Bismutsulfid (Bi2S3) in Abhängigkeit von Temperatur und Schichtherstellungsverfahren zu untersuchen. Dazu wurden mittels Plasmaspritzen und Airbrush-Verfahren Festschmierstoffbeschichtungen auf Stahlsubstrat gefertigt. Besonderes Augenmerk der Untersuchungen lag auf der Charakterisierung der plasmagespritzten Schichten. Zur Beurteilung des Schichtaufbaus wurde mittels Focused Ion Beam (FIB) ein Abschnitt des Schichtquerschnitts freigelegt und rasterelektronenmikroskopisch abgebildet. Mithilfe der Röntgendiffraktometrie (XRD) und energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDS) wurde die chemische Zusammensetzung erfasst. Diese neu gewonnenen Informationen sollen zum besseren Verständnis des Herstellungsprozesses beitragen und Aufschluss über die Eignung des Verfahrens für industrielle Anwendungen in Bezug auf Festschmierstoffschichten geben. Die tribologischen Messungen wurden bei Raumtemperatur, 100°C und 200°C durchgeführt, wobei lediglich die Proben erhitzt wurden, sodass die Prüfkammerbedingungen konstant blieben. Besonderer Fokus lag neben den beiden Beschichtungsverfahren auf der Performance von Bi2S3 im Vergleich zu WS2 und dem Abgleich mit Ergebnissen wissenschaftlicher Veröffentlichungen zu diesem Thema. Zusätzlich wurden die Verschleißstellen mikroskopisch vermessen und mit Hilfe der Raman-Spektroskopie auf chemische Veränderungen untersucht.

The aim of this master thesis is to investigate the tribological performance of the two solid lubricants tungsten disulfide (WS2) and bismuth sulfide (Bi2S3) in dependence of temperature and the used deposition process. For this purpose, solid lubricant coatings were produced on steel substrates by plasma spraying and by using an airbrush-gun. Special attention was paid to characterizing the plasma-sprayed coatings. To evaluate the coating structure, a section of the coating cross-section was exposed by means of a Focused Ion Beam (FIB) and imaged by scanning electron microscopy. Using X-ray diffraction (XRD) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), the chemical composition was measured. This newly obtained information should contribute to a better understanding of the manufacturing process and provide information on the suitability of the process for industrial applications with regard to solid lubricant coatings. The tribological measurements were carried out at room temperature, 100°C and 200°C, with only the samples being heated so that the test chamber conditions remained constant. In addition to the two coating production processes, particular focus was placed on the performance of Bi2S3 in comparison to WS2. Furthermore, the results were compared to scientific publications on this subject. In addition to the tribological tests, the wear points were measured microscopically and examined for chemical changes using Raman spectroscopy.