Chemische Analyse der Verschleißspur von Mo-(Ag)-N-Dünnschichten

Molybdännitrid-Dünnschichten zeigen hervorragende mechanische und tribologische Eigenschaften, sie bilden bei erhöhten Temperaturen schmierende Oxide und sind daher als Schichtsystem für Verschleißschutzanwendungen attraktiv. Eine Dotierung mit einem weichen Metall (z.B. Ag) soll die schmierenden Eigenschaften durch die Silberdiffusion an die Oberfläche und die eventuelle Bildung von Silbermolybdaten in einem weiten Temperaturbereich (300 °C – 500 °C) verbessern.

Wärmebehandlungen und Schwingreibverschleißmessungen

Um Verschleißeigenschaften dieses Schichtsystems zu optimieren, müssen zunächst Zusammenhänge zwischen diesen und den im Tribokontakt entstehenden Produkten gefunden werden. Ziel der Arbeit ist es, tribologische Effekte der Mo-(Ag)-N-Schichten aufzuklären und Auswirkungen auf die Verschleißbeständigkeit bestimmten Phasen bzw. Schichtbestandteilen zuzuordnen. Dazu wurden zwei verschiedene Molybdännitrid-Phasen (γ-MoNx und δ1-MoN) mit unterschiedlichen Silbergehalten (0 At.% – 13,1 At.%) mittels Magnetronsputtern abgeschieden. Um Aussagen über die entstehenden Produkte bei einer thermischen und tribologischen Beanspruchung zu machen, wurden Wärmebehandlungen bei 300 °C, 400 °C, 500 °C und 600 °C und Schwingreibverschleißmessungen bei Raumtemperatur und Normalfeuchte ohne Schmierung sowie bei 120 °C mit Dieselschmierung durchgeführt.

Oxidativer Verschleiß

ESMA/WDX wurde verwendet, um die chemische Zusammensetzung der Proben vor und nach den Wärmebehandlungen zu untersuchen. XPS diente zur Bestimmung der Elemente und deren Bindungszuständen in den Verschleißspuren und somit zur Identifizierung der im Tribokontakt entstehenden Produkte. Aus den Wärmebehandlungen konnte ab 300 °C eine starke Oxidbildung beobachtet werden. XRD-Daten zeigten die Bildung von MoO3, und ab 400 °C wies die Oberfläche der silberhaltigen Proben zudem Silbermolybdate (Ag2Mo4O13) auf. Bei den Schwingreibverschleißmessungen wiesen die Proben ohne Silber und unter geschmierten Bedingungen auch die mit mittlerem Silbergehalt (5 – 6 At.%) den geringsten Verschleiß auf.

XPS-Analysen der Verschleißspuren machten erkennbar, dass es sich um einen oxidativen Verschleiß handelt, welcher bei Schmierung deutlich geringer ausgeprägt ist. Es bilden sich Molybdänoxide (MoO3 und/oder Silbermolybdate bzw. Ag2O, MoO2 oder andere intermediäre Oxide). Zur genauen Identifikation der Produkte bzw. der Phasen sind ergänzende kristallographische Messungen sinnvoll (z.B. XRD).

Quelle: Vivian Da Conceicao, Vivian, Hochschule Esslingen, gesperrt bis 15.03.2023.