Lager wie geschmiert

Sollen in Maschinen und Geräten zwei Bauteile gegeneinander bewegt werden, ist ein sogenanntes Lager erforderlich. Im Kugellager sorgen Kugeln als Wälzkörper zwischen einem Innen- und einem Außenring dafür, dass sich beide Teile gegeneinander drehen lassen. Um Reibung und Verschleiß in den Lagern möglichst gering zu halten, werden sie vielfach mit Ölen oder Fetten geschmiert. Dennoch wird ein Teil der Bewegungsenergie der Lager in Wärme umgewandelt und geht so verloren. Zudem tragen Abrieb und Korrosion zum Verschleiß der Materialoberflächen bei.

Im Verbundprojekt nanodyn® hat das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB gemeinsam mit Partnern aus Wirtschaft und Forschung eine Plasma-Oberflächenbeschichtung entwickelt, die durch mikro- und nanostrukturierte Oberflächen das Benetzungsverhalten von Oberflächen gegenüber Schmierstoffen, Wasser und Reinigungsmitteln gezielt verändert und so Reibung, Verschleiß und Korrosion beträchtlich vermindert. Hierzu modifizieren die Fraunhofer-Forscher die Hybrid-Hochleistungslager aus metallischen und keramischen Bauteilen der Firma Cerobear in einem Plasmareaktor, in dem durch Anlegen einer hochfrequenten elektrischen Spannung Moleküle eines Plasmagases angeregt und fragmentiert werden. Die hochreaktiven Gasmolekül-Bruchstücke werden nun auf der Oberfläche der Wälzlager angekoppelt – es bildet sich eine Schicht. Durch Optimierung von Art und Menge des Plasmagases, Temperatur, Druck und Behandlungszeit kann man nur wenige Nanometer dünne Schichten erzeugen, welche die Benetzungseigenschaften der Lageroberflächen in der gewünschten Weise beeinflussen.

Auf diese Weise konnten die Forscher eine Beschichtung etablieren, die die tribologischen Eigenschaften der Hybrid-Wälzlager bei einer Schmierung mit Perfluorpolyether (PFPE) deutlich verbesserte. Durch die Plasma-Oberflächenbeschichtung konnte die Reibung um bis zu 50 Prozent reduziert werden. Auch für Wälzlager, die in wässrigen Medien eingesetzt werden, konnten die Forscher die Reibung deutlich vermindern – um bis zu 40 Prozent. Hier kommt außerdem zum Tragen, dass das angepasste Benetzungsverhalten der verschiedenen Oberflächen auch die Reinigung der Lager verbessert. Durch die Oberflächenbeschichtung haben die Lager auch eine längere Lebenszeit. Denn die Beschichtung schützt ebenso vor Korrosion durch Luftfeuchte.
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