Werkstoffbearbeitung

Oberflächenlösungen für die Windkraftenergie

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PVD-Schichten für die Herstellung von Zahnrädern: M. Power

Neben den PVD-Sputter-Verfahren kommen auch PVD-Lichtbogen bzw. Arc-Verfahren zum Einsatz. Bei den physikalischen Gasphasenabscheidungsverfahren (PVD) werden die aufzutragenden Grundstoffe vom festen in den Gaszustand überführt und anschließend im Sputter-Verfahren mittels kinetischer Energie oder mittels Wärmeenergie im Lichtbogenverfahren ionisiert.

Die so abgeschiedenen PVD-Schichten kommen mit großem Erfolg bei der Produktion von Zahnrädern, zur Beschichtung von Zerspanungswerkzeugen, zum Einsatz.

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Die Leistungssteigerung bei Windkrafträdern führt zu steigenden Rotordurchmessern, sinkender Drehzahl und hohen Momenten. Gleichzeitig steigen die Belastungen an die Oberfläche der Verzahnung. Die Anforderungen an die gefertigten Windkraftgetriebe gehen mit einem steigenden Kostendruck einher. Ein laufruhiges System soll die Lebensdauer erhöhen, Wartungskosten und Ausfallzeiten reduzieren und das Gesamtsystem effizienter machen.

Neue Materialien müssen zum Einsatz kommen, um diesen erhöhten Anforderungen gerecht zu werden. Wie zum Beispiel ADI (bainitisches Gusseisen mit Kugelgraphit), ein Gusswerkstoff mit den Eigenschaften von Stahl, jedoch wesentlich leichter. Diese Werkstoffe benötigen Werkzeugeigenschaften wie höchste Härte, beste Temperaturbeständigkeit sowie geringe Gleitreibung an der Oberfläche. Eigenschaften, die unsere Beschichtungen haben und auf modernen Werkzeugsystemen zum Einsatz kommen.

Abwälzfräser werden an den Zähnen stark beansprucht

Bei der Fertigung von Zahnrädern unterliegen Abwälzfräser an den Zähnen hohen Beanspruchungen. Dank einer Beschichtung der Oberfläche lassen sich kurze Bearbeitungszeiten durch hohe Schnittgeschwindigkeiten realisieren – mit zugleich hohen Standzeiten. Mit großem Erfolg kommt hierbei die M.POWER-Schicht zum Einsatz.

Die auf Titansilizium basierende Schicht M.POWER reduziert den Verschleiß und die Reibung an der beschichteten Schneide – insbesondere bei hohen Schnittgeschwindigkeiten und in der Trockenbearbeitung. Verschiedene Schichtarchitekturen stehen zur Auswahl und erlauben die effiziente Bearbeitung zahlreicher Materialien.

(Bild: Sulzer Metco)

Die besonders glatte Schicht zeichnet sich durch einen hohen Verschleißwiderstand und eine Härte von bis zu 3600 HV (Vickershärte) aus. Die geringe Tendenz zur Aufbauschneidbildung und eine Oxidationsbeständigkeit bis 1150 °C belegen ihre hohe Oberflächenqualität. Gleichzeitig zeigt sich eine sehr hohe Reduzierung der Klebeneigung an der Schneidkante dank reduzierter Oberflächenrauhigkeit. Die hohe Temperaturbeständigkeit wirkt sich besonders auf die Trockenbearbeitung sehr positiv aus.

Die Kombi-Behandlung

Auch die Kombination von Plasmanitrieren mit anschließender Beschichtung, durch PVD oder PACVD, vereint weitere Vorteile. Stähle, die Anteile an speziellen Legierungselementen (Chrom, Aluminium, Vanadium, Molybdän) enthalten, erzielen hohe Oberflächenhärten und eine exzellente Basis für die nachfolgende Beschichtung. Durch die relativ tiefen Behandlungstemperaturen beim Beschichten, wie auch beim Plasmanitrieren, bleiben die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffkerns, wie Zähigkeit und Rissunempfindlichkeit, unverändert.

Mit der Kombibehandlung wird die Tragfähigkeit der Oberfläche entscheidend verbessert. Auf ideale Weise werden durch die Kombination der Verfahren die positiven Nitriereigenschaften, wie die Erhöhung der Schwingfestigkeit, Warmfestigkeit und Torsionsfestigkeit, mit den positiven Reib- und Gleiteigenschaften der reibarmen DLC-Schichten zusammengeführt.

Im Bereich der Dünnfilmtechnologie verfügt Sulzer Metco weltweit über Servicecenter für die Lohnbehandlung von Werkzeugen und Komponenten. Neben Dienstleistungen zur Oberflächenverbesserung für unterschiedliche Industrie- und Anwendungsbereiche liefert der eigene Anlagenbau innovative Neu- und Weiterentwicklungen durch seine Forschungs- und Entwicklungsarbeit. Eine Besonderheit stellt die Lohnbehandlung von Lang- und Großteilen dar. Die maximalen Abmessungen für großvolumige Teile sind: 1800 mm Länge und 1500 mm Durchmesser auch lange Bauteile mit einer Länge bis zu 4500 mm und 600 mm Durchmesser können behandelt werden. (jv)

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Literatur:

[1] Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (2008). Einfluss moderner Oberflächenbeschichtungen (PVD) auf die Flanken- und Fußtragfähigkeit einsatzgehärteter Stirnräder. Deutschland.

* Dr. Jürgen Crummenauer und Annette Norin sind Mitarbeiter von Sulzer Metco.

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