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Korrosions- und Verschleißeigenschaften neuartiger kohlenstoffhaltiger PVD-Schichten

Durst, Oliver :
Korrosions- und Verschleißeigenschaften neuartiger kohlenstoffhaltiger PVD-Schichten.
TU Darmstadt / Institut für Werkstoffkunde
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Korrosions- und Verschleißeigenschaften neuartiger kohlenstoffhaltiger PVD-Schichten
Language: German
Abstract:

Ziel der durchgeführten Untersuchungen war die Charakterisierung des Korrosions- und Verschleißverhaltens gradierter Zirkoniumkarbid- und Chromkarbidschichten auf niedriglegiertem Stahl mit tribologischen und elektrochemischen Versuchsmethoden. Dies diente der Klärung der Schädigungsmechanismen und der Weiterentwicklung der Schichten zur Anpassung des Eigenschaftsprofils an den Einsatz in mediumsberührten Bereichen von Pumpen. Die so optimierten Schichten sollten abschließend in einem neu zu entwickelnden Erosions-Korrosions-Versuchsstand unter anwendungsnahen Bedingungen vergleichend untersucht werden. Als Ergebnis dieser Untersuchungen wurde eine Beurteilung der Einsatzmöglichkeiten PVD-beschichteter niedriglegierter Stähle in Pumpen angestrebt. Die durchgeführten Untersuchungen haben ergeben, dass der Einsatz PVD-beschichteter niedriglegierter Stähle in mediumsberührten Bereichen von Pumpen abhängig von Medium und Einsatzbedingungen möglich ist. Zu Beginn der Schichtentwicklung wurden bei ca. 3 µm dicken Schichten in Polarisationsversuchen noch zahlreiche Korrosionsstellen und hohe Stromdichten festgestellt. Am Ende der Schichtentwicklung standen 10 µm dicke Multilayer-Schichten, die unter den gewählten Versuchsbedingungen im Polarisationsversuch nur sehr geringe Stromdichten ergaben und nach dem Versuch keine Korrosionsstellen mehr aufwiesen. Für den konkreten Einsatzfall muss jedoch die Korrosivität des Mediums und aufgrund der Zeitabhängigkeit von Korrosionsprozessen auch das Verhalten bei längerem Kontakt mit einem korrosiven Medium, wie er beim Einsatz in Pumpen typisch ist, berücksichtigt und die Schichtentwicklung eventuell dahingehend weiter voran getrieben werden. Die Reibungs- und Verschleißeigenschaften im mediumsgeschmierten Reibkontakt sind ebenfalls vielversprechend. Die entwickelten Schichten verbessern sowohl unter betriebsähnlichen Bedingungen als auch bei störfallbedingter Mangelschmierung das Reibungs- und Verschleißverhalten gegenüber unbeschichtetem Stahl. Sie reduzieren gemäß den durchgeführten Untersuchungen abhängig von der Beanspruchung den Reibwert und bieten einen sehr guten Verschleißschutz. Weiterhin wurde unter Einsatz eines neu entwickelten Erosions-Korrosions-Versuchsstandes eine Erosions-Korrosions-Beanspruchung erfolgreich nachgestellt. Dabei wurde bei den entwickelten 10 µm dicken Schichten, die im Polarisationsversuch ein sehr gutes Korrosionsverhalten aufwiesen, Prallverschleiß an Schichtfehlern in Verbindung mit Korrosion festgestellt. Daher ist der Einsatz unter vergleichbaren Bedingungen, wenn sehr harte Partikel in korrosivem Medium auf die Oberfläche prallen, noch nicht zu empfehlen. Aber es ist Entwicklungspotenzial vorhanden, so dass bei Vermeidung der den Prallverschleiß bedingenden Schichtfehler auch hier ein Einsatz möglich erscheint. Außerdem könnte die Untersuchung der Einsatzmöglichkeiten unter eher furchendem abrasivem Verschleiß bei tangentialer Strömung, wie sie für die Zukunft geplant ist, eine bessere Eignung der Schichten für diese Bedingungen ergeben.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The aim of the conducted investigations was to characterize the corrosion and wear properties of graded Zirconiumcarbide and Chromiumcarbide PVD layers on low-alloy steel with tribological and electrochemical test methods. Thus the mechanism of deterioration should be clarified and the coatings should be further developed to adapt them to the conditions in regions of pumps, which are fluid contacted. Finally the optimized PVD coatings should be investigated comparatively under erosion-corrosion conditions, which are close to application. Therefore a new test rig had to be developed, designed and applied. As a result of these investigations an assessment of the applicability of such coatings on low-alloy steel in pumps was aspired. In fact one conclusion of the conducted studies is, that an application of the investigated PVD coatings on low-alloy steel under pump conditions seems to be possible, depending on the operational conditions. The conducted coating developement started with PVD layers with about 3 µm thickness, which yielded several corrosion sites and high current densities in polarisation tests. As a result of the coating developement 10 µm thick multilayer coatings were available, which were free of corrosion sites after polarisation tests and yielded very low current densities. But for an industrial application of PVD coated low-alloy steel the corrosivity of the media and the duration of the contact with these media have to be considered, due to the time dependent nature of corrosion processes. Hence for a long term operation of these PVD layers in applications such as pumps a further coating developement may be required. Furthermore the friction and wear properties of the developed PVD coatings were investigated. As a result wear and friction for unlubricated sliding, e.g. as it appears in a pump, which runs dry because of a failure, were significantly reduced with respect to uncoated low-alloy steel. Even with lubrication by a typical aqueous pump medium the amount of wear was considerably decreased. In summary can be stated, that a good wear protection and reduced friction were achieved by the developed PVD coatings. Last but not least PVD coated low-alloy steel was investigated comparatively under erosion-corrosion conditions, which are close to the mentioned application in pumps. One result of these studies was, that the developed test rig successfully simulates erosion-corrosion as it occurs in pumps. For the optimized 10 µm thick multilayer Chromiumcarbide coating, which performed very good in polarisation tests, impingement wear, caused by coating flaws, combined with corrosion was detected. Hence an application under similar conditions with hard particles impacting on the surface, which is a relative hard load for comparatively brittle layers, is at this time not advisable. But there is a good chance to improve the erosion-corrosion behaviour by avoiding these coating flaws in futher coating developement. For the future, further studies with a more flat impact angle of the particles may reveal a better suitability of the very hard PVD coatings, which showed no traces of abrasive wear in the tests.English
Uncontrolled Keywords: Korrosion, Verschleiß, Erosion, PVD, PECVD, kohlenstoffhaltig, Chromkarbid, Zirkoniumkarbid, Plasmanitrierung, 42CrMo4, ZrC, CrC
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Korrosion, Verschleiß, Erosion, PVD, PECVD, kohlenstoffhaltig, Chromkarbid, Zirkoniumkarbid, Plasmanitrierung, 42CrMo4, ZrC, CrCGerman
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau > Werkstoffkunde
Date Deposited: 03 Dec 2008 07:38
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-11878
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Berger, Prof. Dr.- Christina and Bobzin, Prof. Dr.- Kirsten
Refereed: 15 October 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1187
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