Entwicklung einer innovativen Beschichtung von Graphit-Dichtungen unter Berücksichtigung hoher thermischer Stabilität und minimaler Leckrate - GraDi2

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Entwicklung einer innovativen Beschichtung von Graphit-Dichtungen unter Berücksichtigung hoher thermischer Stabilität und minimaler Leckrate - GraDi2
Projektleitung Torsten Barfels ,
Kürzel
Projektbeginn 01. Dezember 2012
Projektabschluss 30. November 2014
Projektpartner Haff-Dichtungen GmbH
Projektbeteiligte Institut für Oberflächen- und Dünnschichttechnik ,
Projektmittel 140000 €
Mittelgeber WM M-V-Projekt  (Verbundforschung)
Fakultät(en) Fakultät für Ingenieurwissenschaften
Forschungsschwerpunkte(e) Neue Materialien
Hyperlink http://www.hs-wismar.de/ifod

Inhalt

Teilvorhaben: Erforschung Kohlenstoff-basierter Schichtsysteme und deren Auswirkung auf die thermische Stabilität und Leckageeigenschaften von Graphit-Dichtungen

Zielstellung des beabsichtigten Forschungs- und Entwicklungsprojektes ist es, das bestehende know-how des Institutes für Oberflächen- und Dünnschichttechnik (IfOD) der Hochschule Wismar auf dem Gebiet der Oberflächenbeschichtungen zu nutzen, um gemeinsam mit der Haff-Dichtungen GmbH eine innovative Beschichtung zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Graphit-Dichtungen zu entwickeln.

Das Ziel der Entwicklung besteht darin, die Oberflächengüte dieser Dichtungen zu erhöhen. Dazu soll eine funktionelle Oberflächenbeschichtung entwickelt werden, welche die Standzeit verlängert und eine schnelle und rückstandsfreie Entfernung im Servicefall ermöglicht. Ein weiterer Aspekt ist die Funktion als Schutzschicht, um einen unbeschädigten Transport und eine optimale Lagerhaltung zu gewährleisten und somit die positiven Eigenschaften der Graphitdichtung (Druck- und Temperaturbeständigkeit) und der Faserstoffdichtung (Oberflächenbeständigkeit) in einem Produkt zu vereinen. Damit wird erreicht, die universellen Einsatzbedingungen der früheren IT-Dichtungen (asbesthaltig) wieder herzustellen.

Diese Vorhaben wird auf Ergebnisse eines ZIM-Projektes aufbauen, welches die Haff-Dichtungen GmbH und das IfOD vom September 2009 bis zum Februar 2011 gemeinsam bearbeitet haben. In diesem Projekt wurde eine diamantartigen Kohlenstoff (DLC) -Beschichtung entwickelt, welche die Standzeit der Dichtung verlängert und eine schnelle und rückstandsfreie Entfernung im Servicefall ermöglicht. Damit ist eine Produktverbesserung erreicht worden. Jedoch ist diese Verbesserung im Anwendungsfall hoher Temperaturen und speziell in Kombination mit den geforderten spezifischen Leckraten noch nicht zufriedenstellend erreicht worden. Zum Abschluss des ZIM-Projektes konnte durch eine Mehrlagenbeschichtung mit einem zusätzlichen Spray-Verfahren ein Ansatz für eine zielführende Forschungs- und Entwicklungstätigkeit gelegt werden. In diesem Vorhaben möchte der Verbund durch die Erforschung einer Kohlenstoff-basierten Mehrlagenbeschichtung das o. g. Ziel erreichen. Wir werde dabei unterschiedliche Beschichtungstechnologien und Beschichtungsmaterialien gezielt kombinieren. Zum Ende gilt es, ein Beschichtungssystem erforscht und eine Beschichtungstechnologie entwickelt zu haben, die sowohl die gesetzten Zielparameter einer veredelten Dichtung erfüllen aber auch wirtschaftlich am Markt verwertbar sind.

Ziel des Einzelvorhabens Das Institut für Oberflächen- und Dünnschichttechnik der Hochschule Wismar wird in diesem Vorhaben die Aufgabe übernehmen, eine innovative Beschichtung zur Verbesserung der thermischen und mechanischen Eigenschaften von Graphit-Dichtungen zu erforschen. Diese Beschichtungsentwicklung soll außerdem dazu führen, die Standzeiten der Dichtungen zu verlängern und eine Austausch solcher Dichtungen im Service-Fall zu erleichtern. Die verbesserten mechanischen Eigenschaften sollen die Ausfälle während der Lagerhaltung sowie dem Transport der Dichtungen mindern.

Da es sich bei dem Grundmaterial der Dichtung um Kohlenstoff handelt, favorisieren wir nach den Ergebnissen der Vor-Projektes ein Beschichtungssystem auf Grundlage einer solchen DLC-Schicht. Die tribologischen Eigenschaften (Reibung und Verschleiß) von Oberflächen werden durch die Bildung und das Trennen chemischer Bindungen an der Grenzfläche zwischen den Materialien bestimmt. Das tribologische Verhalten von DLC wird durch die Oberflächenchemie kontrolliert und durch eine Transfer-Grenzschicht bestimmt, die bei der Reibung gebildet wird und die die Scherkräfte herabsetzt. Diese sehr gute tribologische Eignung wird der Kombination verschiedener Eigenschaften zugeschrieben: hohe Härte, wie sie auch für anorganische Keramiken typisch ist, sowie eine hohe Elastizität und geringe Oberflächenenergie, wie bei den Polymeren. Um sowohl die Herstellung einer harten Schicht mit diesen Charakteristika als auch ihre beständige Haftung auf der weichen Dichtungsoberfläche zu realisieren, ist die Entwicklung eines kohlenstoffbasierten Schichtsystems mit einem geeigneten Gradientenaufbau sinnvoll. Mit der PECVD- Methode (Plasma-aktivierte chemische Gasphasenabscheidung) ist die nötige gezielte Steuerung des DLC-Schichtabscheidungsprozesses möglich, um die Zusammensetzung entweder graphitartig zu gestalten – für eine optimale Haftung auf der Graphitdichtung – oder aber eine diamantartige, harte, belastungsresistente Schicht mit guten tribologischen Eigenschaften abzuscheiden, wie sie als Schutzschicht vorgesehen ist.

In diesem Projekt favorisieren wir einen Mehrlagenaufbau, der aus einzelnen Multigradientensystem von DLC bestehen kann. Eine gezielte Beeinflussung der Schichteigenschaften wird durch eine Dotierung erreicht werden, z. B. durch den Einbau von metallischen Partikeln in das Schichtsystem. Dazu übertragen wir den CVD-Prozess in eine Sputteranlage und regen den CVD-Prozess über ein HF-Feld an. Über einen Co-Sputterprozess können dann Metallcluster in die mittels CVD erzeugten DLC-Schichten eingebaut werden. Als dritte Technologie setzen wir ein Spray-Verfahren ein, um die Beschichtung weiter zu optimieren. Das IfOD wir unter Nutzung der o.g. Technologien alle Beschichtungsexperimente vornehmen, sowie die Analytik der Schichten in Hinblick auf Schichtaufbau, Morphologie, Schichtdicken, Haftfestigkeit und Verschleiß durchführen.