Harter Einsatz für dünne Schichten

Die Autoren: Clas Schmitz Geschäftsführer, Interseal Dr.-Ing. Jürgen Brand Abteilungsleiter Transferzentrum Tribologie, Fraunhofer IST

Das Herzstück der Dichtungen des Dry9000-Baukastensystems sind mehrere hintereinander angeordnete Dichtlippen, die aufgrund des patentierten Ausgleichssystems völlig frei von Einwirkungen aus dem Produktionsprozess sind. Das Ausgleichssystem kompensiert die Pendelbewegungen der Welle, die im gewöhnlichen Produktionsprozess bei jedem Mischwerk vorkommen und auf die Dichtung einwirken. Da die Dichtungen vollkommen trocken laufen, sind keine Sperrmedien und Versorgungssysteme wie bei Gleitringdichtungen notwendig. Eine Kontamination des Produktes mit den Sperrmedien ist daher ausgeschlossen. Ferner bedarf es auch keiner Überwachungs- und Versorgungseinrichtungen dafür, was den Aufwand und die Montagezeiten in beträchtlichem Maße reduziert. Die Lösung ist somit für den Endanwender sehr wirtschaftlich und der TCO-Wert (total cost of ownership) günstig.

Um den Trockenlauf mit minimalem Verschleiß und geringen Reibungsverlusten zu ermöglichen, werden die tribologisch stark belasteten Teile der Dichtung mit einer Spezialbeschichtung veredelt. Diese Beschichtung wird mittels Plasmadünnschichttechnik hergestellt. Hierbei werden in einer Vakuumkammer Plasma-Schutzschichten mit nur wenigen Mikrometer Dicke auf die Teile aufgetragen. Dabei ist vor allem die sogenannte PVD-Technik (physical vapour deposition) ausgesprochen flexibel und hervorragend zur Abscheidung leistungsfähiger, maßgeschneiderter Multifunktionsschichten geeignet. Es können in einem Beschichtungsprozess unterschiedlichste Materialien in sehr komplexen Schichtaufbauten (z. B. Multilagen- oder Gradientensysteme) abgeschieden werden. Die Eigenschaften und Wachstumsstrukturen der einzelnen Lagen und damit auch der Gesamtbeschichtung können über eine Reihe von Prozessparametern gezielt beeinflusst werden. Dadurch lassen sich die Beschichtungen gezielt an das gewünschte Anforderungsprofil anpassen.

Für ein Rührwerk wurde beispielsweise ein Dichtsystem erstellt, in dem eine speziell angepasste diamantähnliche Kohlenstoffschicht, auch als DLC (diamond-like carbon) bekannt, als Deckschicht fungiert. Diese Schicht besteht aus den Elementen Kohlenstoff und Wasserstoff. Die physikalischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften der DLC-Schichten ergeben sich im Wesentlichen aus den Bindungsstrukturen der Kohlenstoffatome untereinander (sp2/sp3-Bindungen), die gezielt über verschiedene Prozessparameter eingestellt werden. Die Beschichtungstemperaturen liegen zwischen 50 und 200 °C, sodass auch die Veredelung temperaturempfindlicher Werkstoffe problemlos möglich ist. Über den Einbau zusätzlicher chemischer Elemente, beispielsweise Silizium, Stickstoff oder auch beliebiger Metalle, lassen sich weitere Eigenschaften der DLC-Schichten wie das Benetzungsverhalten oder die elektrische Leitfähigkeit in weiten Grenzen gezielt variieren. Grundsätzlich zeichnen sich diamantähnliche Kohlenstoffschichten durch eine hohe Verschleißfestigkeit und günstige Reibeigenschaften aus. Die Schicht kann nicht fressen und sie ist zudem äußerst korrosionsbeständig. Daher ist sie entscheidend für die guten tribologischen Eigenschaften des Dichtsystems verantwortlich. Einen Überblick über die verschiedenen Schichtvarianten von DLC, deren Eigenschaften sowie mögliche Einsatzfelder gibt die VDI-Richtlinie 2840.

Unterhalb dieser Deckschicht befindet sich ein komplexes Schichtsystem aus harten und weichen Einzellagen, die vor allem eine Stützwirkung bringen und die Haftung auf dem Grundmaterial verbessern sollen. Die Abscheidung dieser Schichten erfolgt ebenfalls mittels PVD-Verfahren im gleichen Beschichtungsprozess wie die Abscheidung der nachfolgenden DLC-Beschichtung. Eine Prozessunterbrechung oder auch andere Anlagentechnologie ist also nicht notwendig.

Das Verhalten des gesamten Dichtsystems bei korrosivem Angriff oder auch starker Stoßbelastung wird vom Schichtaufbau maßgeblich beeinflusst. Dieser Schichtteil bietet daher auch vielfältige Möglichkeiten, das System an unterschiedlichste Randbedingungen und die gewünschten Anforderungen für unterschiedliche Einsatzfelder anzupassen. In vielen Fällen kann aufgrund dieser Beschichtung auf teure Grundmaterialien wie Nickelbasislegierungen, Tantal oder SiC verzichtet werden. Korrosionsfeste, hochlegierte Stähle reichen in den meisten Anwendungen dann aus.

Die Dry9000 setzt die DLC-Beschichtung bei allen produktberührenden und rotierenden Bauteilen zum Korrosionsschutz und zur Optimierung der Reibwerte ein. Wichtig ist festzuhalten, dass das optimierte System den Trockenlauf ermöglicht und damit die Versorgung und Überwachung einer solchen Dichtung signifikant reduziert wird. Aspekte wie der Wegfall von Leckagen, ungeplanter Ausfall und die Optimierungen der Energiebilanz, sind nur einige Punkte der alltäglichen Vorteile.

Als Standard-Komponente in Anwendungen für Multipurpose-Anlagen – insbesondere im Bereich von emaillierten Rührapparaten – kommt diese Hightech-Beschichtung in der Serie zum Einsatz. Im Bereich der Pharmaindustrie lässt sich damit die Produktqualität optimieren bzw. der Verlust eines ganzen Batches aufgrund von eindringenden Sperrmedien verhindern.

Der Einsatz lohnt sich auch bei allen beweglichen Apparaten. Da die Versorgung der Dichtung nicht mehr notwendig ist, entfällt der lästige Weg in die Werkstatt zur Wartung der Versorgungssysteme. Produktionsprozesse mit häufig wechselnden Produkten/Medien profitieren im Besonderen von der Technik. Das Thema des „richtigen bzw. zugelassenen Sperrmediums“ entfällt für den Anwender komplett. Der Endanwender kann sich auf seinen Prozess und seine Produkte konzentrieren, ohne sich über den Faktor „Dichtung“ nachhaltige Gedanken machen zu müssen.

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