PVD Automotive: PVD-Beschichtung in der Automobilindustrie
Die Automobilindustrie profitiert von der PVD-Technologie der physikalischen Gasphasenabscheidung aufgrund einer Reihe verschiedener Aspekte, die bei der Produktion des modernen Autos eine Rolle spielen, weil sie Effizienz, Ästhetik und Kraftstoffverbrauch optimieren.
In diesem Artikel geht es um die Hauptbereiche, in denen PVD-Beschichtungen einen Beitrag bei der konzeptionellen Entwicklung von Kraftfahrzeugen leisten.
- PVD-Beschichtungen verringern die Reibung der beweglichen Teile des Motors und verbessern die Gesamteffizient der Fahrzeugleistung.
- Fahrzeugkomponenten werden mit PVD-Beschichtungen behandelt, um die Härte der Oberflächen zu verbessern und folglich die Materialien zu stärken. Die Beschichtungen sind ausschlaggebend, um bedeutende Verringerungen des Gewichts und Energieverbrauchs zu erzielen, egal, ob der Motor mit herkömmlichen Kraftstoffen oder elektrisch angetrieben wird.
PVD-Beschichtungen verringern die Reibung der beweglichen Teile des Motors und verbessern die Gesamteffizient der Fahrzeugleistung
Es gibt zwei Hauptfaktoren, die dazu beitragen, den Kraftstoffverbrauch eines Fahrzeugs herabzusetzen:
- die Verringerung des Gewichts
- die Verbesserung des Reibkoeffizienten bei der Reibung der beweglichen Teile.
Mit anderen Worten, je leichter das Fahrzeug, desto weniger Kraftstoff wird verbraucht, um die gleiche Leistung zu erzielen: Die PVD-Beschichtung ermöglicht es den Automobilherstellern, für die beweglichen Teile der Motoren leichtere Legierungen wie die aus Aluminium, Titan und Magnesium zu verwenden, was zu signifikanten Gewichtseinsparungen führt.
Je geringer die Reibung zwischen den beweglichen Teilen, desto geringer ist auch der Energieverbrauch: Oberflächen, die mit einigen PVD- und Sputtertechniken beschichtet wurden, haben bei gleicher Schmierung niedrigere Reibungskoeffizienten.
Es ist allgemein bekannt, dass bei Verbrennungsmotoren durch Reibung hervorgerufene Leistungsverluste hauptsächlich an folgenden Stellen auftreten:
- an der Baugruppe des Kolbenhemds
- am System des Ventilgestänges
- an den Motorlagern.
Das Ventilgestänge ist in einem Motor allgemein für etwa 10% der Reibungsverluste durch Reibung bei hohen Motordrehzahlen verantwortlich. Dieser Prozentsatz ist sogar bei niedrigen Motordrehzahlen noch bedeutend höher.
Um bessere Leistungen zu erzielen, werden seit den letzten Jahren die Bauteile der Ventilgestänge PVD-Behandlungen mit reibungsarmer Beschichtung unterzogen, um die Energieverluste zu reduzieren. Die reibungsarme Beschichtung bietet einen sehr viel niedrigeren Reibungskoeffizienten als unbeschichtete, ölgeschmierte Teile sowie eine höhere Verschleißfestigkeit.
Die Produktion von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor ist eine ausgereifte Technologie, die seit Beginn des 20. Jahrhunderts existiert. Der wissenschaftliche Fortschritt hat die bedeutende technologische Entwicklung des Sektors begünstigt, der aufgrund der Massenverbreitung die Leistungen verbessern und die Produktionskosten senken konnte.
Die ersten Bauteile der Automobile waren aus Kohlenstoffstahl oder Gusseisen hergestellt. Später wurden zur Verringerung des Gewichts die herkömmlichen Materialien durch leichtere Legierungen ersetzt, insbesondere durch Aluminium-, Titan- und Magnesiumlegierungen. Vor einigen Jahren baute zum Beispiel ein bekannter japanischer Hersteller einen aufgeladenen Zweitakt-Motor mit fünf Ventilen und 804 cm³, der nur 85 Kg wog. Das Material des Motorblocks war aus Aluminiumlegierung, weitere Bauteile wie z.B. die Kipphebel waren aus Titan gebaut. Die Gewichtseinsparung steigerte die Motordrehzahl um 20%. Das Problem bei diesen Metalllegierungen ist, dass sie, obwohl sie zähe Materialien sind, schlechte tribologische Eigenschaften aufweisen und dazu neigen, an der Reibgegenfläche anzuhaften, was zu übermäßiger plastischer Verformung, zu abrasivem und adhäsivem Verschleiß (Fressen) und folglich zu hoher Reibung führt.
Reibung ist die Ursache für fressenden Verschleiß bei beweglichen Teilen wie Ventil- und Pleuelstangen. Zur Behebung dieses Problems werden die Teile aus leichten Legierungen mit einer PVD-Beschichtung auf MoS2-Molybdändisulfidbasis mit niedrigem Reibungskoeffizienten und selbstschmierenden Eigenschaften behandelt, um die Oberfläche vor Verschleiß zu schützen, indem die Energieverluste gesenkt und die Effizient verbessert werden. Mit sehr interessanten Eigenschaften wie:
- sehr niedrigem Reibungskoeffizienten (0,05-0,1);
- guter Härte (50 HV);
- optimaler Oxidationsbeständigkeit und hoher thermischer Stabilität (bis zu 800 °C).
- Behandlungen bei niedrigen Temperaturen (150 °C)
- minimaler Beschichtungsdicke (0,5-1 μm)
Die PVD-Beschichtung im Automobilbereich härtet die Oberflächen und macht sie robuster bei bedeutender Gewichtsreduzierung
Mit der PVD- und Sputtertechnologie können trotz beschränkter Filmdicke (1,5 μm) Ergebnisse über 1000 HV erzielt werden, die nicht nur als theoretisch zu verstehen sind, sondern auch experimentell mit dem Vickers-Härtetest, mit dem die Haupteigenschaften von Beschichtungen bewertete werden, gemessen werden können.
Die Fortschritte bei der Herstellung mechanischer Bestandteile für Kraftfahrzeugmotoren sind zum großen Teil auf die Investitionen in die Forschung zurückzuführen, die den Rennmannschaften im Bereich des Rennsports bereitgestellt werden. Und zwar nicht nur der Formel 1, sondern allen Arten von Pisten- oder Straßenrennen, um immer leistungsfähigere Rennwagen und Motorräder zu entwickeln.
Das extreme technologische Niveau, das beim Bau der Bauteile wie Motorgetriebe und Ventile, Injektoren, Kolben, Nockenwellen, Kurbelwellen, Kolbenringe, Kolbenzapfen und weitere mechanische Teile, die für die Rennprototypen entwickelt werden, experimentiert wird, wird dann auch auf die Serienproduktion übertragen und dort angewandt, wenn die Produktionskosten mit der Verbesserung der Leistungen zu vereinbaren sind. Und das immer mehr auch bei Autos, die für den Verbrauchermarkt bestimmt sind.
Automotive-PVD-Beschichtungen finden im Rennsport Anwendung, um hochmoderne Materialien wie Titan- und Titanaluminidlegierungen, Superlegierungen auf Nickelbasis mit niedrigem Kriechen und NimonicTM-Basis und Superlegierungen mit austenitischem Gefüge auf Nickel-Chrom-Basis wie InconelTM bis hin zu Stahlventilen zu behandeln: Diese Materialien können mit Erfolg behandelt werden, um die Verschleißfestigkeit und den Reibungskoeffizienten zu verbessern und den Ölverbrauch und das Gewicht des Motors zu verringern.
Die PVD-Beschichtung ist im Automobilbereich der Serienproduktion auch für die Behandlung von Leichtmetallfelgen und -rädern, für die Bauteile im Bereich Lichttechnik und Beleuchtung, Griffe, Profile und Zubehör aller Arten und Materialien verbreitet.
PVD-Beschichtungen verbessern die Ästhetik des Fahrzeugs und erweitern das Spektrum der individuellen Gestaltung
Oberflächenbehandlungen spielen im Automobilbereich eine wichtige kommerzielle Rolle, um die Modelle und Hersteller auf einem Markt zu unterscheiden, der dazu neigt, sich auf technische Eigenschaften zu reduzieren, die durch aerodynamische Funktionen und modemäßig beeinflusste ästhetischen Tendenzen bestimmt werden.
In diesem Produktionsbereich haben PVD-beschichtete Materialien einen echten Vorteil für Unternehmen auf der Suche nach dekorativen Teilen für Innen- und Außenausstattung mit dem traditionellem Metalleffekt, den die Kunden wünschen. Das Erscheinungsbild ist original und exklusiv, das Gewicht ist jedoch leichter als Kunststoff.
Die PVD-Prozesse ermöglichen die individuelle Anpassung der Beschichtungsfarbe, des spezifischen Gewichts, der Mikrostruktur sowie des kontinuierlichen oder mehrschichtigen kompositorischen und strukturellen Gradienten nach jeder Spezifikation mit einer breiten Auswahl an Farben und Metallisierungen wie Messing, Gold, Nickel, Chrom, Kupfer und Bronze, sowie in Grau oder Schwarz, mit glänzenden, matten, satinierten oder perlmuttfarbenen Oberflächen.
Eine weitere interessante Besonderheit des PVD-Prozesses im Automobilbereich ist die große Vielfalt an Substraten, die mit PVD beschichtet werden können. Eine Auswahl, die von Kunststoff über Metall reicht und auch natürliche Materialien wie Holz und Stoff umfasst. Dekoratives PVD wird häufig für die Innenausstattung von Autos verwendet. Und die Wahl dieser Behandlung begrenzt sich nicht nur auf die dekorative Nutzung von PVD, um das Erscheinungsbild zu verbessern, sie steigert auch die Solidität und Haltbarkeit dieser Teile, die folglich Rost und Korrosion besser trotzen.
PVD ist umweltfreundlicher als viele anderen Veredelungsverfahren und kann ohne Erzeugung schädlicher Chemikalien oder gefährlicher Abfälle angewandt werden. Auch aus diesem Grund ersetzen in der Automobilindustrie PVD-Beschichtungen immer mehr galvanisches Deko-Chrom.
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