Nanodispersionsgehärtete Chromschichten in bewährter Optik

Heimliche Leistungssteigerung

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War man bei der Herstellung von Chromschichten zunächst auf galvanische Prozesse und die damit erzielbaren Eigenschaften metallischen Chroms beschränkt, erfolgte in der jüngeren Vergangenheit eine massive Leistungssteigerung unverändert chromglänzender Oberflächen durch den Einsatz von Nanodispersions- verfahren bei besonders hoch beanspruchten Bauteilen.

Seit seiner Entdeckung hat Chrom eine erstaunliche Karriere gemacht. Ursprünglich hauptsächlich als grünes Pigment für die Farbherstellung benutzt, wird es seit den 1920er Jahren verstärkt als galvanischer Oberflächenbezug für technische Bauteile eingesetzt. Die Anwendungsbreite reicht von dekorativen Oberflächen bis hin zu Anwendungen im Korrosions- und Verschleißschutz.

War man bei der Herstellung von Chromschichten zunächst auf galvanische Prozesse beschränkt, so erfolgte in der jüngeren Vergangenheit eine massive Leistungssteigerung durch den Einsatz von Nanodispersionsverfahren bei besonders hoch beanspruchten Bauteilen.
Die Nanodispersionshärtung
Bei der Nanodispersionshärtung werden nur einige Nanometer große Hartstoffpartikel aus Chromnitrid oder -carbid in eine metallische Chrommatrix eingelagert. Dieser Aufbau wird durch einen PVD-Plasma-CVD-Prozess möglich. Während der PVD-Prozess die Chrommatrixschicht aufbaut, werden die Hartstoffpartikel aus chromhaltigen Precursorverbindungen auf der keimenden Chromoberfläche durch Plasma-Crack- und Rekombinationsprozesse erzeugt und sukzessive in die Matrix eingebaut. Dabei entsteht ein Komposit, das sich im Vergleich zu galvanischen Chromschichten durch hohe Zähigkeit, extreme Haftfestigkeit und hohe Dauerwechselfestigkeit auszeichnet.
Durch Hintereinanderschalten mehrerer PVD/CVD-Beschichtungsprozesse können zudem Multilagenschichten abgeschieden werden, die weitere Möglichkeiten eröffnen. Eine der wichtigsten Multilagenschichten ist die Kombina- tion einer dispersionsgehärteten Chrommatrixschicht mit reibarmen kohlenstoffhaltigen Schichten. Während die dispersionsgehärtete Chromschicht Schub- und Scherbelastungen aufnimmt, vermindern die harten Carbid-Kohlenstoffschichten die Friktion im Gleitkontakt.
PVD- oder Plasma-CVD-Schichten werden im Gegensatz zu galvanischen Schichten als Verbindungsschichten (Nitride, Oxide, Carbide und Boride) abgeschieden. Metallische Schichten wie Hartchrom oder stromlos abgeschiedene Nickelschichten weisen im Vergleich zu dünnen PVD-Hartstoffschichten für manche Anwendungen Vorteile aufgrund ihrer höheren Schichtdicke auf und sind auch unter tribologischen Gesichtspunkten günstiger. Ein Beispiel dafür sind Nickeldispersionsschichten mit Einlagerungen feiner Diamantpartikel, Teflon oder Siliciumcarbid in eine Nickelmatrix.
PVD/CVD-basiertes System als Chromschicht
Mit PVD- oder Plasma-CVD-Verfahren war es lange nicht möglich, ähnliche Schichtsysteme zu erzeugen. Erst seit 1998 ist mit „Cerid 6i“ ein PVD/CVD-basiertes Schichtsystem in Form einer Chromschicht verfügbar, in der nanometergroße Chromnitrid- und/oder Chromcarbidpartikel heterogen gelöst sind. Merkmale wie Zähigkeit, Impaktresistenz, Dauerwechsel-Belastbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und gute Haftung werden durch den gezielten Einbau von Nanopartikeln in die Chrommatrix erzielt.
Interessant dabei ist, dass die Festigkeitssteigerung einer Metallmatrix im Wesentlichen durch die Zahl der heterogen gelösten Dispersionspartikel und nicht durch den prozentualen Füllungsanteil erreicht wird. So erzielt man mit der gleichen volumenspezifischen Teilchendichte an nanometergroßen Partikeln die gleiche Festigkeitssteigerung wie bei der Verwendung der gleichen Anzahl von Partikeln im Mikrometerbereich. Allerdings haben die Nanopartikel zwei Vorteile: Aufgrund ihrer Dimension wirken sie in tribologischen Systemen auf Gegenlaufpartner nicht wie harte Verschleißkörner und ermöglichen so, abhängig von ihrer heterogen gelösten Menge, eine effektive und gezielte Einstellung der Schichthärte, ihrer Festigkeit und Verschleißbeständigkeit.
Chrom-Nanodispersionsschichten haben somit alle vorteilhaften Eigenschaften galvanischer Feinchrom-Schichten, leiden aber nicht an typischen Nachteilen wie Rissbildung, Anfälligkeit gegen saure Medien oder mangelnder Korro- sionsbeständigkeit, und können auch auf komplizierten Werkzeuggeometrien ohne Kantenaufbau appliziert werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus ihrer variablen Einstellung der Härte zwischen 700 und 1800 HV0.1.
Von einer hohen Haftfestigkeit kann bei Abscheidung auf Stählen, Titan und Nickel ausgegangen werden. Im Revetest erreichen sie auf 100 Cr6 Probekörpern kritische Lasten von über 100 N. Auch bei Biege- oder Dehnbelastungen erzielen diese Schichten ausgezeichnete Werte: Im Bereich der Medizintechnik sind Beschichtungen bekannt, die relative Dehnungen bis 60 % auch bei 8 µm dicken Schichten rissfrei wegstecken können.
In Fragen der Korrosionsbeständigkeit verhalten sich nanodispersionsgehärtete Chromschichten ähnlich wie ihre galvanischen Vettern und sind salzsäure- und alkaliempfindlich. Infolge der fehlenden Rissausprägung weisen sie aber auch in chloridhaltiger Umgebung günstigere Korrosionseigenschaften auf. Ihr Temperaturverhalten hingegen ist deutlich günstiger als vollmetallische Chromschichten: Auch bei Auslagerungstemperaturen bis 700 °C bleibt die Härte nahezu unverändert, da zwischen den Hartstoffpartikeln und der Matrix keine Reaktionen stattfinden. Im Gegensatz dazu fällt die Härte galvanischer Chrom- oder Feinstchromschichten bei Temperaturen von 180 °C jäh ab, da hier im Gitter interstitiell gelöster Wasserstoff einen Teil der Härte der galvanischen Chromschichten bewirkt und zu starken Gitterverspannungen führt. Nanodisperse Chromschichten können daher bei deutlich höheren Einsatztemperaturen ohne Gefahr der irreversiblen Änderung physikalischer und chemischer Eigenschaften eingesetzt werden.
Aufgrund dieser Eigenschaften ergeben sich viele Anwendungsmöglichkeiten für cerid 6i-Schichten. Wälz- und Scherfestigkeit sind bei zuverlässiger Haftung hervorragend. Entsprechend sind zum Beispiel Lager oder Zahnräder, die hohen Wälz- und Schlagbelastungen unterworfen sind, ein Hauptanwendungsgebiet. Besonders interessant ist die Anwendung auf Kolben aus hochfesten Titanlegierungen für Hochdruckpumpen. Trotz geringen E-Moduls und hoher Verformung des Grundmaterials im Übergang von der Hochdruckseite zum Außendruck, findet hier weder Schichtabplatzung noch Rissbildung statt.
Im Automobilbereich ergeben sich viel versprechende Anwendungen infolge der hohen Leistungsdichte und entsprechenden Werkstoffanforderungen bei modernen Dieselmotoren. Hier werden Reibungsverluste und Verschleiß durch Veredelung des Ventiltriebes deutlich reduziert, besonders in Kombination mit einer katalytischen Beschichtung zur Russvermeidung auf den Motorventilen, die für eine dauerhaft langlebige Motorkompression stehen.
o.m.t.; Telefon: 39006-0; E-Mail: info@omt.de

Nanokompositschichten …
… bestehen aus zwei oder mehreren miteinander nicht löslichen Stoffen. In der Regel stellt der eine Stoff die Matrix dar, in der die zweite Phase als nanometergroße Partikel dispergiert ist. Die Dispersion führt zur Festigkeits- und Härtesteigerung der Matrix. Die Dispersionspartikel können Hartstoffe, Schmierstoffe, intermetallische Verbindungen oder katalytisch wirksame Stoffe sein. Die beiden Phasen sollten sich mit ihren Eigenschaften synergetisch ergänzen. Eigenschaftsänderungen sind im Wesentlichen abhängig von der Partikelgröße, von dem Partikelabstand, von der Menge und ihrer Benetzbarkeit durch den Matrixwerkstoff. Die ideale Partikelgröße liegt zwischen 10 und 50 nm, der Abstand der Partikel bei 100 bis 150 nm und die Menge zwischen 1 und 15 Vol%.
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