Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Kostengünstige Beschichtungen für Armaturen mit optimiertem Reib-, Verschleiß- und Korrosionsverhalten

Im Bereich des Armaturenbaus stellen hohe Drücke, Gasdichtheit des Systems, Arbeitstemperaturen und Medienbeaufschlagung besondere Herausforderungen dar. Im Allgemeinen sind Regel- und Absperrarmaturen mit Hilfsenergie arbeitende Vorrichtungen, die den Durchfluss mit den Parametern Durchflussmenge, Druck oder Temperatur im Prozesssystem regeln bzw. absperren. Dabei tritt an aufeinander abgleitenden Bauteiloberflächen ein Energieverlust durch Reibung auf, der insbesondere bei Schaltvorgängen unter Druck zu einem hohen Energieaufwand pro Schaltvorgang führt. Durch Reduktion der Reibung und der davon abhängigen Energieverluste kann der Wirkungsgrad des gesamten Antriebssystems gesteigert werden. Mittels thermischen Spritzen (TS) können kostengünstige Beschichtungen appliziert werden, die geringe Reibungsverluste sowie eine anwendungsgerechte Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit ermöglichen. Durch die Beschichtung eines Reibpartners mit den neu zu entwickelnden Werkstoffsystemen, sollen die tribologischen Eigenschaften der betrachteten Systeme gezielt beeinflusst werden, um die Reibungsverluste zu senken. Schwerpunkt der Schichtentwicklung ist dabei die Einbringung von Festschmierstoffen, die während des Reibkontakts einen Schmierfilm auf der Oberfläche der Reibpartner bilden. Im Zuge der Schichtentwicklung und -validierung wird die Testmethodik weiterentwickelt, um eine realitätsnahe Abbildung des Belastungskollektivs, als Voraussetzung für eine zielgerichtete Weiterentwicklung, zu ermöglichen. Aus den Erkenntnissen der beiden Themenschwerpunkte werden, im Rahmen der interdisziplinären Zusammenarbeit, sowohl neuartige Schichtsysteme als auch eine angepasste Testmethodik entwickelt, die eine Reduktion der Reibungsverluste durch kostengünstige Beschichtungen im Armaturenbau ermöglichen. Die Bereiche TS und Armaturenbau sind maßgeblich von KMU geprägt. Daher werden insbesondere KMUs, bei der Erschließung neuer Geschäftsfelder, von den Forschungsergebnissen profitieren.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel dieses Forschungsvorhabens war die Entwicklung reibungsmindernder und verschleißbeständiger Beschichtungen mit ausreichender Korrosionsbeständigkeit im Armaturenbau. Zur Reibungsreduktion wurden etablierten Verschleißschutzschichten des Armaturenbaus mit Festschmierstoffen versetzt. Zudem wurde der Einfluss reibungsmindernder Oxide, welche während des Thermischen Spritzens (TS) oder im Verschleißkontakt entstehen können, untersucht. In diesem Projekt konnten erfolgreich die Festschmierstoffe Graphit und hexagonales Bornitrit (hBN) mittels TS eingebunden werden. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Integration der Festschmierstoffe das Verschleiß- und Reibungsverhalten stark beeinflusst wird. Im Temperaturbereich bis T = 450 °C konnten Beschichtungen entwickelt werden, durch die eine Verschleißreduktion von bis zu 77 % und eine Reibungsreduktion um fast 25 % möglich war. Anwendungsnahe Erosions- und Kavitationsuntersuchungen zeigen, dass durch die Integration der Festschmierstoffe die Kohäsion der Beschichtung reduziert wird und daher die Beständigkeit gegen Erosion und Kavitation dem Stand der Technik noch unterlegen ist. Durch das neuartige Ultra-Hochgeschwindigkeitsflammspritzen konnte jedoch die Beständigkeit dieser Beschichtungen gegen Verschleiß, Erosion und Kavitation deutlich gesteigert werden, sodass diese den etablierten TS-Beschichtungen im Armaturenbau überlegen sind. Im Hochtemperaturbereich bis

T = 800 °C konnte eine Verschleißreduktion um 85% erzielt werden. Phasenanalysen zeigen die gewünschte Bildung von unterstöchometrischen (Cr,Ti)-Oxiden während des Beschichtungsprozesses.

Um das Potential der entwickelten Beschichtungen im Armaturenbau nachzuweisen, wurden Demonstratoren beschichtet und unter anwendungsnahen Belastungen hinsichtlich Verschleiß und Reibung getestet. Eine Verschleiß- und Reibungsreduktion der Beschichtungen aus WC/CoCr + hBN konnte im Vergleich zu etablierten Referenzbeschichtungen im Armaturenbau validiert werden.