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PVD-Beschichtungen fur trockenlaufendeHybridwalzlager

PVD coatings for dry running hybrid roller bearings

K. Bobzin, Peter W. Gold, R. Nickel, J. Loos, N. Bagcivan, A. Kramer, M. Plogmann

6Vakuum in Forschung und Praxis 19 (2007) Nr. 2 6–12� 2007 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim DOI:10.1002/vipr.200700313

Zusammenfassung

PVD-Beschichtungen konnen die Eigen-

schaften trockenlaufender Hybridwalzlager

verbessern. So kann der Verschleiß, aber

auch das Reibmoment mit ihrer Hilfe her-

abgesetzt werden. Um dies zu erreichen,

wurden PVD-Schichten im Hinblick auf die

auftretenden Belastungen weiterentwi-

ckelt. Untersuchungen mit Hilfe des stan-

dardisierten FE8-Walzlagerprufstands dien-

ten zum Nachweis des Potentials der PVD-

Beschichtungen fur den Trockenlauf. Die

Ergebnisse dieser Untersuchung wiederum

flossen in die Schichtentwicklung ein.

Summary

PVD coatings are able to improve the

characteristics of dry running hybrid roller

bearings. Wear and friction moment can be

reduced by coatings. Therefore PVD coa-

tingswere adjusted for the appearing loads.

Examinations with the help of the stan-

dardised FE8 test-rig were used to verify the

potential of PVD coatings in dry running

applications. The results of the tests were

taken into account for further coating de-

velopment.

1 Einleitung

In einigen Walzlageranwendungen konnen

auf Grund von hohen Temperaturen – z.B.

in der Stahlindustrie -, eines Vakuums oder

bei der Gefahr der Verschmutzung von

Lebensmitteln keine Ole bzw. Fette zur

Schmierung verwendet werden. Daher

werden in diesen Anwendungen trocken

laufende Walzlager eingesetzt, welche ex-

tremen Beanspruchungen unterliegen.

Die Lagergebrauchsdauer von konven-

tionell geschmierten Walzlagern wird

durch eine unzureichende Schmierung

stark begrenzt. Fur Anwendungen im

Trockenlauf mussen daher alternative Lo-

sungen gesucht werden. Beispielsweise

werden Vollkeramiklager eingesetzt, die

nach Sternagel [STE01] eine gute Trok-

kenlaufeignung besitzen, da die Neigung

der Keramikbauteile zu Adhasionsverbin-

dungen sehr gering ist. Im Trockenlauf sind

Vollkeramiklager jedoch nur gering belast-

bar (pHertz = 1000 N/mm2, Co/P > 10)

[STE01]. Zudem erfordert die unter-

schiedliche Warmeausdehnung von Stahl

und Keramik vergleichsweise komplizierte

Konstruktionen. Diesen Nachteil weisen

Teilkeramiklager (Hybridlager) nicht auf.

Sie sind zudem kostengunstiger als Kera-

miklager (Faktor 3-5), jedoch ist ihre Be-

lastbarkeit im Trockenlauf stark begrenzt

[STE01].

In geschmierten Walzlagersystemen

wurde bereits nachgewiesen, dass der

Einsatz einer geeigneten PVD-Beschich-

tung den Verschleiß und die Reibung we-

sentlich reduzieren kann [GOL05]. Eine

vergleichbare Wirkung wird fur trocken-

laufende Anwendungen erwartet [POP99].

Eine Kombination aus Hybridwalzlager und

PVD-Beschichtung erscheint aus den ge-

nannten Grunden fur den Trockenlauf viel

versprechend.

Als Walzkorperwerkstoff wurde Si3N4

ausgewahlt, da dieser Werkstoff gegenuber

anderen Keramiken eine hohere Uberroll-

festigkeit aufweist [STE02]. Die benotigten

„reibungsmindernden PVD-Beschichtun-

gen fur trockenlaufende Hybridwalzlager“

wurden im Rahmen des AiF-Projektes

13649 weiterentwickelt. Ahnliche Unter-

suchungen wurden von Meerkamm

[MEE05] an PVD-beschichteten Kugeln fur

trockenlaufende und verschleißreduzierte

Kugelumlaufeinheiten in Linearfuhrungen

durchgefuhrt.

Die Projektergebnisse, die am Institut fur

Maschinenelemente und Maschinengestal-

tung und am Institut fur Oberflachentech-

nik (beide RWTH Aachen) erarbeitet wur-

den, werden im Folgenden zusammenfas-

send dargestellt.

1.1 Worauf kommt es im Trockenlaufan?

„Trockenlauf“ bedeutet fur ein tribologi-

sches System, dass der Zwischenstoff

(Schmierstoff) zwischen Grund- und Ge-

genkorper fehlt. Der Schmierstoff uber-

nimmt jedoch in konventionellen Lage-

rungen wesentliche Aufgaben. Nachfol-

gend sind diese aufgefuhrt.* Trennung der Kontaktpartner und hier-

durch

– Verminderung des Verschleißes

– Verminderung der Reibung (auch ge-

ringere Energieeintrage und -verluste)* Abfuhr von Warme (Begrenzung der

Lagertemperatur)* Abfuhr von Schmutzpartikeln (Vermei-

dung von Folgeschaden)* Bereitstellung von Additiven zur Ver-

schleiß- und Reibungsminderung

[MEY93]

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Da die Trennung der Bauteile durch den

Schmierstoff beim Trockenlauf nicht mehr

gegeben ist und auch keine Additive ein-

gesetzt werden konnen, die den Verschleiß

mindern konnten, steht bei der Entwick-

lung trocken laufender Walzlager vor allem

die Verschleißminderung und die Rei-

bungsminderung im Vordergrund des Pro-

jekts. Die Warmeentwicklung des Lagers

muss durch ein entsprechend kleines La-

gerreibmoment begrenzt werden. Ver-

schleißpartikel sollen sich im Lagerbetrieb

gar nicht erst bilden.

Eine PVD-Beschichtung, die auf die La-

gerringe der untersuchten Hybridwalzlager

abgeschiedenwird, soll daher die Aufgaben

der Verschleiß- und Reibungsminderung

ubernehmen [WAL04, BEW04]. Die richti-

ge Auswahl und Applikation der PVD-Be-

schichtung beeinflusst dabei maßgeblich

das Verhalten des Walzlagers [MUM00].

Es ist damit zu rechnen, dass trocken

laufendeWalzlager in der Praxis sowohl bei

vergleichsweise geringen Drehzahlen und

hohen Lasten als auch bei mittleren Lasten

und hoheren Geschwindigkeiten betrieben

werden. Dem entsprechend erfolgte die

Wahl der Versuchsbedingungen.

2 PVD-Beschichtungen

Fur die Beschichtung der metallischen

Walzlagerkomponenten wurden zwei un-

terschiedliche Schichtkonzepte ausge-

wahlt. Hierbei handelt es zum einen um das

gradierte Me-DLC-System Zirkoniumcarbid

(ZrCg) und zum anderen um das zu den

Hartstoffsystemen zahlende Schichtsystem

Chromaluminiumnitrid (CrAlN).

2.1 Gradiertes ME-DLC SchichtsystemZrCg

Das Me-DLC Schichtsystem ZrCg wurde am

Institut fur Oberflachentechnik entwickelt.

Der gradierte Schichtaufbau ermoglicht es,

die Eigenschaften des Schichtsystems in

einem weiten Bereich zu beeinflussen.

Dabei ist die Art und Weise, wie die ein-

zelnen Phasen des Schichtaufbaus durch-

laufen werden, entscheidend. Wahrend der

Beschichtung wird der Kohlenstoffgehalt

kontinuierlich gesteigert. Beginnend mit

einem metallischen Haftvermittler aus Zir-

konium wachst die Schicht auf. Die

Schichtzusammensetzung verandert sich

durch die Kohlenstoffzugabe stetig und

durchlauft das Zirkonium-Kohlenstoff-Pha-

sendiagramm (s. Abb. 1a). Der Toplayer der

Schicht ist eine kohlenstoffreiche Deckla-

ge. Diese Schichtarchitektur fuhrt dazu,

dass durch den metallischen Haftvermittler

eine gute Haftung, durch die Hartstoff-

phase ZrC ein hoher Verschleißwiderstand

und durch die kohlenstoffreiche Decklage

gute tribologische Eigenschaften erzielt

werden. Durch die Gradierung wird zudem

sichergestellt, dass das Schichtsystem sich

auf die jeweilige Belastungshohe einstellen

kann.

2.2 Hartstoff-Schichtsystem CrAlN

Als zweites Beschichtungssystem wurde

CrAlN ausgewahlt. CrAlN zahlt zu den

Hartstoff-Schichtsystemen. Dieses Schicht-

system wurde als alternatives Schichtsy-

stem ausgewahlt, da mit diesem System in

geschmierten tribologischen Untersu-

chungen bereits sehr gute Ergebnisse er-

zielt wurden. Trotz hoherer Reibwerte war

nur ein geringer Verschleiß an Beschich-

tung und Gegenkorper in z.B. Ball-on-Disc

Tests erkennbar. Die am Institut fur Ober-

flachentechnik abgeschiedene Schichtva-

riante CrAlN verfugt uber einen komplexen

Schichtaufbau, der durch eine Gradierung

des Stickstoffgehalts gekennzeichnet ist.

Durch einen rein metallischen Interlayer

wird eine gute Schichthaftung auf den zu

beschichtenden Bauteilen erzielt, wahrend

die tribologischen Eigenschaften durch den

gradierten stickstoffhaltigen Bereich ge-

pragt sind (s. Abb. 1b).

2.3 PVD-Prozessentwicklung

Die Herausforderung auf der beschich-

tungstechnischen Seite lag in der Ubertra-

gung des Laborprozesses fur das reibungs-

mindernde Me-DLC Schichtsystem ZrCg,

einem DC (direct current) Magnetron-

Sputter-Prozess, auf eine industrielle Be-

schichtungsanlage und dem Wechsel zu

einem gepulsten Magnetron-Sputter-Pro-

zess. Fur das Schichtsystem Chromalumin-

iumnitrid wurde der Magnetron-Sputter-

Prozess einer industriellen Anlage von

einer DC-Abscheidung auf eine gepulste

Abscheidung umgestellt.

Die Abscheidung auf den metallischen

Walzlagerkomponenten erforderte seitens

der Prozessfuhrung, dass die Prozesstem-

peraturen die Anlasstemperaturen des zu

beschichtenden Werkstoffs 100Cr6 von

180 �C nicht uberschreiten. Normalerweise

liegen Beschichtungstemperaturen bei

PVD-Verfahren bei ca. 250 �C und daruber.

Gleichzeitig muss eine gute Haftung der

Schichtsysteme auf den Walzlagerkompo-

nenten gewahrleistet werden. Entspre-

chend diesen Anforderungen wurden Nie-

dertemperaturprozesse fur eine industriell

eingesetzte Beschichtungsanlage entwi-

ckelt.

Ausgehend von den beiden Basispro-

zessen wurde die jeweilige Prozessent-

wicklung durchgefuhrt. Bei beiden be-

stehenden Prozessen lagen die Prozes-

stemperaturen nicht im zulassigen Bereich.

Um die Prozesstemperaturen ohne Verlust

der Schichthaftung senken zu konnen,

wurde die Pulstechnologie fur die Ab-

scheidung der Schichtsysteme verwendet.

Im Vergleich zum konventionellen DC-Ma-

Abbildung 1: a) REM-Aufnahmeeiner Bruchstruktur des gradiertenMe-DLC-Schichtsystem ZrCgb) REM-Aufnahme einer Bruch-struktur von CrAlN

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gnetron-Sputtern liegt der wesentliche

Vorteil der Pulstechnik in der Senkung der

Prozesstemperaturen bei gleichem mittle-

ren Leistungseintrag.

Zunachst wurde der Einfluss der Puls-

technologie auf die plasmagestutzte Sub-

stratvorbehandlung (Atzen) untersucht.

Hierbei wurden Proben unterschiedlich

plasmagestutzt vorbehandelt. Anschlie-

ßend wurde die Oberflachenenergie der

Proben uber Kontaktwinkelmessungen

bestimmt, welche ein Anhaltspunkt fur die

spatere Schichthaftung ist. Es zeigte sich,

dass die Art der Plasmavorbehandlung

maßgeblichen Einfluss auf die spatere

Haftung der Beschichtung auf das Substrat

hat. Der direkte Vergleich zwischen dem

Hochfrequenz-Atzen und dem gepulsten

Atzen fallt zugunsten des gepulsten Atzens

aus. Mit dem gepulsten Atzen wurden sehr

gute Schichthaftungen erreicht. Des Wei-

teren wurden keine Anlasseffekte bei der

gepulsten Substratvorbehandlung festge-

stellt, so dass die gepulste, plasmagestutzte

Substratvorbehandlung fur die Beschich-

tungen eingesetzt wurde.

Die Ubertragung des gradierten Me-DLC

Schichtsystems ZrCg auf die industrielle

Beschichtungsanlage erforderte einen

neuen gepulsten Prozess. Grunde hierfur

waren die veranderte Kathodengeometrie

und -anzahl, das vergroßerte Rezipienten-

volumen und eine andere Gaszufuhr. Die

Prozessentwicklung orientierte sich an den

Schichtergebnissen der existierenden Be-

schichtung. Zur Abscheidung des Me-DLC

Schichtsystems wurden vier Zirkoniumtar-

gets (Reinheit 99,2%) in Kombination mit

dem Reaktivgas Acetylen verwendet. Die

maximal einsetzbare Kathodenleistung be-

trug ca. 1200 W. Der maximal mogliche

Reaktivgasanteil markiert die Grenze der

Prozessstabilitat und wurde in Hysterese-

prozessen bestimmt. Bei der gepulsten

Abscheidung ist ein Reaktivgasfluss von

180 mln Acetylen moglich, im DC-Modus

ein Gasfluss von 100 mln. Ein Gasfluss von

100 mln reicht jedoch nicht aus, die ge-

wunschte Kohlenstoff-Decklage des

Schichtkonzepts umzusetzen. Somit wurde

erst durch den Einsatz der Pulstechnologie

die Abscheidung einer gradierten Schicht

mit hohen Kohlenstoffgehalten und damit

die Umsetzung des gradierten Schichtkon-

zeptes auf der industriellen Beschich-

tungsanlage ermoglicht.

Nachfolgend wurde die Schichtgradie-

rung der semiindustriellen Beschichtungs-

anlage auf der industriellen Anlage umge-

setzt. Hierzu wurden die abgeschiedenen

Schichten hinsichtlich Schichtaufbau, -zu-

sammensetzung und tribologischen Eigen-

schaften eingehend untersucht. Als ober-

flachenanalytische Verfahren wurden der

Kalottenschliff (Schichtdicke), die Raster-

elektronenmikroskopie (REM, Schichtmor-

phologie), der Scratch- und Impact-Test

(Haftfestigkeit), die Rontgendiffraktome-

trie (Phasenausbildung) und die Glimm-

entladungsspektroskopie (GDOES, Ele-

mentverteilung) eingesetzt. Das tribologi-

sche Verhalten wurde in einem Ball-on-disc

Tribometer untersucht. Eingesetzt wurden

hierbei Gegenkorper aus 100Cr6 (konven-

tioneller Lagerstahl) und Si3N4 (Gegen-

werkstoff im Hybridwalzlager). In einem

iterativen Vorgang wurde so zunachst die

Schichtstruktur der Referenzschicht nach-

gebildet und auf den Anwendungsfall hin

optimiert.

Das Schichtsystem CrAlN wurde eben-

falls auf einen gepulsten Magnetron Sputter

Prozess umgestellt. Als Kathoden wurden

gestopfte Targets eingesetzt, bei denen

Stopfen eines ersten Werkstoffs in einen

zweiten Werkstoff eingelassen sind. Die

Vorgehensweise zur Schichtentwicklung

war prinzipiell vergleichbar zur Ubertra-

gung des Me-DLC Schichtsystem ZrCg. Zu-

nachst wurde eine maximale Leistung be-

stimmt, die fur CrAlN bei 1750 W pro Ka-

thode liegt. Anschließend wurde der Re-

aktivgasfluss fur Stickstoff in Abhangigkeit

der Leistung in Form von Hysteresepro-

zessen ermittelt. Der Arbeitspunkt liegt bei

60 mln Stickstoff fur 1750 W pro Kathode.

Die Art der Prozessfuhrung wurde auch

hier fur die unterschiedlichen Prozessva-

rianten durch unterschiedliche Rampen im

Gasfluss oder der Kathodenleistungen be-

einflusst.

Im Rahmen der Untersuchungen wurde

auch der Einfluss der Pulsparameter Fre-

quenz und Tastverhaltnis auf die Schich-

tausbildung und die tribologischen

Schichteigenschaften untersucht. Fur die

tribologische Charakterisierung wurde

hierfur ausschließlich das Ball-on-Disc Tri-

bometer genutzt. Das Schichtsystem ZrCg,

welches fur die Beschichtung der unter-

suchten Walzlager im FE-8 Prufstand ge-

nutzt wurde, wurde mit veranderten Puls-

parametern abgeschieden und die Schich-

ten analysiert. Es zeigte sich, dass sowohl

die mechanischen Schichteigenschaften als

auch die morphologischen und strukturel-

len Schichteigenschaften wesentlich durch

die gepulsten Prozesse verandert wurden.

Dies beeinflusst auch das tribologische

Verhalten. Aus vergleichenden Ball-on-Disc

Tribometer Untersuchungen ging hervor,

dass sich eine niedrige Frequenz in Kom-

binationmit einem niedrigen Tastverhaltnis

positiv auf das tribologische Verhalten

auswirkt. Es konnte sowohl eine Reibwert-

als auch eine Verschleißwertminderung

festgestellt werden (s. Abb. 2). Die Ergeb-

nisse dieser Untersuchungen werden im

Weiteren fur die Schichtoptimierung ge-

nutzt.

2.4 Beschichtung der verschiedenenLagergeometrien

Fur die verschiedenen tribologischen Un-

tersuchungen auf dem FE8-Walzlagerpruf-

stand des Instituts fur Maschinenelemente

und- gestaltung wurden unterschiedliche

Lagertypen ausgewahlt. Das Axial-Zylin-

derrollenlager wird relativ selten in der

Praxis eingesetzt, da es aufgrund der hohen

Gleitanteile sehr verschleißanfallig ist. Fur

die tribologische Beurteilung ist es hinge-

gen sehr gut geeignet. Ebenfalls kamen

Schragkugellager zum Einsatz, die in der

Praxis deutlich haufiger Verwendung fin-

den.

Abbildung 2: Reibwerte und Verschleißwerte der gepulsten ZrCg-Varianten gegenGegenkorper aus Si3N4 und 100Cr6

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Die Ubertragung beider Schichtsysteme

auf die Axial-Zylinderrollenlager erfolgte

problemlos, da die flache Geometrie der

Lagerscheiben keine Veranderung der

Prozessbedingungen erfordert. Nach der

Reinigung der Lagerscheiben wurde char-

giert und beschichtet. Die fur die Flach-

proben entwickelten Prozesse der

Schichtsysteme CrAlN und ZrCg erwiesen

sich als zur Beschichtung der Lager geeig-

net. Zur Sicherstellung der Maßhaltigkeit

der Lagerscheiben wurde die Prozesslei-

stung geringfugig gesenkt.

Bei dem Schragkugellager stellt die In-

nenbeschichtung des Außenrings des

Schragkugellagers eine besondere Heraus-

forderung dar. Die Außenringe wurden

hochkant in einer speziellen Chargierauf-

nahme fur den Beschichtungsprozess ein-

gelegt und beschichtet. Es zeigte sich, dass

das Schichtaufwachsverhalten nicht opti-

mal auf die Geometrie der Außenlagerringe

angepasst war. Durch eine geeignete Va-

riation der Schichtarchitektur wurde eine

Reduktion anfanglich auftretender

Schichtdelaminationen erzielt. Nach einer

Optimierung des Reinigungsprozesses

konnten auch die Außenlagerringe der

Schragkugellager mit einer haftfesten Be-

schichtung versehen werden, ohne dass

nach dem Beschichtungsprozess Schicht-

delaminationen auftraten. Die Innenringe

der Schragkugellager wurden gereinigt auf

einen Dorn chargiert. Dabei lagen die Un-

terkanten bzw. Oberkanten zweier Ringe

jeweils aneinander. Das wechselseitige

Aufstecken verhindert eine Abschattung

der jeweils anderen Lagerringe an den

Ober- bzw. Unterkanten. Die Umsetzung

der Beschichtung der Lagerinnenringe ge-

lang auf diese Weise.

3 Walzlagerversuche

3.1 Prufstand und Aufbau

Die im Weiteren beschriebenen Walzla-

gerversuche wurden am FE8-Prufstand

durchgefuhrt. Das Testverfahren eignet

sich zur Untersuchung verschiedener La-

gerbauarten, wie z.B. Schragkugellager.

Wie Abbildung 3 zu entnehmen ist, werden

die Pruflinge mit Hilfe eines Tellerfeder-

pakets belastet. Das auftretende Lager-

reibmoment wird uber die Seiltrommel und

einen Kraftaufnehmer bestimmt. Mit Hilfe

dieser Testkonfiguration wird auch die

Verschleißschutzwirkung von Schmier-

stoffen in Verbindung mit Additiven in

konventionellen Lagersystemen unter-

sucht. Nahere Informationen zum Pruf-

stand konnen DIN 51819 entnommen

werden [DIN99].

Pradestiniert fur die Verschleißuntersu-

chungen sind Axial-Zylinderrollenlager, da

in den inneren und außeren Bereichen der

Lagerscheiben starker Schlupf vorliegt.

Zudem kann dieser Lagertyp mit Hilfe eines

Oberflachenmessgerats einfach vermessen

werden.

3.2 Hochlastversuche

Um die Verschleißeigenschaften der be-

schichteten Hybridlager zu untersuchen,

wurden Versuche bei hoher Last

(pHertz = 2.000MPa) und niedriger Drehzahl

(n = 7,5 min-1) durchgefuhrt. Als Pruflager

werden Axial-Zylinderrollenlager 81206

eingesetzt, deren Große entsprechend den

Wunschen der Projektmitglieder im Hin-

blick auf mogliche spatere Anwendungen

gewahlt wurde. Die Versuchslaufzeit be-

trug 80 h. Die Ergebnisse dieser Untersu-

chung sind in Abbildung 4 zu sehen.

Vor der Untersuchung beschichteter

Hybridwalzlager wurden Verschleiß-Refe-

renzversuche an geschmierten Standard-

walzlagern (EF2), geschmierten Hybrid-

walzlagern (EF1) sowie an trocken laufen-

den Hybridwalzlagern (EF3) durchgefuhrt.

Wie Abbildung 4 zu entnehmen ist, kann

der Verschleiß geschmierter konventio-

neller Lager (EF2) durch die Verwendung

von Keramikwalzkorpern (EF1) deutlich

reduziert werden. Werden Hybridwalzlager

jedoch ohne Schmierstoff betrieben (EF3),

ergibt sich ein vergleichsweise hoher Ge-

hausescheibenverschleiß von uber 60mg.

Die Versuche EF7 und EF9 sollten da-

hingehend Aufschluss geben, ob Be-

schichtungen den Verschleiß wesentlich

reduzieren konnen. Wie Abbildung 4 zeigt,

verbessert sich das Verschleißverhalten

trocken laufender Hybridlager durch diese

Maßnahme enorm. Der Verschleiß der

Walzlagerscheiben betragt im Fall von ZrCg

(EF7) weniger als 4mg und im Fall von

CrAlN (EF9) sogar weniger als 2mg. Der

Verschleiß kann somit im Vergleich zum

unbeschichteten trocken laufenden Hy-

bridwalzlager (EF3) um bis zu 95% redu-

ziert werden. Verschleiß an den Keramik-

walzkorpern konnte in beiden Fallen sogar

vollstandig vermieden werden.

Vergleicht man die Versuche EF7 und

EF9 mit dem Versuch EF2, so ist festzu-

stellen, dass der Verschleiß der beschich-

teten Hybridwalzlager sogar unterhalb dem

Abbildung 3: FE8-Prufstand und Ver-suchsbedingungen

Abbildung 4: Hochlastversuche: Verschleißubersicht, Versuchsbedingungen, Lager-scheiben aus Versuch EF2 und EF9

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von unbeschichteten, aber geschmierten

Walzlagern (EF2) liegt. Hierbei muss jedoch

berucksichtigt werden, dass das verwen-

dete FVA3-Ol keine vor Verschleiß schut-

zende Additivierung besitzt, die ebenfalls

den Verschleiß stark reduziert.

Auch die Darstellungen der Lagerschei-

ben aus den Versuchen EF2 und EF9

(Abbildung 4) und EF7 (Abbildung 5) zei-

gen, dass der Adhasionsverschleiß durch

die eingesetzten Beschichtungen deutlich

reduziert werden konnte.

3.3 Nahere Untersuchungen derWalzlager

Nahere Untersuchungen der beschichteten

Hybridlager mit Hilfe von REM- sowie EDX-

Analysen (Energiedispersive Rontgenspek-

troskopie) wurden unter anderem an einer

ZrCg-beschichteten Lagerscheibe vorge-

nommen.

Wie Abbildung 5 (links oben) zeigt, tritt

bei der ZrCg-beschichteten Lagerscheibe

vornehmlich Verschleiß in den schlupfkri-

tischen Bereichen auf. Aber auch in der

Mitte der Laufbahn sind teils Oberflachen-

schaden zu erkennen. (vgl. mit

Abbildung 5). Die REM-Bilder zeigen zwei

farblich zu unterscheidende Bereiche. Mit

Hilfe der EDX-Analyse konnte nachgewie-

sen werden, dass Zirkon Hauptbestandteil

dieser oberflachennahen Bereiche ist. Eisen

konnte dem entgegen nur in geringen

Mengen nachgewiesen werden. Aus die-

sem Grund ist die Beschichtung ihrer Be-

stimmung nachgekommen, die Kontakt-

partner vor Verschleiß zu schutzen.

3.4 Reibwerte beschichteterHybridwalzlager

Neben der Untersuchung der Verschleiß-

eigenschaften stehen die Reibungseigen-

schaften im Mittelpunkt der Betrachtungen

des AIF-Projekts. Das Reibmoment trocken

laufender Walzlager ist, wie oben be-

schrieben, von großer Bedeutung fur den

praktischen Einsatz der beschichteten Hy-

bridwalzlager. Ein hohes Reibmoment in

Kombination mit der verschlechterten

Warmeabfuhr trocken laufender Lager

(Wegfall der Olkuhlung), wurde dazu fuh-

ren, dass das Lager bzw. der Kafig oder die

umgebenden Bauteile die jeweils zulassi-

gen Temperaturen uberschreiten. Zudem

resultiert aus einem hohen Reibmoment

eine hohe Antriebsleistung, die aus oko-

nomischer und okologischer Sicht nicht

erwunscht ist.

Abbildung 6 zeigt den Verlauf des Reib-

moments fur die durchgefuhrten Hoch-

lastversuche (vgl. auch mit Abbildung 4).

Die Reibwerte der trocken laufenden Hy-

bridwalzlager – unabhangig davon, ob die

Lager beschichtet oder unbeschichtet sind

– liegen hoher als die der geschmierten

konventionellen Lager. Im Vergleich zum

unbeschichteten trocken laufenden Hy-

bridwalzlager kann die Reibung mit Hilfe

einer Beschichtung jedoch wirksam redu-

ziert werden. Das Reibmoment liegt bei

dem ZrCg-beschichteten Lager bei ungefahr

10 Nm und damit weit unterhalb des

Wertes des trocken laufenden, unbe-

schichteten Hybridwalzlagers mit einem

Reibmoment in Hohe von 25 Nm.

3.5 Schnelllaufversuche

Neben der Eignung fur hohe Belastungen

war, wie oben angesprochen, auch die

Abbildung 5: REM- und EDX-Analysen der Lagerscheiben aus Versuch EF7

Abbildung 6: Reibmoment MR in Nm fur verschiedene Hochlastversuche

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Eignung fur hohe Drehzahlen zu untersu-

chen. Diese Untersuchungen wurden

ebenfalls an Axial-Zylinderrollenlagern

durchgefuhrt. Die Belastung betrug

2000 MPa und die Lagerdrehzahl 750 min-1.

Als außerst problematisch stellte sich der

Versuch mit unbeschichteten Hybridwalz-

lagern heraus, da es hier zu einer sehr

starken Warmeentwicklung und einem

starken Reibmomentanstieg nach kurzer

Zeit kam. Auf Grund der starken mecha-

nischen und thermischen Belastung kam es

bereits nach sehr kurzer Zeit zu einem

Versagen des Kafigs und damit zu einem

Ende der Gebrauchsdauer.

Ebenfalls untersucht wurden Me-DLC-

beschichtete Axialzylinderrollenlager (u. a.

ZrCg) und solche mit einer CrAlN-Be-

schichtung. Die besten Laufeigenschaften

wiesen die kohlenstoffhaltigen PVD-Be-

schichtungen auf (Me-DLC-Schichten),

durch die die Laufzeit der Lager im Ver-

gleich zum unbeschichteten Hybridwalz-

lager um ein Vielfaches verlangert werden

konnte. Dennoch ist die Gebrauchsdauer

der Axialzylinderrollenlager bei diesen

Randbedingungen mit unter 1 h ver-

gleichsweise gering. Es lasst sich jedoch

festhalten, dass kohlenstoffhaltige PVD-

Beschichtungen besser fur den Trockenlauf

bei hohen Drehzahlen geeignet scheinen.

Ein Grund hierfur liegt in den geringeren

Reibwerten. Diese waren bei diesen

Schichtsystemen im Versuch zudem uber

einen langeren Zeitraum konstant.

3.6 Kennfeldversuche

Die Ergebnisse der Schnelllaufversuche

machten deutlich, dass die Vorausbestim-

mung des Reibmoments bzw. der sich

einstellenden Temperatur zur Auslegung

eines trocken laufenden Lagers von großer

Bedeutung ist. So genannte Kennfeldver-

suche sollten zur Bestimmung des Reib-

moments trocken laufender Walzlager und

zur Ableitung von Naherungsformeln zur

Reibmomentberechnung dienen. In diesen

Versuchen wurde sowohl die Drehzahl als

auch die Lagerbelastung variiert, um die

Einflusse dieser Großen auf das Reibmo-

ment zu ermitteln.

Versuche an Axialzylinderrollenlagern

zeigten, dass das Reibmoment des Walzla-

gers unabhangig von der vorgegebenen

Drehzahl ist. Andere Versuche wurden an

Schragkugellagern durchgefuhrt, wobei

auch hier auf den Prufstand aus Abbildung

3 zuruckgegriffen wurde. In Abbildung 7 ist

der Verlauf des Reibmoments der ZrCg-be-

schichteten Hybrid-Schragkugellager bei

einer Belastung in Hohe von 1500 MPa und

verschiedenen Drehzahlen (75, 150 und

300 min-1) dargestellt.

Wie Abbildung 7 entnommen werden

kann, ist kein Einfluss der Drehzahl auf das

Reibmoment zu beobachten. Versuche an

Axialzylinderrollenlagern zeigen zudem,

dass fur diesen Lagertyp eine nahezu pro-

portionale Beziehung zwischen der Lager-

belastung und dem Reibmoment besteht.

Zur Uberfuhrung dieser Beobachtung in

einen Berechnungsansatz wurde auf Reib-

moment-Naherungsformeln der Firma SKF

zuruckgegriffen [SKF04]. Werden die An-

teile aus Stromungs-, Plansch-, Spritzverlu-

sten sowie das Rollreibmoment auf Grund

des fehlenden Schmierstoffs zu Null ge-

setzt, ergeben sich die unten stehenden

Naherungsformeln (1) und (2) fur tro-

ckenlaufende Axialzylinderrollenlager bzw.

Schragkugellager der verwendeten Bau-

große. In den abgebildeten Formeln sind

alle Werte bis auf den Faktor lsl durch die

außeren Abmessungen sowie die Belastung

vorgegeben. Der Gleitreibwert lsl stellteine Große dar, durch die der Einfluss der

Beschichtung auf das Reibmoment der

Walzlager beschrieben wird.

Nachdem im Laufe des Projekts ver-

schiedene Versuche bei hohen und nied-

rigeren Lasten, sowie Axial-Zylinderrollen-

lagern und Schragkugellagern durchge-

fuhrt wurden, lasst sich festhalten, dass der

Gleitreibwert bei allen Versuchen im Be-

reich zwischen 0,2 und 0,34 lag. Die ge-

mittelte Gleitreibungszahl fur die Kontakt-

paarung ZrCg/Si3N4 uber alle Versuche

betragt in etwa 0,22. Da die Werte recht

nahe beisammen liegen, ist es mit Hilfe der

ermittelten Gleitreibungszahl moglich, fur

andere Betriebszustande und Lagertypen

das Reibmoment grob abzuschatzen. Hier-

uber kann die zugefuhrte Warmemenge

berechnet werden. Da die Temperaturdif-

ferenz zwischen Lager und Umgebung na-

herungsweise linear in die abgefuhrte

Warmemenge eingeht [vgl. mit BRA95],

kann die sich im stationaren Zustand ein-

Abbildung 7: Kennfeldversuch, Reibmomentmessung beim Einsatz von Schragkugellagern und verschiedenen Drehzahlen

Axialzylinderrollenlager Schragkugellager

MReib � S1 � dm0,62 � Fa � lsl (1) MReib � S1 � dm0,26 � S2 � Fa4/3 � lsl (2)

VIP R&D

Vakuum in Forschung und Praxis 19 (2007) Nr. 212 www.vip-journal.de � 2007 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

stellende Lagertemperatur durch Gleich-

setzen mit der zugefuhrten Warmemenge

und entsprechendes Auflosen bestimmt

werden.

4 Zusammenfassung und Fazit

Untersuchungen an Hybridlagern zeigen,

dass PVD-Beschichtungen in der Lage sind,

den Verschleiß im Trockenlauf sehr stark zu

reduzieren. Auch das Reibmoment lasst

sich durch diese Maßnahme wirkungsvoll

mindern. Somit erfullt die Beschichtung die

ihr zugedachten Aufgaben der Reib- und

Verschleißminderung. Zudem konnte ge-

zeigt werden, dass das Reibmoment nahezu

unabhangig von der gewahlten Drehzahl ist

und im Falle des Axialzylinderrollenlagers

das Moment proportional mit der Lager-

belastung ansteigt. Uber die sich aus dem

Lagerreibmoment und der Drehzahl erge-

benden zugefuhrten Warmemenge kann

die sich einstellende Lagertemperatur grob

vorhergesagt oder auf umgekehrtem Weg

eine thermische Drehzahlgrenze bestimmt

werden.

Weitere Forschungsaktivitaten sollen

dahingehend erfolgen, die Eignung der

Beschichtungen fur hohe Uberrollungs-

zahlen bzw. hohe Geschwindigkeiten zu

verbessern und die Gebrauchsdauer der

beschichteten trocken laufenden Hybrid-

walzlager fur verschiedene Einsatzfalle be-

rechenbar zu machen.

Literatur

[1] [BEW04] Bewilogua, K.; Wittorf, R.; Thom-sen, H.; Weber, M.: DLC based coatings pre-pared by reactive d.c. magnetron sputtering,Thin solid films 447-448 (2004) 142-147

[2] [BRA95] Brandlein; Eschmann; Hasbargen;Weigand: Die Walzlagerpraxis, VereinigteFachverlage, Mainz, 1995

[3] [DIN99] Mechanisch-dynamische Prufungauf dem Walzlagerschmierstoff-PrufgeratFE8, Beuth Verlag, Berlin, 1999

[4] [GOL05] Gold, P.W.; Loos, J.; Kuhn, M.: ATK2005 – Antriebstechnisches Kolloquium inAachen: Leistungsfahiger Verschleißschutzdurch PVD-Beschichtungen fur umweltver-tragliche Walzlager; ISBN 3-86130-417-1; S.183-210

[5] [MEE05] Meerkamm, H.; Seitz, A.; Muller, A.;Steinmann, M.; Tremmel, S.;

[6] Beanspruchungsgerechte Auslegung vonBeschichtungen fur die Antriebstechnik;EFDS Workshop: Hochleistungsbeschichtun-gen fur die Antriebstechnik. Frankfurt amMain, 2005

[7] [MEY93][8] Meyer, Klaus; Kloß, Heinz: Reibung und

Verschleiß geschmierter Reibsysteme, ExpertVerlag, Ehningen, 1993

[9] [MUM00] Mumme, F.; Hortig, D.: Potentialemoderner PVD-Beschichtungen; Material-wissenschaft und Werkstofftechnik, 31(2000) 979-988

[10] [POP99] Popp, M.; Sternagel, R.; Pfeiffer, W.;Blug, B.; Meier, S.; Wotting, G.; Frasseck:Hybrid- and Ceramic Rollng Bearings withmodified Surface and low Friction RollingContact, Euromat 99, Vol. 4, MicrostructuralInvestigation and Analysis, Wiley Europe

[11] [SKF04] SKF-Hauptkatalog, 2004[12] [STE01] Sternagel, R.; Kreuser, J.: Hybrid- und

Keramikwalzlager fur extreme Beanspru-chungen; Tribologie und Schmierungstech-nik, 2001

[13] [STE02][14] Steinmann, Detlef; KeramischeWerkstoffe in

Walzlageranwendungen, Konstruktion, 2002[15] [WAL04]WalkowiakW.; Precht, W.: Influence

of tribological conditions on the dry frictionmechanism of PVD Zr-C:H hard coatings,;Journal of Materials Processing Technology,157-158 (2004) 451-455

Danksagung

Die Autoren bedanken sich fur die finanzielle

Unterstutzung im Rahmen des Projektes „Rei-

bungsmindernde PVD-Schichten fur trocken-

laufende Hybridwalzlager“ (Nr. 13649/N1), das

aus Haushaltsmitteln des BMWA uber die AiF

„Otto vonGuericke“ gefordert worden ist und fur

die Unterstutzung seitens ihrer industriellen

Projektpartner (CemeCon AG, Cerobear GmbH,

CSEM Instruments, Harmonic Drive AG, Oerlikon

Leybold Vacuum GmbH).

Autoren

Prof. Dr.-Ing. Kirsten Bobzin, Jahrgang 1967,

studierte an der TU Munchen und der RWTH

Aachen Maschinenwesen. Nach langjahriger Ar-

beit am Lehr- und Forschungsgebiet Werkstoff-

wissenschaften ubernahm sie die Professur am

Lehrstuhl fur Oberflachentechnik an der RWTH

Aachen.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Peter W. Gold, Jahrgang 1942,

studierte im Anschluss an eine Betriebsschlos-

serlehre und einer Ausbildung zum technischen

Zeichner zunachst Konstruktionstechnik in

Wuppertal und anschließend Fertigungstechnik

an der RWTH Aachen. Nach langjahriger Arbeit

am Laboratorium fur Werkzeugmaschinen und

Betriebslehre (WZL) wechselte er in die Indus-

trie, wo er im Bereich der Getriebeherstellung als

Geschaftsfuhrer zweier Firmen tatig war. Seit

1992 leitet Prof. Gold den Lehrstuhl fur Ma-

schinenelemente und Maschinengestaltung an

der RWTH Aachen.

Dr.-Ing. J. Loos, Jahrgang 1972, studierte von1991

bis 1996 Turbomaschinen an der RWTH Aachen.

Seit 1996 ist er am IME als wissenschaftlicher

Mitarbeiter tatig und promovierte 2001 bei Prof.

Gold mit dem Thema „Leistungsfahige Walzlager

fur umweltvertragliche Schmierstoffe durch

PVD-Verschleißschutzschichten“. Seit Februar

2002 ist er als Oberingenieur am Institut fur

Maschinenelemente und Maschinengestaltung

und zustandig fur die Bereiche Maschinenele-

mente, Antriebstechnik und Tribologie.

Dipl.-Ing. Michael Plogmann, Jahrgang 1977,

studierte im Anschluss an eine Ausbildung zum

Industriemechaniker von 2000 bis 2005 Ma-

schinenbau mit der Vertiefungsrichtung „Kon-

struktion und Entwicklung“ an der RWTH Aa-

chen. Seit 2005 ist er als wissenschaftlicher

Mitarbeiter am Institut fur Maschinenelemente

und zustandig fur die Arbeitsbereiche Tribologie

von Schmierstoffen und Walzlagern.

Dr.-Ing. Reimo Nickel, Jahrgang 1971, studierte

zunachst an der TU Berlin Maschinenbau (1991-

1994) und anschließend physikalische Inge-

nieurs-wissenschaften (1994-1999). Nach seinem

Diplomabschluss arbeitete er als wissenschaftli-

cher Mitarbeiter im Bereich Civil Engineering

Offshore Technology an der TU Delft (1999-

2001). Seit 2001 ist er fur das Institut fur Ober-

flachentechnik tatig und promovierte im Jahr

2006. Im Januar 2006 ubernahm er die Tatigkeit

des Oberingenieurs am Institut.

Dipl.-Ing. Nazlim Bagcivan, Jahrgang 1974,

studierte von 1995 bis 2003 Maschinenbau mit

dem Schwerpunkt „Luft- und Raumfahrttechnik“

an der RWTH Aachen. Er ist seit 2003 am Institut

fur Oberflachentechnik als wissenschaftlicher

Mitarbeiter angestellt und betreut als Gruppen-

leiter den Bereich der PVD Bauteilbeschichtung.

Dipl.-Ing. Anika Kramer, Jahrgang 1977, stu-

dierte von 1996 bis 2003 Maschinenbau mit der

Vertiefungsrichtung „Produktionstechnik fur

Mikrosysteme“ an der RWTH Aachen. Seit 2003

ist sie als wissenschaftliche Mitarbeiterin am In-

stitut fur Oberflachentechnik tatig.

Kontakt:

Institut fur Oberflachentechnik

Augustinerbach 4-22

52062 Aachen