PVD-Technologie (Bauteile)

 

Abgeschlossene Projekte

 

Analyse der Transferschichtbildung in initialgeschmierten, beschichteten Antriebsketten

Kurzbeschreibung:

Die Kette stellt ein verbreitetes Maschinenelement der Antriebs- und Fördertechnik dar. Durch aktuelle Bestrebungen zur Steigerung der Energieeffizienz und Nachhaltigkeit sollen die noch offenen Potenziale diesbezüglich ausgeschöpft werden. Zur Steigerung der Nachhaltigkeit wird eine Erhöhung der Lebensdauer unter verringertem Einsatz eines Schmierstoffes angestrebt. Die Lebensdauer wird bestimmt durch die Längung der Kette, welche durch den Verschleiß zwischen Bolzen und Hülse im Kettengelenk zustande kommt. Durch Einsatz einer triboaktiven (Cr,Al,X)N-Beschichtung (X = Mo, Cu) soll der Verschleiß im Kettengelenk trotz einmaliger Initialschmierung zu Beginn des Betriebes reduziert werden. Dabei soll die triboaktive Beschichtung in Wechselwirkung mit dem eingesetzten Schmierfett eine Reaktionsschicht ausbilden, welche sich auf den Gegenkörper (Hülseninnenseite) überträgt und diesen so vor Verschleiß schützt. Weiter entsteht im Kontakt zwischen Bolzen und Hülse ein Großteil der Reibungsverluste, welche die Energieeffizienz der gesamten Kette maßgeblich beeinflussen. Die gebildete Reaktions- und Transferschicht soll zudem reibungsreduzierende Eigenschaften aufweisen, um so die Energieeffizienz einer Antriebskette zu steigern. Dazu soll der Festschmierstoff MoS₂ in Wechselwirkung zwischen Beschichtung und Schmierstoff gebildet werden.

Förderinstitution:	Deutsche Forschungsgesellschaft (DFG)
Projektnummer:	BO1979/81-1
Laufzeit:	01.05.2021 bis 31.10.2023

 

Haltbarkeit reibungsmindernder Diamond-like Carbon (DLC)-Beschichtungen für Zahnräder

Kurzbeschreibung:

Die Anforderungen an technische Systeme hinsichtlich Energieeffizienz und Klimaschutz steigen besonders im Bereich der Mobilität und des Anlagenbaus stetig. Zur vollen Ausschöpfung der reibungs- und verschleißmindernden Potentiale von DLC-beschichteten Zahnrädern in industriellen Anwendungen ist eine Erhöhung der Haltbarkeit und die Nutzbarmachung von DLC-Beschichtungen für industrielle Anwendungen erforderlich. Als zielführend wird ausschließlich die gesamtheitliche Betrachtung aller für die Haltbarkeit beschichteter Zahnräder entscheidenden Einflussgrößen angesehen: Substratwerkstoffe, Oberflächenvor- und Wärmebehandlung, Beschichtungsparameter und Zahnradgeometrie. Die industriell etablierte Oberflächenvorbehandlung für Zahnräder ist das Schleifen. Diese Oberflächenqualität führt allerdings zu unzureichender Haftung der DLC-Schichten. Daher werden im Projekt quer- sowie gleitgeschliffene und polierte Oberflächen untersucht. Die Anpassung der Wärmebehandlung ist eng mit der Auswahl alternativer Substratwerkstoffe wie dem Vergütungsstahl 42CrMo4 oder dem Nitrierstahl 15CrMoV5-9 verbunden. Die höheren Anlasstemperaturen lassen neben dem Nitrieren auch höhere Temperaturen im PVD-Prozess zu. Die Anpassung einzelner Beschichtungsparameter erfolgt im Gesamtkontext der systematischen Betrachtung dieser Einflussgrößen. Die tribologische Analyse der beschichteten Proben wird am IOT sowie der Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebesysteme (FZG) der Technischen Universität München durchgeführt.

Förderinstitution:	Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsgemeinschaften (AiF) Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA)
Projektnummer:	IGF 21103 N/FVA 585 III
Laufzeit:	01.07.2020 bis 30.06.2023

 

TRISTAN – Entwicklung selbstschmierender (Cr,Al)N+X:S-Beschichtungen mittels gepulster Arc-PVD-Technologie für trockenlaufende Antriebsstrangkomponenten

Kurzbeschreibung:

Eine energieeffiziente Mobilität ist notwendig, um in Zukunft Einschränkungen bezüglich der Mobilität zu vermeiden und die Umwelt zu schonen. Die Steigerung der Effizienz von Antriebssträngen infolge einer Reibungsreduktion ist dabei von großer Bedeutung. Schmierstoffe, welche heute weitestgehend zur Reibungsreduktion verwendet werden, besitzen oftmals ökonomische und ökologische Nachteile. Eine Lösung um auf den Einsatz konventioneller Schmierstoffe verzichten zu können, stellt der Trockenlauf tribologischer Komponenten dar. Dies bedingt jedoch die Anpassung der Oberflächeneigenschaften infolge der veränderten Beanspruchung. Deshalb werden im Vorhaben TRISTAN nitridische Hartstoffschichten auf Cr-Basis mit selbstschmierenden Eigenschaften – infolge einer Dotierung mit Mo oder W und S zur Reibungs- und Verschleißreduktion im Trockenlauf von Antriebsstrangkomponenten, wie z.B. Gelenken entwickelt. Von zentraler Bedeutung wird sein, wie Mo, W und S in der Schicht eingebaut sind sowie welche Kontaktbedingungen notwendig sind um MoS₂ und WS₂ im tribologischen Kontakt zu bilden. Die Herstellung der Schichten erfolgt mittels des industriell relevanten Verfahrens der Lichtbogenverdampfung (Arc-PVD), welches im Projekt hinsichtlich gepulster Leistungsversorgungen weiterentwickelt wird. Zum Ende der Projektlaufzeit ist der Transfer der entwickelten Beschichtungen in die Anwendung geplant, welches die anwendungsbezogene Erprobung der Beschichtungen ermöglicht. Entsprechende Ergebnisse können in die iterativ gestaltete Schichtentwicklung einfließen.

Förderinstitution:	Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF)
Projektnummer:	AiF 20431 N
Laufzeit:	01.09.2019 bis 31.08.2022

 

Fluidfrei geschmierte Stirnradverzahnungen – tribologische Analyse und Auslegung

Kurzbeschreibung:

Das übergeordnete Ziel dieses gemeinschaftlichen Forschungsvorhabens der Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau (FZG, TU München) und des Instituts für Oberflächentechnik (IOT, RWTH Aachen University) im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms 2074 „Fluidfreie Schmiersysteme mit hoher mechanischer Belastung“ ist die Gestaltung einer fluidfrei geschmierten Stirnradverzahnung, die den hohen mechanischen Belastungen zuverlässig standhält. Hierzu werden in Kooperation mit FZG, drei Teilziele in der ersten Förderperiode verfolgt. Zunächst erfolgt die grundlegende Erforschung der Architektur von triboaktiven Hartstoffschichten (Cr,Al)N+X:S. Weiterhin wird das Verständnis bezüglich Bereitstellungsprozessen metallsulfidischer und grafitischer Festschmierstoffe sowie der Ausbildung von Transferschichten in fluidfreien Schmiersystemen unter tribologischer Beanspruchung erweitert. Darüber hinaus wird das Potential von Stirnradverzahnungen für fluidfreie Anwendungen durch nicht-evolventische Varianten konstruktiv ergänzt. Während der gesamten Pojektlaufzeit werden simulationstechnische Berechnungen der Temperatur- und Materialspannungsverteilung durchgeführt, welche zum Verständnis der Wirkmechanismen beitragen. Poster BO 1979/66-1

Förderinstitution:	Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektnummer:	BO 1979/66-1
Laufzeit:	01.01.2019 - 31.12.2021

 

Netzwerk zur Entwicklung und Qualifizierung wirkungsgraderhaltener Schutzschichten gegen Erosion und Korrosion bei Turbinenlaufschaufeln in Dampfturbinen, Gasturbinen und Kompressoren – Coat4Turbine.NRW

Kurzbeschreibung:

Das Ziel des Verbundprojekts ist die Entwicklung von Erosions- und Korrosionsschutzschichten, die dem Erhalt wirkungsgradoptimaler Konturen und der Lebensdauerhöhung von rotierenden Dampfturbinen- und Kompressorlaufschaufeln dienen. Das Konsortium besteht aus der MAN Energy Solution SE, dem Institut für Oberflächentechnik (IOT) der RWTH Aachen University, der Thermico GmbH & Co KG und der Westfälischen Hochschule Gelsenkirchen. Schwerpunkt des Teilprojekts im Physical Vapour Deposition (PVD)-Bereich ist die Entwicklung neuartiger Beschichtungskonzepte basierend auf (Ti,Al,Si)N und (Cr,Al,Si)N mittels der High-Speed PVD (HS-PVD)-Technologie. Diese Beschichtungen werden unter anwendungsnahen erosiven und korrosiven Bedingungen geprüft und auf realen Bauteilen wie Kompressorlaufschaufeln appliziert. Durch die Schutzschichten werden ein dauerhaft hoher Wirkungsgrad, eine gesteigerte Life-Cycle-Efficiency sowie eine CO₂-Einsparung erwartet. Poster EFRE-0801003

Förderinstitution:	Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE)
Projektnummer:	EFRE-0801003
Laufzeit:	23.03.2018 bis 22.03.2021

 

Thermo-Elastohydrodynamische Schmierung beschichteter Kunststoffverzahnungen

Kurzbeschreibung:

Das Ziel des Forschungsprojektes ist es die thermoelastohydrodynamische Schmierung (TEHL) von technischen Polymeren und die Potentiale von Beschichtungen in diesen TEHL-Kontakten zu untersuchen, um die tribologische Leistungsfähigkeit zu steigern. Hierzu werden Beschichtungen auf thermoplastischen Polymeren für tribologisch beanspruchte Oberflächen mit ausreichender Verbundhaftung zwischen Polymer und Beschichtung entwickelt. Unterstützt werden die praktischen Untersuchungen durch validierte Tribosimulationen, um das Verständnis der physikalischen Mechanismen in unbeschichteten und beschichteten thermoplastischen TEHL-Kontakten zu steigern. Zukünftig sollen die Erkenntnisse die Applikation von Beschichtungen auf thermoplastischen Zahnrädern ermöglichen und so zu einer Leistungssteigerung beitragen. Poster BO 1979/57-1

Förderinstitution:	Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektnummer:	BO 1979/57-1
Laufzeit:	01.08.2018 bis 31.07.2020

 

CHEOPS³ – Minimalgeschmierte tribologische Systeme

Kurzbeschreibung:

Im Verbundprojekt CHEOPS³ werden innerhalb eines Konsortiums aus Forschungsstellen und Industrie trocken- und minimalgeschmierte tribologische Systeme erforscht. Das Feld der Anwendungen erstreckt sich von Automobil- und Motorradgetrieben über Steuerketten und Motorradantriebsketten bis hin zu Förderketten in landwirtschaftlichen Maschinen und Pumpenanwendungen. Das Ziel des Teilprojektes am IOT besteht in der Entwicklung triboaktiver (Cr,Al)N+X-Beschichtungen (X = Mo, W, Cu) mittels Lichtbogenverdampfen zur Reibungs- und Verschleißreduktion unter Minimalmengenschmierung in den genannten Anwendungen. Hierzu wird das am IOT in zahlreichen Forschungs­vorhaben erfolgreich entwickelte und erprobte Hartstoffsystem (Cr,Al)N durch Zugabe triboaktiver Elemente wie Molybdän, Wolfram und Kupfer an die Bedingungen unter Minimalmengenschmierung angepasst. Die Entwicklung der Beschichtungen erfolgt dabei in enger Kooperation mit den beteiligten Projektpartnern. Um eine schnelle Übertragbarkeit der entwickelten Beschichtungen in die industriellen Beschichtungsprozesse der im Projekt beteiligten Lohnbeschichter zu ermöglichen, erfolgt die Schichtentwicklung am IOT auf einer Beschichtungsanlage im industriellen Maßstab. Poster 03ET1286F

Förderinstitution:	Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Projektnummer:	03ET1286F
Laufzeit:	01.10.2015 bis 30.06.2019

 

Physikalisch-chemische Wirkmechanismen zwischen Diamond-Like Carbon (DLC)-Beschichtungen und additivierten Schmierstoffen

Kurzbeschreibung:

Das Ziel des Forschungsprojektes ist die physikalisch-chemische Analyse der DLC-Beschichtungen zum Nachweis tribochemisch gebildeter Reaktionsschichten. Hierdurch wird eine Steigerung des Verständnisses der tribochemischen Mechanismen im tribologischen Kontakt auf Basis der Wechselwirkungen zwischen amorphen Kohlenstoffbeschichtungen a-C:H:Zr (ZrC_g), Schmierstoffen und Additiven erreicht. Die tribologischen Untersuchungen werden unter praxisnahen Bedingungen im Zweischeiben-Prüfstand und im Stirnradwirkungsgrad-Prüfstand durchgeführt. Poster BO 1979/46-1

Förderinstitution:	Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektnummer:	BO 1979/46-1
Laufzeit:	01.12.2016 bis 31.05.2019

 

Untersuchung der High-Speed PVD-Technologie zur Herstellung von alpha-Al-O+X und Al-Ti-O+X-Beschichtungen für den Einsatz im Stahl-Druckguss

Kurzbeschreibung:

Die Verarbeitung von hochschmelzenden Stahllegierungen im thixotropen Zustand verspricht bei der Herstellung geometrisch komplexer Bauteile in hohen Stückzahlen wirtschaftliche Vorteile gegenüber konventionellen Fertigungsverfahren. Konventionelle Druckgusswerkzeuge, wie von der Aluminiumverarbeitung bekannt, halten dem komplexen Beanspruchungskollektiv des Thixogießens von Stahl, hohe Temperaturen bis zu T = 1.450 °C, Abrasion, Oxidation, etc. jedoch nicht stand. Im Forschungsvorhaben BO1979/42-1 wurde deshalb die High-Speed Physical Vapour Deposition (HS-PVD) Technologie hinsichtlich der Abscheidung dicker α-(Al,Cr)₂O₃ und Al₂TiO₅-Verschleiß­schutzschichten grundlegend erforscht, um die Formwerkzeuge zukünftig vor den mechanischen, thermischen und korrosiven Beanspruchungen schützen zu können. Im Rahmen des Vorhabens konnte gezeigt werden, dass mittels HS-PVD-Technologie die wirtschaftliche Abscheidung dicker, oxidischer Beschichtungen mit hohen Schichtdicken,
s_max ≈ 90 µm, und Abscheideraten über 35 µm/h möglich ist. Dabei wurden sowohl Prozessfenster für die Abscheidung amorpher, teilkristalliner und kristalliner (Al,Cr)₂O₃- und Al-Ti-O-Beschichtungen mit breitem Eigenschaftsspektrum definiert. In diesem Zusammenhang konnte erstmals die α-(Al,Cr)₂O₃-Phase bei Substrattemperaturen von
T_S = 570 °C und einem Aluminiumgehalt von x_Al = 70 at.% mittels HS-PVD-Technologie abgeschieden werden. Im Hinblick auf die Anforderungen während des Thixogießens von Stahl, zeigt insbesondere dieses teil-kristalline α-(Al,Cr)₂O₃-Schichtsystem aufgrund seiner thermischen Stabilität vielver­sprechendes Potenzial. Poster BO 1979/42-1

Förderinstitution:	Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektnummer:	BO 1979/42-1
Laufzeit:	01.01.2016 bis 30.06.2018

 

High Speed-PVD XAlON-Oxidationsschutzschichten für gamma-TiAl-Legierungen (HS-Oxi)

Kurzbeschreibung:

Ziel des Forschungsprojektes waren die Entwicklung und Herstellung von dicken, oxidationsbeständigen Beschichtungen mittels der High-Speed PVD (HS-PVD)-Technologie für gamma-TiAl-Legierungen. Im Projekt wurden Schichtkonzepte auf Basis von XAlON, XAl (X = Cr, Si) und SiAlY entwickelt. Es hat sich gezeigt, dass die HS-PVD-Technologie geeignet ist, Oxidationsschutzschichten mit hohen Abscheideraten und dichter Mikrostruktur herzustellen. Das SiAlY-Schichtsystem weist dabei das größte Potential hinsichtlich des Oxidationsschutzes für γ-TiAl auf. In isothermen Auslagerungen bis t = 1.000 h und thermozyklischen Auslagerungen bis N = 1.000 Zyklen wurden mit diesem Schichtsystem die geringste Massenzunahme und die höchste Diffusionsbarrierewirkung erzielt. Poster BO 1979/40-1

Förderinstitution:	Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektnummer:	BO 1979/40-1
Laufzeit:	01.06.2015 bis 31.01.2018

 

Reibungsminderung durch Oberflächenbeschichtungen in vollgeschmierten elastohydrodynamischen Kontakten

Kurzbeschreibung:

Das Ziel des Forschungsprojektes war die Analyse des Einflusses von Diamond-like Carbon (DLC)-Beschichtungen auf das Reibungsverhalten im elastohydrodynamischen (EHD)-Kontakt. Hierdurch konnte eine Steigerung des Verständnisses für die Ursachen der reibungsreduzierenden Wirkung der DLC-Beschichtungen im EHD-Kontakt erreicht werden.

Die Analyse des Reibungsverhaltens im EHD-Kontakt ergab eine Reduktion des Reibungskoeffizienten μ um bis zu 43 % durch den Einsatz der DLC-Beschichtungen auf Verzahnungen im Vergleich zum unbeschichteten Kontakt. Dabei führt die signifikant geringere Wärmeleitfähigkeit λ der DLC-Beschichtungen im Vergleich zum Stahl zu einem thermischen Isolationseffekt im Schmierspalt. Die Reibungsreduzierung durch DLC-Beschichtungen wird auf die, aufgrund der höheren Kontakttemperaturen bedingte, niedrigere wirksame Schmierstoffviskosität im Wälzkontakt zurückgeführt. Poster 585II/18490 N

Förderinstitution:	Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsgemeinschaften (AiF)
Projektnummer:	IGF 18490 N/FVA 585 II
Laufzeit:	01.12.2014 bis 31.07.2017

 

Triboaktive HPPMS-CrAlN+X-PVD-Beschichtungen

Kurzbeschreibung:

Im Rahmen Vorhabens „Triboaktive HPPMS-CrAlN+X-PVD-Beschichtungen“ wurde erforscht inwieweit durch die Zugabe triboaktiver Elemente X (X = Mo, W) in (Cr,Al)N-Beschichtungen Reibungs- und Verschleißreduktionen unter tribologischer Beanspruchung infolge der Bildung tribochemischer Reaktionsschichten in Wechselwirkung mit additivierten Schmierstoffen erzielt werden können. Diesem Forschungsvorhaben lag der Ansatz zu Grunde, das bereits in vielen Verschleißschutzanwendungen erfolgreich eingesetzte Schichtsystem (Cr,Al)N so weiterzuentwickeln, dass es auch hinsichtlich Reibungsreduktion eine Alternative zu auf Maschinenelementen etablierten Diamond-like Carbon (DLC)-Beschich­tungen darstellt. Zur Analyse des Einflusses der triboaktiven Varianten (Cr,Al,Mo)N und (Cr,Al,W)N auf Reibung- und Verschleiß infolge tribo­chemischer Reaktionen mit additivierten Schmierstoffen wurden Versuche im PoD-Tribometer mit Schwefel-, Schwefel-Phosphor- und Molybdändialkyldithiocarbamat-addiviertem Öl FVA3 durchgeführt. Insbesondere die Zugabe von Mo in Kombination mit hohen Hertzschen Pressungen p_H und hohen Temperaturen kann zu signifikanten Reibungsreduktionen führen. Analysen mittels MikroRaman-Spektroskopie haben die in situ-Bildung der disulfidischen Festschmier­stoffe MoS₂ und WS₂ belegt. Aufgrund der nachgewiesenen tribochemischen Wechselwirkungen zwischen den tribo­aktiven Varianten (Cr,Al,Mo)N und (Cr,Al,W)N konnte das hohe Potential dieser Beschichtungen nachgewiesen werden. Poster BO 1979/36-1

Förderinstitution:	Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektnummer:	BO 1979/36-1
Laufzeit:	01.08.2014 bis 30.06.2017

 

Herstellung und Charakterisierung mehrlagiger EB-PVD-Wärmedämmschichten auf Basis von Seltenerdoxiden

Kurzbeschreibung:

Zur Erhöhung der Turbineneintrittstemperatur von Flugzeugtriebwerken wurden im Vorhaben BO1979/24-2 zwei- und vierlagige Wärmedämmschichten (WDS) mittels Elektronenstrahlverdampfung (EB-PVD) entwickelt. Erforscht wurden dazu mehrlagige WDS bestehend aus Yttriumoxid stabilisiertem Zirkonoxid (YSZ) und Gadoliniumzirkonat (Gd₂Zr₂O₇) oder Lanthanzirkonat (La₂Zr₂O₇). Über die Analyse mikrostruktureller und thermischer Eigenschaften, deren Korrelation sowie die isotherme und thermozyklische Auslagerung der Schichtsysteme konnten wesentliche Erkenntnisse hinsichtlich des Hochtemperaturverhaltens mehrlagiger WDS gewonnen werden. Im Vorhaben BO1979/24-2 wurden zunächst Prozessfenster für die Abscheidung einlagiger YSZ-, Gd₂Zr₂O₇- und La₂Zr₂O₇-Beschichtungen als Referenzen sowie zwei- und vierlagige YSZ/Gd₂Zr₂O₇- und YSZ/La₂Zr₂O₇-Beschichtungen mittels EB-PVD entwickelt. Porositätsmessungen machten ersichtlich, dass die mehrlagigen Schichtsysteme eine höhere Porosität als die einlagigen Schichtsysteme besitzen. Die Korrelation von Porosität und Wärmeleitfähigkeit konnte jedoch anders als in der Literatur oftmals beschrieben, keine Abhängigkeit zwischen Porosität und Wärmeleitfähigkeit λ nachweisen. Eine Beeinflussung der Wärmeleitfähigkeit λ durch die WDS-Schichtarchitektur wurde somit nicht beobachtet. In Thermozyklusuntersuchungen stellte sich die zweilagige WDS-Struktur infolge einer verlängerten Lebensdauer im Vergleich zu den anderen Schichtsystemen als vorteilhaft heraus. Die vierlagigen Schichtsysteme brachten hingegen im Vergleich zu einlagigen Schichtsystemen keine Vorteile unter thermozyklischer Belastung. Poster BO 1979/24-2

Förderinstitution:	Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektnummer:	BO 1979/24-2
Laufzeit:	01.07.2015 bis 30.06.2016