Harte Beschichtung für hohe Beanspruchungen

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Diamantähnliche Beschichtungen mit hoher Härte und niedriger Reibung verhindern Verschleiß und verlängern die Gebrauchsdauer von LagernHarte und reibungsarme Oberflächen von Lagerteilen können Anschmierungen und andere Verschleißprobleme verhindern helfen und zu einer erheblich längeren Lagergebrauchsdauer beitragen. Diamant als härtester bekannter Werkstoff weist die gewünschten Eigenschaften zwar auf, ist aber zu teuer, um daraus wirtschaftlich komplette Lager zu fertigen. Bleibt nur die Möglichkeit, eine harte, dünne Beschichtung auf üblichen Wälzlagerstahl aufzubringen. Eine Beschichtung dieser Art ist als DLC (Diamond-like carbon)-Beschichtung bekannt.
Härte und niedrige Reibung
DLC ist der Gattungsbegriff für ein amorphes Gemisch aus Graphit und diamantähnlichem Kohlenstoff. Heute läßt sich diese mit nur wenigen Tausendstelmillimetern extrem dünne Beschichtung auf jedes SKF Lager aufbringen und verleiht ihm einzigartige Eigenschaften. Es ist so möglich, die Festigkeit und Zähigkeit von konventionellem Wälzlagerstahl und die außergewöhnlich niedrige Reibung und beträchtliche Härte der DLC-Schicht miteinander zu kombinieren. Die Lager weisen eine hohe Oberflächenhärte bei sehr kleinem Reibungsbeiwert auf.
   

Durch Aufbringen der DLC-Beschichtung können bis zu einem gewissen Grad die Eigenschaften des Lagers bestimmt werden. Die Oberflächenhärte hängt unter anderem vom angewendeten Verfahren ab. Typisch sind Härtewerte in der Größenordnung von 1200 HV, im Vergleich zu 650 bis 850 HV bei Wälzlagerstahl. Die gegenseitige Abstimmung der mechanischen Eigenschaften von Beschichtung und Stahl ist entscheidend für die Funktion des beschichteten Bauteils.
   

Der angestrebte Reibungsbeiwert hängt von den voraussichtlichen Umgebungsbedingungen ab. Da Ringe und/oder Wälzkörper beschichtet sein können, sind unterschiedliche Beiwerte möglich. Die niedrigsten Werte weisen die Lager auf, wenn Ringe und Wälzkörper DLC-beschichtet sind. Bei Trockenlauf war allerdings im Versuch eine längere Verschleißlebensdauer festzustellen, wenn nur eine Oberfläche beschichtet war, obwohl durch Beschichten beider Oberflächen Verbesserungen möglich sind.
Der niedrige Reibungsbeiwert und die gleichzeitig hohe Härte derartiger Beschichtungen sind ursächlich für die längere Gebrauchsdauer DLC-beschichteter Lager. Die Reibwerte sind vergleichbar mit denen von PTFE und MoS2, so daß sich ein Schmiereffekt wie bei Festschmierstoffen ergibt.
   

Einen wichtigen Unterschied gibt es aber zwischen DLC und Festschmierstoffen wie PTFE. DLC wird bei hohen Pressungen nicht abgetragen. Ein weiteres Merkmal ist die Einlaufcharakteristik der Beschichtung. Trotz der hohen Härte wandelt sich ein kleiner Oberflächenbereich in eine reibungsarme Kontaktzone um. Dieser Effekt schützt die Gegenfläche aus Stahl gegen Beschädigungen durch die härtere Beschichtung.
Kundenvorteile
Die Eigenschaften von DLC bieten dem Anwender einzigartige Vorteile. Nach Laborergebnissen und praktischen Erfahrungen kann man bei DLC-beschichteten Lagern je nach Betriebsbedingungen von niedrigeren Betriebstemperaturen und einer etwa fünf- bis zehnfachen Lebensdauer ausgehen. Das ist vor allem wichtig, wenn Lager nur gering oder überhaupt nicht belastet sind, was normalerweise Schäden durch Anschmierungen zur Folge hat.
   

Die niedrige Reibung verhindert außerdem Verschleiß oder ein Blockieren der Lager und wirkt sich bei nicht ausreichender Schmierung und/oder hohen Drehzahlen in niedrigeren Lauftemperaturen aus. Das ermöglicht weniger aufwendige Schmiereinrichtungen und umweltfreundlichere Lösungen.
Da wegen der hohen Härte und der chemischen Beschaffenheit von Kohlenstoff der Widerstand gegen abrasiven und adhäsiven Verschleiß höher ist, wird bei rauhem Betrieb in schmutziger Umgebung eine längere Gebrauchsdauer erreicht.
   

Darüber hinaus sind die Lager ideal für Anwendungsfälle, in denen mit niedrigviskosen Ölen geschmiert wird oder Schwingungen und Mikrobewegungen sogenannte „false brinelling“ oder Passungsrost hervorrufen können. Meist reicht dann die Beschichtung nur einer Fläche bereits aus.
Beschichtung verhindert Anschmierungen
Bisher wurden DLC-beschichtete Lager mit Erfolg etwa in Kompressoren, Papiermaschinen und Hydraulikmotoren eingesetzt. In diesen Anwendungsfällen hilft die Beschichtung Lagerschäden durch Anschmierungen zu verhindern.
   

Bei Kompressoren können im unbelasteten Zustand, bei Schwingungen oder niedriger Schmierstoffviskosität Anschmierungen vorkommen. Durch Einsatz DLC-beschichteter Lager wurden zum Beispiel bei einem Schraubenverdichter für Ammoniak Anschmierungen verhindert. Außerdem kann auf aufwendige Schmieranlagen verzichtet werden. Das ermöglicht platz- und gewichtsparende, nicht zuletzt aber auch umweltschonende Lösungen.
   

Bei Softkalandern von Papiermaschinen gibt es häufig Probleme, weil die großen Walzen bei sehr unterschiedlichen Belastungen oder oft auch relativ unbelastet laufen. Dabei treten in den Lagern Gleitbewegungen, Mikroverschweißungen und Schäden durch Anschmierungen auf. In DLC-beschichteten Lagern ist die Wärmeerzeugung gering und die Beschichtung für Mikroverschweißungen nicht anfällig. Diese Lösung hat sich als sehr erfolgreich erwiesen und ist der in vergleichbaren Fällen angewendeten Dünnschichtverchromung überlegen, weil sie eine längere Lagergebrauchsdauer sicherstellt.
   

Als weiterer Anwendungsbereich für DLC-beschichtete Lager sind Hydraulikpumpen und -motoren erwähnenswert. Dort macht man sich die niedrige Reibung und den sehr viel geringeren Lagerverschleiß zunutze. Da heute die meisten Hydraulikmaschinen mit niedrigviskosen Ölen geschmiert werden, spielen vielfach Reibung und Verschleiß eine Rolle. Tatsächlich konnte in bestimmten Anwendungsfällen die Lagergebrauchsdauer verzehnfacht werden.
   

In anderen Anwendungsfällen im Hydraulikbereich müssen zusätzlich aufwendige und in sich abgeschlossene Schmiersysteme vorgesehen werden, um die erforderlichen Betriebsbedingungen sicherzustellen. Das entfällt beim Einsatz DLC-beschichteter Lager.
Zukunftsaussichten
DLC-Beschichtung ist in der Lagertechnik verhältnismäßig neu. Die SKF Forschung hat sich sehr stark auf diesen vielversprechenden Produktbereich konzentriert.
Eine der Hauptvorausetzungen ist, daß die Beschichtung auch bei hohen Pressungen im Wälzkontakt fest mit dem Grundwerkstoff verbunden bleibt. Für die Beschichtung spielen physikalische und chemische Aufdampfverfahren eine Rolle, die die eingeführten chemischen Beschichtungsverfahren für Lager immer mehr verdrängen. Die raschen Fortschritte in Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet bringen immer wieder neue Konzepte und Beschichtungsarten mit sich.
   

Gegenwärtig werden meist nur die Wälzkörper DLC-beschichtet. Das reicht normalerweise aus, das jeweilige Problem zu lösen. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, könnten die meisten Lager jedoch auch komplett beschichtet werden.
   

Dr. Hans Sjöström, Werkstoffspezialist bei SKF, meint: „Beschichtungen finden immer mehr Anwendung. Besonders etabliert hat sich diese Technik in der spanenden Bearbeitung, der Gießereitechnik und der Nahrungsmittelverarbeitung, aber auch die Automobilindustrie geht in letzter Zeit auf DLC-Beschichtungen über, um den Energieverbrauch bei ihren Produkten zu verringern“.
   

Sjöström sieht in der gegenwärtigen Situation bei SKF erst den Anfang einer Entwicklung hin zu einer Vielfalt möglicher Beschichtungskonzepte. „SKF bietet Kundennutzen,“ sagt er, „und wenn sich die Ansprüche unserer Kunden ändern, müssen wir darauf eingehen“.
Anna Hultman  

und Hans Sjöström   

SKF Nova AB, Göteborg, Schweden

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