• Land: Deutschland
  • Autor(en): Thorsten Matthée und Andreas Schrüfer
  • Artikel vom: 15 März 2011
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  • Kategorie(n): WERKZEUG ANWENDUNGEN, Abrichtmaschinen, Abrichten
  • Schlüsselbegriffe: Gleitringdichtungen
  • CVD-Diamantinnovation setzt sich durch

    Mittlerweile hat die Marktakzeptanz bei einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, da die neuen Produkte in gleichbleibender Qualität und kontinuierlich steigender Anzahl gefertigt werden können. Die folgende Darstellung vermittelt, wie sich aus einem wissenschaftlichen Ansatz über den Verlauf eines Jahrzehnts eine Durchbruchsinnovation durchsetzt. Mittlerweile schickt sich das als DiamondFaces im Markt etablierte Produkt an, aus dem Einsatz unter extremen Belastungen für Nischenanwendungen in immer neue Anwendungen aus unterschiedlichsten Bereichen der Industrie vorzudringen.

    Grossflächige CVD-Diamantabscheidung mit dem HF CVD-Verfahren

    Die in der Diamant Community bekannte Heißdraht-CVD-Herstellung hat in der Mitte der 90er Jahre eine Spezialentwicklung erfahren: die großflächige Herstellung mit einem halben Quadratmeter beschichtbarer Fläche, wobei die Filamente nicht mehr – wie bis dato üblich – in vertikaler Anordnung aufgehängt wurden, sondern horizontal gespannt wurden. Neben der Lösung des thermischen Managements einer solchen Anlage war die kontinuierliche Filamentspannung eine Aufgabe, die am Fraunhofer IST in Braunschweig in der „Diamantgruppe“ gelöst wurde. Die Condias GmbH, eine Ausgründung aus dem Braunschweiger Institut, konnte diese neuartigen Anlagen für eine Industrialisierung exklusiv einsetzen (siehe Abb. 1). Mit den zur Verfügung stehenden CVD-Maschinen war es möglich, Bauteile homogen zu beschichten, ohne dass die bis dahin üblichen Halterungen, gerade für Bauteile mit Durchmessern von bis zu 320 mm, verwendet werden mussten. Dies ermöglichte erstmalig eine Schichtdickenhomogenität auf den Gleitringen, die den Anforderungen an die Ebenheit genügte und einen Einsatz für tribologisch schwierige Herausforderungen ermöglichte.

    Ein erfolgreiches Kooperieren bei Materialinnovationen und Fertigungstechnologien ermöglicht eine Durchbruchsinnovation

    Ende der 80er Jahre wurde Siliziumkarbid bei EagleBurgmann als neues Material für Gleitringdichtungsanwendungen eingeführt und setzte sich für Anwendungen mit hohen Anforderungen aufgrund seiner hohen Steifigkeit, seiner guten Wärmeleitfähigkeit und des guten tribologischen Verhaltens als Alternative zu den bis dahin üblichen Materiallösungen am Markt durch. SiC gehört aber auch zu der eng begrenzten Auswahl an Materialien, die sich in einem CVD Beschichtungsprozess haftfest mit Diamant beschichten lassen. Die tatsächlich überraschende Idee bestand darin, eine Diamantbeschichtung mit der ihr eigenen Rauheit für eine Dichtungsanwendung einzusetzen.

    Die Feinbearbeitung von SiCGleitringringen erfolgt im sub- μm Maßstab, um die geforderte Dichtigkeit im Einsatz zu erreichen. Diamantschichten weisen je nach Herstellungsbedingungen und Schichtdicke Rauheiten auf, die ebenfalls im sub-μm Bereich liegen aber auch eine Rautiefe von mehreren μm aufweisen können.

    Aber es lag daher nicht gerade nahe, eine vergleichsweise raue Schicht auf ein präzise poliertes Bauteil aufzubringen. Es zeigte sich, dass bei geeigneter Auswahl des SiC-Grundwerkstoffs optimierte Vorbehandlung der Oberfläche sowie bei auf die Oberfläche angepasste Herstellbedingungen eine Diamantschicht (siehe auch Abb. 2) aufzubringen war, die die besonderen Eigenschaften des Diamants (hier vor allem: Härte, Verschleißbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Reibwert der Diamantpaarung) einer Anwendung in der Gleitringdichtung zugänglich macht. Die beiden Gleitringe einer Gleitringdichtung weisen einen sehr geringen Reibwert im Vergleich zu unbeschichteten SiCRingen auf (dargestellt für drei unterschiedliche tribologische Systeme in Abb. 4).

    In einer diamantbeschichteten GLRD werden zwei gleichartig beschichtete Gleitringe gegeneinander laufend eingesetzt. Die Diamantspitzen berühren sich und schleifen sich gegenseitig plan (Abb. 5). Das bedeutet, dass das je nach eingesetztem Medium die Dichtung zu Beginn eine erhöhte Leckage aufweisen kann, die sich innerhalb der Einlaufphase auf ein normales Niveau reduziert. Dieser Einlaufeffekt lässt sich allerdings durch die besonderen Vorteile dieser innovativen GLRD leicht verschmerzen: dem Anwender stehen bisher nicht erreichbare Standzeiten der Dichtung bei Mangelschmierung, partiellem Trockenlauf oder bei extrem abrasiven Fördermedien offen.

    Vorteile des Anwenders beim Einsatz von diamantbeschichteten Gleitringdichtungen

    Mittlerweile wird durch eine spezielle Modifikation der DiamondFaces-Technologie ein weiteres Anwendungsfeld für die Diamantbeschichtung erschlossen. Durch die ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit von Diamant kann die SiC Keramik gegen elektrochmische Korrosion (SiO2-Bildung) geschützt werden. Erste Dauerversuche zeigen, dass in Medien, die eine geringe Leitfähigkeit aufweisen (z. B. VE-Wasser in Kesselspeisewasserpumpen) die Standzeit drastisch erhöht werden kann und damit die Wartungsintervalle der Dichtungen entsprechend verlängert werden können.

    Die durch den Einsatz von diamantbeschichteten GLRD erzielten Vorteile sind seit mittlerweile vier Jahren in Tausenden von Anwendungen dargestellt (vgl. auch Abb. 6). In unterschiedlichsten Anwendungen mit extremen Belastungsprofilen sind DiamondFaces inzwischen zum anerkannten Problemlöser geworden. Bei diese „bad-actor“ Anwendungen zeigen sich die guten Laufeigenschaften unter Mangelschmierung, bzw. partiellem Trockenlauf und/oder in stark abrasiven Medien der DiamondFaces. Zum Beispiel in Multiphasenanwendungen hat sich das Dichtungskonzept erfolgreich bewährt, um Phasengemische aus Gas, Öl und abrasiven Feststoffen abzudichten. Die Vorzüge dieser Materialinnovation kommen mittlerweile in Schiffsanwendungen, bei der Gewinnung von Ölsand, bei Mikroelektronikherstellern, Keramikproduzenten und einem weiten Einsatz in der chemischen Industrie zum Tragen. Für unterschiedliche Anwendungen haben sich angepasste Schichtsysteme etabliert (beispielhaft zeigt Abb. 3 die Verteilungsfunktion einer „Dickschicht“). In Kraftwerksanwendungen ist neben den genannten tribologischen Vorzügen vor allem die oben beschriebene verminderte Korrosion (VE-Wasser!) vorteilhaft. Einen Bekanntheitsschub erhielt die Materialkombination im Herbst 2010: mit der Verleihung des deutschen Stifterpreises durch die Forschungsministerin A. Schavan wurde diese beispielhafte Entwicklung geehrt. Der Preis wurde den handelnden Personen des Entwicklungskonsortiums von Ceramtec AG, Condias GmbH, Drahtwerk Elisental GmbH, Drahtzug Stein wire & welding GmbH & Co. KG, EagleBurgmann Germany GmbH & Co. KG, Fraunhofer Gesellschaft e.V., HC Starck Ceramics GmbH & Co. KG und der KSB AG verliehen. Über die beschriebenen Einsatzgebiete hinaus wird die CVD Diamantbeschichtung auf Gleitflächen in weitere Märkte Einzug halten. Das Anwendungspotenzial dieses Materialverbundes wird generell in tribologisch stark belasteten Anwendungen oder in Verbindung mit chemischer Korrosion gesehen.

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