17.06.2026
Technologien
Bei der Verarbeitung von glühend heißem Stahl oder der Fertigung endkonturnaher Präzisionsbauteile aus Hochtemperaturwerkstoffen sind Werkzeuge hohen Belastungen ausgesetzt. Temperaturen, Verschleiß und aggressive Medien beeinflussen ihre Lebensdauer erheblich. Moderne Oberflächentechnologien können dazu beitragen, Produktionsprozesse effizienter, wirtschaftlicher und ressourcenschonender zu gestalten. Das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST baut in diesem Bereich seine Möglichkeiten aus. Mit einer erweiterten Infrastruktur kann das Institut die Prozesskette zur Entwicklung boridischer Hochleistungsoberflächen nun vollständig am eigenen Standort abbilden.
Für industrielle Projektpartner und Auftraggeber lassen sich damit alle relevante Prozessschritte integriert und unter anwendungsnahen Bedingungen entwickeln und erproben. Dazu gehören thermochemische Diffusionsbehandlungen, Beschichtungstechnologien sowie Hochtemperaturtests unter realitätsnahen Bedingungen.
Modernisierte PACVD-Anlage erweitert Beschichtungsmöglichkeiten
Ein zentraler Bestandteil der erweiterten Infrastruktur ist eine modernisierte PACVD-Anlage, die bis Mitte des Jahres wieder in Betrieb genommen werden soll. Die Anlage wurde unter anderem mit einer neuen Steuerung ausgestattet; auch Visualisierung und Datenerfassung wurden aktualisiert.
Das integrierte Präkursorsystem wurde erweitert und ermöglicht die Entwicklung von Mehrkomponenten-Beschichtungen, etwa Nanokomposit-Schichten auf Basis von Titan, Silizium, Bor, Kohlenstoff und Stickstoff (Ti-Si-B-C-N). Diese Schichten weisen eine hohe Härte sowie thermische Stabilität und Oxidationsbeständigkeit bis etwa 900 °C auf.
Die Beschichtung erfolgt bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen von etwa 520 bis 540 °C. Dadurch können auch komplex geformte Bauteile gleichmäßig beschichtet werden. Zur Verbesserung der mechanischen Stabilität lassen sich Beschichtungsprozesse mit vorgelagerten Behandlungsschritten kombinieren, zum Beispiel in Duplex-Verfahren. Dabei wird im Randbereich zunächst eine Difusionszone erzeugt, die den Übergang zwischen Substrat und Beschichtung unterstützt.
Gasphasenborieren für kontrollierte Diffusionsprozesse
Am Standort steht außerdem eine neu entwickelte Gasborieranlage zur Verfügung. Mit ihr lassen sich Bor-Diffusionsprozesse aus der Gasphase entwickeln und optimieren. Dabei wird Bortrichlorid (BCl3) bei Temperaturen von bis zu 1050 °C eingesetzt.
Gegenüber feststoff- oder pastenbasierten Verfahren bietet das Gasphasenborieren eine genauere Prozesssteuerung. Die Boraktivität und das Schichtwachstum können über die Gaszusammensetzung sowie die definierte Zugabe von Wasserstoff und Stickstoff eingestellt werden. Dies erlaubt eine sehr genaue Prozessführung und erhöht die Reproduzierbarkeit. Da keine Plasmaanregung erforderlich ist, bleibt die Anlagentechnik vergleichsweise einfach.
Die entstehenden Diffusionsschichten weisen eine gute Werkstoffanbindung und tribologische Eigenschaften bei hohen Temperaturen auf. In technischen Anwendungen kann dies dazu beitragen, Verschleiß zu verringern und Wartungsintervalle oder Werkzeugwechsel zu reduzieren.
Bei Stahlwerkstoffen werden nach dem Borierprozess durch Härten und Anlassen die mechanischen Eigenschaften des Grundwerkstoffs eingestellt. Durch Phasenumwandlungen können zusätzliche Härtesteigerungen erreicht werden. Bei Nickelbasiswerkstoffen lassen sich Wärmebehandlungsschritte zum Ausscheidungshärten in den Behandlungsprozess integrieren, sodass ein separates Nachhärten nicht erforderlich ist. Auch weitere Werkstoffklassen wie CoCrMo- oder Mo-Legierungen können gasboriert werden.
Trockenes Elektropolieren als ergänzender Prozessschritt
Die Prozesskette kann bei Bedarf um trockenes Elektropolieren ergänzt werden. Das Verfahren dient der Hochglanzpolitur oder der gezielten Einstellung der Oberflächentopografie. Es eignet sich sowohl für komplexe Geometrien vor einer weiteren Oberflächenbehandlung als auch für das Finish bereits aufgebrachter Schichten.
Abhängig von Werkstoff und Ausgangszustand lassen sich Oberflächengüten bis in den Bereich von Rz ≤ 0,5 µm erreichen. Zum Einsatz kommt ein trockenes Elektrolytgranulat mit geringer Säurebeladung. Gegenüber klassischen nasschemischen Verfahren ermöglicht dies eine besser automatisierbare Prozessführung, einen geringen Materialabtrag und eine reduzierte Umweltbelastung.
Hochtemperaturtests unter realitätsnahen Einsatzbedingungen
Ein weiterer Bestandteil der erweiterten Prozesskette ist ein neuer Vakuumhochtemperaturofen. Er ermöglicht Untersuchungen bei Temperaturen bis 1600 °C und Drücken unter 10-5 mbar. Tests können zudem in definierten Atmosphären durchgeführt werden, etwa unter Wasserstoff oder Schutzgasgemischen.
Ergänzend steht ein Hochtemperaturtribometer zur Verfügung. Damit lässt sich das tribologische Verhalten von Werkstoffen, Beschichtungen und Diffusionsschichten bei Temperaturen bis 1000 °C untersuchen. Ermittelt werden unter anderem Reibwerte und Verschleißspuren.
Auf diese Weise können Werkstoffe, Beschichtungen und Diffusionsschichten unter anwendungsnahen Bedingungen bewertet werden, bevor entsprechende Bauteile in die Produktion überführt werden.
Industrielle Anwendungen und weitere Entwicklungsfelder
Verbesserte Oberflächeneigenschaften können in verschiedenen industriellen Anwendungen zur Effizienzsteigerung beitragen. Beispielsweise lassen sich Schmiedewerkzeuge in der Warmmassivumformung länger einsetzen. Beim Strangpressen von Kupfer können Materialadhäsion und Ausschuss reduziert werden. Weitere Einsatzbereiche liegen unter anderem in der Herstellung von Aluminiumbauteilen, in der Biegeumformung von Edelstahl sowie in der Fertigung präziser Armaturen und Ventile.
Mit der neuen Infrastruktur erweitert das Fraunhofer IST zugleich seine Forschungs- und Entwicklungsmöglichkeiten. Neue gasförmige Ausgangsstoffe ermöglichen die Entwicklung weiterer Nanokomposit-Schichten, etwa in kohlenstofffreien quaternären Systemen wie Ti-Si-B-N. Ergänzend baut das Institut seine Kompetenzen in der elektrochemischen Charakterisierung aus, um das Korrosionsverhalten von Oberflächen frühzeitig bewerten und gezielt anpassen zu können.
Die erweiterte Infrastruktur unterstützt damit die Entwicklung, Prozessauslegung und Validierung hochbelastbarer Oberflächen an einem Standort. Dadurch können Entwicklungsabläufe gebündelt und der Transfer in industrielle Anwendungen vorbereitet werden.
(Quelle: Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST)
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