Entwicklung von abrasivbeständigen und trockenen, selbstschmierenden Beschichtungen auf gesintertem Stahl auf Basis polymerabgeleiteter Keramiken (PDCs)

• Antragsteller: Dr. Günter Motz
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 223533214

Das Hauptziel des Vorhabens ist die Entwicklung von keramischen Beschichtungen mit hoher Abrasionsbeständigkeit und Härte bzw. selbstschmierenden Eigenschaften mit geringem Reibungskoeffizienten. Als Substrat kommen die beim Projektpartner UFSC Florianopolis speziell hierfür entwickelten gesinterten Metallsubstrate zum Einsatz. Wie im letzten Bericht beschrieben wurde, konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass die Plasma unterstütze Pyrolyse (PAP) geeignet ist, um dichte keramische Komposite auf Basis eines Polyorganosilazans (HTTS) als keramischer Binder und TiSi2 als aktiver Füllstoff zu entwickeln. Im Gegensatz zur Ofenpyrolyse und der Anbringung der Probe an der Anode im PAP Prozess, führt die reaktivere Kathodenkonfiguration zu einer verstärkten Umwandlung von TiSi2 in die jeweiligen Nitride und zur Verdichtung. Ziel der noch laufenden 2. Projektphase ist somit die Entwicklung dichter und harter Schichten auf den Substraten des Projektpartner UFSC auf Basis der gewonnen Erkenntnisse. In der 3. Projektphase soll der Plasmaprozess genutzt werden, um die Oberfläche der Metallsubstrate durch Erzeugung von Eisennitriden oder die Einbringung von Refraktärmetallen wie Molybdän zu modifizieren, um sowohl die Härte der Metallsubstrate als auch die Anbindung der Silazanschicht zu verbessern. Weiterhin ist vorgesehen TiB2 und Ti5Si3 als aktive Füllstoffe zu verwenden. Im Fall von TiB2 ist zu erwarten, dass die Umwandlung in die Nitride in der Stickstoff enthaltenden Plasmaatmosphäre analog zu TiSi2 verläuft und zu hBN führt, welches als Trockenschmiermittel geeignet ist. Das Titan sollte zudem harte Nitride und Carbonitride durch die Reaktion mit der amorphen SiCN Phase aus der Precursorpyrolyse bilden. Da aus der Umwandlung des TiSi2 während des PAP Prozesses viel elementares Silizium resultierte, das die mechanischen Eigenschaften und das Verschleißverhalten negativ beeinflusst, soll stattdessen Ti5Si3 zum Einsatz kommen, da mehr harte Ti(C,N) Phasen und weniger freies Silizium gebildet werden. Zusätzlich ist es notwendig die PAP Parameter zu variieren um die Umwandlung der aktiven Füllstoffe zu verbessern und die finale Sinterung des Metallbauteils als auch die Keramisierung der Schicht in einem Zyklus simultan im Plasmareaktor durchzuführen. Die hierfür zu entwickelnde Technologie verringert somit die Anzahl der erforderlichen Prozessschritte und verkürzt auch die Prozesszeiten. In diesem Kooperationsprojekt werden nicht nur unterschiedliche Werkstoffe wie Polymere, Metalle und Keramiken miteinander in einem Herstellungsverfahren kombiniert sondern es kommen auch die unterschiedlichen Expertisen der Antragsteller voll zur Geltung. Eine Bearbeitung dieses Themas wäre ohne den jeweiligen Partner nicht möglich. Die gemeinsamen Forschungsarbeiten sollen schließlich zu schnell kommerzialisierbaren Produkten führen, die die Lebensdauer von Bauteilen verlängern und die Energieeffizienz durch eine optimierte Reibung verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Brasilien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Aloisio Klein