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Die Themen Reibung, Schmierung und Verschleiß gewinnen vor dem Hintergrund Umwelt- und Klimaschutz sowie Energieeffizienz und Elektromobilität zunehmend an Bedeutung.

Der Forschungsschwerpunkt der Abteilung Oberflächentechnik ist deshalb die Entwicklung tribologischer Funktionsschichten. Dazu gehören einerseits neuartige reibungsmindernde Hartstoffschichten zur Steigerung der Energieeffizienz und der Lebensdauer von Getriebekomponenten, speziell für Wälzlager und Zahnräder. Andererseits werden tribologische Funktionsschichten auch für die Beschichtung von Hochleistungsschneid- und Umformwerkzeugen eingesetzt. Für Schneidwerkzeuge sind die Entwicklungsziele Trockenbearbeitung, Hartbearbeitung, Werkzeuge für schwer zerspanbare Werkstückwerkstoffe, Erhöhung des Schnittweges und des Zeitspanvolumens. Bei Umformwerkzeugen stehen die Themen Trockenbearbeitung, Standzeiterhöhung und Werkstückqualität im Fokus.

Steigerung der Energieeffizienz und der Lebensdauer von Getriebekomponenten

Die Steigerung der Energieeffizienz und der Lebensdauer von Getriebekomponenten durch reibungs- und verschleißminimierende Oberflächen ist ein wichtiges Zukunftsthema für den Klimaschutz. Dies gilt sowohl für den Bereich der Primärenergieerzeugung als auch für die Bereiche Industrie, Gewerbe und Mobilität. Die große Bedeutung der Tribologie für den Klimaschutz wird in der aktuellen Studie „Tribologie in Deutschland: Querschnittstechnologie zur Minderung von CO2-Emissionen und zur Ressourcenschonung“ der Gesellschaft für Tribologie e.V. (2019) eindrucksvoll dargestellt.

Beispielsweise zeigt diese Studie, dass eine kompakte und damit leichte Bauweise von Elektromotoren hohe Drehzahlen im Bereich von 10 000 bis 30 000 U min-1 erfordert. Hieraus ergeben sich zahlreiche tribologische Herausforderungen für die benötigen Untersetzungsgetriebe. Neben der Minimierung von Reibung und Verschleiß und dem Einsatz neuer niedrig viskoser Schmierstoffe spielen bei solchen Getrieben insbesondere auch triboakustische Emissionen eine große Rolle.

Denn, diese Emissionen liegen häufig in einem für Menschen unangenehmen Frequenzbereich und sind aufgrund der insgesamt deutlich geringeren Geräuschemissionen von Elektrofahrzeugen im Vergleich zu Verbrennungsmotoren leichter hörbar. In Zukunft müssen deshalb sowohl Reibung, Schmierfilmbildung, Verschleiß als auch die akustischen Emissionen hochdrehender Getriebekomponenten durch verschiedene Maßnahmen wie reibungsmindernde Hartstoffbeschichtungen oder d

Im Bereich der Hartstoffbeschichtung für Hochleistungszerspanwerkzeuge sind die Themen Trockenbearbeitung, Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstückwerkstoffe wie beispielsweise Titan oder Kobaltchrom-Legierungen aus dem Medizinbereich aber auch die Erhöhung des Schnittwegs und des Zeitspanvolumens von großer Bedeutung. Für die Beschichtung von Umformwerkzeugen (Kaltmassivumformung) stehen die Themen Trockenbearbeitung und Standzeiterhöhung im Fokus. Bei einem vollständigen Verzicht auf Kühlschmierstoffe entfallen nachfolgende Reinigungsprozesse. Somit tragen neue Werkzeugbeschichtungen, die bei gleicher Standzeit und Werkstückqualität Trockenbearbeitung ermöglichen, unmittelbar zu Umweltschutz und Ressourceneffizienz bei.

In der Abteilung Oberflächentechnik erfolgt die Applikation tribologischer Hartstoffschichtsysteme schwerpunktmäßig über das PVD-Magnetronsputter-Verfahren. Beim Magnetronsputtern handelt sich um ein industriell eingesetztes physikalisches Gasphasenabscheideverfahren (PVD: Physical Vapour Deposition). In Zusammenarbeit mit Projektpartnern werden auch Hartstoffschichten untersucht, die über das PVD-Arc-Verfahren abgeschieden werden. Generell ist die Umweltverträglichkeit physikalischer Gasphasenabscheideverfahren trotz der erforderlichen aufwändigen Vakuumanlagentechnik relativ gut, da sowohl bei der Lichtbogenverdampfung beim PVD-Arc-Verfahren als auch bei der Kathodenzerstäubung beim Magnetronsputtern der meist metallischen Target-Materialien keine oder nur wenig umweltbelastende Abfallprodukte entstehen.
 

 

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PDV-Verfahren ermöglichen die Abscheidung einer sehr breiten Palette an metallischen und nichtmetallischen Schichtmaterialien. Über reaktive PVD-Verfahren können zudem auch leichte Elemente wie Stickstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff aber auch Bor oder Wasserstoff in die Schichten eingebaut werden, so dass in Kombination mit metallischen Targetmaterialien wie Titan, Chrom, Vanadium, Molybdän, Zirkonium, Wolfram, Aluminium etc. auch die entsprechenden Nitride, Karbide, Oxide oder Boride abgeschieden werden können. Auf diese Weise lässt sich eine schier unbegrenzte Zahl unterschiedlicher Hartstoffe über PVD-Verfahren abscheiden. Hierzu gehören insbesondere auch rein kovalent gebundene Hartstoffe wie Diamant bzw. diamantartige amorphe Kohlenstoffschichten.   

Im Bereich reibungsminimierender Schichten für Wälzlagerringe als auch für Zahnräder arbeitet die Abteilung Oberflächentechnik sowohl an der Weiterentwicklung wasserstoffhaltiger amorpher Kohlenstoffschichten (a-C:H) als auch an der Entwicklung neuartiger selbstschmierender Hartstoffschichtsysteme auf der Basis diverser PVD-Festschmierstoffschichten in Kombination mit Übergangsmetallnitrid-Schichten (TiAlN, CrAlN, …). Neben Schichtzusammensetzung und Schichtlagenaufbau kann die Tribologie auch über die Einstellung definierter Oberflächentopographien im Mikrometerbereich beeinflusst werden. Die Mikrostrukturierung der Schichten bzw. der Substrate vor der Beschichtung erfolgt in enger Zusammenarbeit mit dem Labor für Mikrozerspanung als auch mit Partnerinstituten aus dem Bereich der Laserbearbeitung.

Auch der Trend der zunehmenden Integration weiterer Funktionen wie Korrosionsschutz, elektrische, optische, akustische oder antimikrobielle Eigenschaften in funktionalisierte Oberflächen von Werkzeugen und Maschinenelementen führt kontinuierlich zu neuen Forschungsthemen. Weitere Forschungsbereiche der Abteilung Oberflächentechnik sind neue metallische Legierungen, die über PVD-Prozesse hergestellt werden, sowie Korrosionsforschung und Sol-Gel-Beschichtungsverfahren.