Korrosionsschutz im Härtetest

Diamantartige Nanokompositschichten für den Korrosionsschutz mechanisch stark beanspruchter Bauteiloberflächen. In der verarbeitenden Industrie kommt man beim Herstellen der einzelnen Produkte mit...

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Diamantartige Nanokompositschichten für den Korrosionsschutz mechanisch stark beanspruchter BauteiloberflächenIn der verarbeitenden Industrie kommt man beim Herstellen der einzelnen Produkte mit vielen Verschleißmechanismen in Berührung: Abrasiv-, Adhäsiv-, Ermüdungsverschleiß sind dabei die Wichtigsten. Dazu kommen Korrosionserscheinungen. Jeder einzelne dieser Mechanismen kann immense Schäden verursachen. In den Bereichen Abrasion, Adhäsion und dem so genannten Pitting-Verschleiß (Ermüdungsverschleiß) wurden in den letzten zehn Jahren viele Schichtsysteme entwickelt, die effektiv Schäden eingrenzen können. Die Oberflächentechnik in diesem Bereich boomt - und viele Herstellungsverfahren wurden aufgrund dieser Schichtsysteme erst möglich: zum Beispiel das HSC-Fräsen.Lediglich im Bereich des Korrosionsschutzes gab es bis dato keine neuen nennenswerten Alternativen zu den traditionellen Methoden. Dabei nimmt der Bedarf an Korrosionsschutz aufgrund der immer ausgefeilteren Produktionsprozesse deutlich zu. Die wichtigsten Arten der Korrosion sind: die Kontaktkorrosion an tribologisch-dynamischen Bauteilen, die Säure- oder Lochfraßkorrosion durch aggressive Arbeitsumgebung, die Flächenkorrosion durch hohe Luftfeuchtigkeit und die Ablagerungskorrosion durch Verunreinigung. Im elektrochemischen Sinn handelt es sich bei der Korrosion vor allem um Redoxreaktionen zwischen Metallen unter dem Einfluss von Wasser, Salzlösungen oder Säuren. Auch der Direktkontakt unterschiedlich edler Metalle ist korrosionsfördernd.Begrenzte Möglichkeiten zur KorrosionsvermeidungKorrosionsschutz wird durch die Unterdrückung elektrochemischer Prozesse ermöglicht:- So kann eine Oberflächenpassivierung, eine dichte Beschichtung oder die Änderung des elektrochemischen Potentials einen anodischen Prozess bremsen. - Wenn Sauerstoff und Wasser von der Oberfläche ferngehalten werden, wird ein kathodischer Prozess unterbunden. Das ist jedoch in der Praxis kaum möglich.- Liegt vor allem Kontaktkorrosion vor, kann der metallisch leitende Kontakt (elektrische Leitung) unterbunden werden.- Wird die Oberfläche trocken gehalten, findet kein elektrolytischer Prozess statt.Die Möglichkeiten zur Vermeidung von Korrosionsangriffen sind jedoch begrenzt. So schränkt der Bauteilwerkstoff bereits die Auswahl deutlich ein. Korrosions- und säurebeständige Stähle sind am Markt vorhanden. Jedoch kommen sie für die meisten Anwendungen aufgrund des hohen Preises, der schlechten Bearbeitbarkeit oder der relativ niedrigen Härte nicht in Betracht. Somit kann man zwar einen Korrosionsangriff in vielen Fällen eingrenzen, aber nicht beseitigen. Daher verbleibt als Lösung für bestimmte Anwendungen nur die nachträgliche Oberflächenbehandlung. Hier gibt es verschiedene Möglichkeiten, die jedoch maßgeblich die Funktion der Werkzeuge und Bauteile beeinflussen:- Beim bewährten Vernickeln wird ein echter Korrosionsschutz erst ab einer Schichtdicke von 15 bis 20 µm gewährleistet, was für einige Anwendung hinsichtlich der Konturgenauigkeit (scharfe Kanten, strukturierte Oberflächen) und Passungsgenauigkeit (0,04 mm Zuwachs im Durchmesser) zum Ausschluss dieser Beschichtung führt. Abgesehen davon sind die Duktilität und die Schichthaftung für vielerlei Anwendungen nicht ausreichend. Die vergleichbar niedrige Härte von HV 600 ist nur durch Tempern bei 400 °C auf HV 1000 zu steigern - und dann auch nur unter Verlust des 100%-igen Korrosionsschutzes.- Um gleichzeitig eine Erhöhung des Verschleißschutzes zu erreichen, wird auch gerne eine galvanische Hartchromschicht erzeugt. Abgesehen von dem nachteiligen verfahrensbedingten starken Kantenaufbau, kann diese Schicht die Korrosion jedoch nur reduzieren und nicht verhindern. Der Grund dafür sind Mikrorisse in der Beschichtung, die einen elektrochemischen Angriff auf das Substrat zulassen.- Weil PVD-Schichten wie TiN und TiCN beim Verschleißschutz eine dominierende Rolle spielen, versucht man auch mit diesen einen Korrosionsschutz zu gewährleisten. Leider ist dies durch den nicht auszuschließenden Metallanteil in der Beschichtung nicht möglich. Diese Metallanteile haben automatisch eine kristalline Ausbildung der Schicht zur Folge, weshalb immer eine Struktur mit Mikroporen (Pinholes) entsteht, die einen Korrosionsangriff auf das Substrat ermöglichen. Deshalb kann auch eine Mehrlagenbeschichtung (PVD-Schichtsysteme) lediglich eine Korrosionshemmung erreichen. (Bild 1).- Andere Plasma-Verfahren, wie das Plasma-Nitrieren, aber auch die PVD-Beschichtung, haben auch zum Teil den Nachteil der relativ hohen Prozesstemperatur (meist 400 bis 500 °C) und kommen daher oft aufgrund der daraus resultierenden Maßhaltigkeitsveränderungen oder Härteverluste des Substrats nicht in Betracht.- Unabhängig von den einzelnen Verfahren ist zu beachten, dass die Haltbarkeit des Korrosionsschutzes bei abrasiv belasteten Oberflächen immer in Abhängigkeit zur Härte oder Verschleißfestigkeit der dabei erzeugten Oberflächen zu sehen ist.Eine Korrosionsschutzschicht muss folgende Ansprüche erfüllen:- Die Schicht muss chemisch inert sein. Das heißt: Sie darf nicht selbst korrosiv angegriffen werden.- Eine amorphe Schichtstruktur muss vorhanden und durchgängig sein (keine Mikrogefüge), damit keine Korngrenzenkorrosion entsteht und somit kein unmittelbarer Angriff auf das Substrat.- Die Schutzschicht darf keine Defektstellen haben. Sie muss hart und dadurch verschleißfest sein.Aufgrund dieser technischen Anforderungen hat die Bekaert Dymonics - eine 100%ige Tochter des belgischen Konzern Bekaert - das Schichtsystem Dylyn-DLC entwickelt und patentiert. Der Schichtauftrag erfolgt dabei im Niedertemperatur-PACVD-Verfahren. Diese diamantartige Nanokomposit-Schicht ist eine Weiterentwicklung der bekannten und am Markt etablierten DLC-Beschichtung. Sie bietet bereits bei der Standardschichtdicke von 2 bis 4µm einen Korrosionsschutz, der einen 192 h dauernden Salzsprühtest nach DIN SS 50021 (100% relative Luftfeuchtigkeit, 35 °C, 5% NaCl-Lösung) problemlos übersteht (Bild 1).Mit diesem Schichtsystem wird eine Oberflächenhärte bis zu HV 3200 (zum Vergleich: Hartchrom HV 1000, Hartmetall HV 1200 bis 1400) erreicht. Sie ermöglicht somit nicht nur einen langlebigen Korrosionsschutz, sondern schützt die Oberfläche auch vor Verschleiß. Nachstehend sind weitere Eigenschaften des Schichtsystem Dylyn-DLC vermerkt:- Die amorphe Schichtstruktur ermöglicht einen defektfreien Schichtauftrag (Bild 2).- Die Standard-Beschichtungstemperatur liegt unter 200 °C.- Selbstschmierende Schichteigenschaften ermöglichen Trockenlauf von Maschinenkomponenten- Der Reibungskoeffizient bis hinab zu 0,05 ist äußerst niedrig (Bild 3). Er ist kleiner als der von Graphit (0,074).- Die Adhäsionsneigung ist deutlich reduziert.- Aufgrund der Beschichtung nimmt die Oberflächenrauigkeit nicht zu (Bild 2).- Problemloses Entschichten ohne Oberflächenbeschädigung ist möglich- Das Schichtsystem entspricht den Lebensmittelrichtlinien- Es können ohne großen Aufwand Schichtdicken von 1 bis 10 µm erzeugt werden.- Das Schichtsystem ist elektrisch isolierend, ohne jedoch die Wärmeleitfähigkeit zu beeinflussen.Die Konzentration all dieser Eigenschaften in einer Beschichtung war in der Vergangenheit nicht möglich. Das Schichtsystem stellt tatsächlich einen Durchbruch in der Oberflächentechnik dar.Schichtabscheidung bei niedriger TemperaturDas Schichtsystem wird im PACVD-Verfahren (Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition) erzeugt. Im Vergleich zum PVD-Verfahren (Plasma Vapor Deposition) findet allerdings keine Zerstäubung von physikalisch vorliegenden Metallen statt. Vielmehr liegen die aufzubringenden Schichtbestandteile gasgebunden - also in einem chemischen Zustand ähnlich wie beim klassischen CVD-Verfahren (Chemical Vapor Deposition) - vor.Beim CVD-Prozess wird jedoch die Spaltung des Gases thermisch bei einer Temperatur von 800 bis 1000°C erreicht. Im Gegensatz dazu wird beim PACVD-Verfahren ein Plasma verwendet und dadurch das Gas ionisiert. Durch gezielte Prozessführung erreicht man bereits bei Temperaturen von 150 bis 180 °C die Kondensation der gewünschten Beschichtung auf der Oberfläche der Substrate. Die Schichtstruktur ist dabei durch jegliches Fehlen von Metallgittern absolut amorph, defektfrei und ohne nennenswerte Eigenrauhigkeit (Bild 4). Der Beschichtungsprozess ist bereits ,,hochskaliert". So wurde eine Beschichtungsanlage mit einem Kammervolumen von etwa 3 m3 gebaut. Sie ist schon für Großserienanwendungen in Betrieb. Derzeit werden allein von diesem Typ zwei weitere Beschichtungsanlagen fertiggestellt.Effektiver Korrosionsschutz für hochbelastbare TeileJedoch ist das Schichtsystem nicht für alle Produktionsbereiche erforderlich. Oft können auch herkömmlichen Verfahren zum Korrosionsschutz ausreichen. Bei manchen Anwendungen gibt es jedoch bislang keine Alternative zu dieser Beschichtung. Hier sind einige typische Anwendungsbeispiele:Im Automobilbau sind die Grundwerkstoffe für Motoren mittlerweile an ihre physikalischen Anwendungsgrenzen gestoßen. Die Gratwanderung zwischen Härte, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit bietet für aktuelle Problemstellungen kaum noch neue Alternativen, wie anhand eines Beispiels deutlich wird: Die Bauteile der neuen, hoch sensiblen und leistungsstarken Treibstoffpumpen werden zwar hauptsächlich durch Reibung abrasiv und adhäsiv belastet. Jedoch auch die Korrosionsangriffe durch aggressive Treibstoffbestandteile waren ein Problem für den Serieneinsatz. Mit Hilfe der hochskalierten Beschichtungsanlagen, die derzeit die größten Anlagen für amorphe Kohlenstoffhartstoffschichten sind, kann das Schichtsystem Dylyn-DLC wirtschaftlich auf Großserienteile abgeschieden werden.- In der Kunststoffverarbeitung mussten bei einem Kunden immer wieder nach bereits zwei Monaten alle Auswerfer ausgetauscht werden, weil sie korrodierten. Grund dafür waren die immer aggressiver werdenden Füllmedien der zu verarbeitenden Kunststoffe, zum Beispiel Flammschutzmittel. Seit der Beschichtung sind diese Auswerfer bereits seit fast einem Jahr wartungsfrei in Betrieb (Bild 4).- Neue hartnäckigere Viren und sonstige Krankheitserreger machen in der Medizintechnik eine immer gründlichere und dadurch aggressivere Sterilisation und Autoklavierung notwendig. Trotz Verwendung korrosionsbeständiger Stähle werden die Oberflächen mehr und mehr angegriffen. Zur Qualifikation in diesem Anwendungsbereich sind eine FDA-Zulassung und sogar TÜV-Zertifikate für spezielle Implantate vorzuweisen.- In der chemischen Industrie ist man bei vielen Anwendungen produktionstechnisch und qualitativ von der einwandfreien Funktionalität der Kugelhähne abhängig. Auch hier hat die Korrosion in Bezug auf Kosten und Qualität immer wieder einen deutlich negativen Einfluss auf die Produktionskette.- In der Lebensmittelindustrie sind kombinierte Oberflächeneigenschaften von hoher Bedeutung: Korrosions- und Verschleißfestigkeit bei gleichzeitiger Grundvoraussetzung der Lebensmitteltauglichkeit (siehe Medizintechnik).- Natürlich sind bei Kugelwälzlagern und im Sondermaschinenbau die Verschleißfestigkeit und Reibungsreduzierung die Hauptaufgaben von Schichtsystemen. Doch auch diese Eigenschaften sind kurz- oder langfristig von der Korrosionsbeständigkeit der Oberfläche abhängig, die je nach Arbeitsumgebung sehr gefordert sein kann.