Konstruktives Element

Werkstoffe

Beschichtung – Eine Beschichtung senkt nicht nur den Verschleiß, sie ist auch ein Konstruktionselement zur Optimierung von Bauteilen. Dies macht sich ZF Friedrichshafen mit einer Multifunktionsschicht von Oerlikon Balzers zunutze.

22. September 2012

Die Anforderungen im Fahrzeugbau steigen und da macht die Herstellung von Landmaschinen keine Ausnahme. Auch hier sind Schnelligkeit, Kostenreduktion und Produktivität die entscheidenden Faktoren. Ein gutes Beispiel dafür ist die Weiterentwicklung des Getriebes S-Matic 240 der ZF Friedrichshafen AG am Standort Passau. Das Planetengetriebe arbeitet stufenlos, der Fahrer kann sich ohne Kuppeln und Schalten auf seine eigentlichen Aufgaben konzentrieren. Zudem sinkt der Zeitaufwand für traktorgestützte Arbeiten zugunsten von mehr Produktivität. »Fast alle namhaften Traktorenhersteller setzen darum unsere Stufenlos-Technologie ein«, sagt Andreas Haslinger, Teamleiter Applikationsentwicklung CVT bei ZF in Passau.

Auf dem Wunschzettel der Kunden stehen ihm zufolge immer kompaktere Schlepper mit wachsender Leistungsdichte. So stand ZF im Zuge des Aufbaus höherer Leistungsklassen vor der Aufgabe, das S-Matic-240-Getriebe an die zunehmenden Belastungen anzupassen. Angesichts klarer Vorgaben hatten die Konstrukteure harte wirtschaftliche Aufgaben zu bewältigen: Es galt, höher beanspruchte Bauteile zu verstärken, der verfügbare Bauraum musste aber gleichbleiben. Eine Neukonstruktion schied von vornherein aus, dafür war die Zeit zu knapp.

Beschichtung hilft beim Bolzen

Nach eingehender Analyse entschieden sich die Ingenieure, den Planetenbolzen als eines der am stärksten belasteten Bauteile zu beschichten. Dies versprach im vorliegenden Rahmen auch wirtschaftlich den größten Erfolg und sparte Entwicklungskosten. Nach intensiven Tests mit Beschichtungen des ausgewählten Partners Oerlikon Balzers erwies sich die metallfreie Kohlenstoffschicht Balint DLC Star als beste Wahl.

Sie besteht aus einer widerstandsfähigen Chromnitridbasis mit darüber liegendem, tribologisch wirksamem Kohlenstoff. Diese Kombination minimiert Reibwert sowie adhäsiven Verschleiß und die Bildung von Graufleckigkeit und Pitting. Die Multifunktionsschicht ermöglichte dadurch die geforderte Steigerung der Getriebeeingangsleistung um rund 33 Prozent von 180 auf 240 PS und des Eingangsdrehmoments von 756 auf 960 Newtonmeter. So war gewährleistet, die ZF-Vorgaben in Bezug auf die Lebensdauer einhalten zu können.

Beschichtung hilft beim Rad

Auch das Planetenrad wurde beschichtet und zwar mit der bewährten metallhaltigen Kohlenstoffschicht Balint C. Auf Vorschlag der Beschichtungsexperten von Oerlikon Balzers wählten die ZF-Entwickler zudem einen alternativen, beschichtungsgerechten Werkstoff für den Planetenbolzen aus: Sie ersetzten den Lagerstahl 100Cr6 durch den Nitrierstahl 30CrMoV9. Damit ergab sich ein optimales Gesamtsystem in Bezug auf Werkstoff, Oberfläche und Beschichtung des Bauteils. »Die Beschichtung ist hier durchaus als konstruktives Element zu begreifen«, so das Resümee von Andreas Haslinger. mk z

Auf einen Blick

Schichteigenschaften Balint DLC Star:

-Schichtmaterial: CrN + a-C:H

-Mikrohärte (HV 0,05): > 2.000

-Maximale Anwendungstemperatur: 350 °C

-Reibwert: 0,1 – 0,2

-Schichtfarbe: schwarz

»Ziel ist das optimale System«

Beschichtungs- und Applikationsexperte Sascha Hessel von Oerlikon Balzers zu den Trends des Beschichtungseinsatzes im Maschinenbau und den Chancen für Konstrukteure.

Herr Hessel, was erwarten Konstrukteure im Maschinenbau heute von Beschichtern?

Sie erwarten nicht nur eine Schicht aus dem Prospekt heraus, sondern darüber hinaus zum Beispiel auch aussagekräftige Kennwerte zur Schichtleistung in der jeweiligen Anwendung wie Kennzahlen zur Tragfähigkeit bei Getriebekomponenten, Reibwerte bei Gleitlagern oder Wärmeausdehnungskoeffizienten. Wenn uns diese applikationsbezogenen Kennwerte nicht vorliegen, ermitteln wir sie in Kooperation mit Instituten.

Heißt das auch, dass Sie schon in der Entwicklungsphase eingebunden werden?

Ja, unser Ziel ist immer, gemeinsam mit dem Kunden ein funktionierendes System zu entwickeln. Wenn wir frühzeitig angesprochen werden, können wir das gesamte tribologische System exakt auf die Entwicklung unserer Beschichtung zuschneiden. Dazu zählen Oberflächenrauheiten, Traganteile, Bauteilwerkstoffe sowie Wärmebehandlung für Grund- und Gegenkörper. Ferner sind eingesetzte Schmierstoffe und Additive zu berücksichtigen.

Welcher Nutzen lässt sich so erzielen?

Zum Beispiel höhere Leistung und Lebensdauer bei kleineren Abmessungen von Bauteilen oder Baugruppen, Substitution teurer Werkstoffe, längere Wartungsintervalle und höhere Standzeiten, umweltschonender Betrieb mit gering additivierten Schmiermitteln bzw. Mineralölen oder auch weniger System- und Betriebskosten. Unser Projekt mit ZF ist ein schönes Beispiel dafür, wie wir gemeinsam das passende Material, die zugehörige Wärmebehandlung und die stimmige Oberfläche zur leistungsgerechten Beschichtung gefunden haben. Auch Entwickler von Gleitlagern, Pumpen und vor allem stationären Großdieselaggregaten nutzen zunehmend unser Know-how und das große Potenzial von Beschichtungen als konstruktives Element.

Erschienen in Ausgabe: 07/2012