Plasma-Schichten steigern Bauteilleistung und senken Spritverbrauch von Automobilen

Tribologische Nüsse knacken

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Im Auto- und vor allem Motorenbau können PVD-Beschichtungen selbst härteste tribologische Nüsse knacken. Wie sich neben höherer Bauteilleistung auch neue konstruktive Wege und Kostenpotenziale erschließen lassen, das zeigen Projekte mit Beteiligung von Balzers.

Im Piezo-Common-Rail (PCR)-System der Siemens VDO Automotive AG herrschen Drücke von 1600 bar und mehr. Über die gesamte Lebensdauer hinweg ließ sich die Funktion dieses leistungsstarken Dieseleinspritzsystems nur sichern, indem man tribologisch hoch beanspruchte Bauteile gegen Verschleiß beschichtete. Aus diesem Grund setzten sich die Entwickler von Siemens VDO frühzeitig mit Experten des Beschichtungsspezialisten Balzers zusammen.

Metallfreie, amorphe Kohlenstoffschicht
Eine Entwicklung aus dieser Kooperation ist die metallfreie, amorphe Kohlenstoffschicht Balinit DLC – mit über 2000 HK (Härte Knoop) deutlich härter als Stahl. Im PCR-System schützt sie gleitende Bauteile wie Steuerkolben oder Düsennadel, aber auch Ventilkomponenten, die Stößen ausgesetzt sind. Dabei geht es zum Teil um sehr enge Bauteil-Paarungen mit Schicht-Spielräumen um 1 µm. Die Kohlenstoffschicht bietet hier Schutz unter besonders abrasiven Einsatzbedingungen, verhindert Fressen und Kaltverschweißung auch bei hohen Flächenpressungen.
„Im Auto- und Motorenbau regt sich zunehmend Interesse für solche Serienbeschichtungen“, so Michael Laakmann, Leiter Beschichtung Präzisionsbauteile bei Balzers in Bingen, Tochter der Balzers AG, Liechtenstein. Der Grund: Bauteile müssen immer mehr aushalten bei der Umsetzung von Zielen wie Leichtbau, höhere Leistung bei kleineren Abmessungen und weniger Kraftstoffverbrauch, geringerer Schadstoffausstoß oder möglichst wenig Schmieraufwand. Klassische Werkstoffe stoßen dabei schnell an ihre Grenzen.
Vom Problem zur Konstruktion
Plasmagestützte Beschichtungstechnologien können Leistungspotenziale von Bauteilen deutlich steigern. Der Beschichtungsprozess im Hochvakuum ermöglicht präzises, in hohen Stückzahlen reproduzierbares und maßgetreues Aufbringen verschleißfester, gut gleitender Kohlenstoffschichten in Dicken zwischen etwa 1 und 4 µm. Solche Schichten lassen sich bei Temperaturen unter 250 °C auf vielen Werkstoffen haftfest auftragen, von Stahl über Gusseisen bis zu NE-Metallen und Sinterwerkstoffen. Beim Phosphatieren, Nitrieren oder galvanischem Beschichten dagegen ist die Wahl des Grundmaterials begrenzt. Weiterer Nachteil dieser Methoden ist die Umweltbelastung, wogegen Plasma-Beschichtung umweltschonend ist.
Deren stärkste Trumpfkarte ist jedoch ihre Flexibilität. Spezielle Verfahren wie PVD (Physical Vapour Deposition) und PACVD (Plasma Activated Chemical Vapour Deposition) von Balzers lassen sich so zielgenau steuern, dass eine Fülle an Schichtvarianten mit verschiedensten Materialeigenschaften herstellbar wird – maßgeschneidert für den jeweils geforderten Bauteil- und Systemnutzen.
Vor diesem Hintergrund entwickeln sich Hochleistungsschichten in der Auto-Großserienfertigung verstärkt von der reinen Problemlösung zum Konstruktionselement. Treiber für diesen Trend sind vor allem Dieseleinspritzsysteme wie Common-Rail oder Pumpe-Düse. Aber auch Kolben, Lagerbolzen und -buchsen oder Getriebe-Komponenten sind Entwicklerthemen, die vom Beschichtungs-Know-how profitieren können.
Iveco: Schichten reduzieren Verbrauch
In der Motorenforschung des Nfz-Herstellers Iveco ergaben Versuche, dass PVD- und PACVD-Beschichtungen von Balzers auf Kolbenbolzen, Ventiltriebselementen sowie Achsgetrieben die Verlust- reibung deutlich senken und zur Verbrauchsreduktion beitragen. Iveco verspricht sich auch Kostenminderungen durch alternative Bauteil-Designentwürfe, Werkstoffe und Materialpaarungen oder durch Wegfall ganzer Komponenten. „Wir wollen Beschichtung als Konstruktionselement einsetzen. Dazu haben wir uns von Beginn an mit den Beschichtungspartnern an einen Tisch gesetzt“, sagt Rudolf Ellensohn, Iveco Motorenforschung, Schweiz. Die richtige Wahl der Werkstoffe, die beschichtungsgerechte Gestaltung und Oberflächengüte der Bauteile in Abstimmung mit der optimalen Beschichtungslösung sind wichtige Faktoren, um eine Beschichtung optimal zu nutzen.
PVD-Beschichtungen KEM 508
PACVD-Beschichtungen KEM 509

„Wir bieten integrierte Fertigungskonzepte“

Nachgefragt
KEM: Was können PVD-Beschichtungen im Automobilbau leisten, was nicht?
Massler: Sie nutzen überall dort, wo Reibung und Verschleiß eine Rolle spielen. Beispiele sind Motoren- und Getriebekomponenten. Da sie aber nicht selbsttragend sind, brauchen sie also einen genügend harten, stützenden Grundwerkstoff. Unsere neue Generation von Multifunktionsschichten „Star“ bietet jedoch erhöhte Lasttragfähigkeit für weichere Substrate, zum Beispiel Metalllegierungen bis hin zu Gleitlagern auf Kupferbasis. High-Volume-Hersteller setzen diese Schichten bereits ein, und im Rennsport setzen sie Maßstäbe.
KEM: Was erwartet die Autoindustrie heute von Beschichtern?
Massler: Maßgeschneiderte Schichten, die wir mit unserer neuen Maschinengeneration nun noch besser anpassen können. Hinzu kommt Flexibilität, Qualitäts- und Kostendenken. Wir arbeiten deshalb an integrierten Fertigungskonzepten und bieten Kunden auch In-House-Lösungen an. Das heißt, Balzers betreibt beim Hersteller eine eigene Anlage und baut diese in den Fertigungsfluss ein. Der Kunde verringert so Risiken, unnötige Prozessschritte und Ausschuss, er gewinnt Effizienz, Schnelligkeit und Kostenpotenziale. Dies bieten wir weltweit nach den gleichen Standards an.
KEM: Erzeugen PVD-Schichten nicht Mehrkosten?
Massler: Die Beschichtungskosten stehen generell in keinem Verhältnis zu den damit gewonnenen Vorteilen, wenn man das Gesamtsystem betrachtet. Dieser Aufwand hat sich übrigens durch den Serieneinsatz in der Dieseleinspritztechnik weiter relativiert. Der Einbezug einer PVD-Lösung in das Bauteil-Design kann die Gesamtkosten durchaus unter die vergleichbaren Kosten ohne Beschichtung drücken – inklusive des gesteigerten Leistungszuwachses. (df)

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