Oerlikon Balzers: Verschleiss verzögern PVD-Schichten schützen Maschinenelemente

Von Konrad Mücke

Kohlenstoffbasierte Beschichtungen Balinit C von Oerlikon Balzers überzeugen mit ihrer einmaligen Kombination aus niedrigem Reibungskoeffizienten, hoher Härte und dünnem Schichtauftrag. Deshalb nutzt man sie vorteilhaft, um bewegte Maschinenelemente gegen vor­zeitigen Verschleiss zu schützen.

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Deutlich länger leben: 
Mit Balinit C beschichtete Laufbahnen und Wälzkörper vermindern Reibung und Verschleiss und verlängern deutlich die Standzeiten bei trocken laufenden Wälzlagern.
Deutlich länger leben: 
Mit Balinit C beschichtete Laufbahnen und Wälzkörper vermindern Reibung und Verschleiss und verlängern deutlich die Standzeiten bei trocken laufenden Wälzlagern.
(Bild: Oerlikon Balzers)

In der Gasphase physikalisch abgeschiedene Schichten (englisch: Physical Vapor Deposition, PVD) eignen sich hervorragend, um bewegte Maschinenelemente gegen vorzeitigen Verschleiss zu schützen. Als besonders vielseitig einsetzbar erweist sich die Beschichtung Balinit C. Sie besteht aus einer Mischung von metallischem Wolframcarbid und diamantähnlichem Kohlenstoff. Sie schützt besonders gut gegen Adhäsionsverschleiss (Fressen). Die Beschichtung vermeidet weitgehend, dass die Oberflächen ermüden. Sie vermindert deutlich die Tribokorrosion (Fretting) und verhindert auch Schäden durch mangelnde Schmierung oder durch Trockenlauf.

Wälzlager deutlich länger funktionstüchtig

Die wesentlichen Komponenten in Wälzlagern – die Laufbahnen und die Wälzkörper – unterliegen typischerweise Oberflächenermüdung und gegebenenfalls abrasivem Verschleiss durch Fremdpartikel. Eine Beschichtung wie Balinit C eignet sich besonders für niedrig angelassene Wälzlagerstähle oder Einsatzstähle, da sie bei Temperaturen unter 200 °C aufgebracht werden kann. Die PVD-Beschichtung kann hier nicht nur auf innere und äussere Laufringe sowie Zylinderrollen aufgebracht werden, sondern auch auf die Kugeln von Kugellagern. Sie ist sehr gleichmässig nur etwa 0,5 bis 1 µm dünn. Auch wenn durch die Schicht die Rauheit leicht zunimmt, lässt sich die Beschichtung jedoch gut im Einsatz durch «Einlaufen» polieren. Dadurch wird die Laufbahn von Innen- und Aussenringen geglättet und ein zusätzlicher Schutz vor adhäsivem Verschleiss und Grübchenbildung beziehungsweise Oberflä­chenermüdung erreicht. Beispielsweise lässt sich die Standzeit eines Axial-Wälzlagers bei Trockenlauf auf das mehr als Zehnfache verlängern. Bei Wälzlagern von Kalanderwalzen in Papiermaschinen kommt es häufig zu Aufschmierung. PVD-Beschichtungen reduzieren nicht nur die Wahrscheinlichkeit, dass ein solch adhäsiver Verschleiss auftritt. Es hat sich zudem auch gezeigt, dass die Lebensdauer der Wälzlager auf das Drei- bis Vierfache gesteigert werden kann, wenn die Härte der Oberflächen der Lagerkomponenten durch Beschichten deutlich erhöht wird. Als Vorteil erweist sich, dass die Wälzlager in Papierfabriken weniger häufig ersetzt werden müssen. Das zu erreichende Intervall entspricht dem Wartungsintervall der Kalanderwalzen, die nachgeschliffen werden müssen. Das verkürzt kostenintensive Stillstandszeiten und vermindert erheblich den Aufwand für Wartung und Instandhaltung. Ähnlich verhält es sich bei Zylinderrollenlagern in Kompressoren. Auch sie sind mit Aufschmierungen belastet. Durch das Auftragen einer PVD-Beschichtung bei diesen Wälzlagern wird dieses Problem gänzlich unterdrückt.

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Zuverlässige Getriebezahnräder

Bei Zahnrädern tritt ein ähnlicher Verschleiss wie bei Wälzlagern auf. Auch hier verringern PVD-Beschichtungen den adhäsiven Verschleiss sowie die Oberflächenermüdung und Grübchenbildung. Die Beschichtung Balinit C kann die Lebensdauer von Hochgeschwindigkeitsgetrieben vervielfachen. Standardisierte FZG-C-Tests zeigen, dass die Dauerfestigkeit gegenüber einsatzgehärteten, jedoch nicht beschichteten Zahnrädern durch Beschichtung mit Balinit C um 10 bis 15 Prozent zunimmt. Als Ausfallkriterium für die Einsatzdauer des getesteten Getriebes wurde im Versuch ein Einzelzahnverschleiss von 4 Prozent durch Grübchenbildung (Oberflächenermüdung) definiert. Das bessere Ergebnis kann auf die verminderte Reibung beim Rollkontakt sowie das exzellente Einlaufverhalten der Beschichtung und eine daraus resultierende Reduktion der Hertzschen Pressung im Tribokontakt zurückgeführt werden. Beschichtungen können auch für Schneckengetriebe von Vorteil sein, bei denen die allgemein herausfordernde Schmierung nicht immer ausreicht, um die schrägverzahnten Getriebe vor Reibung und Verschleiss zu schützen. Durch die Gleitbewegung und Kraft zwischen der Schnecke und den Zahnradflächen verteilt sich der Schmierfilm nur schlecht. Daher werden die Zahnräder oft aus Bronze gefertigt, um adhäsiven Verschleiss zu vermeiden. Tatsächlich verschleissen die Zähne aus Bronze jedoch relativ schnell. Deshalb muss das Zahnrad ausgetauscht und die Schnecken-Zahnrad-Kombination langwierig erneut ausgerichtet werden. Schneckengetriebe aus Stahl, die mit kohlenstoffbasierten Beschichtungen versehen sind, können die Ausfallsicherheit, die allgemeine Leistung und die Präzision verbessern, weil Schnecke und Bronzezahnrad weniger verschleissen.

Mangelnde Schmierung in Pumpen und Kompresso­ren

Schraubspindel-, Flügelzellen-, Zahnrad-, Drehkolben- und Kreiselpumpen werden oft in schlecht schmierenden Medien betrieben, die zudem hohen Abrieb verursachen, beispielsweise in Kühlmittelkreisläufen. Mit Balinit beschichtete Pumpenkomponenten bieten eine ideale Kombination aus Härte und niedriger Reibung, um Verschleiss unter derart schlechten Schmierbedingungen entgegenzuwirken. Ähnlich verhält es sich bei Komponenten von Industriekompressoren. Dort sind Kolben, Schrauben, Ventilplatten und Gleitringdichtungen erhöhtem Verschleiss ausgesetzt. Dies betrifft insbesondere Kompressoren, die ölfrei betrieben werden, beispielsweise in der Lebensmittel- und der Pharmaindustrie. Beschichten mit PVD-Beschichtungen verlängert wegen der guten Trockenlauf-Eigenschaften deutlich die Lebens- und die Funktionsdauer der Kompressoren.

Individuell optimierte Schichten

Neben der Entwicklung und Herstellung von PVD-Beschichtungsanlagen bietet Oerlikon Balzers Beschichtungsdienstleistungen in mehr als 110 Beschichtungszentren weltweit an. Moderne Beschichtungsunternehmen wie Oerlikon Balzers verfügen über die F&E-Einrichtungen, um Beschichtungen gezielt auch an sehr spezielle Forderungen anzupassen. Neben der Dicke und der Härte der Schichten lassen sich auch Eigenschaften wie die Mikrostruktur, die chemische Zusammensetzung und die Beständigkeit gegen Erosion und Oxidation sowie die thermische Stabilität sehr exakt einstellen. Meist erübrigt sich jedoch, Beschichtungen speziell anzupassen, da einige Standardbeschichtungen existieren, die bereits für viele Anwendungen mit ihren typischen Belastungsprofilen optimiert wurden. - kmu - SMM

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