Ziel der Entwicklung
Hartstoffschichten werden heute vielfach eingesetzt, um die Eigenschaften von Werkzeugen und Bauteilen vor allem hinsichtlich des mechanischen Verschleißes zu verbessern. Bei hohen Einsatztemperaturen, bei Einsatz in korrosiven Umgebungen oder bei Kontakt mit reaktiven bzw. sauerstoffaffinen Elementen stoßen übliche Verschleißschutzschichten allerdings an ihre Einsatzgrenzen. Dabei können beispielsweise Zersetzungsvorgänge, Interdiffusion, Oxidation oder auch Adhäsion reaktiver Werkstoffe zum Schichtversagen führen.
Ziel des Projekts war es daher Schichten zu entwickeln, die durch Einlagerung sauerstoffhaltiger Strukturen und Komponenten eine erhöhte Stabilität auch unter problematischen Umgebungs- und Einsatzbedingungen (hohe Temperaturen, oxidierende Umgebung, reaktive Tribopartner) gewährleisten können.
Vorteile und Lösungen
Im Rahmen des Projekts konnte erfolgreich nachgewiesen werden, dass durch den Einbau von Sauerstoff in den Schichtverbund die chemische und thermische Stabilität von Hartstoffschichten erhöht werden kann. Ebenso konnte bei nanostrukturierten Schichten nachgewiesen werden, dass diese ebenfalls eine gute thermische Beständigkeit sowie verbesserte Eigenschaften bei der Bearbeitung reaktiver Elemente wie Titan bei hohen Temperaturen zeigen. Somit besteht die Möglichkeit, auf Grundlage der durchgeführten Entwicklungen Schichten mit folgenden Eigenschaften abzuscheiden:
– hohe Verschleißfestigkeit und hohe mechanische Stabilität durch den Einbau von Sauerstoff in die Gitterstruktur
– hohe Beständigkeit gegen Oxidationsverschleiß sowie verbesserte chemische Stabilität durch die erzeugten Oxide.
Darüber hinaus weisen entsprechende Varianten der entwickelten OXI-Schichten auch eine Korrosionsbeständigkeit bzw. gute Hochtemperatureigenschaften auf. Durch Auswahl entsprechender Werkstoffkombinationen und Schichtstrukturen kann somit direkt Einfluss auf die Stabilität und Beständigkeit von Beschichtungen sowie deren Diffusions- und Adhäsionsverhalten genommen werden.
Potenzielle Kunden dieser Beschichtungstechnologie können entsprechend beschichtete Bauteile auch unter problematischen Umgebungs- und Einsatzbedingungen wie hohen Temperaturen, oxidierender Umgebung bzw. reaktiven Tribopartnern einsetzen, was zu einer höheren Bauteillebensdauer und zu einem verbesserten Ressourceneinsatz führt.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die erarbeitete Beschichtungstechnologie auf der Grundlage oxinitridischer Strukturen erlaubt im Vergleich zu Referenzschichten ohne Sauerstoff eine deutliche Erhöhung der Bauteillebensdauer unter problematischen Umgebungs- und Einsatzbedingungen. Daher sind gute wirtschaftliche Erfolgsaussichten für die Nutzung dieser Technologie vorhanden.
Es sind allerdings noch weitere Grundlagenuntersuchungen zur Ermittlung der thermodynamischen Randbedingungen und möglichen Reaktionen notwendig, um die thermischen Eigenschaften von oxinitiridischen Hartstoffschichten systematisch und reproduzierbar verbessern zu können. Geplant ist dabei, die bei der Projektbearbeitung erarbeiteten Erkenntnisse und Erfahrungen auf dem Gebiet der PVD-Beschichtung chemisch und thermisch beständiger Verschleißschutzschichten im Rahmen weiterer FuE-Projekte zu nutzen, um Schichtsysteme für weitere Einsatzbereiche zu entwickeln und Grundlagenuntersuchungen für „wirkmechanismenbasierte Hartstoffschichten für hohe Einsatztemperaturen" durchzuführen.