Überlegene Schichten durch Nano-Oberflächentechnik
Die wachsende Komplexität und der steigende Entwicklungsgrad der Anlagentechnik, die in vielen Industriesektoren wie der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie der Robotik zur Verwendung kommt, hat die Partner des TRIBO-Projekts dazu angeregt, lasergestützte Techniken bei der Bearbeitung von Nanomaterialien einzusetzen. Nanomaterialien sind für ihre außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften bekannt, durch die ein besserer Verschleißwiderstand von unter erschwerten Bedingungen eingesetzten Reibverbindungen erreicht werden kann. Zur lokalen Verbesserung der Oberflächeneigenschaften von metallischen Maschinenelementen bietet sich insbesondere das Laserstrahl-Auftragschweißen an. Hierbei wird ein Zusatzwerkstoff, der über die gewünschten Eigenschaften verfügt, durch einen Laserstrahl auf das Grundmaterial aufgebracht. Damit die Eigenschaften der aus dem Zusatzwerkstoff gebildeten Schicht möglichst umfangreich beibehalten werden, ist eine Aufmischung dieses Werkstoffs mit dem Grundmaterial weitestgehend zu verhindern. Durch die lokale Verbesserung einer technischen Oberfläche mit speziellen Nanomaterialien ist die Verwendung eines kostengünstigen Grundmaterials für die Oberflächen möglich, die keinen hohen Belastungen ausgesetzt sind. Ingenieure an der École Nationale d'Ingénieurs de Saint-Étienne in Frankreich haben Experimente mit Mischungen verschiedener Pulvermaterialien durchgeführt, um eine Verbundschicht mit den gewünschten Eigenschaften herstellen zu können. Mit dem Laserbearbeitungsverfahren konnte in hoher Geschwindigkeit eine Anordnung künstlicher Löcher erzeugt werden, die als Reservoir für Fremdkörper sowie für den Festschmierstoff dient, der für eine konstante Schmierung des Kontaktbereichs sorgt. Die entwickelte Beschichtung, ein funktionell gradiertes Material, bestand aus Festkörperschmierstoffen wie Weißbronze (CuSn), die als duktile Matrix fungierte und durch eine geeignete keramische Phase verstärkt wurde. Anhand von durchgeführten Verschleißuntersuchungen konnte gezeigt werden, dass der Koeffizient der Trockenreibung dieser Beschichtungen bei einem Wert von lediglich 0,12 lag. Zudem fand eine Untersuchung der einzigartigen Möglichkeit statt, hochenergetische Strahlen zur schnellen Aufschmelzung und Mischung von Legierungselementen zu verwenden, um hiermit den Verschleißwiderstand von Lagerstählen zu verbessern. Die TRIBO-Projektpartner haben eine spezielle Abdeckung verwendet, um ein Verdampfen der Legierungselemente aus der Oberfläche des Grundmaterials zu verhindern. Zudem kamen verschiedene Lasertypen zur Verwendung. Es wurden beispielsweise Puls- und Dauerstrichlaser anhand von verschiedenen Legierungssystemen für das Grundmaterial wie Aluminium-Zinn (Al-Sn) und Eisen-Zinn (Fe-Sn) getestet. Hierdurch konnte eine gleichmäßige Verteilung der Legierungselemente in der Schmelze erreicht werden, während die hohe Erstarrungsgeschwindigkeit der Schmelze zur Bildung von Sn-reichen Ausscheidungen führte und den Weg für eine industrielle Durchdringung der Nanotechnologie ebnete. Die durchschnittliche Konzentration von Zinn, das als Festkörperschmierstoff verwendet werden kann, wurde anhand einer Röntgenstrahl-Mikroanalyse gemessen und lag bei über 20 Gew.%.
