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Diamant und Keramik als perfektes Duo

Datum der Mitteilung: 05.04.2004
Absender: Dr. Johannes Ehrlenspiel
Einrichtung: Fraunhofer-Gesellschaft
Kategorie: überregional
Forschungsprojekte, weitere Veranstaltungen
Maschinenbau und Verfahrenstechnik, Werkstoffwissenschaften

Diamant als härtester bekannter Werkstoff widersteht Verschleiß und Korrosion besser als die meisten anderen Materialien. Außerdem gleiten Diamant beschichtete Oberflächen mit sehr viel weniger Reibung aufeinander als unbeschichtete. Auf der Hannover Messe (19. bis 24. April) stellten Wissenschaftler am Surface Technology-Stand D05 in Halle 5 die neue Fraunhofer-Allianz Diamant beschichtete Keramik "DiaCer" sowie erste Bauteile und Werkzeuge vor.


Die Diamantschicht auf den Gleitringdichtungen wächst im Vakuumbehälter unter weiß glühenden Drähten. © Rainer Meier BFF
"Unsere Grundphilosophie ist, dass der Diamant-Keramik-Werkstoffverbund DiaCer extremen Bedingungen standhalten können muss. Besonders feste Verbindungen zwischen Diamant und Keramik werden mit Siliziumkarbid und Siliziumnitrid erreicht. Nur so lassen sich die hervorragenden Eigenschaften von Keramik und Diamant bei hoher Beanspruchung nutzen", erläutert Projektleiter Lothar Schäfer vom Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST in Braunschweig. Erste neue Keramikwerkstoffe, die mit einem hauchdünnen Diamantfilm beschichtet wurden, erwiesen sich in Testreihen als besonders viel versprechend für stark beanspruchte Dichtungen für Pumpen und Rührwerke sowie für Hochleistungswerkzeuge.

Gleitringdichtungen aus DiaCer sind vor allem für Anwendungen von Interesse, bei denen die Dichtungen ohne ein schmierendes und kühlendes Medium im Dichtspalt zumindest kurzzeitig trocken laufen. Für diese Problematik gibt es aktuell noch keine wirklich befriedigende Lösung. Besonders die chemisch-pharmazeutische und die Lebensmittelindustrie sind an Pumpen und Rührwerken mit derartigen Gleitringdichtungen interessiert. Hier sind Schmiermittelreste und Abriebprodukte - meist Graphitstaub - aus den Dichtungsringen unerwünscht. Trocken- oder Notlaufeigenschaften sind auch in Heißwasserspeisepumpen oder in Wellendichtungen für große Dampfturbinen, die zur Energieerzeugung in Großkraftwerken eingesetzt werden, gefragt. "Durch den Einsatz Diamant beschichteter Dichtungen könnten die Spaltabstände zwischen den Dichtungsringen kleiner als bisher gehalten werden. Die Energieausbeute ließe sich damit weiter steigern", weiß Thomas Hollstein vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM. Dies tut nicht nur der Umwelt gut, sondern führt pro Kraftwerk zu jährlichen Kosteneinsparungen von vielen Millionen Euro. Nach ersten viel versprechenden Labortests mit DiaCer-Dichtringen signalisieren auch Erdölindustrie und Drahthersteller großes Interesse an dem neuen Werkstoffverbund. Außerdem arbeiten die Wissenschaftler auch an der Erforschung von DiaCer für Zerspanungs- und Umformwerkzeuge.

Die Diamantschicht auf den Werkzeugen und Bauteilen entsteht in den IST-Labors in Braunschweig. "Bauteile und Werkzeuge kommen zunächst in einen Vakuumbehälter. Anschließend führen wir Methan und Wasserstoff zu. Damit die Diamantschicht wächst, spannen wir im Abstand von einigen Zentimetern über den zu beschichtenden Objekten Drähte. Sie werden bis zur Weißglut erhitzt, die Heizleistung liegt bei maximal 100 Kilowatt. Dadurch wird das Gas aktiviert, Kohlenstoff lagert sich auf der Oberfläche in der kristallinen Diamantform ab. Die Schicht wächst ganz langsam, etwa einen Mikrometer pro Stunde. Alles in allem dauert ein Beschichtungsprozess mit Vorbereitung etwa einen Tag. Dabei können - je nach Größe - mehrere hundert Bauteile gleichzeitig hergestellt werden", erklärt Markus Höfer vom IST. Die Wissenschaftler haben langjährige Erfahrungen mit Oberflächenbeschichtungen. "Die Anlagen hier wurden im Laufe der letzten 15 Jahre selbst entwickelt. Unser Alleinstellungsmerkmal ist, dass wir und unsere Kooperationspartner CSEM und Condias, letzterer ein Spin-off aus dem IST, damit auch Objekte mit einer Fläche von einem Meter auf einen halben Meter beschichten können. Das ist weltweit einzigartig und eine wichtige Voraussetzung für die Herstellung von DiaCer-Produkten zu einem am Markt realisierbaren Preis", freut sich Koordinator Schäfer.

In DiaCer bündeln Wissenschaftler aus vier Fraunhofer-Instituten ihr Know-how: Das IST bringt seine langjährigen Erfahrungen mit der Beschichtung von Oberflächen sowie die zugehörige Anlagentechnologie ein. Das Fraunhofer IKTS entwickelt neue Keramikwerkstoffe, deren Eigenschaften an die Anforderungen der Anwender angepasst sind und sich zusätzlich noch ausreichend haftfest mit Diamant beschichten lassen. Das Fraunhofer IWM übernimmt die Bauteil- und Belastungsprüfungen der Gleitdichtringe - real im Labor und virtuell in der Simulation. Das Fraunhofer IPK prüft die DiaCer-Werkzeuge beim Zerspanungs- und Umformprozess auf Herz und Nieren. Gleichzeitig bringen die IPK-Experten ihre langjährigen Erfahrungen bei der Oberflächenpräparation von Keramikbauteilen ein. Denn durch spezielle Verfahren vor dem Beschichten lässt sich die Leistungsfähigkeit des DiaCer-Verbundes verbessern.

Auf der Hannover Messe werden am Stand D05 in Halle 5 Entwicklungsmuster aus den Produktgruppen Gleitringdichtungen, Wendeschneidplatten und Ziehsteine gezeigt. Unter anderem wird die vermutlich größte Diamant beschichtete Gleitringdichtung der Welt zu sehen sein.

Ansprechpartner:
Dr. Markus Höfer
Telefon 05 31 / 21 55-6 10, Fax -9 00, markus.hoefer@ist.fraunhofer.de

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