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Die Luft- und Raumfahrtindustrie setzt zunehmend auf PVD-Beschichtungen, um Hartchrom zu ersetzen

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Airbus weitet den Einsatz der einzigartigen kohlenstoffbasierten PVD-Beschichtung auf Kupferlegierungen aus; die Beschichtung ist bereits für Stahl, Titan und Inconel zugelassen.

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Die Suche nach einem geeigneten Ersatz für Hartchrom auf Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt ist eine der wichtigsten Prioritäten in der Lieferkette der Flugzeughersteller. Der Grund dafür sind die dokumentierten Gesundheitsrisiken für die Arbeitnehmer und die Auswirkungen auf die Umwelt durch die Exposition gegenüber sechswertigem Chrom, einem Karzinogen, das beim Verchromen auftritt und die giftigste Form von Chrom ist.

Folglich ist Chrom eine stark regulierte Chemikalie in den wichtigsten Märkten weltweit. In der Europäischen Union fällt sechswertiges Chrom in den Geltungsbereich der Verordnung der Europäischen Union zur Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung chemischer Stoffe (REACH), die Richtlinien für die sichere Verwendung von Chemikalien in der gesamten Lieferkette festlegt. Chrom wird in den Vereinigten Staaten auch von der Occupational Safety and Health Administration (OSHA) streng reguliert.

Der Ersatz von Hartchrom durch eine geeignete Alternative bleibt jedoch eine große Herausforderung für die Luft- und Raumfahrtindustrie, da es als Oberflächenbeschichtung auf vielen Bauteilen weit verbreitet ist. Seit langem geschätzt wegen seiner Härte, der Fähigkeit, Gleitverschleiß zu minimieren, dem Korrosionsschutz und der Verlängerung der Lebensdauer von Metallteilen, findet Hartchrom in vielen Anwendungen wie z.B. Flugzeugstrukturen, Fahrwerken, Triebwerksaufhängungen und Luftrahmen Verwendung. In vielen Fällen wird es aufgrund seines geringen Reibungskoeffizienten an Bauteilen eingesetzt, bei denen ein Metall-Metall-Kontakt zwischen beweglichen Teilen besteht.

Daher müssen die Unternehmen der Luft- und Raumfahrtindustrie kritisch prüfen, warum sie überhaupt Hartchrom verwendet haben und welche Probleme sie damit angegangen sind, da sie nun versuchen, es durch eine Alternative zu ersetzen. Dies ist ein riesiges Unterfangen, da jedes Teil, das derzeit Hartchrom verwendet, auf seine Funktionalität, seine Verbindung zu anderen Teilen, Verschleißmechanismen, Schmieranforderungen und Betriebsumgebungsbedingungen überprüft werden muss. Diese Analyse ist notwendig, da es keinen genauen Ersatz für Hartchrom gibt.

Es besteht auch die Möglichkeit, eine bessere Leistung zu erzielen, da der Ersatz von Hartchrom evaluiert wird. Trotz seiner weit verbreiteten Anwendung war Hartchrom nicht ohne seine Leistungsprobleme, zu denen die Grenzen seiner Härte und seines Korrosionsschutzes, Schwierigkeiten bei der Anwendung in Vertiefungen und Gewinden sowie die Gefahr von Lochfraß und Abplatzungen (Abblätterungen) unter hohen Belastungen gehören.

PVD-Beschichtungen

Eine Alternative, die zunehmend in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt wird, sind PVD-Beschichtungen (Physical Vapor Deposition), eine starke, ungefährliche und REACH-konforme Ersatzoption für Hartchrom. PVD-Beschichtungen bieten viele der gleichen Vorteile und sind in gewisser Weise dem Hartchrom überlegen.

PVD beschreibt eine Vielzahl von Vakuumbeschichtungsverfahren, mit denen dünne Schichten hergestellt werden können. PVD wird typischerweise zur Beschichtung von Bauteilen bei relativ niedrigen Beschichtungstemperaturen von 160°C bis 500°C eingesetzt. Diese Temperaturen sind ideal, da sie unterhalb der Anlasstemperatur von Stählen liegen, um eine Veränderung der grundlegenden Materialeigenschaften zu vermeiden.

Zu den PVD-Optionen gehören mehrere Beschichtungen auf Kohlenstoffbasis, die extreme Oberflächenhärte, niedrigen Reibungskoeffizienten und Korrosionsschutzeigenschaften kombinieren. Ein Beispiel, BALINIT C des Beschichtungsanbieters Oerlikon Balzers, hat die Aufmerksamkeit einiger der grössten Luft- und Raumfahrthersteller der Welt, darunter Airbus, auf sich gezogen.

BALINET C wird üblicherweise für Lager und Buchsen in Flugzeugfahrwerken und deren Verbindung mit dem Flugwerk verwendet. Airbus hat den Einsatz von BALINIT C auf Kupferlegierungen ausgeweitet. Zuvor hatte Airbus die PVD-Beschichtung für den Einsatz auf Stahl-, Titan- und Inconel-Substraten zugelassen.

Die technische Qualifizierung von BALINIT C als nicht gefährliche und REACH-konforme Option zur Hartverchromung schließt den Airbus Industrial Qualification Process für die Produktionszentren von Oerlikon Balzers UK und Oerlikon Balzers France ab.

"Airbus hat bestätigt, dass unsere BALINIT C-Beschichtung ihre technischen und industriellen Anforderungen erfüllt", sagte Oerlikon Balzers Global Aerospace Segment Manager Toby Middlemiss

Oerlikon Balzers verwendet eine Mischung aus Metall und diamantähnlichem Kohlenstoff zur Herstellung von BALINIT C, einer Wolframkarbid/Kohlenstoff (WC/C)-Beschichtung. Die Beschichtung wird in einer Dicke von 1µm bis 5µm aufgetragen und ermöglicht den Einsatz an Wälzlagern und Fahrwerksteilen. Es erzeugt eine glänzende Oberfläche, und die Gleichmäßigkeit dieser Beschichtung macht eine Nachbearbeitung überflüssig, was Zeit und Geld spart. Dies ist ein klarer Vorteil gegenüber Hartchrom, das mit Toleranzen zurückgeschliffen und poliert werden muss, um eine gleichmäßige Oberfläche zu erzielen.

BALINIT C bietet eine stärkere Haftung auf metallischen Untergründen als Hartchrom, eine hohe Belastbarkeit und eine hohe Beständigkeit gegen Scuffing (Adhäsionsverschleiß). Aufgrund seines niedrigen Reibungskoeffizienten reduziert es Lochfraß und Passungsrost an gleitenden oder beweglichen Teilen eines Flugzeugs, wie sie z.B. in Aktuatoren, Klappenschienensystemen und Pumpen vorkommen. Damit ist die Beschichtung ideal für schmierungsarme und sogar trocken laufende Anwendungen.

Ein weiteres Bauteil, das unter starkem und überproportional verteiltem abrasiven Verschleiß leidet, sind die Lager. Die Beschichtung ist besonders geeignet für Einsatz- sowie Kugel- und Wälzlagerstähle, da sie bei Temperaturen unter 200°C aufgetragen werden kann.

Die Beschichtung kann nicht nur auf Innen- und Außenlaufringen und Zylindern, sondern auch auf den Kugeln in Kugellagern in einer sehr gleichmäßigen Schichtdicke von 0,5μm bis 1μm aufgebracht werden. Die leichte Erhöhung der Rauheit wird durch die guten Rolliereigenschaften der Beschichtung ausgeglichen, die die Laufbahn von Innen- und Außenring glätten und damit einen zusätzlichen Schutz gegen Fressen und Lochfraß bieten.

Mit der zunehmenden Einführung von PVD-Beschichtungen durch Branchenführer wie Airbus wird die Möglichkeit, Hartchrom in der Luft- und Raumfahrtindustrie schließlich ganz zu eliminieren, immer sicherer.

"Es war eine große Aufgabe für die Luftfahrtindustrie, Hartchrom zu ersetzen, weil es nicht so einfach ist, einen exakten Ersatz zu finden - jede Alternative wird ein bisschen anders sein", sagt Middlemiss. "Die Hersteller mussten also wieder an das Zeichenbrett zurückgehen und evaluieren, warum überhaupt Hartchrom eingesetzt wurde, was die Anwendung ist und welche geeigneten Alternativen funktionieren könnten. Es wird weiterhin eine strenge, evidenzbasierte Bewertung, Oberfläche für Oberfläche, Komponente für Komponente, erfordern, um sicherzustellen, dass die Kriterien Sicherheit, Leistung, Zuverlässigkeit und Kosten erfüllt werden", fügt Middlemiss hinzu.

Weitere Informationen über PVD-Beschichtungslösungen für Komponenten mit Oerlikon Balzers erhalten Sie unter (408) 375-4408, E-Mail balzers.components@oerlikon.com; oder besuchen Sie www.oerlikon.com/balzers