Aufgabenstellung

Zusammen mit dem Lehrstuhl für keramische Werkstoffe der Universität Bayreuth (CME) wurden im Rahmen des Projektes keramische Beschichtungen auf Basis präkeramischer Polymere für den Verschleißschutz von Stahlbauteilen entwickelt. Am bayerischen Laserzentrum wurde anstelle der konventionellen Ofenpyrolyse der Prozess der Laserpyrolyse eingesetzt. Im Gegensatz zur Pyrolyse im Ofen können mit einem Laserstrahl ausgewählte Bauteilbereiche selektiv mit verschleißfesten, keramischen Schichten versehen werden.

Vorgehensweise

Unter Verwendung der PDC- (PDC – polymer derived ceramic bzw. polymer-abgeleitete Keramik) und der Sol-Gel-Technologie wurden polymerbasierte Schichtsysteme mit funktionalen Füllstoffen, wie z.B. ZrO₂, mittels Laserpyrolyse in eine Keramik umgewandelt. Für die Laserpyrolyse wurde ein Nd:YVO₄‑Lasersystem mit einer Wellenlänge von 1064 nm eingesetzt.

Ergebnisse

ZrO₂-gefüllte Sol-Gel-Schichten auf Stahlsubstraten wurden mittels Laserpyrolyse in dichte, kristalline Keramikschichten (Abb. 1) mit einer Schichtdicke zwischen 20 und 50 µm umgewandelt, in Abhängigkeit von der Schichtdicke der Sol-Gel-Grünschichten. Die Schichten weisen eine Mikrohärte von 1200 HV auf. Konventionell hergestelltes ZrO₂ besitzt eine Härte von ca. 1200 – 1400 HV. Die Haftfestigkeit liegt bei 22 MPa. Für laserpyrolysierte, mit ZrO₂-gefüllte PDC-Schichten auf Stahl liegt die erzielte Schichtdicke zwischen 15 und 20 µm. Die Schichten besitzen eine hohe Mikrohärte von über 2000 HV und eine Haftfestigkeiten über 30 MPa. Sowohl die PDC- als auch die Sol-Gel-basierten ZrO₂-Keramikschichten weisen im Stift-Scheibe-Tribotest gegen Stahl einen niedrigen Reibzahlwert von 0,18 auf. Dieser Wert und die hohe Härte der Schichten zeigen das hohe Potential für den Verschleißschutz.