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Beschichtungen für reinraumtaugliche Komponenten

Zukunftstechnologien für kleine und mittlere Unternehmen - ZUTECH. Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben, Förderkennzeichen: AiF 164 ZBG. Bewilligungszeitraum: 01.11.2004 - 30.10.2006
 
: Weihnacht, V.; Gommel, U.; Smolinski, D.

Dresden, 2006, 95 pp.
German
Report
Fraunhofer IWS ()
Fraunhofer IPA ()
experimentelle Untersuchung; Reinraumtechnik; Hartbeschichten; Elastizitätsmodul; Rauigkeit; wasserstoffdotierter-armorpher-Kohlenstoff; Kugellager; Hartstoffüberzug; Korngrößenverteilung; Wälzlager; Mehrfachschicht; Schichtdicke; Titannitrid; Härte; Fluor; Dotierungsmittel; Werkstoffpaarung; Verschleißprüfung

Abstract
Tribologische Testproben wurden mit verschiedenen Schichtsystemen auf der Basis von tetraedrisch gebundenem Kohlenstoff (ta-C) beschichtet. Für eine Vorauswahl der letztlich für die Partikelmessungen verwendeten Schichten wurden zunächst konventionelle tribologische Untersuchungen hinsichtlich Härte, Reib- und Verschleißverhalten durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass die Art des Schichtsystems (homogene Schicht, Multilagenschicht, ta-C mit CrN-Stützschicht) keinen entscheidenden Einfluss auf das tribologische Verschleißverhalten unter den betrachteten Bedingungen hat. Vielmehr wurde die mit der Schichtdicke wachsende Schichtrauheit als dominanter Einflussparameter ermittelt. Aus den Voruntersuchungen mit den verschiedenen Schichtsystemen wurden folgende Schicht-Varianten für die Versuche zur Messung der Partikelemission ausgewählt: homogene ta-C-Schichten verschiedener Dicke, nachgeglättete ta-C-Schichten sowie ta-C-Schichten mit einer dünnen Fluor-haltigen Deckschicht (a-C:F). Parallel dazu wurden als Vergleichs-Standard von zwei Industriepartnern konventionelle TiN-Schichten sowie a-C:H-basierte Schichten bereitgestellt. Die an den Werkstoffpaarungen durchgeführten Versuche zur Bestimmung des Partikelemissionsverhaltens bei tribologischer Belastung im Modellversuch zeigen klar, dass eine angepasste Beschichtung beider oder auch nur einer Komponente zu einer deutlichen Verbesserung der Emissionswerte führt. Auch unter den Beschichtungen wurden z.T erhebliche Unterschiede bei der Partikelemission beobachtet. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass durch die Auswahl geeigneter Werkstoffpaarungen ein erhebliches Optimierungspotential hinsichtlich des Partikelemissionsverhaltens erschlossen werden kann. Entsprechende Gegenüberstellungen von Werkstoffpaarungen können bei der Konstruktion reinheitskritischer Bauteile helfen, die zu erwartende Partikelemission durch den Einsatz angepasster Materialien zu minimieren. Für diese Aussage gilt jedoch die Einschränkung, das es sich bei den durchgeführten Versuchen um Modellversuche handelt und bei der Übertragung der Ergebnisse auf reale Bauteile ggf. abweichende Belastungen und veränderte Umgebungsbedingungen zu beachten sind. Die Ggenüberstellung der Ergebnisse von Werkstoffpaarungen aus Modellversuchen zu Untersuchungen an entsprechend beschichteten Kugellagern zeigt, dass eine Übertragbarkeit der in den Modellversuchen gewonnenen Aussagen auf das Partikelemissionsverhalten realer Bauteile zumindest qualitativ möglich ist. Problematisch ist hier der Unterschied in der Belastung im Modellversuch zur Belastung im Bauteil. Zur weiteren Klärung der Übertragbarkeit sind intensivere Untersuchungen zu den herrschenden Belastungen und die Verwendung von Bauteilen mit vergleichbarem Tribosystem erforderlich. Ein direkter Zusammenhang der Partikelemission mit Untersuchungsgrößen der klassischen Tribologie konnte mit den durchgeführten Versuchen nicht gefunden werden. Ursache war hier die zu hohe Streuung der (dynamischen) Emissionswerte im Vergleich zu den (statischen) Tribokenngrößen wie Spurbreite und Massenverlust. Es kann nicht bestätigt werden, dass bei der Beurteilung des Partikelemissionsverhaltens von Werkstoffpaarungen auf klassische tribologische Kenngrößen zurückgegriffen werden kann. Bei der Untersuchung der Partikelemission in Abhängigkeit von den Belastungsparametern konnte gezeigt werden, dass entsprechende Einflüsse bei geeigneter Versuchsauslegung nachgewiesen werden können. Hier liegt hinsichtlich der Optimierung von realen Bauteilen ebenfalls Potential, durch Anpassung der Betriebsparameter wie Normalkraft und Relativgeschwindigkeit Einfluss auf das Partikelemissionsverhalten zu nehmen. Insgesamt zeigen die Versuche, dass eine modellhafte Untersuchung des Partikelemissionsverhaltens parallel zu klassischen Verschleißuntersuchungen als sinnvoll erscheint. Der Aspekt der Partikelgenerierung ist für den Einsatz von Bauteilen in Industriebereichen mit reiner Fertigung von wesentlicher Bedeutung, mit dem angewandten Verfahren kann das Bedürfnis nach substantiierten Aussagen zur Entscheidungsfindung in der Konstruktion auch für diesen Teilbereich bedient werden. Das Ziel des Vorhabens, durch geeignete Beschichtungsmaßnahmen die Partikelemission drastisch zu verringern, wurde in vollem Umfang erreicht.
Entnommen aus TEMA