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Selbstschmierende Beschichtungen

Systeme zur Übertragung von Bewegungen, also beispielsweise Getriebe oder Kugelumlaufspindeln, die in der Luft- und Raumfahrttechnik und in der industriellen Fertigung in großer Zahl zur Anwendung kommen, müssen mit hohen Drehzahlen betrieben werden können. Dabei werden zur Vermeidung von Schäden an metallischen Oberflächen, die aufeinander gleiten, Hydraulikflüssigkeiten verwendet. Um die Menge der benötigten Hydraulikflüssigkeiten zu verringern und damit die anfallenden Schadstoffmengen und Entsorgungskosten zu minimieren, wurden jetzt selbstschmierende Beschichtungen entwickelt.

Industrielle Technologien

Um Verschleißerscheinungen und Beschädigungen an hoch belasteten Kraftübertragungssystemen zu verhindern, werden als Schmierstoffe üblicherweise Hydraulikflüssigkeiten verwendet. In Maschinen kommt es vor allem zu Beginn und am Ende einer Bewegung auf gute Schmierwirkung an, denn in diesen Phasen verhält sich eine elastohydrodynamische Schmierung instabil und benötigt sehr große Mengen Hydraulikflüssigkeit. Diese großen Mengen sind aber unverzichtbar, auch wenn sie im Normalbetrieb in der übrigen Zeit nicht benötigt werden. Dieser Flüssigkeitsüberschuss erhöht naturgemäß den Reibungswiderstand und begrenzt die maximale effektive Betriebsdrehzahl des mechanischen Systems. Überdies stellen Hydraulikflüssigkeiten nach Ablauf ihrer Lebensdauer Sondermüll dar, dessen Entsorgung schwierig und kostenintensiv ist. Hoch beständige und reibungsarme Beschichtungen können daher den Verbrauch an Hydraulikflüssigkeiten erheblich senken. Im aktuellen Projekt wurden zwei Beschichtungen (auf Karbon- und auf MoS2-Basis) entwickelt, die auf mechanische Komponenten aufgebracht werden können, aber auch für Schneid- und Formwerkzeuge verwendbar sind. Die Beschichtungen werden durch Magnetron-Katodenzerstäubung (Magnetron-Sputtern) aufgebracht, ein Verfahren, das sich auch zum Beschichten von Teilen mit komplexen Geometrien eignet. Im Vergleich zu herkömmlichen Hartstoffschichten wie TiN oder TiC zeichnen sie sich durch überlegene Eigenschaften aus. So sind sie bei extrem hoher Belastung sehr reibungsarm und verschleißbeständig, und sie besitzen in gewöhnlichen Mineralöl- und Trockenanwendungen sehr gute tribologische Schmiereigenschaften. Sie kommen mit weniger oder sogar ganz ohne Schmiermittel aus. Die unmittelbaren Vorteile sind eine erhöhte Lebensdauer der Komponenten, eine Senkung des Energieverbrauchs auf Grund der geringeren Reibung und eine Entschärfung der Umweltrisiken durch die Minimierung der benötigten Schmiermittelmengen. Das Projekt hat außerdem zu getesteten und vorführbereiten Kugelumlaufspindeln einer neuen Generation geführt. Die Komponenten dieser Systeme wurden mit einem selbstschmierenden Material auf MoS2-Basis beschichtet. Sie zeigten nach Erreichen eines D-N-Verhältnisses von 120.000 mm/rpm eine Temperaturerhöhung in der Spindelmutter von etwa 35 Grad Celsius. Wenn die Temperatur auf Grund der Forderung nach einer extrem präzisen Positionierung auf 25 Grad Celsius begrenzt ist, kann das zugehörige D-N-Verhältnis immer noch bis zu 90.000 betragen.

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