Ein starkes Duo – Diamant und Keramik

Diamant ist ein Material mit herausragenden Eigenschaften: Er ist ausgesprochen hart, leitet Wärme gut und chemische Substanzen können ihm nichts anhaben. Keramik – insbesondere Hochleistungskeramik – kann ebenfalls mit besonderen Qualitäten aufwarten: Sie ist robust und hält extremen Temperaturen stand.

Wissenschaftlern aus vier Fraunhofer-Instituten ist es gemeinsam mit Partnern aus der Industrie gelungen, einen neuen Werkstoffverbund herzustellen und für Anwendungen nutzbar zu machen. Der Werkstoffverbund »Diamantbeschichtete Keramik DiaCer®« vereint in sich das Beste von beiden Materialien. Überall dort wo Bauteile und Werkzeuge stark beansprucht werden, etwa in Pumpen oder bei Umformwerkzeugen, bietet DiaCer® maximalen Verschleißschutz gepaart mit niedrigen Reibwerten. Das interdisziplinäre Team wird mit dem Wissenschaftspreis des Stifterverbands ausgezeichnet.

Basis ist eine Siliziumnitrid oder -carbidkeramik, die von Forschern des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden für die Beschichtung mit Diamant modifiziert wurde. Deren Aufgabe war es herauszufinden, wie die Keramik beschaffen sein muss, damit die Diamantschicht fest und gleichmäßig auf dem Grundkörper haftet. Das ist ausschlaggebend für die Lebensdauer. Wesentliche Erkenntnisse dazu lieferten die Material- und Bauteil-Simulationen der Kollegen vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg sowie die Beiträge zur Bearbeitung der Keramiken der Kollegen vom Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK in Berlin.

»Wir wiederum haben an der Beschichtung gearbeitet und die Anlagen konzipiert«, sagt Projektkoordinator Dr. Lothar Schäfer vom Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST in Braunschweig. Für die zu Grunde liegende Heißdraht-CVD-Beschichtungstechnologie werden Bauteile und Werkzeuge zunächst in einen Vakuumbehälter gelegt. Anschließend führen die Forscher Methan und Wasserstoff zu. Damit die Diamantschicht wächst, sind im Abstand von einigen Zentimetern über den zu beschichtenden Objekten Drähte gespannt. Sie werden bis zur Weißglut erhitzt. Dadurch wird das Gas aktiviert, Kohlenstoff lagert sich auf der Oberfläche in der kristallinen Diamantform ab. »Mit unserem Verfahren können wir eine bis zu einem halben Quadratmeter große Diamantschicht aufbringen«, so Schäfer. »Das ist weltweit einzigartig«.

Zwei Beispiele zeigen die Vorteile: Bei Gleitringdichtungen, die von EagleBurgmann Germany für kritische Umfelder wie dem Fördern von Öl-, Sand- und Gasgemischen eingesetzt werden, verlängert die Diamantbeschichtung die Standzeit je nach Anwendung um den Faktor 4 bis 1000. Ziehsteine sind ein Umformwerkzeug für das Herstellen von Drähten. Besonderheit hier: die Innenbeschichtung, die durch eine Modifikation des Verfahrens möglich ist. So wurden Ziehsteine für unterschiedliche Durchmesser beschichtet, um auch sehr dicke Drähte und nichtkreisförmige Drahtquerschnitte zu realisieren. Die Test-Werkzeuge, die zum Beispiel in der Produktion bei den Drahtwerken Elisental eingesetzt wurden, waren selbst nach der Produktion vieler Tonnen Draht kaum verschlissen.

Gleitringdichtungen für Pumpen werden inzwischen von der Condias GmbH mit Diamant beschichtet und von EagleBurgmann in verschiedenen schwierigen Einsatzbereichen vermarktet. Viele weitere Anwendungen sind denkbar. »Letztlich ist DiaCer für alle Komponenten im Maschinenbau interessant, die einen hohen Verschleißschutz benötigen«, fasst Schäfer zusammen.

Die Projekt-Partner:

– Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST

– Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

– Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS

– Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

– EagleBurgmann Germany GmbH & Co. KG

– Ceram Tec AG

– Condias GmbH

– Drahtwerk Elisental W. Erdmann GmbH & Co.

– Drahtzug Stein GmbH & Co. KG

– H.C. Starck Ceramics GmbH & Co. KG

– KSB AG