Extrem harte Kohlenstoffschichten unter Fertigungsbedingungen abscheidbar

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Fraunhofer IWS Dresden

Anwendungspotenzial der Kohlenstoffschichten basiert auf drei Vorteilen

Aus der höheren Verschleißbeständigkeit, dem niedrigen Reibungskoeffizienten und der geringen Klebeneigung zu Metallen resultiert eine Reihe potenzieller Anwendungen, etwa bei Lager- und Gleitelementen, Zerspan- und Umformwerkzeugen:

• Aufgrund einer DLC-Beschichtung (ta-C) von Lager- und Gleitelementen kann die Reibung im System Nockenwelle-Tassenstößel um etwa 45% reduziert werden [2]. Eine Gleitlager-Werkstoffpaarung Stahl-Kunststoff ermöglicht durch Beschichten der Stahlschiene, den linearen Verschleiß am Kunststoff-Gegenkörper von 4 auf 1 mm Abrieb im Jahr zu senken. Auch die Elastomerdichtungen von Fülllanzen und Kolbenstangen verschleißen weniger, wenn der Gegenkörper aus Stahl beschichtet ist. Außerdem können Wellen oder Wellenschutzhülsen vorteilhaft beschichtet werden. Bei Mangelschmierung mindert eine DLC-Beschichtung (ta-C) die Gefahr des Fressens, insbesondere dort, wo nicht geschmiert werden darf, wie in der Lebensmittelindustrie.
• Mit DLC-beschichteten Zerspanwerkzeugen ist eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitung möglich. So erreichen ta-C-beschichtete Hartmetallbohrer bei Aluminium eine Standzeitverbesserung um den Faktor 5 im Vergleich zu TiAlN-beschichteten Bohrern (Legierung Al 6061, Trockenbearbeitung, vc 180 m/min, f 0,3 mm) [3]. Der Spanablauf ist verbessert, es bilden sich keine Aufbauschneiden. Weitere Untersuchungen in den vergangenen Jahren bestätigten diese Ergebnisse. Auch beim Zerspanen von GFK wird eine Standzeitverbesserung erzielt.
• Sind Umformwerkzeuge zum Tiefziehen von Videolaufwerksteilen aus verzinktem Stahl (RRSt4, 80 Hub/min) mit DLC beschichtet, ist ein Schmiermittelwechsel möglich. Das Schmiermittel kann durch ein leicht flüchtiges Konservierungsmittel ersetzt werden, so dass die Reinigung der Teile vor dem Verbauen entfällt. Zudem lässt sich die Standzeit der Werkzeuge verzehnfachen, wie erste Anwendungen zeigten. Vorteilhaft ist auch die geringe Adhäsionsneigung von Kohlenstoffschichten gegenüber Metallen. Streifenziehversuche zur Untersuchung des Umformverhaltens bei 1,2 mm dickem Aluminiumblech zeigen, dass man aufgrund der DLC-Beschichtung (ta-C) des Werkzeugs auf das Beölen verzichten kann (Bild 2) [4]. Entsprechende Anwendungen konnten erfolgreich in der Praxis realisiert werden. Durch eine ta-C-Beschichtung lässt sich das Umformen besonders von leicht schmierenden Blechwerkstoffen wie Aluminium, Kupfer und Edelstahl sicherer gestalten.

Technik für extrem harte Kohlenstoffschichten in der Vergangenheit zu teuer

Diesem breiten Anwendungspotenzial von DLC-Schichten in der Form ta-C stand jedoch bisher eine fehlende industriell einsetzbare Beschichtungstechnik entgegen. Einerseits kann zwar durch Verwendung eines Pulslasers ein hochionisiertes Plasma für die ta-C-Abscheidung (Pulsed Laser Deposition: PLD) bei einer sehr guten Prozesskontrolle erzeugt werden, doch ist diese Technik kostenaufwändig und wenig effizient.

Andererseits lassen sich beim Einsatz von Vakuumbogenquellen (Vacuum Arc Deposition: VAD) hohe Abscheidungsraten erzielen, jedoch ist der Ausnutzungsgrad der Kathoden und damit deren Standzeit sehr begrenzt, was einer industriellen Nutzung entgegensteht.

Durch Verwendung eines kostengünstigen Pulslasers zur zeitlichen und örtlichen Steuerung der Bogenentladung auf einer Kathodenoberfläche (Laser-Arc-Prinzip) wurde am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden ein Verfahren entwickelt, das die Vorteile von PLD und VAD in sich vereint. Dabei wird mit Hilfe eines Laserpulses auf einer rotierenden Graphitwalze, die als Kathode geschaltet ist, ein stromstarker Bogen mit Spitzenströmen von etwa 1,8 kA gezündet, dessen Dauer auf 130 µs begrenzt ist.

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