Correlating Raman scattering signatures with microstructural properties of tribological surfaces

Abstract

This thesis focuses on advancing the knowledge on fundamental structural and physicalchemical processes in the contact of relative moving surfaces using Raman spectroscopy. With this advancement, a step towards monitoring wear and friction in real-time applications is performed. In this thesis, Raman scattering signatures are correlated with their spatial distribution at worn metallic surfaces and their microstructural properties are investigated. It is shown that tribological material typically contains oxides and is formed by micro- or nano-sized particles. Furthermore, the properties and the tribological behavior of, in particular, MoS2 and amorphous carbon films are sensitive to the deposition process, post-processing and the surrounding atmosphere. In detail, the spatial distribution of hematite and magnetite Raman modes is used to detect heavily worn steel surfaces, the Raman signatures of incorporated oxygen in tungsten carbide coatings are exploited to determine the coating’s degree of wear and the different chemical behavior of third-body MoS2 particles from deposited MoS2 films are utilized as indicator for the degree of wear of the respective coatings. Furthermore, deposition parameters reducing the probability for sp3 formation in amorphous carbon films, deposition parameters shifting the S/Mo ratio in MoS𝑥 coatings and changing their bond lengths are identified. Additionally, influences on the MoS𝑥 inter-layer spacing, strain-relaxation and a basal reorientation process are investigated. The thesis closes with a chapter on tribofilm formation in steel-steel contacts, where nano-sized hematite, magnetite and amorphous carbon particles form the tribofilm. Here, the accumulation of amorphous carbon in pitting areas is observed and an estimation of the flash temperatures is given. Furthermore, atmospheric oxygen is identified to select the reaction pathway for tribofilm formation. Taking these results into account, the tribological properties may be tailored to the desired application. In order to simplify the analysis of the spectral data, a software package is developed, which allows for a fast correlation of spectral information with surface properties. The software package also combines the Raman scattering data with chemometrical methods, providing a fast insight into huge sets of data and supporting the results obtained by conventional analysis.

Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Vertiefung der Kenntnisse über grundlegende strukturelle und physikalisch-chemische Prozesse im Kontakt von relativ zueinander bewegten Oberflächen mittels Raman-Spektroskopie. Mit diesem Wissensgewinn wird ein Schritt zur Verschleiß- und Reibungsüberwachung in Echtzeitanwendungen vollzogen. In der vorliegenden Arbeit wird die räumliche Verteilung von Raman-Signaturen mit verschlissenen metallischen Oberflächen korreliert und ihre mikrostrukturellen Eigenschaften untersucht. Es wird gezeigt, dass das tribologische Material typischerweise Oxide enthält und aus mikrooder nanoskaligen Partikeln besteht. Darüber hinaus sind die Eigenschaften und das tribologische Verhalten insbesondere von MoS2- und amorphen Kohlenstoffschichten empfindlich gegenüber dem Abscheidungsprozess, der Nachbearbeitung und der umgebenden Atmosphäre. Im Detail wird die räumliche Verteilung der Hämatit- und Magnetit-Raman-Moden zur Detektion stark verschlissener Stahloberflächen genutzt, die Raman-Signaturen von in Wolframkarbidbeschichtungen eingebautem Sauerstoff zur Bestimmung des Abnutzungsgrades der Beschichtung genutzt und das von abgeschiedenen MoS2-Schichten verschiedene chemische Verhalten von Drittkörper MoS2-Teilchen wird als Indikator für den Verschleißgrad der jeweiligen Beschichtung genutzt. Darüber hinaus werden Abscheidungsparameter identifiziert, die die Wahrscheinlichkeit der sp3-Bildung in amorphen Kohlenstoffschichten reduzieren, sowie Abscheidungsparameter, die das S/Mo-Verhältnis in MoS𝑥-Schichten verschieben und deren Bindungslängen verändern. Zusätzlich werden Einflüsse auf den MoS𝑥- Schichtabstand, Spannungsrelaxation und ein basaler Reorientierungsprozess untersucht. Die Arbeit schließt mit einem Kapitel zur Tribofilmbildung in Stahl-Stahl-Kontakten, wobei nanoskalige Hämatit-, Magnetit- und amorphe Kohlenstoffpartikel den Tribofilm bilden. Hier wird die Akkumulation von amorphem Kohlenstoff in Bereichen mit Grübchenbildung beobachtet und eine Abschätzung der Blitztemperaturen gegeben. Außerdem wird Luftsauerstoff als entscheidend für den Reaktionsweg der Tribofilmbildung identifiziert. Unter Berücksichtigung dieser Ergebnisse können die tribologischen Eigenschaften auf die gewünschte Anwendung zugeschnitten werden. Um die Analyse der spektralen Daten zu vereinfachen, wurde ein Softwarepaket entwickelt, das eine schnelle Korrelation der spektralen Informationen mit den Oberflächeneigenschaften ermöglicht. Das Softwarepaket erlaubt auch die Kombination der Streutechnik mit chemometrischen Methoden, die einen schnellen Einblick in große Datensätze geben und die durch konventionelle Analyse erhaltenen Ergebnisse unterstützt. 2