Widerstandsfähigere mehrlagige Beschichtungen
Wenn es bei technischen Komponenten zu Ausfällen kommt, liegt das meist an Problemen mit der Oberfläche, etwa unzureichender Haftung der Beschichtung oder Rissbildung und Stoßdefekten. Um dem entgegenzuwirken, wurden zahlreiche Oberflächenbehandlungen entwickelt, die meist aus mehrlagigen Oberflächensystemen (MSS) mit unterschiedlicher Stärke (Nano-, Mikro- oder Millimeter) bestehen. Bisher wurde beim MSS-Design lediglich empirisch vorgegangen, sodass genauere und detailliertere Modelle benötigt werden, um die Konstruktion zu vereinfachen und die Leistung zu verbessern. Beim EU-finanzierten Projekt M3-2S (Multiscale modelling for multilayered surface systems) machten die Forscher wichtige Fortschritte in der Molekulardynamik und Erstellung von Modellen mittels Finite-Elemente-Analyse. Das Projekt entwickelte daher Schneideinsätze zur Bearbeitung von Gusseisenstangen und Stahlbremsen für Eisenbahnen, für Walzen zur Herstellung von Aluminiumlegierungen für Schmuck, für die Biomedizin und Lebensmittelherstellung sowie für Getriebe in diversen Sektoren. Auf diese Weise konnten mit den neu entwickelten hochleistungsfähigen MSS Verschleißfestigkeit, Belastbarkeit und Lebensdauer der Testobjekte verbessert werden. Entwickelt wurden leistungsfähige doppellagige Systeme, die Oberflächenbeschichtung und Einsatzhärten kombinieren und dadurch deutlich belastbarer und verschleißfester werden. Die Kombination mehrerer Lagen aus Titan (TiN)- und Chromnitrid (CrN)-Beschichtungen mit plasmabasierter Nitrierung erhöhte die Belastbarkeit um das mehr als 3-fache und die Verschleißfestigkeit um das 1.000-fache verglichen mit derzeit verwendeten einlagigen TiN/CrN-Beschichtungen auf gehärtetem Stahl. Durch höhere Belastbarkeit und Verschleißfestigkeit der neuen MSS kann die Lebensdauer vieler Fertigungsprodukte und -ausrüstungen verlängert werden. Damit müssen weniger oft Schneidwerkzeuge, Heißwerkzeuge oder Motor- und Getriebebauteile ersetzt und Maschinenausfallzeiten in Kauf genommen werden. Eine längere Lebensdauer der Oberflächenwerkzeuge und Komponenten reduziert schließlich auch Produktausfälle, was natürliche Rohstoffe einspart. Eine spezielle hochhärtende mehrlagige Beschichtung ermöglicht auch die Trockenbearbeitung und schont die Umwelt, da weniger Schneidkühlmittel verwendet und entsorgt werden müssen. Zudem kann bei der Blechumformung von Matrizen mit der neuen selbstschmierenden mehrlagigen Beschichtung auf Schmieröl verzichtet werden. Das neue M3-2S-Verfahren wird die Konstruktion von MSS in vielen Industriezweigen vereinfachen und damit zur Wettbewerbsfähigkeit Europas im Bereich Oberflächentechnik beitragen.
Schlüsselbegriffe
Beschichtungen, Oberflächenbehandlungen, mehrschichtige Oberflächensysteme, M3-2S, Verschleißfestigkeit, Belastbarkeit
