Suspensionsgespritzte mischkeramische Beschichtungen

Abteilung Oberflächentechnik und Schichtverbunde

Optimiertes Eigenschaftsprofil keramischer Beschichtungen durch maßgeschneiderte Suspensionen.

Entwicklung und Qualifizierung einer ressourceneffizienten Gleitlagertechnologie für mediengeschmierte Systeme in Pumpen KeraBear

Problemstellung

In den Bereichen Chemie- und Anlagentechnik (Kraftwerke, Industrie, Gebäude) werden verbreitet Pumpen eingesetzt, in denen die nur durch die geförderten Medien geschmierte Gleitlagerungen und Gleitringdichtungen eingesetzt werden. Verschleiß und Korrosion an diesen Lagerungen verursachen erhebliche Schäden an Anlagen und stellen eine Gefahr für Mensch und Umwelt dar. In diesem Anwendungsbereich wird insbesondere auch bei großen Lagerkomponenten nach Lösungen gesucht, die standardmäßig Wolfram-, Nickel- und Cobalt-haltigen Hartmetall­komponenten und -schichten zu ersetzen. Einige dieser Rohstoffe sind zwischenzeitlich nur noch begrenzt verfügbar (W, Co) oder werden als gesundheitsbedenklich eingestuft (Ni). In bestimmten Medien besteht zudem das Problem, dass metallurgische Beschichtungen auf Grund eines tribokorrosiven Angriffs nicht zuverlässig genug funktionieren.

In diesem Projekt sollen mischkeramische Beschichtungen entwickelt werden, die hinsichtlich ihrer tribologischen Eigenschaften im Vergleich zu Referenzschichten auf der Basis von Kobalt-gebundenem Wolframkarbid hinsichtlich Reibung und Verschleiß ebenbürtig sind. Hierbei werden die drei am IFKB entwickelten Materialsysteme Chromkarbid / Chromoxid, Titankarbid / Titanoxid und Aluminiumoxid / Zirkonoxid als aussichtsreiche Systeme untersucht. In Voruntersuchungen konnten für diese Systeme gezeigt werden das sowohl die Reibwerte als auch die gemessenen Verschleißraten mit Cermet-Beschichtungen konkurrieren können.

Fig. 1. Beschichtungstechnik Hochgeschwindigkeitssuspensionsflammspritzen (HVSFS) am IFKB
Fig. 1. Beschichtungstechnik Hochgeschwindigkeitssuspensionsflammspritzen (HVSFS) am IFKB
Fig. 2. Lichtmikroskopische Aufnahmen suspensionsgespritzter mischkeramischer Hartstoffschichten.
Fig. 2. Lichtmikroskopische Aufnahmen suspensionsgespritzter mischkeramischer Hartstoffschichten.

Eine besondere Herausforderung besteht in der mechanischen Nachbearbeitung der ca. 70 µm dicken Schichten. Die geringen Maßtoleranzen verlangen dabei eine hochpräzisen Rundschleifprozess.

Fig. 3. Hochpräzise Nachbearbeitung beschichteter Gleitlager bei KSF an einer Rundschleifmaschine.
Fig. 3. Hochpräzise Nachbearbeitung beschichteter Gleitlager bei KSF an einer Rundschleifmaschine.
Fig. 4. Demonstator-Gleitlager: A: Endbearbeitet. B: Aktivierte Oberfläche. C: HVSFS beschichtet.
Fig. 4. Demonstator-Gleitlager: A: Endbearbeitet. B: Aktivierte Oberfläche. C: HVSFS beschichtet.

Ein Schwerpunkt des Projektes liegt neben der Systemoptimierung der Beschichtungs- und Bearbeitungstechnologien auch auf der anwendungsnahen Bewertung der Lösungskonzepte. Hierfür werden Demonstratoren mit den drei Schichtsystemen gefertigt und gegen SiC Buchsen getestet. Ziel ist es im Rahmen des Projektes einen Nachweis der verbesserten Leistungsfähigkeit und Robustheit der Beschichteten Lager zu erbringen.

Fig. 5. Einsatz des Gleitlagers in einem Gleitlagerprüfstand mit SiC Gegenkörpern beim Projektpartner FhG IWM.
Fig. 5. Einsatz des Gleitlagers in einem Gleitlagerprüfstand mit SiC Gegenkörpern beim Projektpartner FhG IWM.

Systemintegration

An einer von Firma Hermetic zur Verfügung gestellten Pumpe werden entsprechende Modifikationen vorgenommen, um die im Projekt entwickelten Lagerkomponenten zu integrieren. In Prüfläufen am Fraunhofer IWM wird die Leistungsfähigkeit und Stabilität der Lagersysteme überprüft. Nach erfolgreichen Systemprüfläufen wird die Pumpe im Prüffeld der Firma Hermetic GmbH einer Dauerprüfung unterzogen.

Fig. 6. Hermetic Chemie-Pumpe (CN) zur Förderung aggressiver, giftiger, explosiver, radioaktiver und auch leicht flüchtiger Medien wie z. B. Säuren, Laugen, D2O, Lösungsmitteln u.a.
Fig. 6. Hermetic Chemie-Pumpe (CN) zur Förderung aggressiver, giftiger, explosiver, radioaktiver und auch leicht flüchtiger Medien wie z. B. Säuren, Laugen, D2O, Lösungsmitteln u.a.

Wir danken dem Ministerium für Finanzen und Wirtschaft Baden-Württemberg über die Förderung des Projektes im Rahmen des Themenfeldes INNOVATIVE ROHSTOFFNUTZUNG (9. April 2018)

Universität Stuttgart, Institut für Fertigungstechnologie keramischer Bauteile (IFKB)

Allmandring 7b, 70569 Stuttgart, apl. Prof. Dr. rer. nat. Andreas Killinger, Tel.: 0711 685-68230, andreas.killinger@ifkb.uni-stuttgart.de, www.ifkb.uni-stuttgart.de

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM,

Wöhlerstraße 11, 79108 Freiburg,
Dr. Andreas Kailer, Tel.: 0761 5142-247, kai@iwm.fhg.de, www.iwm.fhg.de

Hochschule Furtwangen, Kompetenzzentrum für Spanende Fertigung, KSF

Jakob-Kienzle-Straße 17, 78054 Villingen-Schwenningen, Prof. Dr.-Ing. Bahman Azarhoushang, Tel.: 07720 307-4215, aza@hs-furtwangen.de

HERMETIC-Pumpen GmbH, Gewerbestraße 51, 79194 Gundelfingen (Brsg.) (KMU)

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Stefan Krämer, Leiter F & E, Tel.: 0761-5830-223

Ihr Ansprechpartner

Dieses Bild zeigt Matthias Blum

Matthias Blum

Dipl.–Ing.

wissenschaftlicher Mitarbeiter

Dieses Bild zeigt Andreas Killinger

Andreas Killinger

apl. Prof. Dr. rer. nat.

Kommissarischer Institutsleiter
Abteilungsleiter Oberflächentechnik und Schichtverbunde

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