Wissenschaftspreis:
Forschung im Verbund

© Fraunhofer-Gesellschaft 2010

Thema: 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 be-
ansprucht werden, etwa in Pumpen oder bei Umformwerkzeugen, bietet DiaCer®
maximalen Verschleißschutz gepaart mit niedrigen Reibwerten.

Basis ist eine Siliziumnitrid oder -carbidkeramik, die von Forschern des Fraun-
hofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden für
die Beschichtung mit Diamant modifiziert wurde. Deren Aufgabe war es heraus-
zufinden, 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 konzi-
piert", 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. Anschlie-
ßend 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 Eagle-
Burgmann 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 be-
schichtet, um auch sehr dicke Drähte und nichtkreisförmige Drahtquer-
schnitte zu realisieren. Die Test-Werkzeuge, die zum Beispiel in der Pro-
duktion 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 schwie-
rigen Einsatzbereichen vermarktet. Viele weitere Anwendungen sind denkbar.
"Letztlich ist DiaCer für alle Komponenten im Maschinenbau interessant, die
einen hohen Verschleißschutz benötigen", fasst Schäfer zusammen.