Herstellung und Untersuchung bleifreier tribologischer Beschichtungen auf Silberbasis

Abstract

Die aktuell bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen eingesetzten Gleitlagerbeschichtungen bestehen gewöhnlich aus Bleibronze und sind aufgrund des enthaltenen Bleis ökologisch bedenklich. Ziel dieser Diplomarbeit war es, die Grundlage für eine neue silberbasierte tribologische Schicht, abgeschieden mittels Sputterverfahren, zu schaffen. Die verwendete Magnetron Sputteranlage wurde zur Substratvorbehandlung mit einer Ionenätzvorrichtung bestückt, welche zur Effektivitätssteigerung zusätzlich von einem Ringmagnetsystem unterstützt wird. Die mittels dieser Ätzvorrichtung gereinigte Oberfläche und gezielt veränderte Struktur der Substrate wird der Anforderung nach ausreichender Schichthaftung gerecht. Die Basis der Schichten ist eine weiche Silbermatrix, in die harte Phasen in Form von Kupfer, Molybdän, Cobalt oder Antimon in verschiedenen Mengenkonzentrationen eingebaut werden. Realisiert werden diese Zusammensetzungen über ein rundes Sputtertarget mit Bohrlöchern in der Erosionszone, in die besagte Materialien eingesetzt werden können. Die erste Probenserie, das Screening, wurde mit Ausnahme der Silber-Antimonschichten, welche aufgrund von Haftungsschwierigkeiten auf Stahlsubstrate aufgebracht wurden, auf Siliziumsubstrate abgeschieden. Nach dem Screening haben sich mehrere Schichten als geeignet herausgestellt, da sie in einem Härtebereich von 100-200HV liegen. Mit Cobalt wurde aufgrund seiner magnetischen Eigenschaften und den damit einhergehenden Problemen beim Magnetronsputtern nicht mehr weitergearbeitet. Um Haftung und Duktilität zu prüfen und einen metallografischen Querschliff anfertigen zu können, wurden die vielversprechendsten Schichten aus dem Screening mit erhöhter Schichtdicke auf Stahlsubstrate abgeschieden. Durch Anpassung der Ätzparameter wurde zusätzlich eine verbesserte Schichthaftung auf den Stahlsubstraten erzielt. Die als geeignet erscheinenden Schichtzusammensetzungen mit vernünftiger Haftung, Duktilität und Härte wurden in weiterer Folge auf spezielle Substrate ("Triboringe") aufgebracht und auf einem Tribometer getestet. Abschließend wurde noch eine Testserie der Silber-Kupferschicht auf den Triboringen an der TUWien abgeschieden, welche Aufschluss über den Einfluss der Anlagengeometrie auf das Schichtwachstum geben soll.

Bearing shells used in modern high-speed applications are commonly coated with lead bronze and are therefore of environmental concern because of their lead content. The main aim of this thesis is to find a new silver based lead free tribological layer deposited by magnetron sputtering. An existing sputtering plant with integrated magnetron has been upgraded with an ion etching device for substrate pretreatment. The efficiency of ion etching was increased by a ring-shaped magnetic system. It was shown that the cleaning effect and the modification of the surface structure of the etched substrates guarantees sufficient adhesion for tests under mechanical load. The tribological layers consist of a soft silver matrix in which a hard phase of copper, molybdenum, cobalt or antimony in different mass concentration is embedded. To achieve this, a disc shaped silver sputter target with holes placed in the erosion zone, in which the different materials may be inserted, has been used. The first series of coatings, called screening, has been deposited on silicon substrates, except the silver-antimony layers which have been deposited on steel substrates because of adhesion failure on Si. After the screening several samples have been classified as promising, because their hardness is in the range of 100-200HV. At this point the work with cobalt was terminated because the ferromagnetism of this material caused severe problems during magnetron sputtering. In order to check adhesion strength and ductility and prepare a metallographic cross section, the most promising layers detected in the screening have been reproduced in a thicker version on steel substrates. Adjusting the etching parameters resulted in an additional improvement of the adhesion of the layers on steel substrates. Again, the layers achieving the best results in adhesion, ductility and hardness, are going to be deposited on special tribological substrates and are going to be tested under sliding conditions. Finally a last series of silver-copper-coatings was deposited on the tribological substrates in different deposition systems to gain more knowledge about how the deposition geometry influences the growth of the composite layers.