Funktionelle Oberflächenbeschichtungen

Die von AHC Oberflächentechnik entwickelten elektrolytischen Verfahren erzeugen meist entweder Oxidschichten auf Aluminium- bzw. Magnesium-Werkstoffen oder Chemisch Nickel-Schichten auf nahezu allen Arten von Metallen. Die Oxidschichten entstehen durch Umwandlung des Grundwerkstoffes in entsprechende Oxide, die in das Metall hineinwachsen. Chemisch Nickel-Schichten sind Nickel-Phosphor-Legierungsschichten, die durch eine chemische Reaktion ohne Verwendung einer äußeren Stromquelle erzeugt werden.

Bei der Erzeugung von Druckluft entsteht in einem Druckluftnetz zwangsläufig Kondensat, ein Gemisch aus Wasser und Schmutzpartikeln, das gegebenenfalls noch Öl enthält. Kondensat im Druckluftnetz bedeutet niedrige Qualität der Druckluft, Auftreten von Korrosion und möglicherweise den Ausfall ganzer Produktionseinheiten. Abhilfe schaffen hier elektronisch niveaugeregelte Kondensatableiter, die das Kondensat mit seinen Verunreinigungen entfernen. Eine zuverlässige Kondensatableitung steigert die Qualität der Druckluft, ohne dabei unnötige Druckluftverluste zu verursachen. Hierdurch werden Wartungs- und Energiekosten deutlich gesenkt.

Ein bedeutender Hersteller von Kondensatableitern hat eigens für ölfreie Kondensate aus Gasverdichtern Kondensatableiter entwickelt, die ein speziell oberflächenveredeltes Aluminiumgehäuse besitzen. Vor den sehr korrosiv wirkenden Kondensaten schützt eine 50 µm dicke, speziell nachverdichtete Aluminiumoxidschicht, die nach dem Hart-Coat-Verfahren auf der Gusslegierung AlSi10Mg erzeugt wird. Die Schicht bildet sich hierbei durch anodische Oxidation in einem gekühlten Säureelektrolyten, indem sich der Aluminium-Grundwerkstoff an seiner Oberfläche in eine Aluminiumoxidschicht umwandelt. Die Härte des Aluminiumoxids bewirkt zudem eine hohe Verschleißfestigkeit der Schicht.

Ein weiteres Beispiel für die hohen Anforderungen, die an die Technik gestellt werden, sind Turbo-Molekularpumpen. Rotor und Stator sind dabei funktionswichtige Baugruppen, die aus Aluminium-Werkstoffen gefertigt werden. Sie sind härtesten korrosiven Beanspruchungen ausgesetzt, die die Standzeiten erheblich reduzieren können. Die herkömmlichen Verfahren zum Oberflächenschutz erwiesen sich als wenig geeignet. Erst eine Oxidkeramik-Schicht (Kepla-Coat) von AHC-Oberflächentechnik verlieh den Rotoren eine Standzeiterhöhung um den Faktor 4 gegenüber herkömmlich beschichteten Rotoren.

Die Kepla-Coat-Schicht entsteht durch Plasmaentladungen in einem speziellen Elektrolyten an der Oberfläche des zu beschichtenden Teiles. Bei diesem plasmachemischen Verfahren wird die Dauerschwingfestigkeit des Grundmaterials durch die Beschichtungen nicht beeinträchtigt. Die Hauptfunktion sind Verschleiß- und ein dauerhafter Korrosionsschutz. Aufgrund ihrer elektrischen Isolationswirkung verhindert die Kepla-Coat-Schicht zudem wirksam Kontaktkorrosion. Typischerweise ist die Oxidschicht weiß-grau. Es können aber auch tiefschwarze Schichten erzeugt werden, die eine sehr geringe Reflexion haben und im optischen Bereich zur Anwendung kommen. In die oxidkeramischen Schichten lassen sich ebenso Stoffe zur Verbesserung der Gleiteigenschaften einlagern.

In vielen industriellen Bereichen müssen Medien wie Druckluft, Formiergas, Dampf, Wasser oder auch Kühlmittel, Öl und Bioöl durch rotierende oder sich bewegende Maschinen- oder Anlagenteile hindurchgeführt werden. Diese Aufgabe erfüllen sogenannte Drehdurchführungen. Zum Beispiel können sie als Verbindungsglied zwischen starren und rotierenden Arbeitsgeräten zur Durchleitung und Steuerung eines Ölstromes dienen. Eine Drehdurchführung kann aus einer speziell bearbeiteten Achse und einem Gehäuse aus Edelstahl bestehen. Ein führender Hersteller von Hydraulik-Komponenten lässt das Gehäuse einer solchen Drehdurchführung mit einer speziellen reibungsmindernden Schicht versehen, die zudem einen ausreichenden Korrosions- und Verschleißschutz bietet. Es handelt sich hierbei um eine Chemisch Nickel-Schicht, in die gleichmäßig und homogen PTFE-Gleitstoffe eingelagert sind. Bislang wurden die sich reibenden Flächen der gehärteten Bordscheibe und der Achse einerseits und des Gehäuses andererseits durch Adhäsion zerstört. Durch die Beschichtung wird dieses Problem des Fressens gelöst, da ein Trockenlaufen der einzelnen Bauteile vermieden wird.

Die chemische Nickelabscheidung basiert auf einer Reduktion der in wässriger Prozesslösung vorliegenden Nickelionen mit Hypophosphit zu Nickelmetall. Es entsteht eine Nickel-Phosphor-Legierungsschicht, die konturengetreu auf dem Grundwerkstoff abgeschieden wird. Eine Variante des Beschichtungsverfahrens ist das bei der hier beschriebenen Problemstellung verwendete PTFE-Durni-Disp-Verfahren. Hierbei wird festes Polytetrafluorethylen (PTFE) homogen verteilt mit in die Chemisch Nickel-Schicht eingebaut. Die PTFE-Durni-Disp-Schicht vereinigt die Eigenschaften einer stromlos abgeschiedenen Nickelschicht und mit denen des PTFEs: Verschleißfestigkeit wird mit Gleiteigenschaften kombiniert, die tribologischen Eigenschaften der Oberfläche werden wesentlich verbessert.

Auch Chemisch Nickel-Dispersionsschichten mit Siliziumkarbid kommen in der Verfahrenstechnik zum Einsatz, wie das Beispiel einer Kreiselpumpe zeigt. Das Kennzeichen der Arbeitsweise einer Kreiselpumpe als Strömungsmaschine ist die Druckgewinnung bei gleichmäßigem Strömungsvorgang. In der radialen Bauart überträgt das mit Schaufeln besetzte rotierende Laufrad mechanische Arbeit auf die in den Kanälen befindliche Flüssigkeit, die durch Fliehkräfte aus dem Laufrad verdrängt wird. Eine Unterbauart stellt diese Peripheralpumpe dar. Das Laufrad besitzt viele kleine zweiströmig beaufschlagte radiale Schaufeln am Umfang und rotiert in einem weitgehend konzentrischen beidseitigen Gehäusekanal. Zwischen Saug- und Drucköffnung befindet sich ein so genannter Unterbrecher. Die Druckerhöhung erfolgt durch Impulsaustausch. Die mit größerer Geschwindigkeit strömende Flüssigkeit im Laufrad gibt die Energie an die mit geringerer Geschwindigkeit rotierende Flüssigkeit im Kanal ab. Wegen dieser starken Energieerhöhung können die Peripheralpumpen verhältnismäßig klein gebaut werden (Kleinkreiselpumpen).

Ein Hersteller solcher Kleinkreiselpumpen lässt Komponenten wie Gehäuse, Deckel und Laufrad durch eine spezielle Oberflächenbehandlung vor abrasivem Verschleiß schützen. Hierzu wird nach dem SIC-Durni-Disp-Verfahren eine 30 µm dicke Chemisch Nickel-Schicht aufgebracht, in die gleichmäßig und homogen Siliziumkarbid-Partikel eingelagert sind. Taber-Abraser-Versuche bestätigen, dass die Einlagerung von Siliziumkarbid eine hohe Verschleißfestigkeit bewirkt. So beträgt der Abrieb unter Verwendung von CS 10-Schleifrollen nach 1000 Umdrehungen weniger als 3 mg.