Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBFDLC-Beschichtungen, Elastomere, Dichtungen, Tribologie
Elastomere robuster machen mit DLC-Beschichtungen
Elastomerbauteile stehen unter großer mechanischer Belastung. Gerade im dynamischen Bereich werden diese aufgrund von Abrieb mechanisch abgenutzt, was zu Fehlfunktionen führen kann. Ein Beispiel dafür sind Radialwellendichtringe (RWDR). Ihre Dichtlippe läuft auf der Oberfläche einer sich drehenden Welle und wird meist von einem Federring radial auf die Wellenoberfläche gedrückt. Die Dichtigkeit der Dichtlippe ist entscheidend für die Funktion der RWDR. Eine Schutzummantelung mit spezieller Rezeptur aus dem Fraunhofer LBF kann die tribologischen Eigenschaften der Dichtlippe verbessern und somit die Langlebigkeit des Produkts gewährleisten.
Statische Kennlinie von FKM mit und ohne DLC-Schicht. Als Vergleich wurden Messungen einer nicht beschichteten und dreier DLC-beschichteten Proben gegenübergestellt.
Raman-Mikroskopie von DLC-beschichteten NBR-Materialien mit unterschiedlichen Härtegraden. Aus den Ergebnissen lassen sich Unterschiede in der Morphologie und Rauigkeit der DLC-Schicht erkennen.
Untersuchung von Elastomermaterialien für die Anhaftung der DLC-Beschichtung
Zielsetzung des Projektes war die Erstellung von robusten abriebsbeständigen Beschichtungen auf diversen Substraten wie Elastomeren und Thermoplasten. Solche Beschichtungen sind insbesondere für Oberflächen von Dichtungen interessant, die ständiger Friktion und Reibung unterliegen, wie im Falle der obengenannten RWDR. In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IWM, welches die DLC-Beschichtungen auf die Probekörper aufbringt und die tribologischen Untersuchungen durchführt, dem Fraunhofer ILT, welches sich mit dem Einfluss einer Oberflächenstrukturierung auf die DLC-Beschichtung beschäftigt, und dem Fraunhofer IAP, welches neue Möglichkeiten für adaptive Dichtungen findet, wurden verschiedene Ansätze zur Verbesserung der Abriebsbeständigkeit von DLC-beschichteten Materialien in Dichtungsanwendungen untersucht. Am Fraunhofer LBF liegt der Fokus auf der Rezepturentwicklung des Basismaterials, anhand derer gezielt Struktur und Eigenschaften mit verbesserter Beständigkeit hergestellt werden können. Für den Bereich der Elastomere wurden robuste DLC-Beschichtungen auf Probekörpern aus Nitrilkautschuk (NBR) und Fluorkautschuk (FKM) aufgebracht. Die mechanischen Eigenschaften der so erzeugten beschichteten Elastomerprüfkörper wurden am Fraunhofer LBF statisch und zyklisch gemessen. Dabei zeigte sich, dass die Beschichtungen homogen und robust sind. Die Kennlinie der beschichteten Probekörper unterscheidet sich nur geringfügig von den nicht beschichteten Probekörpern.
Auch die zyklische Messung der Lebensdauer zeigt, dass die beschichten Probekörper im Vergleich zu nicht beschichteten Probekörpern den Anforderungen standhalten. Die Anzahl der Lebensdauerzyklen ist im direkten Vergleich zwischen den Probekörpern vor und nach der Beschichtung in etwa gleich.
Oberflächencharakterisierung der DLC-Schichten mittels Raman-Mikroskopie
Um Informationen bezüglich des chemischen Aufbaus der DLC-Schichten zu erhalten, wurden Analysen mittels Raman-Mikroskopie durchgeführt. Dabei kann zwischen kristallinen und amorphen Anteilen der DLC-Schicht unterschieden werden und die örtliche Verteilung beider Anteile sowie die Rauigkeit der DLC-Schicht bestimmt werden. Bei dem Vergleich von DLC-Beschichtungen auf unterschiedlichen Trägermaterialien, z. B. mit unterschiedlicher Härte, können so Aussagen über die gleichmäßige Verteilung der Schicht und Schichtanhaftung getroffen werden. Weiterhin lassen sich bei einem Vergleich von Proben, die unterschiedliche Reibung in den tribologischen Untersuchungen erfahren haben, Rückschlüsse auf die Abnutzung der DLC-Schicht ziehen.
Tribologische Tests auf DLC-beschichteten Oberflächen
Der Effekt der DLC-Beschichtung auf die tribologischen Eigenschaften wurde am Fraunhofer IWM mittels eines Ring-Scheibe-Tribometers (RST) untersucht. Dabei zeigte sich, dass der Verschleiß der Oberfläche durch die DLC-Beschichtung bei allen untersuchten Materialien nennenswert verringert wird. Dennoch unterscheidet sich die Wirkung der DLC-Schicht in Abhängigkeit der Eigenschaften des Trägermaterials wie zum Beispiel der Härte.