Thema des Monats Januar 2009



Prüfplatten mit Sol-Gel-Beschichtungen: In Standard-Sol-Gel-Coatings bilden sich bei höheren Schichtdicken wegen des starken Schrumpfs Sprünge und Risse – im Gegensatz zu Sol-Gel-Beschichtungen auf Basis von Bayresit® VPLS 2331, die kaum schrumpfen. Quelle: Bayer MaterialScience AG.

Härte definiert der Werkstoffingenieur allgemein als den Widerstand, den ein Material dem Eindringen eines anderen Materials entgegensetzt. Es ist offensichtlich, dass diese Materialeigenschaft von hoher Bedeutung für technische Applikationen ist. Auf der Fertigungsseite entscheidet die Härte von Materialien beispielsweise über die Anwendbarkeit möglicher Formgebungs- oder Trennverfahren – gerade auch bei der Produktion von Rohren und Drähten. Und im späteren Einsatz von Bauteilen und Halbzeugen spielt insbesondere die Oberflächenhärte eine große Rolle, um Abnutzungs- und Verschleißprozessen Einhalt zu gebieten. Damit ist die Härte ein Materialkriterium, das über die Lebensdauer, die Sicherheit und die Funktion technischer Systeme und Konstruktionen entscheidet.

Diamant ist nicht nur in der Schmuck-Industrie ein faszinierendes Material, auch in technischen Applikationen setzt das aus reinem Kohlenstoff bestehende Mineral einige Bestmarken. So ist der Diamant mit einer Mohshärte von 10 das härteste aller bekannten Mineralien und hinsichtlich der Schleifhärte übertrifft er den Korund gar um das 140 fache. Ein scheinbar universell nutzbarer Hartstoff für die oben genannten Applikationen – gerade vor dem Hintergrund, das man Diamant als Vollmaterial und in Form von Beschichtungen – etwa als Diamond like Carbon (DLC) – seit geraumer Zeit synthetisch und in kommerziell nutzbaren Mengen herstellen kann.

Es muss nicht immer und es kann nicht immer Diamant sein

Doch einige Faktoren stellen sich als nachteilig heraus und limitieren den generellen Einsatz von Diamant. Seine niedrige Oxidationsbestädigkeit, seine Tendenz zur Graphitisierung und seine mangelnde Eignung zur Bearbeitung von Eisenwerkstoffen sind hier nur einige Beispiele.

Die internationale Hartstoffforschung ist aufgrund ihrer integralen Bedeutung in der industriellen Wertschöpfungskette deshalb ständig aktiv, um maßgeschneiderte Hartstoffe zu entwickeln. Hier ist nicht die erreichbare Härte das Maß der Dinge – vielmehr zählt die Einstellung eines definierten Eigenschaftskollektivs, das die vielschichtigen Anforderungen einer spezifischen Applikation erfüllen kann.

Harte Beschichtungen als Innovationsträger

Beschichtungen und Coatings gewinnen als Problemsolver in den unterschiedlichsten Branchen immer mehr an Bedeutung. Mit völlig neuartigen Werkstoffkonzepten gelingt es gerade im Oberflächenbereich entscheidende Eigenschaftsoptimierungen zu verwirklichen – häufig mit reduziertem Materialeinsatz, mit geringem technischen Aufwand und mit niedrigen Prozesskosten.

Wissenschaftler der Bayer MaterialScience AG haben in diesem Kontext kürzlich einen neuen Vernetzer vorgestellt, der für die Herstellung von Schichten und Beschichtungen auf der Basis des Sol-Gel-Verfahrens entwickelt wurde. Der Vernetzer ermöglicht in Abhängigkeit von den beteiligten Reaktionspartnern beziehungsweise den eingebrachten Füllstoffen des Beschichtungssystems, die gezielte Einstellung gewünschter Oberflächeneigenschaften. Dazu zählen beispielsweise eine hohe Elastizität bei zugleich hoher Härte und gesteigerter Kratzfestigkeit - entscheidende Parameter also, wenn es darum geht, wirkenden Verschleißmechanismen Paroli zu bieten. Zusätzlich können die Schichtqualitäten auch dahingehend modifiziert werden, eine ausgeprägte Lösemittel- und Säurebeständigkeit einzustellen oder eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit zu erzeugen.

 

Bessere Werkzeuge durch Keramikverstärkung

Durch das Laserstrahldispergieren von Keramikpartikeln in den Grundwerkstoff werden die Schneidkanten von Werkzeugen verbessert. Quelle: Laser Zentrum Hannover e.V.

In allen Industriezweigen werden Leichtbaukonzepte und -konstruktionen immer mehr gefragt. Leistungsfähige Leichtbaumaterialien - etwa Aluminiumlegierungen und hochfeste Stähle - werden daher immer häufiger eingesetzt. Konventionelle Werkzeuge erleiden bei der fertigungstechnischen Bearbeitung solcher Materialien einen erhöhten Werkzeugverschleiß mit der Folge, dass die Standmenge und die Standzeit signifikant erniedrigt werden – dies bringt erhöhte Werkzeugkosten und störende Produktionsausfälle mit sich.

Wissenschaftler vom Lehrstuhl für Umform- und Urformtechnik der Technischen Universität Dresden arbeiten zusammen mit Kollegen vom Laser Zentrum Hannover e.V. gegenwärtig an einem Forschungsprojekt, das die Eigenschaften von Scherschneidwerkzeugen für diese Anwendungsfälle verbessern soll. Die Forscher nutzen das so genannte Laserstrahldispergieren, um extrem harte Keramikpartikel aus Zirkoniumoxid (ZrO2) in den Werkzeuggrundwerkstoff einzubringen. Nachfolgend durchgeführte Materialuntersuchungen zeigten, dass beim Dispergieren mit dem eingesetzten Nd:YAG-Laser eine Hartstoffauflösung unterbunden und eine homogene Verteilung der Keramikpartikel in der Matrix eingestellt werden kann. Diese laserstrahldispergierten Schneidwerkzeuge übertreffen nach derzeitigem Entwicklungsstand die Verschleißeigenschaften und die Standzeiten von konventionellen Werkzeugen. Aus den Verschleißuntersuchungen geht weiterhin hervor, dass die Erhöhung der Härte im Grundwerkstoff die Standfestigkeit der Schneidwerkzeuge positiv beeinflusst.

Dr.-Ing. Christoph Konetschny
Material- und Nanoexperte
www.materialsgate.de


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