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Beschichtungen sagen der Korrosion den Kampf an

| Autor: Stéphane Itasse

Ob Windkraftanlagen, Fahrwerkskomponenten oder andere Anwendungen: Wo Metalle Wind und Wetter ausgesetzt sind, droht schnelle Korrosion. Im Kampf dagegen haben Experten aus Forschung und Unternehmen neue Ergebnisse vorgestellt.

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Lager von Offshore-Windkraftanlagen müssen besonders hohen Belastungen standhalten.
Lager von Offshore-Windkraftanlagen müssen besonders hohen Belastungen standhalten.
( Bild: Siemens )

Ganz besonders hart sind die Umweltbedingungen bei Offshore-Windkraftanlagen, hinzu kommt noch die Reibung bei beweglichen Teilen. Bisher werden die Lagersysteme der Meeres-Windenergieanlagen gekapselt, was zwar eine Korrosion verhindert und eine Schmierung, die den Verschleiß verringert, erlaubt. Dafür verursachen diese Kapselungen durch ihre aufwendige Dichtungstechnik bis zu 30 % Reibungsverluste. Das vom Bundeswirtschaftsministerium geförderte Projekt Poseidon soll deshalb die Standzeit von Lagern unter tribokorrosiven Bedingungen erhöhen. „Erstes Projektziel ist der Verzicht auf Abdichtung und Kapselung, was keine Reibungsverluste, keine Wartung und keine Freisetzung von Schmierstoffen bedeutet. Zudem sollen Beschichtungen und Lagerwerkstoffe für eine tribokorrosive Belastung am Anwendungsbeispiel Wälzlager für Meerwasserkraftwerke entwickelt werden“, sagte Stefan Kölle, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-IPA in Stuttgart, auf den ZVO-Oberflächentagen.

Doppelte Belastung der Lager von Offshore-Windkraftanlagen

Die Herausforderung bestehe in der doppelten Belastung des Lagers: zum einen die tribologische Belastung, da eine Schmierung nur durch ein umspülendes Medium erfolge (Medienschmierung), zum anderen die korrosive Belastung, da es sich bei diesem Medium um Meerwasser handelt.

Im Ergebnis zeigten Nickel-Wolfram- und Nickel-Zinn-Schichten im Laborversuch sehr gute Eigenschaften, da sie eine Härte im Rahmen oder über der Vorgabe von 600 HV aufwiesen, kein korrosiver Angriff stattfand und die Reibungsverluste um bis zu 30 % sanken. Nickel-Kupfer- und Nickelschichten – letztere dienten als Referenz – erwiesen sich hingegen als ungeeignet.

Ein anderes Ziel verfolgten hingegen die Untersuchungen beim Forschungsinstitut Edelmetalle und Metallchemie (FEM) in Schwäbisch Gmünd. Hier ging es darum, eine PVD-Funktionsschicht für den Verschleiß- und aktiven Korrosionsschutz zu entwickeln. „PVD-Hartstoffschichten sind bis heute kein wirksamer Korrosionsschutz für korrosionsanfällige Materialien“, sagte FEM-Forscher Martin Balzer. Grund sei, dass bisher vor dem PVD-Beschichten elektrochemisch abgeschiedene Basisschichten für Wachstumsdefekte beim PVD-Prozess sorgten. „Die Defektanzahl auf PVD-beschichteten Proben kann extrem variieren und ist ein entscheidender Faktor für deren Korrosionsverhalten“, erläuterte Balzer weiter.

Wirksamer Korrosionsschutz mit PVD-TiMgN-Schicht erzielt

Nach ersten Untersuchungen zu TiMgN als PVD-Hartstoffschicht mit Korrosionsschutzfähigkeiten haben jetzt die Forscher am FEM die Eigenschaften und Gründe für den Korrosionsschutz genauer untersuchen können. Dazu erfassten sie die Defekte auf einer PVD-beschichteten Stahlscheibe mit einem Scanner, lokalisierten die Defekte genau und unterzogen die Probe anschließend einem Salzsprühtest. Danach wurden die korrodierten Stellen den vorher ausfindig gemachten Defekten zugeordnet. Dabei zeigte sich, dass große Hügel (Höhe > 2,0 µm, Größe > 0,66 µm²) sowie Löcher mit einer Tiefe im Bereich der Schichtdicke sehr früh und intensiv korrodierten. Kleine und mittlere Hügeldefekte, die mindestens zehnmal häufiger auftraten, wiesen hingegen ein indifferentes Korrosionsverhalten auf. Auch der Magnesiumgehalt in der Legierung spielt eine große Rolle: Bei TiMgN erreichten die FEM-Forscher einen sehr wirksamen Korrosionsschutz durch eine einfache, 2,5 µm dicke, harte PVD-Schicht.

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Über den Autor

Stéphane Itasse

Stéphane Itasse

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