Zahnradbeschichtungstechnologie

Die PVD-Abscheidungstechnologie, insbesondere die Vakuum-Ionenbeschichtung, wird seit vielen Jahren als Oberflächenmodifizierungstechnologie eingesetzt und hat sich in den letzten Jahren stark weiterentwickelt. Sie findet heute breite Anwendung bei der Behandlung von Werkzeugen, Formen, Kolbenringen, Zahnrädern und anderen Bauteilen. Die mittels Vakuum-Ionenbeschichtung hergestellten beschichteten Zahnräder weisen eine signifikante Reduzierung des Reibungskoeffizienten, eine verbesserte Verschleißfestigkeit und einen gewissen Korrosionsschutz auf und sind daher zu einem Schwerpunkt der Forschung im Bereich der Zahnradoberflächenverfestigung geworden.

Gängige Werkstoffe für Zahnräder sind hauptsächlich Schmiedestahl, Gussstahl, Gusseisen, Nichteisenmetalle (Kupfer, Aluminium) und Kunststoffe. Bei Stahlsorten handelt es sich vorwiegend um 45er Stahl, 35SiMn, 40Cr, 40CrNi, 40MnB und 38CrMoAl. Kohlenstoffarmer Stahl wird hauptsächlich in den Sorten 20Cr, 20CrMnTi, 20MnB und 20CrMnTo verwendet. Schmiedestahl findet aufgrund seiner besseren Eigenschaften breite Anwendung bei Zahnrädern, während Gussstahl üblicherweise für Zahnräder mit einem Durchmesser von über 400 mm und komplexen Strukturen eingesetzt wird. Zahnräder aus Gusseisen sind beständig gegen Verkleben und Lochfraß, weisen jedoch eine geringere Stoß- und Verschleißfestigkeit auf. Sie eignen sich daher hauptsächlich für den Dauerbetrieb, insbesondere für Zahnräder mit geringer Drehzahl, großen Abmessungen und komplexen Formen. Sie können auch ohne Schmierung betrieben werden und sind für offene Getriebe geeignet. Gängige Nichteisenmetalle sind Zinnbronze, Aluminium-Eisenbronze und Aluminiumgusslegierungen. Sie werden häufig zur Herstellung von Turbinen oder Zahnrädern verwendet, weisen jedoch schlechte Gleit- und Reibungseigenschaften auf und eignen sich daher nur für leichte bis mittlere Belastungen und niedrige Drehzahlen. Zahnräder aus nichtmetallischen Werkstoffen kommen vor allem in Bereichen mit besonderen Anforderungen zum Einsatz, wie z. B. ölfreier Schmierung und hoher Zuverlässigkeit. Dazu gehören Anwendungsgebiete mit geringen Umweltbelastungen, wie Haushaltsgeräte, Medizintechnik, Lebensmittel- und Textilmaschinen.

Zahnradbeschichtungsmaterialien

Technische Keramikwerkstoffe sind äußerst vielversprechende Materialien mit hoher Festigkeit und Härte, insbesondere ausgezeichneter Hitzebeständigkeit, geringer Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnung sowie hoher Verschleiß- und Oxidationsbeständigkeit. Zahlreiche Studien belegen die inhärente Hitzebeständigkeit und den geringen Verschleiß von Keramikwerkstoffen im Vergleich zu Metallen. Daher kann der Einsatz von Keramik anstelle von Metall für verschleißfeste Teile die Lebensdauer der Reibungsflächen verlängern und anspruchsvolle Anforderungen an Hochtemperatur- und Verschleißfestigkeit sowie Multifunktionalität erfüllen. Technische Keramikwerkstoffe werden bereits in der Fertigung von hitzebeständigen Motorenteilen, Verschleißteilen in mechanischen Getrieben, korrosionsbeständigen Teilen in chemischen Anlagen und Dichtungsteilen eingesetzt und zeigen damit zunehmend ihr breites Anwendungspotenzial.

Industrieländer wie Deutschland, Japan, die Vereinigten Staaten, Großbritannien und andere Länder messen der Entwicklung und Anwendung von technischen Keramikwerkstoffen große Bedeutung bei und investieren viel Geld und Arbeitskräfte in die Entwicklung der Verarbeitungstheorie und -technologie von technischer Keramik. Deutschland hat das Programm „SFB 442“ ins Leben gerufen, dessen Ziel es ist, mittels PVD-Technologie geeignete Filme auf der Oberfläche von Bauteilen zu synthetisieren, um potenziell umwelt- und gesundheitsschädliche Schmierstoffe zu ersetzen. PW Gold und andere deutsche Forschungseinrichtungen nutzten die Förderung des SFB 442, um die PVD-Technologie zur Abscheidung dünner Filme auf Wälzlagern anzuwenden. Sie stellten fest, dass sich die Verschleißfestigkeit der Wälzlager deutlich verbesserte und die abgeschiedenen Filme die Funktion von Hochdruck-Verschleißschutzadditiven vollständig ersetzen konnten. Joachim, Franz et al. stellten in Deutschland mittels PVD-Technologie WC/C-Filme her, die hervorragende Ermüdungsbeständigkeit aufwiesen, die sogar die von Schmierstoffen mit EP-Additiven übertraf. Dieses Ergebnis eröffnet die Möglichkeit, schädliche Additive durch Beschichtungen zu ersetzen. E. Lugscheider et al. vom Institut für Werkstoffkunde der RWTH Aachen demonstrierten mit Förderung der DFG (Deutsche Forschungskommission) eine signifikante Steigerung der Ermüdungsfestigkeit nach der Abscheidung geeigneter Filme auf 100Cr6-Stahl mittels PVD. Technologie. Darüber hinaus hat General Motors in den USA bei seinem Volvo S80 Turbo mit der Beschichtung der Getriebeoberflächen begonnen, um die Beständigkeit gegen Lochfraß zu verbessern; die Firma Timken hat die Getriebeoberflächenbeschichtung ES200 auf den Markt gebracht; die eingetragene Marke MAXIT ist in Deutschland erschienen; die eingetragenen Marken Graphit-iC und Dymon-iC sind auch in Großbritannien erhältlich.

Als wichtige Ersatzteile mechanischer Getriebe spielen Zahnräder eine bedeutende Rolle in der Industrie. Daher ist die Untersuchung der Anwendung keramischer Werkstoffe für Zahnräder von großer praktischer Bedeutung. Derzeit werden für Zahnräder hauptsächlich folgende technische Keramiken eingesetzt:

1. TiN-Beschichtungsschicht
1、TiN

Die Ionenbeschichtung mit einer TiN-Keramikschicht ist eine der am weitesten verbreiteten Oberflächenmodifizierungen. Sie zeichnet sich durch hohe Härte, hohe Haftfestigkeit, niedrigen Reibungskoeffizienten und gute Korrosionsbeständigkeit aus und findet breite Anwendung in verschiedenen Bereichen, insbesondere im Werkzeug- und Formenbau. Die Anwendung von Keramikbeschichtungen auf Zahnrädern wird hauptsächlich durch die Haftungsproblematik zwischen Keramikbeschichtung und Substrat eingeschränkt. Da die Betriebsbedingungen und Einflussfaktoren bei Zahnrädern deutlich komplexer sind als bei Werkzeugen und Formen, ist die Anwendung einer einzelnen TiN-Beschichtung zur Oberflächenbehandlung von Zahnrädern stark begrenzt. Obwohl Keramikbeschichtungen die Vorteile hoher Härte, niedrigen Reibungskoeffizienten und Korrosionsbeständigkeit bieten, sind sie spröde und lassen sich nur schwer in größeren Schichtdicken aufbringen. Daher benötigen sie ein Substrat mit hoher Härte und Festigkeit, um ihre Eigenschaften optimal zu entfalten. Aus diesem Grund werden Keramikbeschichtungen hauptsächlich auf Hartmetall- und Schnellarbeitsstahloberflächen eingesetzt. Das Zahnradmaterial ist im Vergleich zum Keramikmaterial weich, und der Unterschied zwischen Substrat und Beschichtung ist groß. Daher ist die Haftung zwischen Beschichtung und Substrat unzureichend, und die Beschichtung bietet nicht genügend Halt. Dadurch löst sie sich im Gebrauch leicht ab, wodurch die Vorteile der Keramikbeschichtung nicht zum Tragen kommen. Zudem verursachen die abgelösten Partikel abrasiven Verschleiß am Zahnrad und beschleunigen dessen Abnutzung. Die Lösung besteht in der Anwendung von Verbundoberflächenbehandlungen, um die Haftung zwischen Keramik und Substrat zu verbessern. Diese Verbundoberflächenbehandlungen kombinieren die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) mit anderen Oberflächenbehandlungsverfahren oder -beschichtungen. Durch die Modifizierung der Substratoberfläche mit zwei separaten Oberflächen/Suboberflächen werden mechanische Eigenschaften erzielt, die mit einem einzelnen Oberflächenbehandlungsverfahren nicht erreichbar sind. Eine der am besten erforschten Verbundbeschichtungen ist die mittels Ionennitrierung und PVD abgeschiedene TiN-Verbundbeschichtung. Das plasmanitrierte Substrat und die TiN-Keramik-Verbundbeschichtung weisen eine starke Haftung auf, wodurch die Verschleißfestigkeit deutlich verbessert wird.

Die optimale Dicke der TiN-Schicht für ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und gute Haftung zwischen Schicht und Substrat liegt bei etwa 3–4 µm. Bei einer Schichtdicke unter 2 µm verbessert sich die Verschleißfestigkeit nicht wesentlich. Bei einer Schichtdicke über 5 µm verschlechtert sich die Haftung zwischen Schicht und Substrat.

2. Mehrschichtige, mehrkomponentige TiN-Beschichtung

Mit der zunehmenden und breiten Anwendung von TiN-Beschichtungen wächst auch die Forschung zur Verbesserung und Optimierung dieser Beschichtungen. In den letzten Jahren wurden auf Basis binärer TiN-Beschichtungen Mehrkomponenten- und Mehrschichtbeschichtungen entwickelt, beispielsweise Ti-CN, Ti-CNB, Ti-Al-N, Ti-BN, (Tix,Cr1-x)N und TiN/Al2O3. Durch die Zugabe von Elementen wie Al und Si zu TiN-Beschichtungen lassen sich die Beständigkeit gegen Hochtemperatur-Oxidation und die Härte der Beschichtungen verbessern, während die Zugabe von Elementen wie B die Härte und Haftfestigkeit erhöht.

Aufgrund der komplexen Zusammensetzung der Mehrkomponentenbeschichtungen bestehen in dieser Studie zahlreiche Kontroversen. Insbesondere bei der Untersuchung von (Ti_x,Cr_1-x)N-Mehrkomponentenbeschichtungen gibt es erhebliche Meinungsverschiedenheiten hinsichtlich der Forschungsergebnisse. Einige Forscher gehen davon aus, dass (Ti_x,Cr_1-x)N-Beschichtungen auf TiN basieren und Chrom lediglich als Ersatzmischkristall in der TiN-Punktmatrix vorliegt, nicht jedoch als separate CrN-Phase. Andere Studien zeigen hingegen, dass die Anzahl der Chromatome, die Ti-Atome in (Ti_x,Cr_1-x)N-Beschichtungen direkt ersetzen, begrenzt ist und das verbleibende Chrom im Singulett-Zustand vorliegt oder Verbindungen mit Stickstoff bildet. Experimentelle Ergebnisse belegen, dass die Zugabe von Chrom zur Beschichtung die Oberflächenpartikelgröße verringert und die Härte erhöht. Die Härte der Beschichtung erreicht ihren Höchstwert bei einem Massenanteil von 31 % Chrom, allerdings steigt gleichzeitig auch die innere Spannung der Beschichtung maximal an.

3. Andere Beschichtungsschicht

Neben den üblicherweise verwendeten TiN-Beschichtungen werden viele verschiedene technische Keramiken zur Oberflächenverfestigung von Zahnrädern eingesetzt.

(1) Y. Terauchi et al. aus Japan untersuchten die Verschleißfestigkeit von Zahnrädern aus Titancarbid- bzw. Titannitridkeramik, die mittels Dampfabscheidung aufgebracht wurden. Die Zahnräder wurden vor der Beschichtung aufgekohlt und poliert, um eine Oberflächenhärte von ca. HV720 und eine Oberflächenrauheit von 2,4 μm zu erreichen. Die Keramikbeschichtungen wurden mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) für Titancarbid bzw. mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) für Titannitrid mit einer Schichtdicke von ca. 2 μm hergestellt. Die Verschleißeigenschaften wurden sowohl unter Öl- als auch unter Trockenreibung untersucht. Es zeigte sich, dass die Beständigkeit gegen Fressen und Kratzen des Zahnrads durch die Keramikbeschichtung deutlich verbessert wurde.

(2) Eine Verbundbeschichtung aus chemisch beschichtetem Ni-P und TiN wurde durch Vorbeschichtung mit Ni-P als Übergangsschicht und anschließende Abscheidung von TiN hergestellt. Die Untersuchung zeigt, dass die Oberflächenhärte dieser Verbundbeschichtung bis zu einem gewissen Grad verbessert wurde und die Beschichtung besser mit dem Substrat haftet und eine höhere Verschleißfestigkeit aufweist.

(3) WC/C, B4C Dünnschicht
M. Murakawa et al. vom Institut für Maschinenbau des Japan Institute of Technology nutzten die PVD-Technologie zur Abscheidung eines WC/C-Dünnfilms auf der Oberfläche von Zahnrädern. Unter ölfreien Schmierbedingungen war die Standzeit dieser Zahnräder dreimal so hoch wie die von herkömmlichen, gehärteten und geschliffenen Zahnrädern. Franz J. et al. verwendeten ebenfalls die PVD-Technologie zur Abscheidung von WC/C- und B4C-Dünnfilmen auf der Oberfläche von FEZ-A- und FEZ-C-Zahnrädern. Die Experimente zeigten, dass die PVD-Beschichtung die Zahnradreibung deutlich reduzierte, die Anfälligkeit der Zahnräder für Heißkleben und Verkleben verringerte und die Tragfähigkeit der Zahnräder verbesserte.

(4) CrN-Filme
CrN-Filme ähneln TiN-Filmen insofern, als sie eine höhere Härte aufweisen. Darüber hinaus sind CrN-Filme beständiger gegen Hochtemperatur-Oxidation als TiN, besitzen eine bessere Korrosionsbeständigkeit, geringere innere Spannungen und eine relativ höhere Zähigkeit. Chen Ling et al. stellten einen verschleißfesten TiAlCrN/CrN-Verbundfilm mit exzellenter Filmhaftung auf der Oberfläche von hochfestem Edelstahl (HSS) her und schlugen die Theorie der Versetzungsstapelung in Mehrschichtfilmen vor. Demnach ist es bei einer großen Differenz der Versetzungsenergie zwischen zwei Schichten für Versetzungen in einer Schicht schwierig, die Grenzfläche zur anderen zu überwinden. Dadurch bildet sich eine Versetzungsstapelung an der Grenzfläche, die zur Materialverfestigung beiträgt. Zhong Bin et al. untersuchten den Einfluss des Stickstoffgehalts auf die Phasenstruktur und die Reibungsverschleißeigenschaften von CrN_x-Filmen. Die Studie zeigte, dass mit steigendem N₂-Gehalt der Cr₂N(211)-Beugungspeak in den Filmen allmählich schwächer und der CrN(220)-Peak stärker wird. Gleichzeitig nehmen die großen Partikel auf der Filmoberfläche ab, und die Oberfläche wird glatter. Bei einer N2-Belüftung von 25 ml/min (Ziel-Lichtbogenstrom 75 A) weist der abgeschiedene CrN-Film eine gute Oberflächenqualität, eine gute Härte und eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit auf.

(5) Superhard-Film
Superharte Schichten sind feste Schichten mit einer Härte von über 40 GPa, ausgezeichneter Verschleißfestigkeit, hoher Temperaturbeständigkeit sowie niedrigem Reibungs- und Wärmeausdehnungskoeffizienten. Sie bestehen hauptsächlich aus amorphen Diamantschichten und CN-Schichten. Amorphe Diamantschichten weisen amorphe Eigenschaften auf, besitzen keine Fernordnung und enthalten zahlreiche CC-Tetraederbindungen. Daher werden sie auch als tetraedrische amorphe Kohlenstoffschichten bezeichnet. Diamantähnliche Beschichtungen (DLC) sind eine Art amorpher Kohlenstoffschicht und weisen viele diamantähnliche Eigenschaften auf, wie z. B. hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Härte, hohen Elastizitätsmodul, niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, gute chemische Stabilität, gute Verschleißfestigkeit und niedrigen Reibungskoeffizienten. Es hat sich gezeigt, dass die Beschichtung von Zahnradoberflächen mit diamantähnlichen Schichten die Lebensdauer um das Sechsfache verlängern und die Ermüdungsbeständigkeit deutlich verbessern kann. CN-Schichten, auch bekannt als amorphe Kohlenstoff-Stickstoff-Schichten, besitzen eine Kristallstruktur, die der von β-Si₃N₄-kovalenten Verbindungen ähnelt und werden auch als β-C₃N₄ bezeichnet. (Liu und Cohen et al.) Durch die Durchführung rigoroser theoretischer Berechnungen mit Pseudopotentialbandberechnungen aus dem Prinzip der ersten Natur wurde bestätigt, dass β-C3N4 eine große Bindungsenergie, eine stabile mechanische Struktur und mindestens einen substabilen Zustand aufweist und dass sein Elastizitätsmodul mit dem von Diamant vergleichbar ist. Es besitzt gute Eigenschaften, die die Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit des Materials effektiv verbessern und den Reibungskoeffizienten reduzieren können.

(6) Andere verschleißfeste Legierungsbeschichtungsschicht
Es wurden auch verschiedene verschleißfeste Legierungsbeschichtungen für Zahnräder erprobt. Beispielsweise führt die Abscheidung einer Ni-P-Co-Legierungsschicht auf der Zahnoberfläche von Zahnrädern aus Stahl 45# zu einer ultrafeinen Kornstruktur, wodurch die Lebensdauer um das 1,144- bis 1,533-Fache verlängert werden kann. Weiterhin wurde untersucht, ob die Aufbringung einer Kupfermetallschicht und einer Ni-W-Legierungsbeschichtung auf die Zahnoberfläche von Zahnrädern aus Cu-Cr-P-Gusseisen deren Festigkeit verbessert. Die Anwendung einer Ni-W- und Ni-Co-Legierungsbeschichtung auf die Zahnoberfläche von Zahnrädern aus HT250-Gusseisen erhöht die Verschleißfestigkeit im Vergleich zu unbeschichteten Zahnrädern um das 4- bis 6-Fache.