Drunter Metall, drüber Keramik

Future

Verschleißprobleme oder steigende Forderungen an den Korrosionsschutz lassen Konstrukteure an keramische Beschichtungen denken. Zwei Verfahren seien hier vorgestellt: Das Flammspritzen und die Sol-Gel-Technologie.

15. September 2011
Die Seewasserbeständigkeit eines Gehäusedeckels aus Stahlguss stieg durch die Keramikbeschichtung um ein Vielfaches.
Bild 1: Drunter Metall, drüber Keramik (Die Seewasserbeständigkeit eines Gehäusedeckels aus Stahlguss stieg durch die Keramikbeschichtung um ein Vielfaches. )

Darüber herrscht Einigkeit in Expertenkreisen: Moderne Beschichtungsverfahren führen Bauteile oft zu Leistungen, die sie ohne die Oberflächenbehandlung nie erreichen könnten. In der industriellen Praxis tausendfach bewährt hat sich das Zusammenspiel von Bauteilen aus metallischen Werkstoffen mit Beschichtungen aus Keramik.

Dem Werkstoffzentrum Rheinbach (WZR) gelang es beispielsweise kürzlich, den Stahlgussdeckel eines Maschinengehäuses mit einem keramischen Coating derart zu optimieren, dass sich dessen Seewasserbeständigkeit um ein Vielfaches steigern ließ. In einer Salzsprühnebel-Prüfung nach DIN EN ISO 9227 NSS (alt DIN 50021) konnte das auf Keramiklösungen spezialisierte Unternehmen die erhöhte Korrosionsfestigkeit des beschichteten Metalldeckels eindrucksvoll nachweisen.

»Während die unbeschichteten Randbezirke des Deckels starke Korrosion und damit erhebliche Festigkeitseinbußen zeigten, blieben die mit einer dünnen Keramikschicht versehenen Bereiche völlig intakt«, berichtet WZR-Entwicklungsleiter Dr. Dieter Nikolay.

Das Flammspritzen zählt zu den meist verwendeten Coating-Verfahren im Dienstleistungs-Portfolio des WZR. Die Keramikpartikel werden dabei über die Acetylen-Sauerstoff-Verbrennung (> 3000 °C) mit High-Speed auf das metallische Werkstück appliziert. Die Bauteil-Oberfläche erwärmt sich dadurch auf etwa 400 °C. Das Ergebnis ist eine Schicht mit einer Dicke zwischen 100 und 300 µm. Der große Vorteil dieser Methode: Bauteile und Werkzeuge aus Metall lassen sich damit sehr wirtschaftlich beschichten – meist ohne dass besondere konstruktive Voraussetzungen zu erfüllen sind. Laufende Serien von Bau- oder Ersatzteilen können damit nachträglich optimiert werden.

Das zweite vom WZR im größeren Maßstab eingesetzte Verfahren ist die Sol-Gel-Technologie. Damit lassen sich sehr viel dünnere Schichten auftragen als durch das Flammspritzen. Das Sol-Gel-Verfahren erzeugt oxidkeramische und keramisch-organische Coatings mit nanokristalliner Struktur, die in einem nass-chemischen Transformationsprozess gewonnen werden. Das Applizieren erfolgt durch Besprühen des Metallteils oder Eintauchen in ein Sol-Bad. Der so aufgebrachte, zunächst noch flüssige Sol-Film bildet durch eine thermische Primärbehandlung ein Gel und wird dann zwecks abschließender Aushärtung wärmebehandelt, wobei die keramische Beschichtung entsteht.

Das Resultat ist eine Oxidkeramik-Schicht, die dünner ist als 1 µm. Eine Spezialität des WZR in diesem Bereich ist allerdings auch die Erzeugung ›dickerer‹ Schichten bis 30 µm durch den Einsatz ›gefüllter‹ Sole, die während der Herstellung mit feinsten Keramikpulvern angereichert werden. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Feuerfest-Bauteile mit einem hochwertigen Kontakt- und Korrosionsschutz versehen, Gläser beschichten oder Diffusionssperrschichten für Wärmebehandlungsanlagen gewinnen.

Eine Flammspritzschicht eignet sich exzellent für abrasive Belastungen sowie als Korrosionsschutz für Transportgeräte und Fahrzeuge, die mit Streusalz in Kontakt kommen. Sol-Gel-Coatings punkten vor allem durch ihre Flexibilität.

Durch die Kombination des Flammspritzens mit der Sol-Gel-Technik lassen sich zudem dichte, abrasionsfeste Beschichtungen erzeugen. Welche Schicht für welche Anwendung die Beste ist, weiß man beim WZR in Rheinbach sehr genau. »Auf der Basis unserer Werkstoffauswahl und Verfahrensalternativen können wir für den Kunden in Industrie und Entwicklung stets die optimale Keramikbeschichtung für sein Metallteil realisieren«, sagt Entwicklungsleiter Nikolay.

Hintergrund

Nach dem Start des Werkstoffzentrums 1996 in Rheinbach mit einem Labor zur Prüfung und Charakterisierung keramischer Werkstoffe wurden immer häufiger Entwicklungs- und Beratungsaufträge an das WZR herangetragen. Heute spannt sich der Bogen von feuerfesten Werkstoffen in Müllverbrennungsanlangen über keramische Komponenten in stationären Gasturbinen, Anwendungen im Maschinen- und Anlagenbau bis hin zur Dentalkeramik und Medizintechnik.

Erschienen in Ausgabe: 01/2011