FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR SCHICHT- UND OBERFLÄCHENTECHNIK IST REIBUNGSMINDERUNG UND VERSCHLEISSSCHUTZ

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1 FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR SCHICHT- UND OBERFLÄCHENTECHNIK IST REIBUNGSMINDERUNG UND VERSCHLEISSSCHUTZ

2 1 2 REIBUNGSMINDERUNG UND VERSCHLEISSSCHUTZ Reibung und Verschleiß bestimmen Lebensdauer, Belastbarkeit und Einsatzgrenzen von Werkzeugen und Bauteilen. Mit Hilfe moderner Oberflächentechnik können deutliche Verbesserungen erreicht und sogar neue Funktionen realisiert werden. Neben der technischen Umsetzung umfasst unser Angebot ein breites Spektrum an Service- und Beratungsdienstleistungen sowie Workshops, Seminare oder Schulungen zur Aus- und Weiterbildung von Produktverantwortlichen, Ingenieuren, Konstrukteuren und anderen Fachkräften. Unser Dienstleistungsangebot Günstiges Reibungsverhalten sowie eine hohe Verschleißfestigkeit sind Oberflächeneigenschaften, die bei der Leistungssteigerung und der Entwicklung neuer Produkte in vielen Bereichen des Maschinen- und Fahrzeugbaus eine immer größere Rolle spielen. Die gleichzeitige Optimierung von Reibung, Verschleiß und weiteren Eigenschaften von multifunktionalen Schichtsystemen stellt eine besondere Herausforderung dar, die am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST mit den Verfahren der Plasmatechnik gelöst wird. Erfahrene Projektteams bieten Gesamtlösungen aus einer Hand, von der Einstellung der Topographie und Diffusionsbehandlung über die Schichtentwicklung, Produkt anpassung und Prototypenbeschichtung bis hin zum Transfer in die Produktion. Darüber hinaus verfügt das Fraunhofer IST über eine innovative Simulationssoftware, mit der Bauteile und Prozesse optimal ausgelegt werden können. Die Entwicklung anwendungsspezifischer Dünnschichtsensorik ermöglicht die Herstellung intelligenter Oberflächen zur kontinuierlichen Überwachung von Prozessen und von Belastungen der Werkzeuge und Bauteile im Einsatz. Die Vorteile durch Oberflächenveredelung Reduktion von Reibung und Verschleiß Erhöhung von Standzeiten und Lebensdauer Reduzierung von Wartungs- und Stillstandszeiten Steigerung der Belastbarkeit Einsparung von Energie Verringerung von Antriebsleistungen Vermeidung von Ablagerungen und Verklebungen Minimalmengen- oder Trockenschmierung Prozess- und Bauteilüberwachung und -optimierung durch integrierte Dünnschichtsensorik Erweiterung des Materialspektrums, z. B. Einsatz von Leichtmetallen Verbesserung der Produkteigenschaften und -qualität Reduktion von Ausschuss 1 Beschichtete Zahnräder. 2 Gleitringdichtungen.

3 3 4 VON DER IDEE ZUM PRODUKT Produkt- und Anwendungsanalyse Beratung bei Bauteilauslegung und Werkstoffeinsatz Schadensbegutachtung Analyse und Bewertung von Produktionsumgebungen Durchführung von Maßnahmen zur Qualitätssicherung beim Kunden, ggf. Bereitstellung von Test-Equipment Oberflächenveredelung Entwicklung neuer Schichtsysteme und Oberflächenbehandlungen Entwicklung maßgeschneiderter, multifunktionaler Oberflächen Funktionalisierung von Bauteil- und Werkzeugoberflächen Prototypenbeschichtung Produktoptimierung durch Schicht- und Oberflächentechnik Optimierung von Schichtsystemen für kundenspezifische Anwendungen Oberflächenmodifizierung und Beschichtung von Prototypen und Kleinserien Sensormodulentwicklung Anpassung der Dünnschichtsensorik an gegebene Einsatzbedingungen Entwicklung von Dünnschichtsensorik für kundenspezifische Bauteilgeometrien Prozess- und Anlagenentwicklung Entwicklung wirtschaftlicher Produktionsszenarien als Gesamtlösung Auslegung und Entwicklung angepasster und fertigungsintegrierter Anlagenkonzepte Unterstützung bei Bau und Inbetriebnahme von Beschichtungsanlagen Schicht- und Oberflächencharakterisierung Entwicklung anwendungsspezifischer Testmethoden Tribotests Physikalisch-mechanische Charakterisierung von Oberflächen Service und Beratung Markt- und Machbarkeitsstudien, Wirtschaftlichkeitsanalysen Workshops, Seminare, Schulungen 3 Motorkomponenten. 4 Ventilkugel. 5 Temperatursensorik eingebettet in eine Verschleißschutzschicht. 6 Beschichtung im industriellen Maßstab am Fraunhofer IST.

4 5 6 SCHICHTSYSTEME FÜR IHRE ANWENDUNGEN Unsere Beschichtungen (Bezeichnung nach VDI 26840) Härte [HV] Verschleiß [CaloTest, trocken gegen Al 2 O 3 (m 3 / Nm)10-15 ] Reibungskoeffizient [trocken gegen 100Cr6] Oberflächenenergie [mn/m] Dominierende Eigenschaften Diamantähnliche Kohlenstoffschichten (z. B. a-c:h, a-c:h:me, a-c:h:si, a-c:h:si:o (SICON ), Multilagen a-c:hsi:o / a-c:h, a-c:h:si / a-c:h) DLC-basierte Multilagenschichten (z. B. a-c:h:si:o / a-c:h, a-c:h:si / a-c:h) Kristalline Diamantschichten (z. B. compedia, DiaTex, DiaCer ) Hartstoffschichten (z. B. TiN, TiCN, CrN, CrCN, TiAlN) ,5-40 0,05-0, Hohe Verschleißfestigkeit, geringe Reibwerte; geeignet für Gleit-, Wälz-, Abrasions- und Adhäsionsbeanspruchungen 0,5-15 0,05-0, Kombination von Eigenschaften niedriger Oberflächenenergien, sowie geringer Verschleiß und optimierte Reibungseigenschaften 0 um 0, Extreme Verschleißfestigkeit, chemisch stabil; geeignet gegen Abrasion, Hochleistungsschneidstoff ,3-0, Hohe Verschleißfestigkeit; geeignet für Abrasions- und Adhäsionsbeanspruchungen Borhaltige Schichten (z. B. BCN, TiBN, TiB 2, c-bn) bis ,3-10 0,4-0, Sehr hohe Verschleißfestigkeit; geeignet gegen Abrasion und für thermische Belastungen Plasmadiffusion / Duplexverfahren (z. B. Nitrieren + anschließende Beschichtung, u. a. mit diamantähnlichen Kohlenstoffschichten) werkstoffspezifisch bis ,2-0,9 Hohe Verschleißfestigkeit; geeignet zur Steigerung der Ermüdungs-, Abrasions- und Korrosionsfestigkeit; bei Duplex-Beschichtung zusätzlich verbesserte Schichthaftung, niedrige Reibwerte Keramikschichten (z. B. Al 2 O 3, ZrO 2 ) bis (nicht messbar) ca. 0,17 (gegen SiN) Geeignet für Adhäsions-, Abrasionsbeanspruchung und thermische Belastung, Wärmedämmung Metallschichten (z. B. Au, Ti, Cr, Cu, W, Ni, Hartchrom) < ca. 220 (Stahl 100Cr6) 0,7-0,9 (Stahl 100Cr6) Leitfähigkeit, Korrosionsfestigkeit, Diffusionsbarriere

5 7 OBERFLÄCHENVEREDELUNG Am Fraunhofer IST bieten wir ein breites Spektrum an Möglichkeiten zur Veredelung von Oberflächen. Neben der gezielten Einstellung der Topographie und der Beschichtung mit unterschiedlichen Verfahren wird am Institut die optimale Kombination einzelner Oberflächenbehandlungen ausgewählt. Definierte Einstellung der Topographie Die Topographie der Oberfläche beeinflusst auch die tribologischen Eigenschaften. Die Oberfläche kann eben oder strukturiert sein, wobei die Größe der Strukturen und die Art der Form oder Anordnung stochastisch oder determiniert bei vielen Anwendungen eine wichtige Rolle spielt. Vor allem in mediengeschmierten Tribosystemen können so die Reibbedingungen deutlich verbessert werden. Diffusionsbehandlung Stähle und auch Leichtmetalle können durch eine Diffusionsbehandlung in ihrer Verschleißfestigkeit deutlich erhöht werden. Abhängig vom Grundmaterial werden dabei sehr dicke Härtezonen erzeugt, ohne dass diese abplatzen. Mit ihrer Stützwirkung liefern sie eine ideale Grundlage für nachfolgende Beschichtungen im Rahmen sogenannter Duplexverfahren. Diamantähnliche Kohlenstoffschichten DLC DLC-Schichten kombinieren in geradezu idealer Weise hohe Verschleißfestigkeit mit günstigen Reibungseigenschaften. Aber auch andere Eigenschaften, z. B. das Benetzungsverhalten, können durch Einbau weiterer chemischer Elemente oder durch eine geeignete Prozessführung gezielt eingestellt werden. 7 Maßgeschneiderte Oberflächen im Automobilbau. Polykristalline Diamantschichten Polykristalline Diamantschichten bieten extremen Verschleißschutz auf Zerspanungs- und Präzisionsschleifwerkzeugen für die Leichtmetall-, Keramik- oder Glasbearbeitung, und Diamantschichten zeigen hervorragende tribologische Eigenschaften und können somit auf hochbelasteten Bauteilen eingesetzt werden. Hartstoffschichten Hartstoffschichten (Nitride, Karbide) zeichnen sich durch hohe Härten und eine hohe Temperaturstabilität aus. Sie eignen sich besonders als Schutzschichten auf hochbelasteten Werkzeugen. Borbasierte Schichten (BCN, TiBN, TiB 2 u. a.) haben ein großes Potenzial für Bearbeitungsoperationen bei hohen Temperaturen, z. B. beim Bohren, Fräsen, Gewindefurchen, Strangpressen oder Druckgießen. Keramische Schichten Keramische Schichten, vor allem Oxide wie z. B. Al 2 O 3, weisen eine hohe Härte, Temperaturfestigkeit sowie Oxidationsbeständigkeit auf. Sie bieten daher, in Verbindung mit Hartstoffschichten, einen hervorragenden Schutz bei Hochtemperaturanwendungen. Metallische Schichten Metallische Schichten, reine Metalle, Legierungen oder auch Dispersionsschichten auf Nickel- oder Chrombasis, zeichnen sich durch verschiedenste Funktionalitäten aus. Weiche Metalle wie z. B. Zinn oder Silber eignen sich als Lagerwerkstoffe. Metalle wie z. B. Gold, Tantal oder Edelstähle weisen dagegen eine hervorragende Korrosionsfestigkeit auf. Durch den Einbau von Partikeln oder Mikrokapseln können weitere Funktionen (z. B. Schmierstoffe) in die Schichten integriert werden.

6 IHR PARTNER FÜR REIBUNGSMINDERUNG UND VERSCHLEISSSCHUTZ Standort Braunschweig Außenstelle in Dortmund Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST Bienroder Weg 54 E Braunschweig Dortmunder OberflächenCentrum DOC Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST Eberhardstraße Dortmund Dr.-Ing. Jochen Brand Abteilungsleiter Zentrum für Tribologische Schichten Telefon jochen.brand@ist.fraunhofer.de Dipl.-Ing. Hanno Paschke Telefon hanno.paschke@ist.fraunhofer.de Dr.-Ing. Martin Keunecke Gruppenleiter Tribologische Systeme Telefon martin.keunecke@ist.fraunhofer.de Dr.-Ing. Tatiana Hentrich Geschäftsfeldleiterin Maschinenbau, Werkzeuge und Fahrzeugtechnik Telefon tatiana.hentrich@ist.fraunhofer.de