Extrem verschleißfest, reibungsarm und selbsttragend: Glatte Kohlenstoffschichten der neuen Generation
»Ultradicke« ta-C-Schichten und Plasmafiltertechnik erweitern
Anwendungsmöglichkeiten
Hohe mechanische und abrasive Belastungen verkürzen
die Lebensdauer von Werkzeugen und Bauteilen deutlich. Beschichtungen aus
tetraedrisch-amorphem Kohlenstoff (ta-C) reduzieren Reibung und schützen
Oberflächen wirkungsvoll. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und
Strahltechnik IWS hat kürzlich zwei Durchbrüche erzielt, die den
industriellen Einsatz von ta-C-Schichten deutlich erweitern können.
Forschende aus Dresden entwickelten eine Plasmafiltertechnologie für das
Laser-Arc-Verfahren, um Defekte gezielt zu reduzieren. Erstmals gelang es
darüber hinaus, ultradicke ta-C-Schichten bis 100 Mikrometer prozesssicher
zu realisieren und somit die Tür zum Schutz mechanisch höchst belasteter
Oberflächen zu öffnen.
Tetraedrisch-amorpher Kohlenstoff stellt die härteste Form diamantartiger
Kohlenstoffschichten dar. Ein hoher Anteil sp³-hybridisierter
Diamantbindungen erzeugt die hohe Härte und ausgeprägte
Verschleißbeständigkeit. Gleichzeitig senkt ta-C die Reibung in
tribologischen Systemen deutlich. Industrieunternehmen nutzen diese
Eigenschaften seit Jahren, um Reibverluste zu reduzieren und Bauteile
unter anspruchsvollen Einsatzbedingungen zu schützen. Die industrielle
Herstellung von ta-C-Schichten erfordert kontrollierte
Vakuumbogenprozesse. Dabei entstehen unvermeidlich partikelartige
Tröpfchen, sogenannte Droplets. Sie lösen sich aus der Kathode, gelangen
in den Plasmastrahl und lagern sich in der wachsenden Schicht ab. Diese
Defekte erhöhen die Rauheit und erfordern häufig aufwändige, nachgelagerte
Glättungsschritte. Gleichzeitig begrenzen hohe Druckeigenspannungen die
erreichbare Schichtdicke, da sie das Risiko von Schichtversagen erhöhen.
Die umfassende industrielle Verbreitung von ta-C-Schichten hängt
entscheidend davon ab, ob sich diese Herausforderungen überwinden lassen.
Das Fraunhofer IWS entwickelt das Laser-Arc-Verfahren konsequent für den
industriellen Einsatz weiter. Hohe Abscheideraten und stabile Prozesse
gehören zu den wesentlichen Vorteilen dieser Technologie. Gemeinsam mit
Industriepartnern überführten die Forschenden das Verfahren in
Serienanwendungen für tribologische Schutzschichten auf Motoren- und
Maschinenkomponenten sowie Werkzeugen.
Ultrahohe Schichtdicken und glatte Oberflächen gezielt realisieren
Parallel zur Industrialisierung des Laser-Arc-Verfahrens adressierte das
Fraunhofer IWS zwei zentrale Herausforderungen der ta-C-Herstellung durch
eine gezielte Weiterentwicklung: die Abscheidung mehr als 20 Mikrometer
dicker Schichten mit geringen Eigenspannungen sowie die Herstellung
glatter, defektfreier ta-C-Schichten.
Forschende passten dafür die Puls-Stromquellentechnik sowie die
Schichtarchitektur an und senkten die Druckeigenspannungen auf ein
unterkritisches Niveau, ohne Einbußen an der Schichthärte zu erleiden.
Parallel optimierte das Team die Langzeitstabilität der Laser-Arc-Technik
bei hoher Abscheiderate. Anlagen arbeiten heute über Zeiträume von mehr
als 24 Stunden stabil und ermöglichen reproduzierbare Prozesse für große
Schichtdicken. Ergänzend entwickelte das Fraunhofer IWS spezifische
Haftschichtsysteme, angepasst an den jeweiligen Werkstoff. Diese
ermöglichen die sichere Abscheidung von ta-C-Schichten bis 100 Mikrometer
auf technischen Substraten wie Wälzlagerstahl, Hartmetall, Gusswerkstoffen
sowie ausgewählten Kunststoffen. Zusätzlich integrierten die Forschenden
eine Plasmafiltertechnik in das Laser-Arc-Verfahren. Ein 90-Grad-
Umlenkfilter trennt nun den Ionenstrom gezielt von Partikeln. Die Schicht
wächst dadurch gleichmäßig und weist eine besonders geringe Defektdichte
auf, während eine hohe Abscheiderate des Verfahrens erhalten bleibt.
Dr. Volker Weihnacht, Abteilungsleiter Dünnschichttechnik am Fraunhofer
IWS, ordnet ein: »Unsere Laser-Arc-Technik kombiniert hohe Abscheideraten
mit stabilen Prozessen für qualitativ hochwertige ta-C Schichten. Die
gezielte Absenkung der Eigenspannungen, die hohe Langzeitstabilität und
angepasste Haftschichtkonzepte ermöglichen erstmals die industrielle
Abscheidung ultradicker Schichten – ein echter Durchbruch für klassische
Dünnschichtsysteme, die bei hoher Belastung oftmals durch den
›Eierschalen-Effekt‹ versagen. Unsere ›dicken‹ ta-C-Schichten bringen nun
selbst die erforderliche Stützwirkung mit, die für hohe Belastungen
erforderlich sind.«
Industrieller Nutzen dank hoch-belastbarer Schichtstrukturen
Die Anwendung entscheidet über die Auslegung des Schichtsystems. Hohe
Schichtdicken kommen dort zum Einsatz, wo starke abrasive oder erosive
Belastungen auftreten. Die Schicht wirkt selbsttragend und vermeidet den
Eierschaleneffekt, also ein frühzeitiges Schichtversagen, durch lokale
Überlastung. Schichtdicken von bis zu 100 Mikrometern ermöglichen dadurch
einen zuverlässigen und dauerhaften Schutz, wenn extremen
Einsatzbedingungen dies erfordern.
Für Anwendungen mit harten Grundwerkstoffen genügen Schichtdicken von
einem bis fünf Mikrometern. Die Plasmafiltertechnik ermöglicht dabei die
Abscheidung glatter, defektarmer ta-C-Schichten. Die Filterung entfernt
Droplets aus dem Plasmastrahl und ermöglicht homogene Schichten mit
glatter Oberfläche. Das erhöht die Oberflächenqualität der Bauteile und
verbessert die Stabilität tribologischer Systeme im Betrieb. Typische
Einsatzfelder sind Gleitlager, Wellen, Führungen sowie Werkzeuge für die
Zerspanung und Umformung. Die angepasste Schichtauslegung erlaubt es, das
System gezielt auf die jeweilige Belastung und Funktion abzustimmen.
»Die Erweiterung des Laser-Arc-Verfahrens um ultradicke und glatte
ta-C-Schichten stärkt unseren Beitrag zur Lebensdaueroptimierung
industrieller Systeme«, erklärt Prof. Christoph Leyens, Institutsleiter
des Fraunhofer IWS. »Die Neuentwicklung reduziert Verschleiß noch weiter,
stabilisiert Produktionsprozesse und hilft der Industrie, Ressourcen
sparsam und gezielt einzusetzen.«
Reibungsreduzierung zur Verbesserung der Energieeffizienz
Neben dem Verschleißschutz nutzen ta-C-Schichten eine weitere Eigenschaft:
ihre nahezu universell niedrige Reibung. Unter unterschiedlichsten
Medienschmierungen – von Motoröl und Maschinenöl über Fette und Wachse bis
hin zu wasserbasierten Medien sowie Säuren und Basen – zeigen selbst
einseitig mit ta-C beschichtete Reibpaarungen ein stabiles Reibverhalten
mit Reibwerten von 0,1 bis 0,2.
Selbst unter ungünstigen Betriebsbedingungen bleibt das tribologische
System stabil. Mangelschmierung oder ein vorübergehender Ausfall der
Schmierung führen nicht unmittelbar zu Schädigungen der Kontaktflächen.
Diese Robustheit erweitert die Einsatzmöglichkeiten von der
Lebensmittelverarbeitung über Anwendungen im Trinkwasserumfeld und in der
Medizintechnik bis hin zu Implantatbeschichtungen.
Ein weiteres Potenzial eröffnen ta-C-Schichten bei der Supraschmierung,
einem Zustand mit nahezu nicht mehr messbaren Reibwerten. Forschende des
Fraunhofer IWS untersuchen gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und
Industrie seit Jahren, wie sich dieser Effekt auf reale
Maschinenkomponenten übertragen lässt. Einen wichtigen Fortschritt
erzielte das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz
geförderte Forschungsprojekt CHEPHREN: Erstmals erreichten glatte, mittels
Plasmafiltertechnik hergestellte ta-C-Schichten unter anwendungsnahen
Bedingungen den Zustand der Supraschmierung. Der langzeitstabile Effekt
dieser Reibungsreduktion besitzt ein erhebliches volkswirtschaftliches
Potenzial. Er steigert die Energieeffizienz von Antriebs- und
Maschinenelementen und senkt den Energieverbrauch von Motoren, Pumpen und
Anlagen um bis zu zehn Prozent. Dr. Volker Weihnacht fasst zusammen: »ta-C
bietet großes Potenzial für den Verschleißschutz und zur Energieeinsparung
in zahlreichen Industrieanwendungen. Die weiterentwickelte Laser-Arc-
Technik erweitert dieses Einsatzspektrum, indem sie ultradicke und
besonders glatte ta-C-Schichten ermöglicht. Damit werden Anwendungen
realisierbar, die bislang technisch nicht umsetzbar waren.«
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Infobox
Technisches Profil ta-C
Materialtyp
Tetraedrischer amorpher Kohlenstoff (ta-C), Vertreter der diamantartigen
Kohlenstoffschichten (DLC)
Struktur
Hoher Anteil sp³-hybridisierter Kohlenstoffatome (prozessabhängig bis etwa
90 Prozent möglich), damit der Diamantstruktur sehr ähnlich
Relevante Eigenschaften
Superhärte
Hohe Verschleißbeständigkeit
Geringe Reibungskoeffizienten unter nahezu allen Bedingungen
Gute thermische und chemische Stabilität
Abscheidung
Laser-Arc-Verfahren im Hochvakuum, optional mit Plasmafiltertechnik zur
Abscheidung glatter Schichten
Typische Anwendungen
Gleitkomponenten, wie Gleit- und Wälzlagerscheiben, Wellen,
Bolzen, Führungen, Zahnräder, Ventile.
Abrasiv oder erosiv belastete Bauteile von verarbeitenden
Werkzeugen, Pumpenteile, Maschinenteile, auch bei zusätzlicher chemischer
Belastung.
Umform-, Zerspanungs- und Schneidwerkzeuge
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Abteilungsleiter Dünnschichttechnik
Dr.-Ing. Volker Weihnacht | Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und
Strahltechnik IWS | Telefon +49 351 83391-3247 |
Winterbergstraße 28 | 01277 Dresden | www.iws.fraunhofer.de |
Originalpublikation:
https://www.iws.fraunhofer.de/
-Schichten-DE-IDW
