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Aus vielen Laborversuchen und Entwicklungen, und vor allem im Austausch mit Kunden wissen wir über die hohe Effizienz von PVD-Beschichtungen in zahlreichen Applikationen. In unseren Technischen Fachartikeln erfahren Sie die fachlichen Hintergründe, welche Beschichtungen sich für welche Anwendungen deshalb am besten eignen. PVD-Beschichtungen sind die optimale und vor allem nachhaltige Alternative, um die Leistung und Lebensdauer von Präzisionskomponenten und die Standzeit von Werkzeugen für die metall- und kunststoffverarbeitende Industrie wesentlich zu verbessern.

Kohlenstoffbasierte PVD-Beschichtungen von Oerlikon Balzers überzeugen mit ihrer einmaligen Kombination aus niedrigem Reibungskoeffizienten, hoher Härte und dünnem Schichtauftrag. Deshalb nutzt man sie vorteilhaft, um bewegte Maschinenelemente, wie z.B. Verzahnungen, Hydraulik-, oder Lageranwendungen, gegen vorzeitigen Verschleiss zu schützen und ihre Lebensdauer unter hohen Belastungen deutlich zu verlängern.

Durch das Aufbringen von PVD-Beschichtungen, die für anspruchsvolle Umgebungen optimiert sind, profitieren die Bauteile neben einer verbesserten Oberflächenhärte auch von einem deutlich geringeren Reibungskoeffizienten. Folglich müssen kritische Komponenten, wenn überhaupt, deutlich weniger häufig ausgetauscht werden bzw. müssen seltener Wartungen vorgenommen oder ungeplante Ausfallzeiten in Kauf genommen werden. Somit kann durch gezielte Beschichtung die Leistung von Maschinen insgesamt deutlich optimiert werden.

In der Gasphase physikalisch abgeschiedene Schichten (Englisch Physical Vapour 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 Oberflächen ermüden, vermindert deutlich die Tribokorrosion (Fretting) und ermöglicht so auch Schäden durch mangelnde Schmierung oder durch Trockenlauf zu vermeiden.

Wälzlager deutlich länger funktionsfähig
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 und nur 0,5 bis 1 Mikrometer 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.

Längere Lebensdauer: Mit BALINIT C beschichtete Laufbahnen und Wälzkörper vermindern Reibung und Verschleiss, und verlängern deutlich die Standzeiten bei trocken laufenden Wälzlagern. (Grafik: Oerlikon Balzers)

Bei Wälzlagern von Kalanderwalzen in Papiermaschinen kommt es häufig zu Aufschmierungen. PVD-Beschichtungen reduzieren nicht nur die Wahrscheinlichkeit, dass ein solch adhäsiver Verschleiss auftritt. Es hat sich zudem auch gezeigt, dass die Lebensdauer der Wälzlager um das drei- bis vierfache gesteigert werden kann, wenn die Oberflächenhärte 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 Stillstandzeiten und vermindert erheblich en Aufwand für Wartung und Instandhaltung.

Ähnlich verhält es sich bei Zylinderrollenlagern in Kompressoren, die ebenfalls mit Aufschmierungen belastet sind. Durch das Auftragen einer PVD-Beschichtung bei diesen Wälzlagern wird dieses Problem gänzlich unterdrückt.

Zuverlässige Getriebezahnräder
Bei Zahnrädern tritt ein ähnlicher Verschleiß wie bei Wälzlagern auf. Auch hier verringern PVD-Beschichtungen den adhäsiven Verschleiss sowie Oberflächenermüdung und Grübchenbildung. Die Schicht BALINIT C kann die Lebensdauer von Hochgeschwindigkeitsgetrieben vervielfachen. Standardisierte FZG- C-Tests haben gezeigt, dass die Dauerfestigkeit gegenüber einsatzgehärteten, jedoch nicht beschichteten Zahnrädern durch das Beschichten mit BALINIT C um 10 bis 15 Prozent zunimmt. Als Ausfallkriterium für die Einsatzdauer des Getriebes wurde im Versuch ein Einzelzahnverschleiss von 4 Prozent durch Grübchenbildung (Oberflächenermüdung) definiert.

Zahn um Zahn besser: Das Beschichten mit BALINIT C erhöht die Tragfähigkeit (Ermüdungsfestigkeit) einsatzgehärteter Zahnräder um 10 bis 15 Prozent. (Grafik: Oerlikon Balzers)

Das bessere Ergebnis kann auf die verringerte 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 dieser Bronzezahnräder 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 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, oder Gleitringdichtungen erhöhtem Verschleiss ausgesetzt. Dies betrifft insbesondere Kompressoren, die ölfrei betrieben werden, beispielsweise in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie. PVD-Beschichtungen verlängern wegen der guten Trockenlaufeigenschaften deutlich die Lebensdauer- und die Funktionsdauer der Kompressoren.

Unbeschadet lange Zeit funktionieren: In Schraubenkompressoren widerstehen Pumpenspindeln aus beschichtetem Stahl wesentlich länger abrasivem Verschleiss durch beispielsweise schleifende Partikel in Kühlemulsion als einfach nitrierte Stahlspindeln. (Grafik: Oerlikon Balzers)

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 Beschichtungslösungen gezielt auch an sehr spezielle Forderungen anzupassen. Neben der Dicke und Härte der Schicht lassen sich auch Eigenschaften wie die Mikrostruktur, chemische Zusammensetzung, oder Beständigkeit gegen Erosion und Oxidation sowie thermische Stabilität sehr exakt einstellen.

In den meisten Fällen ist es jedoch nicht erforderlich, Beschichtungen speziell anzupassen, da einige Standardbeschichtungslösungen existieren, die bereits für viele Anwendungen mit ihren typischen Belastungsprofilen optimiert wurden.

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Eva Kalberer

Eva Kalberer

Business Development Manager
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