Entwicklung eines hochbeständigen, galvanisch abgeschiedenen Schichtsystems für den Einsatz in maritimer Technik bei starker tribokorrosiver Belastung

Abstract

Das große technische Potential der Meeresenergie wird vor allem aufgrund der teuren Anlagentechnik nur in sehr geringem Umfang genutzt. Der Verzicht auf eine Kapselung der Wälzlager in Meeresenergieanlagen könnte eine Reduzierung der Reibungsverluste, hervorgerufen durch die Dichtungstechnik, um bis zu 30 % bewirken. Damit wäre ein deutlich effizienterer und damit wirtschaftlicherer Betrieb dieser Anlagen möglich. Ohne eine Kapselung sind die Wälzlager allerdings direkt dem korrosiven Meerwasser ausgesetzt. In Kombination mit der gleichzeitig auftretenden starken tribologischen Belastung resultiert ein tribokorrosives Beanspruchungskollektiv. Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Entwicklung eines galvanisch abscheidbaren Schichtsystems und des dazugehörigen Beschichtungsverfahrens, mit dem der Wälzlagerstahl 100Cr6 vor der tribokorrosiven Belastung in Meerwasser geschützt werden kann. Diese Arbeit umfasst die Entwicklungen im Labormaßstab. Im ersten Schritt werden die theoretischen Anforderungen hinsichtlich des Korrosions- und Verschleißschutzes festgelegt, die das Schichtsystem erfüllen muss, um der vorliegenden Belastung widerstehen zu können. Darauf aufbauend wird eine Vorauswahl von potentiell geeigneten Schichtsystemen abgeleitet, die als Stand der Wissenschaft und Technik näher analysiert werden. Im Abschnitt zur Versuchsplanung werden die verschiedenen Versuchsaufbauten vorgestellt und die Schichtcharakterisierung definiert. Der zentrale Inhalt der Schichtcharakterisierung ist die Untersuchung der Tribokorrosionsbeständigkeit in einem speziellen Prüfstand. Des Weiteren werden für die experimentellen Arbeiten Abbruchkriterien festgelegt, um zielorientiert arbeiten zu können. Die individuelle Entwicklung der einzelnen Schichtsysteme erfolgt in einer iterativen Vorgehensweise unter Variation der physikalischen und chemischen Beschichtungsparameter. Die Schichtsysteme werden abschließend auf Basis der Anforderungen bewertet und miteinander verglichen. Als besonders aussichtsreich erscheinen Nickel-Wolfram- und Nickel-Zinn-Legierungsschichten, die im Labormaßstab eine sehr gute Tribokorrosionsbeständigkeit zeigen.

The great technical potential of marine energy is only being used to a small degree, mostly due to high costs of marine power installations. Up to 30 % reduction of friction loss, caused by sealing technology, could be achieved by refraining from usage of a housing for roller bearings. Thus, operation of these marine power plants would become highly more efficient and profitable. However, without housing, roller bearings would be directly exposed to corrosive sea water. In combination with simultaneously occurring strong tribological load, this leads to a tribocorrosive load spectrum. Goal of this thesis is the development of an electroplated layer system and its corresponding plating process. With this electroplated layer system, the roller bearing steel 100Cr6 should be protected from the tribocorrosive load of sea water. This thesis covers the layer and process development on a laboratory scale. First, the theoretical requirements concerning corrosion and wear protection that the plating system needs to meet, in order to withstand the load at hand, will be specified. Based on this, a preselection of potential suitable plating systems will be deduced, which will be analysed in depth in the State of the Art chapter. In the chapter of Design of Experiments the various experimental set-ups and the layer-characterization will be shown. Main focus of the characterization is testing and analysing the tribocorrosive resistance in a specialized test bench. Furthermore, termination criteria for the experimental work will be defined in order to be able to identify promising layer-systems efficiently. The development of each individual layer-system is conducted with an iterative approach under variation of phyisical and chemical plating parameters. Eventually, the various layer-systems will be compared and assessed on the basis of the criteria at hand. Nickel-Tungsten- and Nickel-Tin-layers seem to be very promising, as both show high tribocorrosive-resistance in laboratory scale.