Verschleissschutz Extrem harte Kohlenstoffschichten unter Fertigungsbedingungen abscheidbar

Extrem harte Kohlenstoffschichten lassen sich im PVD-Verfahren abscheiden, nach dem Laser-Arc-Prinzip, wobei für die Steuerung der Bogenentladung auf der Kathodenoberfläche ein Pulslaser ausreichend ist. Dieser Laser ist nicht nur kostengünstig, es wird auch ein sehr homogener Abtrag und damit eine hohe Ausnutzung des Kathodenwerkstoffs erreicht. So erzielt man lange Standzeiten, die das Abscheiden der wasserstofffreien DLC-Schichten für Serien wirtschaftlich macht.

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Fraunhofer IWS Dresden

Schätzungen zufolge gehen jedes Jahr rund 2 bis 3% des Bruttosozialprodukts durch Verschleiß verloren [1]. Das entspricht einer Summe von 48 bis 73 Mrd. Euro für Deutschland im Jahr 2007. Ferner führt eine Reibung zu großen energetischen Maschinenverlusten. Bei einem Automobil beträgt der Verlust der Motorleistung vom Weg der Leistungserzeugung bis zur Umsetzung auf der Straße 25%.

Amorphe Kohlenstoffschichten haben sich schnell etabliert

Daher hielten diamantähnliche amorphe Kohlenstoffschichten rasch Einzug in die industrielle Praxis. Aufgrund der einzigartigen Kombination von hoher Härte, niedrigem Reibungskoeffizienten (trocken: 0,1 gegen Kugellagerstahl) und geringer Klebeneigung zu metallischen Gegenkörpern werden sie in vielen Anwendungen zur Minderung von Verschleiß und Reibung eingesetzt.

Teilweise ermöglichen sie überhaupt erst, neuartige technische Lösungen zu entwickeln. So konnten verbrauchsenkende Hochdruckeinspritzsysteme für Dieselmotoren beim Automobilzulieferer Bosch erst entwickelt und in den Markt eingeführt werden, als DLC-Schichten (diamond-like carbon) zur Verfügung standen.

Extrem harte Kohlenstoffschichten mit etablierter Anlagentechnik herstellbar

Ein weiterer Grund für die rasche Markteinführung von DLC-Schichten liegt im Prozess der Feststoffabscheidung. Sie erfolgt durch Zersetzung von Kohlenwasserstoffen in einem plasmagestützten CVD-Prozess. Das kann – bei kleinen Modifikationen – mit einer etablierten Anlagentechnik zur Abscheidung von klassischen Hartstoffschichten wie TiN und CrN erfolgen. Bei diesem Verfahren wird auch Wasserstoff in die Schicht eingebaut (a-C:H), was die Härte auf Werte von 2000 bis 3000 HV begrenzt.

Eine neue Generation von DLC-Schichten stellen die wasserstofffreien, tetraedrisch gebundenen amorphen Kohlenstoffschichten dar (ta-C). Sie werden im PVD-Verfahren durch Verdampfen von Graphit abgeschieden. Dabei wird ein hochionisiertes Plasma von einer festen Kohlenstoffquelle erzeugt.

Aufgrund der spezifischen Verfahrensführung und der Abwesenheit von Wasserstoff im Prozess sind die Kohlenstoffatome wie im Diamant überwiegend in Viererkoordination (tetraedrisch) gebunden. So haben diese Schichten mit 4000 bis 6000 HV eine zwei- bis dreimal höhere Härte als klassische DLC-Schichten, was sich in einer deutlich höheren Verschleißbeständigkeit wiederspiegelt (Bild 1 – siehe Bildergalerie).

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