Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Haftfeste CVD-Diamantschichten auf Gleitringen aus Stahl

Funktionsrelevante Bauteile, bspw. in Gleitlagern und Gleitringdichtungen, sind anwendungsspezifischen, hohen Belastungen ausgesetzt. In Deutschland existieren viele KMU, die in Einzelfertigung bzw. in geringen Stückzahlen spezielle Gleitringe für sehr unterschiedliche Anforderungsregime, z. B. hinsichtlich Drehzahl, Normalkraft, Medium oder Reibung, herstellen. Bei extrem belasteten Gleitringen in axialen Gleitringdichtungen existieren bspw. Lösungen aus SiC, welche zusätzlich mit CVD-Diamant beschichtet sind. Dies bietet deutliche Vorteile, u. a. gegenüber ebenfalls industriell verwendeten Stahlkomponenten mit DLC-Beschichtung. SiC-Gleitringe sind jedoch stark bruchanfällig und sehr teuer. Somit rücken CVD-Diamantschichten auf Stahl in den Fokus, was allerdings bisher noch nicht technisch realisiert werden konnte. Vor allem entstehen beim Abkühlen starke Druckeigenspannungen in der Diamantschicht, die speziell bei dickeren Schichten ein Abplatzen der Schicht bewirken können. Es ist vorgesehen, mittels ultraschallschwingungsüberlagertem Drehen eine mikrostrukturierte Oberfläche zu erzeugen, die durch elastische Spannungsumkehr zu einer betragsmäßigen Reduzierung der Abkühleigenspannungen führt und durch die sehr gute "Verzahnung" die Diamanthaftfestigkeit verbessert. Im Rahmen experimenteller Untersuchungen erfolgt die Abscheidung von CVD-Zwischen- und Diamantschichten auf definiert mikrostrukturierten Oberflächen eines ausgewählten Stahlwerkstoffs sowie deren Funktionalisierung durch Glättung und Hydrophilierung. Diese Oberflächen werden hinsichtlich ihrer tribologischen Performance belastungsabhängig evaluiert. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse sollen anschließend Versuchsbauteile von Industriepartnern einsatzspezifisch modifiziert und unter deren Randbedingungen erprobt werden. Für die KMU wird somit eine neue, weltweit einmalige Beschichtungstechnologie auf Stahlwerkstoffen mit extremer tribologischer Belastbarkeit entwickelt und zur Verfügung gestellt.

Ergebniszusammenfassung:

Es konnten selbst hergestellte Stahlgleitringe und Stahlgleitlager der Industriepartner des Projektbegleitenden Ausschusses (PbA) mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen mittels ultraschallschwingsungsüberlagertem (Querplan-)Drehen (USD) versehen und anschließend mit Titannidtrid mit Bor-Dotierung sowie Diamantschichten mit Dicken bis zu 15 µm haftfest beschichtet werden. Der Einfluss der Bearbeitungs- und Beschichtungsverfahren auf die Ebenheit der Stahlringe wurde ermittelt. Durch Optimierung der einzelnen Handlungsabläufe konnte zudem die Ebenheit stark verbessert werden. Für eine Anwendung als Gleitringdichtung sind die erzielbaren Ebenheiten im Augenblick jedoch noch nicht ausreichend. Die Anwendung für Gleitlager hingegen erscheint potentiell möglich. Tribometertests von DLC-Schichten der Industriepartner des PbA auf Gleitringen im Vergleich zu Diamant-Gleitringen zeigen das bessere tribologische Verhalten von Diamant bei hohen Belastungen. Alle DLC-Schichten versagen im Trockenlauf, während Diamant trotz hoher Reibwerte auch nach partiellem Trockenlauf noch als funktionsfähige Oberflächenschicht vorliegt.

Erste, zu dünn (< 2 µm) mit CVD-Diamant beschichtete industrielle Gleitlager konnten erhöhten Belastungen beim Test durch einen Industriepartner des PbA nicht ohne Beschädigung standhalten. Für die Applikation der im Projekt entwickelten, dickeren und haftfesten Diamantschichten auf Gleitlagerbauteile dieses Industriepartners reichte leider die Projektlaufzeit nicht aus.

Prinzipiell besteht nun die Möglichkeit, industrielle Stahlgleitlager sowohl mittels USD zu mikrostrukturieren als auch mit dicken, haftfesten CVD-Diamantschichten zu beschichten. Zur Reduzierung der Kosten sowie des Risikos für einen Industriepartner ist die Beantragung eines neuen, anwendungsnahen Projekts mit Fokus auf mit CVD-Diamant beschichtete Gleitlager geplant.