The work investigates the reduction of friction between non-conformal macro contacts with partial slip. The measurement of the coefficient of friction, with the magnitude of the superlubricity, is extended by the influence of relative slip, direct observation of the contact area and the measurement of the thickness of the lubricating film. It also includes a comparison of changes in topography by friction. The experiments were mainly performed on a ball-on-disk tribometer with measuring the film thickness by colorimetic interferometry. The surface roughness changes were investigated using an optical profilometer. The effect of mean velocity, slide-to-roll radio and topography were observed for selected combinations, one of which did not allow the measurement of film thickness and one did not achieve the expected reduction in friction. For the other combinations, it was possible to observe a reduction of the coefficient of friction to 0,003 or less. The influences affecting the friction between selected materials have been investigated considerably. Thus, a foundation is laid for the research of superlubricity between contacts with partial rolling. The thesis could contribute to the reduction of friction losses, earlier(quicker/faster?) and more common use of some lubricants and materials in mechanical engineering.

The aim of this thesis is to advance the field of solid lubrication science by developing coatings that provide reliable performance in ambient conditions, work on rough surfaces, and are amenable to industrial size and design complexities. Two different coating systems, Ti3C2Tx-MoS2 and Ti3C2Tx-Graphene Oxide blends, were studied in this work. The Ti3C2Tx-MoS2 nanocomposites were spray-coated onto rough 52100-grade steel surfaces, and their tribological performance was evaluated in a ball-on-disk configuration in a unidirectional sliding mode. The test results indicate that Ti3C2Tx-MoS2 coatings achieved superlubricity, which has not been previously reported for either pristine material under macroscale sliding conditions. The observed synergistic mechanism enabled the superlative performance, which was explained by the in-situ formation of a robust tribolayer responsible for sustained lubricity even at high contact pressures (>1.1 GPa) and sliding speeds (0.1 m/s). Processing, structure, and property correlation studies were conducted to understand the underlying phenomena. Raman spectroscopy, scanning electron microscopy, and transmission electron microscopy were used to reveal the formation of the tribolayer. The Ti3C2Tx-Graphene Oxide blends were also spray-coated onto rough-bearing steel surfaces, and their tribological assessment was carried out in ambient environmental conditions and high contact pressures in a ball-on-disc experimental setup. The coatings led to substantial friction reduction compared to uncoated and single-component-coated surfaces, with a friction coefficient as low as 0.065 at 1 GPa contact pressure and 100 mm/s sliding speed, surpassing the state-of-the-art. The coatings also provided excellent protection against wear loss of the substrate and counter-face. The results were explained based on the observations from Raman spectroscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, and nanoindentation measurements. The in-operando formation of a dense, hard, and stiff tribolayer was observed, which was responsible for the sustained lubricity even at high test loads and sliding speeds. This thesis presents a holistic exploration and correlation of structure-property-processing for the advancement of solid lubrication science. It provides insights into the development of solid lubricant materials and their tribological performance, which can be useful for various industrial applications.

Wasserstofffreie tetraedrisch amorphe Kohlenstoffschichten, auch ta-C-Schichten, weisen aufgrund ihrer hohen Härte und Passivität überragende Reib- und Verschleißeigenschaften aus. In zahlreichen Anwendungen führen sie zu nennenswerter Reibungsminderung, höherer Verschleiß- und Fressbeständigkeit sowie besseren Notlaufeigenschaften. Sie sind kompatibel mit konventionellen Schmierölen, Wasser oder können auch trocken eingesetzt werden. In der vergleichsweise jungen Wissenschaft der Schichttribologie gibt es jedoch noch zahlreiche bemerkenswerte Phänomene, die bislang noch nicht ausreichend verstanden wurden. Hierzu zählt die Wechselwirkung von ta-C-Schichten mit fettsäurebasierten Schmierstoffen, welche aus Pflanzenölen gewonnen werden. Die vorhandenen Forschungsarbeiten berichten unter anderem von Supraschmierung (englisch Superlubricity), teilweise auch von starkem Verschleiß. Insbesondere der Supraschmiereffekt, bei dem die Reibungsverluste nahezu vollständig verschwinden, ist in Kombination mit nachhaltigen Schmierstoffen zum Erreichen aktueller klima- und umweltpolitischer Ziele von höchster Relevanz. In der vorliegenden Arbeit wird zunächst die Literatur zur Schmierstoffwechselwirkung von ta-C-Schichten umfassend aufgearbeitet. Anschließend wird die tribologische Interaktion speziell mit fettsäurebasierten Schmierstoffen anhand systematischer Experimente untersucht, wobei verschiedene Parameter, wie beispielsweise Schmiermittel, Temperatur, Flächenpressung und Gegenkörpermaterial eines oszillierenden Kugel-Scheibe-Modellsystems nacheinander variiert werden. Im Ergebnis werden Zustände des tribologischen Systems identifiziert, bei denen trotz höchster Härte der Oberfläche einer sehr starker Verschleiß auftritt. Dieses Phänomen wird als tribochemischer Verschleiß erkannt, von dem sonst sehr geringen abrasiven Verschleiß abgegrenzt und in Bezug auf die vorhandene Literatur eingeordnet. Unter anderen günstigen Umständen kann der Verschleiß an ta-C-Schichten unter der Messgrenze liegen und Supraschmierung auftreten. Sowohl für den tribochemischen Verschleiß als auch die Supraschmierung wird die Rolle der Kohlenstoff-Doppelbindung der Ölsäure herausgearbeitet, welche oft Hauptbestandteil fettsäurebasierter Schmierstoffe ist. Insgesamt können mit der Kombination von ta-C-Schichten und fettsäurebasierten Schmierstoffen verschiedene außergewöhnliche tribologische Eigenschaften erzielt werden. Eine dafür notwendige Systematisierung der möglichen Wechselwirkungen und erforderlichen Parameterfenster sind in dieser Arbeit dargelegt und bieten die Grundlage für eine zukünftige industrielle Anwendung von supraschmierenden Systemen.:Danksagung Abkürzungsverzeichnis 1. Einleitung 2. Grundlagen 2.1 Tetraedrisch amorphe Kohlenstoffschichten 2.1.1 Die Modifikationen des Kohlenstoffs 2.1.2 Klassifikation amorpher Kohlenstoffschichten 2.1.3 Wachstumsmechanismus 2.1.4 Beschichtungsverfahren 2.1.5 Eigenschaften und Struktur 2.1.6 Temperaturstabilität 2.1.7 Strukturaufklärung mit Raman-Spektroskopie 2.1.8 Technische Anwendung 2.2 Tribologie 2.2.1 Geschichte, Definition und Bedeutung 2.2.2 Beschreibung tribologischer Systeme 2.2.3 Reibung und Verschleiß 2.2.4 Schmierung und Stribeck-Kurve 2.2.5 Schmierstoffe 2.2.6 Tribologische Prüfung 2.2.7 Tribologie von Schichtsystemen 2.3 Superlubricity 2.3.1 Geschichte, Definition und aktuelle Bedeutung 2.3.2 Definition und Einteilung 2.3.3 Funktionsmodelle und Beispielsysteme 2.4 Tribologische Eigenschaften von ta-C-Schichten 2.4.1 Überblick 2.4.2 Eigenschaften der Oberfläche 2.4.3 Schmierung mit konventionellen Schmierstoffen und Additiven 2.4.4 Schmierung mit Gasen, feuchter Luft und Wasser 2.4.5 Superlubricity auf ta-C 2.4.6 Rehybridisierung und Grafitisierung 2.4.7 Verschleiß - Größenordnung und Mechanismen 2.4.8 Mechanisch dominierte Verschleißmechanismen 2.4.9 Tribochemische Prozesse 3. Arbeitsziele 4. Experimentelle Methoden 4.1 Tribologische Prüfung 4.1.1 Prüfkörpergeometrie und Flächenpressung 4.1.2 Werkstoffe und Beschichtungen 4.1.3 Verwendete Schmiermittel 4.1.4 Aufbau und Funktion des Tribometers 4.1.5 Versuchsdurchführung 4.1.6 Prüfparameter 4.1.7 Bestimmung der Reibung 4.1.8 Bestimmung des Verschleißes 4.1.9 Einordnung und Relevanz der untersuchten Systeme 4.1.10 Versuchsplanung 4.2 Raman-Spektroskopie 4.3 Mikroskopie 5. Ergebnisse 5.1 Tribochemischer Verschleiß 5.1.1 Referenzzustand 5.1.2 Schmierstoffeinfluss 5.1.3 Struktur der Kohlenstoffphase 5.1.4 Temperatureinfluss 5.1.5 Oberflächenzustand 5.1.6 Gegenkörpermaterial 5.1.7 Quantifizierung und Analyse des Verschleißmechanismus 5.2 Superlubricity 5.2.1 Schmierstoffeinfluss 5.2.2 Relative Schmierfilmhöhe 5.2.3 Rehybridisierung 5.2.4 Materialpaarung 6. Diskussion 6.1 Verschleiß an ta-C-Schichten 6.1.1 Abrasiver und tribochemischer Verschleiß 6.1.2 Tribochemischer Mechanismus 6.1.3 Verschleißkinetik 6.2 Reibungsminderung auf ta-C-Schichten 6.2.1 Ultra-low friction 6.2.2 Superlubricity 6.2.3 Glättung 6.2.4 Schmierungszustand 6.2.5 Bedeutung der Rehybridisierung für Superlubricity 6.3 Forschungsbedarf 7. Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis / Hydrogen-free tetrahedral amorphous carbon coatings, called ta-C coatings, show superior friction and wear properties due to their high hardness and passivity. In numerous applications, they account for noteworthy friction reduction, increased wear and fretting resistance as well as improved emergency running properties. They are compatible with conventional lubrication oils and water, or can be used without lubricant. In the comparably young science of coating tribology there are further noteworthy phenomena, which are not sufficiently understood. One of them is the interaction of ta-C coatings with fatty acid-based lubricants, which can be derived from vegetable oils. Among other, existing research reports superlubricity and sometimes very strong wear. Especially superlubricity, where friction losses nearly vanish and sustainable lubricants are used, is a topic of utmost relevance to achieve current climate political and environmental goals. In the presented work, the available literature to lubricant interaction of ta-C coatings is comprehensively reviewed. Then, tribological interaction with fatty acid-based lubricants in particular is investigated with systematic experiments, successively varying parameters like lubricant, temperature, contact pressure and counter body material in an oscillating ball-on-flat model system. As a result, conditions of the tribological system are identified in which strong wear occurs, despite highest hardness of the surface. The phenomenon is then attributed to tribochemical wear, distinguished from usually much lower abrasive wear and discussed with respect to existing literature. In other beneficial circumstances, wear decreases below measurability and superlubricity can occur. For both tribochemical wear and superlubricity the role of the carbon double bond in oleic acid is highlighted, which is the main component fatty acid-based lubricants. In summary, various exceptional tribological properties can be achieved when combining ta-C coatings and fatty acid-based lubricants. This work presents both a systematic categorization as well as parameter windows, and thus the foundation for future industrial application of superlubricious systems.:Danksagung Abkürzungsverzeichnis 1. Einleitung 2. Grundlagen 2.1 Tetraedrisch amorphe Kohlenstoffschichten 2.1.1 Die Modifikationen des Kohlenstoffs 2.1.2 Klassifikation amorpher Kohlenstoffschichten 2.1.3 Wachstumsmechanismus 2.1.4 Beschichtungsverfahren 2.1.5 Eigenschaften und Struktur 2.1.6 Temperaturstabilität 2.1.7 Strukturaufklärung mit Raman-Spektroskopie 2.1.8 Technische Anwendung 2.2 Tribologie 2.2.1 Geschichte, Definition und Bedeutung 2.2.2 Beschreibung tribologischer Systeme 2.2.3 Reibung und Verschleiß 2.2.4 Schmierung und Stribeck-Kurve 2.2.5 Schmierstoffe 2.2.6 Tribologische Prüfung 2.2.7 Tribologie von Schichtsystemen 2.3 Superlubricity 2.3.1 Geschichte, Definition und aktuelle Bedeutung 2.3.2 Definition und Einteilung 2.3.3 Funktionsmodelle und Beispielsysteme 2.4 Tribologische Eigenschaften von ta-C-Schichten 2.4.1 Überblick 2.4.2 Eigenschaften der Oberfläche 2.4.3 Schmierung mit konventionellen Schmierstoffen und Additiven 2.4.4 Schmierung mit Gasen, feuchter Luft und Wasser 2.4.5 Superlubricity auf ta-C 2.4.6 Rehybridisierung und Grafitisierung 2.4.7 Verschleiß - Größenordnung und Mechanismen 2.4.8 Mechanisch dominierte Verschleißmechanismen 2.4.9 Tribochemische Prozesse 3. Arbeitsziele 4. Experimentelle Methoden 4.1 Tribologische Prüfung 4.1.1 Prüfkörpergeometrie und Flächenpressung 4.1.2 Werkstoffe und Beschichtungen 4.1.3 Verwendete Schmiermittel 4.1.4 Aufbau und Funktion des Tribometers 4.1.5 Versuchsdurchführung 4.1.6 Prüfparameter 4.1.7 Bestimmung der Reibung 4.1.8 Bestimmung des Verschleißes 4.1.9 Einordnung und Relevanz der untersuchten Systeme 4.1.10 Versuchsplanung 4.2 Raman-Spektroskopie 4.3 Mikroskopie 5. Ergebnisse 5.1 Tribochemischer Verschleiß 5.1.1 Referenzzustand 5.1.2 Schmierstoffeinfluss 5.1.3 Struktur der Kohlenstoffphase 5.1.4 Temperatureinfluss 5.1.5 Oberflächenzustand 5.1.6 Gegenkörpermaterial 5.1.7 Quantifizierung und Analyse des Verschleißmechanismus 5.2 Superlubricity 5.2.1 Schmierstoffeinfluss 5.2.2 Relative Schmierfilmhöhe 5.2.3 Rehybridisierung 5.2.4 Materialpaarung 6. Diskussion 6.1 Verschleiß an ta-C-Schichten 6.1.1 Abrasiver und tribochemischer Verschleiß 6.1.2 Tribochemischer Mechanismus 6.1.3 Verschleißkinetik 6.2 Reibungsminderung auf ta-C-Schichten 6.2.1 Ultra-low friction 6.2.2 Superlubricity 6.2.3 Glättung 6.2.4 Schmierungszustand 6.2.5 Bedeutung der Rehybridisierung für Superlubricity 6.3 Forschungsbedarf 7. Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis

To minimize global carbon emissions, having efficient jet engines and internal combustion engines necessitates utilizing lightweight alloys such as Al, Ti, and Mg-based alloys. Because of their remarkable strength/weight ratio, these alloys have received a lot of attention. Nonetheless, they have very poor tribological behavior, particularly at elevated temperatures beyond 200 °C, when most liquid lubricants begin to fail in lubrication. Over the last two decades, there has been a lot of interest in protecting Al, and Ti-based alloys by developing multiphase solid lubricants with a hard sublayer that provide mechanical strength and maintain the part's integrity while providing lubricity. The development of novel coatings with superior lubricity, high toughness, and high-temperature tolerance remains a challenging and hot topic to research and provide new engineered solutions for. To address and provide solutions to protect light-weight, i.e., Al, and Ti alloys at high-temperature and bestow superior tribological properties to such alloys, three types of adaptive lubricious coatings have been studied in this thesis: Nb-Ag-O self-healing lubricious ternary oxide, PEO-chameleon a self-adaptive multi-phase coating, and Sb2O3-MSH-C lubricious adaptive coatings to address this challenge. The development of the Nb-Ag-O ternary resulted in a coefficient of friction as low as 0.2 at 600 °C and crack healing at 900 °C. PEO-chameleon coatings demonstrated a remarkably low COF, as low as 0.07 at 300 °C and 1.4 GPa applied pressure. Finally, the Sb2O3-MSH-C multi-phase lubricious solid lubricant revealed superlubricity, with a CoF of 0.008 at 300 °C, providing a potentially promising contender for high-temperature, high-load applications.