PECVD- und PVD-Beschichtungen: Entwicklung, Stand der Technik, Zukunftsaussichten

Harter Kohlenstoff

Anzeige
Wurden Ende der 70er Jahre fast ausschließlich Zerspanungswerkzeuge per PVD- und PECVD-Techniken beschichtet, haben sich die Verfahren heute auch in der Kfz-Industrie etabliert, wo beispielsweise Schlepphebel für Serien-Pkw veredelt werden. Eine ebenfalls erfolgreiche Applika- tion sind Katalyseschichten für Motoren zur Vermeidung von Rußablagerungen.

Ihre erste Anwendung erfuhren PVD- und PECVD-Techniken Ende der 70er Jahre mit der Beschichtung von Zerspanungswerkzeugen. Seit damals haben sich die Prophezeihungen hinsichtlich der Möglichkeiten zur Entwicklung völlig neuer Schichtsysteme und damit ihres Anwendungspotenzials nicht nur deutlich erfüllt, sondern weit übertroffen. Ein spürbarer Schub ist dabei besonders dem Hinzukommen der Institute und mittelständischen Unternehmen aus den neuen Bundesländern zuzuschreiben. Die Hartstoffentwicklung hatte in der damaligen DDR, besonders um die Gruppe von Professor Dr. Christian Weissmantel der damaligen TH Karl-Marx-Stadt, große Tradition. Ihm ist unter anderem die Strukturaufklärung harter Kohlenstoffschichten zu verdanken. Gerade am Beispiel dieses Schichttyps wird die industrielle Entwicklung der gesamten Technologie deutlich. Die Schicht weckte höchste Erwartungen auf ein „neues“ tribologisches Zeitalter und hat schließlich, mit viel Akzeptanzproblemen begleitet, den Durchbruch in die industrielle Anwendung gefunden.

DLC-Schichten: Seit 30 Jahren erfolgreich
Im Wesentlichen werden heute drei Klassen harte Kohlenstoffschichten unterschieden: die geläufigste DLC- (diamond like carbon) sowie die MeC:CH- und ta:C-Schichten. Letztgenannte ist eine fast wasserstofffreie und mit hohem Diamantbindungsanteil (sp3) per Lichtbogenverfahren hergestellte Schicht. Sie besitzt das beste Ölbenetzungsverhalten unter den Kohlenstoffschichten. DLC-Schichten hingegen enthalten bis zu 20 At% Wasserstoff und haben inzwischen eine große Verbreitung in der Kfz-Industrie und im Maschinenbau gefunden. Gleiches gilt für die MeC:CH-Schichten. Bei diesen sind in einer harten, teils graphitisch-, teils diamantge-bundenen Matrix nanometerkleine Metallcarbide eingebunden. Die bekanntesten sind die gesputterten a-C:H:W-Schichten und die im Lichtbogen abgeschiedenen Chrom-, Wolfram- und Tantal haltigen Kohlenstoffschichten. Letzere finden beispielsweise seit über sieben Jahren Einsatz auf Schlepphebeln für Serien-Pkw und auf Pumpenzahnrädern in der Verarbeitung aggressiver Kunststoffe.
Auch hier offenbaren sich die Vorteile der vergleichsweise immer noch neuen PVD- und PECVD-Technologien: Um die Tragfähigkeit und das Korrosionsschutzverhalten weiter zu verbessern, werden die Schichten unter anderem mit nanodispergierten, 6 bis 8 µm starken Chrommatrix/Chromcarbidschichten „unterfüttert“. Diese so genannten nanodispergierten Chromschichten haben den Vorteil, dass sie durch die Mengenvariation an Chromcarbid-Nanopartikeln in Härte und Zähigkeit exakt eingestellt werden können. Zudem weisen sie aufgrund ihres niedrigeren E-Moduls einen größeren Plastizitätsindex auf als gängige Hartstoffschichten. Dies führt zu einer höheren Belastbarkeit des gesamten Schichtsystems. Im Bereich der Kfz-Schlepphebel liegen die Belastungsspitzen bei weit über 1000 MPa.
Chromnitrid: Das Arbeitspferd in der Dünnschichttechnologie
Auch wenn es inzwischen viele erfolgreich eingeführte Schichtsysteme gibt, beispielsweise CrN, CrCN, (Cr,W)N, (Cr,Al)N, NbN-CrN, TiN, TiCN, (Ti,Al)N; kristalliner Diamant oder V2O5, stellen heute insbesondere die Chromnitrid-Varianten die Arbeitspferde unter den PVD-Schichten dar. Doch Chromnitrid ist nicht gleich Chromnitrid. Für die tribologischen und korrosionsschützenden Anwendungen sind im Cr-N-Phasendiagramm die Phasen „Cr2N“ mit einer vergleichsweise weiten Phasenbreite von knapp 4 At% Stickstoff (29 bis 33 At%) sowie „CrN“ mit 49,5 bis 50 At% Stickstoff zu unterscheiden. Für tribologische Anwendungen sollten die Schichten auf die Cr2N-Phase eingestellt werden. Die Einstellung der hierzu erforderlichen Schichtstöchiometrie hängt empfindlich von den Restgasen in der Vakuumanlage ab.
Großtechnisch hat sich inzwischen über mehr als eineinhalb Jahrzehnte die Beschichtung in getakteten Durchlaufanlagen bewährt. Die neueste Genera- tion derartiger Serien-Großanlagen steht in Lübeck. In ihr werden täglich bis zu 50 000 Wellen (d = 10 mm und l = 100 mm) mit 5 bis 6 µm dicken Chrom(2)nitrid-Schichten beschichtet. Hiermit ist auch ein Durchbruch in der hochqualitativen PVD- PECVD- Massenbeschichtung erfolgt. Bereits in den Vorläuferanlagen werden seit sieben Jahren mehr als 30 Millionen Ventiltriebteile pro Jahr für die Kfz-Industrie mit Schichtdicken bis zu 16 µm unter „Cero defect“-Bedingungen beschichtet.
Die Zukunft hat heute schon begonnen
Die industrielle Anwendung der plasma- und ionengestützten Technologien beschränkt sich aber nicht nur auf tribologische Anwendungen: Die größten Umsatzpotenziale liegen in der Beschichtung von Fensterglas für Architekturanwendungen, in der gegenwärtig exponentiell wachsenden Aufbringung tranparenter, elektrisch leitender Schichten (zum Beispiel ITO, ZnO:Al) sowie der Chalkogenidhalbleiter oder der Tandem-Siliziumschichten für die Photovoltaik.
Eine inzwischen ebenfalls erfolgreich angewandte Applikation sind Katalyseschichten für Motoren zur Vermeidung von Rußablagerungen auf den Motorkomponenten, insbesondere für den Pflanzenölbetrieb.
Besonders im Bereich der Katalyseschichten eröffnen sich mit diesen Hochvakuumtechniken hervorragende Möglichkeiten, weil mit ihnen sequentiell poröse Kohlenstoffschichten in Abwechslung mit Platin-Nanopartikeln abgeschieden werden können. Hiermit lässt sich der Platineinsatz für Brennstoffzellen im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren bei gleicher Leistungsfähigkeit noch einmal halbieren.
PECVD-Beschichtungen KEM 569
PVD-Beschichtungen KEM 570

Harte Kohlenstoffschichten
Die Eigenschaften so genannter DLC- (diamond like carbon) Schichten sind so vielfältig wie ihre plasmagestützten Herstellverfahren. Ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften hängen stark von den sp2- (graphitischen) und sp3- (tetragonalen; diamantenen) Bindungsanteilen ab. DLC-Schichten sind amorphe, harte Kohlenstoffschichten mit einem signifikanten Anteil an sp3-Kohlenstoffbindungsanteil. Amorphe wasserstoffreiche Kohlenstoffschichten (a-C:H) weisen nur wenig sp3-Bindungen auf, während die wasserstoffarmen, tetraedischen ta:C-Schichten bis zu 95 % tetragonal gebundenen Kohlenstoff besitzen. Weitere in der Norm aufgeführte Schichten sind a-C, a-C:H:Me und a-C:H:X, das heißt neben reinen Kohlenwasserstoffschichten sind metallhaltige und besonders die halogenierten Schichten bedeutungsvoll.
Anzeige

Emerson: Pneumatik 4.0

Smartenance

Pneumatik 4.0 bei Emerson im Überblick

Video aktuell

Step into the state-of-the-art Samsung Audio Lab to see how they develop loudspeakers, soundbars, and other audio products using multiphysics simulation.

Aktuelle Ausgabe

Newsletter

Jetzt unseren Newsletter abonnieren

Top-Thema Spannvorrichtungen

Spannvorrichtungen

Alles über Spannvorrichtungen und welches Einsparungspotenzial sie bieten

Top-Thema Schaltschränke

Alle Infos über den Schaltschrankbau mit seinen Komponenten, Geräten und deren Verdrahtung

Kalender

Aktuelle Termine für Konstrukteure

Webinare & Webcasts

Technisches Wissen aus erster Hand

Whitepaper

Hier finden Sie aktuelle Whitepaper

Anzeige
Anzeige

Industrie.de Infoservice

Vielen Dank für Ihre Bestellung!
Sie erhalten in Kürze eine Bestätigung per E-Mail.
Von Ihnen ausgesucht:
Weitere Informationen gewünscht?
Einfach neue Dokumente auswählen
und zuletzt Adresse eingeben.
Wie funktioniert der Industrie.de Infoservice?
Zur Hilfeseite »
Ihre Adresse:














Die Konradin Verlag Robert Kohlhammer GmbH erhebt, verarbeitet und nutzt die Daten, die der Nutzer bei der Registrierung zum Industrie.de Infoservice freiwillig zur Verfügung stellt, zum Zwecke der Erfüllung dieses Nutzungsverhältnisses. Der Nutzer erhält damit Zugang zu den Dokumenten des Industrie.de Infoservice.
AGB
datenschutz-online@konradin.de