19 Gerüchten auf die Schliche gekommen

Dr. Knut Enke ist Geschäftsführer der Ikos GmbH in Stockstadt/Main

Diamantähnliche Kohlenstoffschichten sind Hoff-nungsträger Nummer eins unter modernen Hightech-Beschichtungen. Das liegt vor allem an ihrer niedrigen Reibung bei zugleich hoher Härte. Bekannt auch als DLC vom englischen „Diamond-like carbon” oder a-C:H (amorpher wasserstoffhaltiger Kohlenstoff), besitzen sie eine Kombination von wünschenswerten Eigenschaften, die bei anderen verschleißmindernden Hartstoffschichten so nicht zu finden ist. Dies gilt auch gegenüber Hartstoff-Veteranen wie TiN (Titannitrid), TiC (Titancarbid) und TiCN (Titancarbonitrid), die schon seit etwa 20 Jahren einen festen Platz im Verschleißschutz von zerspanenden Werkzeugen einnehmen und inzwischen preisgüns-tig zu haben sind, wie auch gegenüber ihren verbesserten Nachfolgern TiAlN, TiAlCN oder TiZrN. Denn all diese Hartstoffschichten entstehen in der Vakuumkammer im PVD-Verfahren (physical vapour deposition) auf physikalischem Wege (Sputtern, Lichtbogenverdampfen). Dabei gelangen überwiegend feste Materialien wie Titan, Zirkon, Aluminium oder Chrom in die Gasphase und scheiden sich in einer Glimmentladung (Plasma) auf den Teilen ab. Die Vorzüge einer chemischen Gasphasenabscheidung CVD (chemical vapour deposition) kann diese Methode aber nicht erreichen.

Vor allem, wenn das CVD-Verfahren Plasma-unterstützt angewendet wird (Plasma-CVD oder schlicht PCVD) und überwiegend mit organischen Gasen arbeitet, lassen sich Eigenschaften erzeugen, die PVD-Verfahren derzeit verschlossen sind. Ein herausragendes Eigenschaftskollektiv bieten beispielsweise DLC-Schichten, die aus einem Kohlenwasserstoffgas wie Methan, Propan oder Acetylen mittels PCVD abgeschieden werden:

Härte von 3000 HV

Hohe Elastizität und Streckgrenze, so dass sich eine elastische Rückfederung von bis zu 90 % ergibt

Sehr niedriger Reibungskoeffizient (trocken) von etwa 0,05 bis 0,10 gegenüber vielen Reibpartnern

Übertragung des Verschleißschutzes auch auf den unbeschichteten Reibpartner

Abscheidetemperatur 150 bis 200 °C

Temperaturbeständigkeit bis etwa 600 °C, in Ausnahmefällen bis über 800 °C

Völlige chemische Inertheit: Keine Chemikalie kann DLC angreifen.

Der entscheidende Vorteil ist die extrem geringe Reibung, die niedrige Oberflächentemperaturen zur Folge hat. Wo bei trockener Reibung makro-skopische Reibtemperaturen von 300 bis 500 °C auftreten können (etwa in ungeschmierten Gleitlagern aus SiC-Keramik), bleiben die Werte bei DLC-Beschichtung unter 50 °C. Und das nur, weil der Trockenreibwert (SiC gegen SiC) von 0,6 auf 0,04 absinkt.

Die erwähnten Eigenschaften von DLC führen selbst in Fachkreisen immer wieder zu Skepsis. Gerüchte kursieren. Im Folgenden soll nun mit diesen Gerüchten und Märchen gründlich aufgeräumt werden.

DLC sei wasserempfindlich

Das ist natürlich Unfug, denn DLC kann durch keine Säuren, Laugen, Lösungsmittel angegriffen werden, schon gar nicht von Wasser.

Eine mögliche Ursache für das Gerücht: Es gibt einen Anbieter in Europa, dessen Schichten angeblich von Wasser angegriffen werden. Mit den Fehlern der Konkurrenz können Mitbewerber im Allgemeinen gut umgehen. Durch diese Fehler wird aber die zu Unrecht existierende Skepsis aufrecht erhalten und es besteht die Gefahr, dass schlechte Ergebnisse verallgemeinert werden.

DLC kann nur Temperaturen bis 300 °C aushalten

Die Wahrheit: Bis etwa 600 °C wird beispielsweise die DLC-Schicht Dynamant eingesetzt, in Ausnahmefällen sogar bis 800 °C. Undotierter, klassischer a-C:H hält dagegen immerhin 350 bis 400 °C aus, ohne seine guten Eigenschaften zu verlieren.

DLC hält Zerspantemperaturen von 800 °C nicht aus

Richtig ist: Wenn ein Werkzeug zum Beispiel mit Dynamant beschichtet ist, entstehen diese hohen Temperaturen wegen der niedrigen Reibung erst gar nicht. Etwa 70 % der Wärme rührt von der Spanbildung her. Die verbleibenden 30 % reduzieren sich durch die niedrige Reibung auf nur noch 5 %. Damit fallen die Zerspantemperaturen auf schätzungsweise 500 bis 600 °C. Dynamant schützt sich also selbst vor Verschleiß.

DLC haftet schlecht auf Stahl

Eine gut ausgeklügelte Prozessführung vorausgesetzt, haftet beispielsweise Dynamant so gut auf Stahl, dass die Schicht nur mit roher Gewalt entfernt werden kann, also durch Fräsen, Drehen, Schleifen und Polieren (mit Diamantpaste). Das Gerücht von der schlechten Haftung stammt aus den 70er-Jahren, als tatsächlich niemand in der Lage war, DLC in Schichtdicken von mehr als 0,5 µm auf Stahl zum Haften zu bringen. Seit Anfang der 80er-Jahre gilt das Problem bei fast allen Anbietern als gelöst.

Mit Werkzeugen, die DLC-beschichtet sind, lässt sich kein Stahl zerspanen

Für reine Diamantschichten und erst recht klassischen DLC (oder a-C:H) trifft das zu, nicht aber für dotierten: Nach dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm sind C und Fe bei genügend hohen Temperaturen gegenseitig löslich. Daher verschleißen diese Schichttypen ziemlich rasch, wenn sie gegen Fe gleiten oder reiben. Dem wirken Dotiermittel jedoch entgegen. Ihre Funktionsweise ist noch nicht eindeutig geklärt, könnte aber der Rolle entsprechen, die angeblich Al im Hartstoff TiAlN übernimmt: Durch Oxidieren soll sich hartes Al2O3 bilden, das den Verschleiß der gesamten Schicht verringert. Solange bei DLC die genauen Zusammenhänge noch nicht aufgedeckt sind, gilt jedenfalls als Arbeitshypothese, dass das Dotiermittel ein Mehrfaches bewirkt: Erstens stabilisiert es den Diamant-Anteil in der atomaren Struktur des Kohlenstoffs. Dadurch steigt die Härte an und die Reibung fällt ab. Weiter nimmt die thermische Belastbarkeit zu und offenbar die Löslichkeit in Fe ab.

All das hat zur Folge, dass Stahl durchaus mit Dynamant-beschichteten Werkzeugen zerspant werden kann. Erleichternd kommt hinzu, dass die reibungsinduzierten Blitztemperaturen in den Spitzen der Rauigkeit („Hot Spots”) durch die niedrige Reibung der DLC-Schichten reduziert werden. Sie fallen von normalerweise 1000 bis 3000 °C auf etwa 500 °C. Somit verringern sich auch die Lösungsvorgänge mit Fe. Dynamant schützt sich also selbst vor allzu großem Verschleiß.

Der unbeschichtete Reibpartner verschleißt viel weniger, wenn sein Gegenüber DLC-beschichtet ist

Das ist kein Gerücht, sondern Realität. Standzeitverlängerungen von Faktor 5 sind mit Dynamant-Schichten so bereits erreicht worden. Die Erklärung für dieses erstaunliche Phänomen: Wegen der niedrigen Reibung werden die Blitztemperaturen auf 500 °C und tiefer abgesenkt (normal sind 1000 bis 3000 °C!). Deshalb schmilzt weder der Reibpartner noch die DLC-Schicht, so dass Mikroverschweißungen („Kaltverschweißungen”) weitestgehend ausgeschaltet werden. Adhäsive (klebende) Vorgänge werden fast völlig unterdrückt. Die gefürchteten Aufbauschneiden kommen bei DLC-beschichteten Werkzeugen praktisch nicht mehr vor.

Da DLC eine hohe Härte hat, ist er sehr spröde

Nur teils richtig: Klassischer, undotierter DLC hat eine elas-tische Rückfederung von 70 %, dotierter DLC wie Dynamant aber bis zu 90 %! Deshalb ist Dynamant extrem schlagfest und überhaupt nicht spröde. Im Vergleich dazu federt der Hartstoff TiN nur zu etwa 40 % elastisch zurück, was dem typischen Wert einer spröden Keramik entspricht. Übrigens zeigt sich auch reiner Diamant trotz seiner immensen Härte von 8000 HV als hochelastisch. Bei Belastung federt er etwa 99%ig elastisch zurück…

Kratzer in DLC-Schichten heilen aus

Stimmt. Gelegentlich wurde beobachtet, dass Mikrohärte-Eindrücke vor den Augen des Beobachters in sich zusammenschrumpften, bis sie nicht mehr zu sehen waren. Aber darauf kann man sich nicht verlassen, da das Phänomen nicht reproduzierbar in den Griff zu bekommen ist.

DLC-beschichtete Werkzeuge haben immer eine 100fache Standzeit

Hier handelt es sich um Rekorde, die beispielsweise beim Stanzen von Al-Zn-beschichteten Blechen aufgetreten sind. Normal sind Standzeitverlängerungen um Faktor 2 bis 10. Es gibt aber Anwendungen, die ohne eine modifizierte DLC-Beschichtungen gar nicht möglich wären, etwa hochbelastete Hydraulikpumpen oder das trockene Tiefziehen von Alu.

Reibungsmindernde harte Schichten sind für Gleitlager nicht geeignet, weil nur eine weiche Gleitschicht die störenden abrasiven Partikel einbetten kann

Ja – und die weiche Schicht wird die harten Partikel nie wieder los! Sie schauen aus der weichen Oberfläche heraus, bleiben im Lagerspalt und denken gar nicht daran, in die weiche Oberfläche abzutauchen. Aus dem Hinterhalt setzen sie ihr zerstörerisches Werk fort. Das Einbettungsmärchen ist leider weit verbreitet.

Einleuchtend ist hingegen die Erfahrung, dass harte Partikel über harte Gleitflächen hinweg rutschen und das Tribosystem ebenso schnell wieder verlassen, wie sie es betreten haben. Außer in der Diamantschleiferei sind alle in Natur und Technik vorkommenden harten Partikel viel weicher als die DLC-Schicht und können ihr keinen Schaden zufügen. Mehr darüber im Internet (untenstehende Adresse).

Bisher sind Nutzen und Wertschöpfung von harten Schutzschichten erst von etwa 5 bis 10 % aller deutschen Industriefirmen erkannt worden, so schätzt der VDI. Nicht auszudenken, welche Potenziale sich auftun, wenn die Fachleute gesicherte Informationen statt Gerüchte erhalten.

Lesenswertes zu neun weiteren Gerüchten finden Sie in der Internet-Version dieses Beitrags unter www.industrieanzeiger.de („Technik“ – „Werkstoffe“), etwa zu den folgenden:

DLC befinde sich im Laborstadium

Die Haftfestigkeit lasse sich messen

Der Auto-Motor wird durch DLC-Schichten ölfrei

Gewehrrohre lassen sich innen beschichten …

Die Beispiele beziehen sich auf die weiterentwickelte, dotierte DLC-Schicht „Dynamant“, die von der Ikos GmbH in Stockstadt produziert wird. Bei Dynamant handelt es sich um einen amorphen, diamantähnlichen Kohlenstoff, auch (A)DLC oder a-C:H:X (amorpher, wasserstoffhaltiger Kohlenstoff mit Dotierung X).

Besondere Eigenschaften:

n Dynamant wird in einem plasmaaktivierten CVD-Verfahren abgeschieden (chemical vapour deposition)

n Abscheidetemperaturen liegen zwischen 150 und 200 °C

n Dynamant ist hochelastisch und hat Reibwerte um 0,1 gegenüber Stahl