Beschichtungslösungen für mobile Arbeitsmaschinen

(PresseBox) (Bergisch Gladbach, ) Die Kategorie der mobilen Arbeitsmaschinen ist groß und umfasst zahlreiche Fahrzeuge, die eine Vielzahl an Tätigkeiten ausüben müssen. In den letzten Jahren sind bereits steigende gesetzliche Vorschriften zur Abgassenkung in Kraft getreten, Weitere werden folgen und den Druck auf Hersteller und Lieferanten weiter erhöhen.
Gefragt sind nun Maßnahmen zur Steigerung der Effizienz der Arbeitsmaschinen und zur weiteren Senkung von Emissionen. Die Oberflächenbeschichtung liefert einige Ansätze um mittels Dünnfilmbeschichtung, wie DLC-Schichten, vor allem die Reibung zu minimieren um die gesetzlichen Vorschriften in Zukunft leichter umsetzen zu können.

Die Anforderungen an Fahrzeuge steigen stetig an. Vor allem die Belastungen für die Umwelt sollen kleiner werden. Im PKW- und LKW-Bereich aber auch im Bereich der mobilen Arbeitsmaschinen werden daher Emissions- und Abgasgrenzwerte durch gesetzliche Vorschriften stärker geregelt.
Zu den mobilen Arbeitsmaschinen gehören Fahrzeuge, wie Bau- und Landmaschinen, Kommunalmaschinen und Fördermaschinen, die nicht nur den Zweck des Fahrens, sondern im Wesentlichen des Arbeitens, erfüllen müssen. Zu den Tätigkeiten gehören baggern, heben und viele Weitere.

Schärfere gesetzliche Grenzwerte
Ähnlich wie im Automobilbereich werden auch die Abgasgrenzwerte für mobile Arbeitsmaschinen seit Jahren gesetzlich reduziert. Die Emissionsgrenzen der mobilen Arbeitsmaschinen werden innerhalb der Europäischen Union durch die Richtlinie 97/68/EG, sowie deren zahlreichen Änderungsrichtlinien, geregelt. Danach wurden bis 2014 stufenweise Emissionsgrenzwerte eingeführt, die nicht nur den Motor, sondern die Maschine als Gesamtsystem mit allen Antrieben betrachtet. Diese Richtlinie schreibt neue Grenzwerte für den Ausstoß von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoff, Stickstoffoxiden und Feinstaubpartikel vor. Dabei wurde die Motorleistung in verschiedene Klassen eingeteilt, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten den neuen Abgasstufen entsprechen müssen. Mit der im September 2014 gültig werdenden Anforderungen beispielsweise für Motoren mit einer Leistung von 56 kW bis 130 kW wird ein Höchstwert für Stickoxide von 0,4 g/kWh festgeschrieben, der einer Senkung um 88% entspricht.

In den USA wurden durch die Environmental Protection Agency (EPA) im Jahr 1994 gesetzliche Grenzen, sogenannte Nonroad Diesel Engine Emission Standards, festgelegt, die es in den Jahren 1996 bis 2000 umzusetzen galt. Die Stufe Tier 4 für Dieselmotoren mit einer Leistung von bis zu 560 kW mussten bis 2014, beziehungsweise mit einer Leistung von mehr als 560 kW bis 2015 umgesetzt werden. Wie auch innerhalb der EU sind dabei Grenzwerte für Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe, Stickstoffoxide und Feinstaubpartikel festgelegt. International zeigt sich, dass die Grenzwerte an die europäischen und nordamerikanischen Standards angepasst und umgesetzt werden.
Die unterschiedlichen Abgasgesetzgebungen beziehen sich ausschließlich auf die Verringerung von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe, Stickstoffoxiden und Feinstaub, nicht jedoch auf die Reduzierung von CO2. Basierend auf einer 2007 verabschiedeten Strategie der Europäischen Kommission wurden für neue PKW und kleinere LKW Emissionsziele festgelegt, die auch den CO2-Ausstoß betreffen. Es bleibt abzuwarten, wann auch für mobile Arbeitsmaschinen ähnliche Grenzen gesetzlich festgesetzt werden.
Neben den Abgasen, verschärfen sich auch die Grenzwerte für Geräusche immer mehr.

Vielfältige Tätigkeiten
Aufgrund der Funktion mobiler Arbeitsmaschinen umfasst die Antriebstechnik dieser Maschinen, im Gegensatz zu Straßenverkehrsfahrzeugen, sowohl Antriebe zum Fahren, als auch zum Arbeiten. Je nach Arbeitseinsatz sind die Tätigkeiten, die diese Maschinen verrichten vielfältig. Eine Betrachtung der Effizienz von diesen „Non-Road Mobile Machineries“ ist daher schwer möglich. Die besondere Herausforderung vor der Hersteller, ihre Zulieferer und Forschungsinstitute stehen, liegt in der geforderten Effizienzsteigerung der Maschinen bei gleichzeitiger Reduzierung der Emissionen. Da dies ein zentrales Thema ist, beschäftigen sich zahlreiche Forschungsvorhaben und Untersuchungen damit, die Effizienz von Antriebskomponenten zu verbessern. Dabei kann auch auf Ergebnisse der Forschungen im automobilen Umfeld zurückgegriffen werden, die sich beispielsweise mit der Reibungsreduzierung an Verzahnungen, Lagern oder Dichtungen beschäftigen.

Beschichtung
Stärkere Belastungen, die durch das Bestreben nach effizienteren Systemen aufkommen, bergen die Gefahr eines höheren Verschleißes und einer geringeren Lebensdauer der Bauteile und Komponenten. Nicht zuletzt ist das ein Grund, nach einfach umzusetzenden Lösungen zu suchen. Hierbei können Beschichtungen helfen. PVD- (Physical Vapor Deposition) und PACVD-Beschichtungen (Plasma-Assisted Chemical Vapor Deposition) sind seit geraumer Zeit unverzichtbarer Bestandteil des Gesamtsystems im Antriebsstrang. Dieser nimmt aufgrund der gesetzlich definierten Vorgaben für die Emissionsreduktion zu, da neben dem Verschleißschutz die Reduzierung von Reibung durch DLC-Beschichtungen (Diamond-Like Carbon) an Bedeutung gewonnen hat. Schließlich führt weniger Reibung zu weniger Kraftstoffverbrauch und niedrigeren Emissionen.
DLC-Schichten zeichnen sich durch ihre extrem glatte Oberfläche und einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten aus. Sie sind selbstschmierend, gleiten also ohne Schmiermittel. Bei Sulzer besteht die Schichtarchitektur aus mehreren Lagen, die auf die jeweilige Anwendung abgestimmt sind. Die geringe Eigenrauheit verbessert das Einlaufverhalten und stabilisiert den Reibungskoeffizienten in ölgeschmierten Systemen. Die glatte Oberfläche bleibt durch den hohen Verschleißwiderstand und die gute Ölbenetzung auch im Fahrbetrieb erhalten. Ein weiterer Vorteil der DLC-Schichten ist, dass nicht beschichtete Gegenstücke keine Abnutzung zeigen. So reicht es oft, nur einen Reibpartner zu beschichten. Auch bei nur geringem Schmiermitteleinsatz senkt die Schicht die Reibwerte signifikant, wie sonst nur im gut geschmierten Zustand. Eine hohe Temperaturstabilität wird gewährleistet, Adhäsion und Tribooxidation werden zudem verringert bzw. verhindert. Durch diese Vorteile nehmen die Anwendungsbereiche für DLC-Schichten sowohl im Motor, im Fahrwerk wie auch im Antriebsstrang oder für Aggregate stark zu.

A.CARBON WCH-Beschichtung
Zur Abscheidung der DLC-Schicht (Diamond-Like Carbon) A.CARBON WCH wird das PVD-Sputter-Verfahren angewandt. Beim Sputter-Verfahren wird ein Target mit hochenergetischen Ionen beschossen, wodurch Atome gelöst werden. Die Grundwerkstoffe werden aus der festen Phase in die Gasphase überführt. Anschließend werden die Metallpartikel ionisiert. Die Beschichtung wird durch das Kondensieren hauptsächlich metallischer Materialien in Verbindung mit Gasen, wie Stickstoff, erzeugt. Während des Beschichtungsprozesses wird die Temperatur zur Beschichtung von gehärtetem Stahl bei ca. 200°C gehalten. Die Härte der entstehenden Schichten liegt zwischen 10 und 40 GPa.
Amorphe Kohlenstoffschichten vereinen wesentliche Vorteile für den Gebrauch in mobilen Arbeitsmaschinen. A.CARBON WCH-Schichten sind ideal für den Schutz von Bauteilen geeignet, die starkem tribologischen Verschleiß oder Tribooxidation ausgesetzt sind. Die Vorteile der A.CARBON WCH-Schichten beruhen auf mehreren in einander greifenden Mechanismen, die mit der speziellen Nanostruktur der Beschichtung zusammenhängen. Die Struktur besteht aus einer Chrom-Haftschicht mit einer Wolframkarbid-Stützschicht und einer funktionalen WC/C-Multilagen-Schicht mit anpassbarer Schichtdicke. Während des Trockenlaufs wird die Schicht vom beschichteten Bauteil auf das gegenüberliegende unbeschichtete Bauteil übertragen. Dieses Verhalten resultiert in einem Anstieg der Ermüdungslebensdauer, niedrigerer Reibung und einem verbessertem Abriebverhalten und führt zu einer glatten Oberfläche beider Teile. Gleichzeitig ist ein geringerer Bedarf an Schmiermitteln möglich.
Untersuchungen der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) zur Flanken- und Fußtragfähigkeit WCH-beschichteter Verzahnungen zeigten eine deutliche Erhöhung der Fresstragfähigkeit um mindestens den Faktor 2,8 im Vergleich zu unbeschichteten Verzahnungen. Die Graufleckentragfähigkeit konnte mindestens um den Faktor 1,4 erhöht werden. Auch die Notlaufeigenschaften konnten enorm gesteigert werden. So konnten bei unbeschichteten Verzahnungen eine Notlaufzeit von 30 Minuten nachgewiesen werden, während die beschichteten Zahnräder Notlaufzeiten von mehr als 14 Stunden erreichten. Die Zahnfußdauerfestigkeit und das Verschleißverhalten konnten dank der WCH-Beschichtung gesteigert werden.
Typische Anwendungsgebiete für eine A.CARBON WCH-Beschichtung liegen vor allem bei hydraulischen und pneumatischen Bauteilen, sowie bei Getriebeteilen.

Eigenschaften von A.CARBON WCH:
- A.CARBON WCH
Typische Schichtdicke: 3–5 μm,
Härte: 1.000–1.200 HV
- A.CARBON WCHmod
Typische Schichtdicke: 3–5 μm,
Härte: 1.200–1.500 HV
- Reibungskoeffizient (trocken): 0,15

A.CARBON-Beschichtung
Die Herstellung der neu entwickelten Schicht A.CARBON findet mittels PVD-Sputter-Verfahren in Kombination mit einem anschließenden PACVD-Verfahren statt, das für die Erzeugung einer speziellen Deckschicht angewandt wird.
A.CARBON wurde mit Ausrichtung auf die Optimierung der grundlegenden Vorteile amorpher Kohlenstoffschichten entwickelt. Dank der amorphen Struktur und der a-C:H:W-Teilschicht innerhalb der mehrlagigen Schichtarchitektur, sowie der daraus resultierenden hohen Härte von 22 bis 30 GPa eignet sich A.CARBON besonders für hoch beanspruchte Komponenten des modernen Motorenbaues und verbessert gleichzeitig den Ermüdungswiderstand. Die Schicht schützt abrasiv- und adhäsiv beanspruchte Bauteile vor Verschleiß und weist zusätzlich sehr geringe Reibwerte auf. Daraus ergeben sich vielfältige Vorteile in der Fertigung und Anwendung bei Automobilkomponenten, wie z. B. bei:
- Kolben
- Kolbenringe
- Kolbenbolzen
- Ein- und Auslassventile
- Schlepphebel
- Tassenstößel
- oder Pumpen- und Einspritzkomponenten

Eigenschaften von A.CARBON im Überblick:
Farbe: Schwarz
Schichtdicke (μm): 2-5
Härte (HV): 2000 – 2800
Abrasive Verschleißfestigkeit: 1 bis 0.5 * 10-15 m3/Nm (calomax test)
Haftfestigkeit: HF1 – HF3
Reibungskoeffizient gegen Stahl (trocken, μ): 0.10 – 0.20
Max. Einsatztemperatur: 300°C

A.DYLYN-Beschichtung
Die DLC-Schicht A.DYLYN wird mittels PACVD-Prozess erzeugt und weißt eine a-Si:O-Teilschicht innerhalb der mehrlagigen Schichtarchitektur auf.
Die geringere Eigenrauheit und spezielle Dotierung von A.DYLYN verbessern das Einlaufverhalten und stabilisieren den Reibungskoeffizienten in ölgeschmierten Systemen. Der enorm geringe Reibungskoeffizient von 0,04-0,15 ist charakteristisch für diese DLC-Schicht. Wie typisch für alle DLC-Schichten, verfügt A.DYLYN über selbstschmierende Eigenschaften und zeigt eine hohe Verschleißbeständigkeit. Die höhere Resistenz gegenüber Graphitisierung ermöglicht sogar Einsatztemperaturen bis 500°C.

Eigenschaften von A.DYLYN:
Schichtdicke (µm): 1-6
Härte (HV): 1500-2300
Reibungskoeffizient gegen Stahl (trocken, μ): 0,04 – 0,15
Keine Rauhigkeitszunahme: Ra + 0,6-1,4 nm
Beschichtungstemperatur: 180-200°C
Max. Einsatztemperatur: 500°C

Reibung als zentrales Problem
Besonders häufig verbaut, in derartige Fahrzeuggruppen, werden hydrostatische Fahrantriebe. Sie bestehen aus einer Hydraulikpumpe und einem oder mehreren Hydraulikmotoren. Die Pumpe wird dabei durch einen Verbrennungsmotor angetrieben. Sie beschleunigt das Hydrauliköl in den Hydraulikmotor, der anschließend Energie an die Räder weitergeben muss. Diese Form des Antriebs ist für mobile Arbeitsmaschinen nicht mehr wegzudenken und kommt beispielsweise in Traktoren, Ernte- und Mähmaschinen oder Raupen zum Einsatz.

Axialkolbenpumpen werden in hydrostatischen Getrieben eingesetzt um Drehzahl und Drehmoment über Öldruck zu übertragen. Komponenten der Axialkolbenpumpe, die besonders von Reibung betroffen sind, sind in erster Linie die Kolben innerhalb der Kolbentrommel und am Kolbenschuh, die Steuerplatte aufgrund der Kolbentrommel, die Verstellkolben sowie die Wellenlager.

Der Dieselmotor findet am häufigsten Anwendung in mobilen Arbeitsmaschinen. Moderne Verbrennungsmotoren werden allerdings optimiert um als Basis für ein ausbalanciertes Gesamtsystem dienen zu können, das allen kommenden Anforderungen an Effizienz und Emissionswerten gerecht zu werden. Dieses Ziel kann vor allem erreicht werden, in dem die Kolbenringe und die Kolben im Zylinder so wenig Reibung wie möglich verursachen und gleichzeitig der Einsatz der Schmierstoffe auf ein Minimum reduziert wird. Diese Maßnahmen würden gleichzeitig zu einer gesteigerten Motorleistung führen.

Ob gestufte oder die in mobilen Arbeitsmaschinen eher üblichen stufenlosen Getriebe, auch ihre Komponenten sind Reibung ausgesetzt. Besonders die Zahnräder, die der Kraftübertragung dienen, Planetenräder, Sonnenräder und Wellenlager sind starken Belastungen ausgesetzt.
In hydraulischen Systemen kommen Wegeventile zum Einsatz. Verfügt eine Arbeitsmaschine über eine ausgeprägte Hydraulik, kommen Wegeventilblöcke zum Einsatz, die Öl an das Fahrwerk, die Bremsen oder Antriebe zuführen. Die Ventile und verbauten Steuerkolben sind dabei Reibungseinflüssen ausgesetzt.

Reibung ist als zentrales Problem in allen aufgeführten Komponenten und Systemen vertreten. Um mobile Arbeitsmaschinen zu optimieren ist es zwingend notwendig das gesamte System aus Motor, Hilfsaggregaten, Arbeitshydraulik und Fahrantrieb zu betrachten und auf einander abgestimmt zu verbessern. DLC-Beschichtungen können hier bereits einen wichtigen Teil für die Erreichung zukünftiger Ziele leisten.

DLC-Beschichtungen: Vorteile auf einen Blick
- Erhöhung der Lebensdauer durch reduzierte Reibung, Korrosion und Verschleiß
- Geräusch- und Emissionsminderung
- Reduzierung des Schmierstoffs sowie des Energie- und Kraftstoffverbrauchs
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