Tribologische Bewertung von neuartigen Übergangsmetallcarbochalkogeniden (TMCCs)

Abstract

Tribologische Systeme sind essenziell für eine Vielzahl technischer Anwendungen, bei denen Reibung und Verschleiß reduziert werden müssen. Insbesondere in Hochleistungsanwendungen, in denen konventionelle Schmierstoffe an ihre physikalischen Grenzen stoßen, gewinnen Festschmierstoffe zunehmend an Bedeutung. Eine vielversprechende neue Materialklasse in diesem Bereich sind die sogenannten Transition Metal Carbo-Chalcogenides (TMCCs), zweidimensionale (2D) Schichtmaterialien mit potenziell herausragenden tribologischen Eigenschaften. Diese Arbeit untersucht systematisch die Reibungs- und Verschleißmechanismen von TMCCs, sowohl in Pulverform als auch als Beschichtung, unter Verwendung verschiedener Beanspruchung zu analysieren. Insbesondere wurden die Spektren der Gleitbahnen,der Randbereiche mit angesammelten Partikeln sowie der reinen Pulver verglichen.Dabei wurden typische Oxidationsprodukte sowie Strukturveränderungen identifiziert, die Rückschlüsse auf die tribochemischen Mechanismen erlauben. Zusätzlich wurde eine Augerelektronenspektroskopie (AES) durchgeführt, um die chemischen Zusammensetzungen der tribologisch beanspruchten Oberflächen präzise zu bestimmen. Um die morphologische, strukturelle und chemische Beschaffenheit der TMCC-Partikel sowie der gebildeten Tribofilme detailliert zu untersuchen, wurden Rasterelektronenmikroskopie (REM) in Kombination mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) sowie Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) eingesetzt.Die Ergebnisse zeigen, dass die TMCCs als Festschmierstoffe deutliche Unterschiede in der Reibungsperformance aufweisen, abhängig von der jeweiligen chemischen Zusammensetzung sowie dem verwendeten Gegenkörpermaterial. Während einige TMCCs unter bestimmten Bedingungen niedrige Reibungskoeffizienten zeigten, traten bei anderen stärkere Verschleißmechanismen auf. Die Kombination von Raman- undAES-Messungen sowie detaillierter REM/EDS- und TEM-Analysen ermöglicht eine umfassende Charakterisierung der tribologisch induzierten Oberflächenreaktionen und morphologischen Veränderungen. Besonders bemerkenswert ist, dass einige TMCCs tribochemische Umwandlungen durchliefen, die zur Bildung reibungsmindernder oder -erhöhender Phasen führten.Die Arbeit liefert wertvolle Erkenntnisse für die Entwicklung neuer, leistungsfähiger Festschmierstoffe auf Basis von TMCCs. Die gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass durch gezielte Materialauswahl und Modifikation der Oberflächenstruktur die tribologischen Eigenschaften optimiert werden können. Zukünftige Studien sollten sich darauf konzentrieren, die Langzeitstabilität der Beschichtungen zu verbessern und die tribochemischen Prozesse gezielt zu steuern, um die Effizienz von TMCCs alsFestschmierstoffe weiter zu erhöhen. Gegenkörpermaterialien. Zunächst werden die theoretischen Grundlagen von Festschmierstoffen erläutert, mit besonderem Fokus auf schichtstrukturierte Schmierstoffe und ihre Mechanismen der Reibungsreduktion. Dabei werden die strukturellen und chemischen Eigenschaften der TMCCs analysiert und mit etablierten Festschmierstoffen wie MoS2 oder WS2 verglichen. Anschließend erfolgt die Darstellung der Synthesemethoden von TMCCs und deren potenzielle Anwendungen in tribologischen Systemen. Im experimentellen Teil der Arbeit wurden TMCCs zunächst als Pulver auf Stahlproben getestet, um deren tribologische Eigenschaften zu evaluieren. Die Reibungsmessungen erfolgten mittels Tribometerversuchen (ball-on-disk), bei denen unterschiedliche Gegenkörpermaterialien (Al2O3, SiC, 100Cr6, PTFE) eingesetzt wurden. Anschließend wurden die Pulver in Beschichtungen überführt, die mithilfe einer Airbrush-Technik aufgetragen wurden. Die erzielten Reibungskoeffizienten wurden mit denen der Pulverexperimente verglichen. Die Charakterisierung der TMCCs erfolgte mittels einer umfassenden Topographieanalyse, durchgeführt mit einem Laserkonfokalmikroskop, um Verschleißmuster und Oberflächenveränderungen nach den Triboversuchen zu identifizieren. Ergänzend wurden Raman-Spektroskopie-Messungen durchgeführt, um Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung nach mechanischer Beanspruchung zu analysieren. Insbesondere wurden die Spektren der Gleitbahnen,der Randbereiche mit angesammelten Partikeln sowie der reinen Pulver verglichen.Dabei wurden typische Oxidationsprodukte sowie Strukturveränderungen identifiziert,die Rückschlüsse auf die tribochemischen Mechanismen erlauben. Zusätzlich wurdeeine Augerelektronenspektroskopie (AES) durchgeführt, um die chemischen Zusammensetzungen der tribologisch beanspruchten Oberflächen präzise zubestimmen. Um die morphologische, strukturelle und chemische Beschaffenheit derTMCC-Partikel sowie der gebildeten Tribofilme detailliert zu untersuchen, wurden Rasterelektronenmikroskopie (REM) in Kombination mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDS) sowie Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)eingesetzt.Die Ergebnisse zeigen, dass die TMCCs als Festschmierstoffe deutliche Unterschiede in der Reibungsperformance aufweisen, abhängig von der jeweiligen chemischen Zusammensetzung sowie dem verwendeten Gegenkörpermaterial. Während einige TMCCs unter bestimmten Bedingungen niedrige Reibungskoeffizienten zeigten, traten bei anderen stärkere Verschleißmechanismen auf. Die Kombination von Raman- undAES-Messungen sowie detaillierter REM/EDS- und TEM-Analysen ermöglicht eine umfassende Charakterisierung der tribologisch induzierten Oberflächenreaktionen und morphologischen Veränderungen. Besonders bemerkenswert ist, dass einige TMCCstribochemische Umwandlungen durchliefen, die zur Bildung reibungsmindernder oder-erhöhender Phasen führten.Die Arbeit liefert wertvolle Erkenntnisse für die Entwicklung neuer, leistungsfähigerFestschmierstoffe auf Basis von TMCCs. Die gewonnenen Ergebnisse zeigen, dassdurch gezielte Materialauswahl und Modifikation der Oberflächenstruktur die tribologischen Eigenschaften optimiert werden können. Zukünftige Studien sollten sich darauf konzentrieren, die Langzeitstabilität der Beschichtungen zu verbessern und die tribochemischen Prozesse gezielt zu steuern, um die Effizienz von TMCCs als Festschmierstoffe weiter zu erhöhen.

Tribological systems are essential for a wide range of technical applications in which friction and wear must be reduced. Especially in high-performance applications where conventional lubricants reach their physical limits, solid lubricants are becoming increasingly importance. A promising new class of materials in this area are the so-called Transition Metal Carbo-Chalcogenides (TMCCs), two-dimensional (2D) coating materials with coating materials with potentially outstanding tribological properties. This work systematically investigates the friction and wear mechanisms of TMCCs, both in powder form and as a coating, using different counter body materials. Firstly, the theoretical principles of solid lubricants are explained, with a special focus on layer- structured lubricants and their mechanisms of friction reduction. The structural and chemical properties of the TMCCs are analysed and compared with established solid lubricants such as MoS2 or WS2 are compared. The synthesis methods of TMCCs and their potential applications in tribological systems. In the experimental part of the work, TMCCs were first tested as a powder on steel samples to evaluate their tribological properties. The friction measurements were carried out by means of tribometer tests (ball-on-disk), in which different materials (Al2O3, SiC, 100Cr6, PTFE) were used. Subsequently, the powders were transferred to coatings that were applied using an airbrush technique.The friction coefficients obtained were compared with those of the powder experiments. The TMCCs were characterised by means of a comprehensive topography analysis, carried out with a laser confocal microscope, in order to analyse wear patterns and surface changes after the tribological tests.In addition, Raman spectroscopy measurements were carried out to analyse changes in the chemical composition after mechanical stress to be analysed. In particular, the spectra of the slideways,the edge areas with accumulated particles and the pure powders were compared.Typical oxidation products and structural changes were identified,which allow conclusions to be drawn about the tribochemical mechanisms. In addition spectroscopy (AES) was carried out to analyse the chemical composition of the tribologically compositions of the tribologically stressed surfaces precisely.surfaces. In order to determine the morphological, structural and chemical nature of theTMCC particles and the tribofilms formed were analysed in detail using Scanning electron microscopy (SEM) in combination with energy dispersive X-rayspectroscopy (EDS) and transmission electron microscopy (TEM) were used. The results show that the TMCCs as solid lubricants exhibit significant differences in friction performance, depending on the respective chemical composition and thecomposition and the counterpart material used. While some TMCCs showed low coefficients of friction under certain conditions, others exhibited others showed stronger wear mechanisms. The combination of Raman and AES measurements as well as detailed SEM/EDS and TEM analyses enable a comprehensive characterisation of the tribologically induced surface reactions and morphological changes. It is particularly noteworthy that some TMCCsunderwent tribochemical transformations that led to the formation of friction-reducing or -increasing phases. The work provides valuable insights for the development of new, high-performance solid lubricants based on TMCCs. The results obtained show that tribological properties can be optimised through targeted material selection and modification of the tribological properties can be optimised. Future studies should concentrate on improving the long-term stability of the coatings and controlling the tribochemicaltribochemical processes in order to further increase the efficiency of TMCCs as solid lubricants.