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Mehr(wert) durch Bauteilbeschichtung

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Seit ca. acht Jahren beschäftigt sich das Lichtensteiner Unternehmen Balzers intensiv mit der Beschichtung von Präzisionsbauteilen. Jetzt, so Achim Klotz, Geschäftsführer der deutschen Tochtergesellschaft in Bingen, ist die Zeit reif, aus dem Bereich der Labor- und Kleinserien in die Großserienbeschichtung überzugehen. Anlagentechnisch ist man im Bingener PVD-Beschichtungszentrum darauf vorbereitet.

Nicht nur im Automobilbau tut sich etwas in Sachen Verschleißfreiheit bzw. erhöhtem Verschleißschutz. Gestiegene Belastungsanforderungen, längere Wartungsintervalle und zunehmender Verzicht auf Schmiermittel bei Funktionsbauteilen und -baugruppen machen eine Veredlung, sprich Beschichtung von Präzisionsbauteilen in vielen Bereichen zwingend erforderlich. Allein in den nächsten fünf Jahren soll sich nach Berechnungen des Lichtensteiner Beschichtungsspezialisten Balzers ein Marktvolumen von ca. 300 Mio. DM ergeben. Bereits jetzt könne man erkennen, daß der Markt bei der Bauteilebeschichtung ähnlich dynamisch erfolgt, wie bei der Werkzeugbeschichtung vor einigen Jahren. Und, um auf diesen bereits vorhandenen und mehr und mehr steigenden Bedarf vorbereitet zu sein, haben die Lichtensteiner viel investiert. Entsprechende Schichten und Beschichtungstechnologie wurden auf Serienprodukte ausgerichtet und jederzeit reproduzierbar gestaltet.

So sei zum Beispiel in keinem anderen Beschichtungsverfahren eine so günstige Kombination hoher Schichthärte, niedrigem Reibwert und geringer Beschichtungstemperatur zu erzielen wie bei der WC/C-Beschichtung, erklärt Manfred Berger, Produktmanager Bauteilebeschichtung bei Balzers in Lichtenstein.
Damit liegen die Einsatzgebiete auf der Hand: der Schutz von Bauteilen, die aufgrund hoher Belastung oder ungünstigen Schmierverhältnissen zu Adhäsivverschleiß neigen.
WC/C steht hierbei für Wolframcarbit/Kohlenstoff, im Hause Balzers läuft diese Oberflächenbeschichtung unter der Bezeichnung Balinit C. Diese Schicht schützt hochbelastete Präzisionsbauteile vor dem „Fressen“ und erhöht Leistung und Zuverlässigkeit von Maschinen bei ungünstigen Betriebsverhältnissen.
Visionen werden Realität
Die wichtigsten Anwendungen der WC/C-Beschichtung Balinit C sind neben Zahnrädern und Wälzlagern gegenwärtig noch Gleitelemente für den Motoren-, Getriebe- und allgemeinen Maschinenbau.
Die Schicht verbessere das Reibungs- und Verschleißverhalten bei allen Schmierzuständen wie hydrodynamischer Schmierung, Mischreibung und Trockenlauf und bringe die Vision von Wasser als Schmiermittel in das Reich der Realität, versichert Manfred Berger. Aktuelle Beispiele für die Leistungsfähigkeit der WC/C-Beschichtungen sind die Beschichtung hochbelasteter Komponenten von Einspritzpumpen: weniger Verschleiß des Lagerbolzens und nahezu gleichbleibende Leistung über die gesamte, verlängerte Motorenlebensdauer sind die Folgen – bei gleichzeitig geringeren Fertigungskosten. Weitere Anwendungen ergeben sich vor allem in den zukunftsträchtigen Bereichen Vakuum-, Medizinal- und Lebensmitteltechnik, Mikroelektronikfertigung sowie Hoch- und Tieftemperaturanwendungen, bei denen keine Ölschmierung eingesetzt werden kann. Hier müssen Konstrukteure extrem divergierende Anforderungen in den Maschinenelementen vereinigen. Steigende Belastungen bei immer geringeren Baumaßen und höheren Leistungen werden gewünscht. Die Oberflächen beispielsweise von Zuführschienen in der Mikroelektronikfertigung, Pneumatikventilen in medizinischen Apparaten, Abfüllkolben für Lebensmittel und Pharmaprodukte, von Ventilen und Drehdurchführungen für Vakuumanlagen erreichen hohe Gleitgeschwindigkeiten, müssen aber mit Mangelschmierung oder völlig schmiermittelfrei zuverlässig und wartungsarm arbeiten.
Neue Mehrkammeranlagen zur kostengünstigen Beschichtung machen nun das PVD-Verfahren Balinit C zur wirtschaftlicheren und konstruktiv besseren Alternative gegenüber dem Hartverchromen oder Nitrieren. Beispiele für erfolgreich gelöste Vorhaben in der Bauteilebeschichtung mit WC/C gibt es viele. Einige aktuelle Anwendungen sollen dieses verdeutlichen.
Einspritzpumpen
Mit steigenden Einspritzdrücken senken die Motorenbauer den Spritverbrauch ihrer Fahrzeuge. Die bislang üblichen Kolben und Lagerbolzen sind mit üblichen konstruktiven Maßnahmen nicht für noch höhere Leistungen zu optimieren. Verschleißprobleme an Kolben und Lagerbolzen führen zu erhöhtem Ausfallrisiko und, mit zunehmender Laufleistung, zu schnell abfallender Pumpenleistung. Die Beschichtung mit Balinit C (Bild A) führt sowohl zu einem erheblich besseren Verschleißverhalten als auch zu geringeren Herstellkosten, verglichen mit der Alternative, Lagerbolzen und -buchse aus HSS zu fertigen.
Zahnräder
Zahnräder für Motorradgetriebe sind aufgrund der hohen Drehzahl und des sehr begrenzten Einbauraums hoch belastet. Sie bestehen üblicherweise aus einsatzgehärteten Stählen. Die Balinit C-Beschichtung erhöht die Betriebssicherheit dieser Zahnräder und sorgt für eine „Notlaufreserve“ unter kritischen Betriebsbedingungen. Bild B zeigt im Vergleich unbeschichtete und beschichtete Getriebezahnräder eines Motorrads nach Renneinsätzen, bei dem während der Rennen Öllecks aufgetreten sind. Üblicherweise zerstört der Ölverlust die Zahnräder nach wenigen Kilometern („Getriebefressen“) und führt zum Totalausfall. Da die höchstbeanspruchten Zahnräder des anderen Motorrads mit Balinit C beschichtet waren, konnte der Fahrer die Restdistanz ohne Leistungseinbuße zurücklegen.
Kolbenbolzen
Kommen Bronzebuchsen durch steigende Zünddrücke an die Grenze ihrer Tragfähigkeit, kann eine Gleitbeschichtung am Bolzen den Freßschutz sicherstellen. Zudem spart die Beschichtung die fertigungstechnisch aufwendige Buchse komplett ein. Neben den konstruktiven und kostenmäßigen Einsparungen ergeben sich Gewichts- und Wartungsvorteile. Erstmals erlaubt die Balinit C-Beschichtung, im Rennsport (Superbikes) eingesetzte Kolbenbolzen die gesamte Saison einzusetzen; Aufschmierungen sind auch nach Saisonende nicht zu beobachten.
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