Diamantähnliche Schichten erfüllen High-Tech-Träume der Konstrukteure

Dr. Jochen Brand ist Leiter des Transferzentrums zur Umsetzung der Dünnschichttechnologie in der Industrie beim Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST), Braunschweig

Viele technische Systeme sind ohne Schmierung nicht oder nur kurze Zeit funktionsfähig. Meist ist der Einsatz von organischen Schmierstoffen unbedingt erforderlich. Er verursacht aber zusätzliche Kosten, führt zu konstruktivem Aufwand und gefährdet darüber hinaus die Umwelt. Die Industrie hat daher ein großes Interesse an reduzierten Schmierstoffmengen oder sogar trockenen Tribosystemen. Für solche Lösungen muss die Oberfläche eines belasteten Bauteils oder Werkzeugs eine Reihe von Anforderungen erfüllen wie

– geringer Reibwert,

– hohe Verschleißbeständigkeit,

– hohe Elastizität,

– geringe Adhäsionsneigung,

– hohe chemische Beständigkeit und

– geeignete Topographie.

Realisieren lässt sich dies nur mit modernen Hochleistungswerkstoffen und -werkstoffverbunden. Vor allem Beschichtungstechnologien können Reibung und Verschleiß gezielt beeinflussen, ohne die Eigenschaften des Massivwerkstoffes zu beeinträchtigen. Das seit den 70er-Jahren praktizierte Veredeln von Zerspanwerkzeugen mit Hartstoffschichten zeigt, welche Leistungssteigerungen mit dünnen Schichten im Mikrometerbereich zu erreichen sind (siehe Kasten). Hartstoffschichten besitzen allerdings keine sehr günstigen Reib- und Adhäsionseigenschaften. Sie eignen sich daher nur selten als Schutzschicht für tribologisch belastete Maschinenelemente.

Geradezu ideale Eigenschaftskombinationen für tribologische Anwendungen bieten dagegen die in den letzten Jahren entwickelten amorphen, diamantähnlichen Kohlenstoffschichten (DLC) sowie kristalline Diamantschichten. Sie werden mit unterschiedlichen chemischen (CVD) oder physikalischen (PVD) Verfahren im Vakuum abgeschieden. Im Blick auf die Materialeigenschaften lassen sich die DLC in der Mitte eines Dreiecks anordnen, dessen Eckpunkte die Kohlenstoffmaterialien Graphit, Polymer und Diamant bilden. Die Eigenschaften der DLC-Schichten nähern sich je nach Herstellverfahren, Abscheideparameter und Zusammensetzung den unterschiedlichen Polen im so genannten „Kohlenstoffdreieck“ an.

Über die Prozessführung und durch den Einbau zusätzlicher chemischer Elemente lassen sich die Eigenschaftsprofile von DLC-Schichten gezielt beeinflussen. Diese Möglichkeit hat in den letzten Jahren zu einer Vielzahl unterschiedlichster Kohlenstoffschichten geführt. (Einen Überblick über die Hauptgruppen und ihre Eigenschaften gibt die Tabelle).

Mit den für tribologische Anwendungen üblichen Schichtdicken von 1 bis 10 µm decken die Kohlenstoffschichten den gesamten Härtebereich von 1000 bis 10 000 HV ab. Ihr Elastizitätsmodul bewegt sich zwischen 100 und 1000 GPa. Darüber hinaus halten Kohlenstoffschichten hohen Temperaturen stand, verursachen nur geringe Reibung und neigen gegenüber den meisten Metallen kaum zur Adhäsion.

Struktur und Eigenschaften hängen stark von dem Herstellverfahren und den eingestellten Prozessbedingungen ab. Grundsätzlich bestehen DLC-Schichten aus einer hochvernetzten amorphen Kohlenstoffmatrix mit verschiedenen Anteilen an sp2- und sp3-(Orbital-)Bindungen sowie unterschiedlichen Gehalten an eingelagertem Wasserstoff.

Den Ursprung der DLC bildet die amorphe Kohlenwasserstoff-Schicht a-C:H. Sie enthält neben Kohlenstoff noch 10 bis 30 % Wasserstoff. Dieser stammt aus Kohlenwasserstoffgasen wie Acetylen, die im Herstellprozess zum Einsatz kommen. Werden beim Vakuumabscheiden zusätzlich Metalle eingebaut, so entstehen metallhaltige Me-C:H-Schichten. Im Gegensatz zu a-C:H-Schichten sind sie elektrisch leitfähig und lassen sich mit einer technisch einfacheren und preiswerteren Gleichstrom-Prozesstechnologie herstellen. Me-C:H-Schichten haben deshalb die bisher größte Anwendungstiefe und -breite aller DLC-Varianten erreicht.

Durch Einbau verschiedener Nichtmetalle in eine a-C:H-Schicht sind weitere Optimierungen möglich. Mit Silizium lässt sich zum Beispiel die Temperaturbeständigkeit erhöhen. Außerdem können verschiedene Elemente gleichzeitig in die a-C:H-Matrix eingebaut werden, wodurch sich beispielsweise die Benetzbarkeit, das Klebverhalten, die Transparenz und die UV-Resistenz beeinflussen lässt.

Ein weiterer Vorteil der amorphen Kohlenstoffschichten sind die niedrigen Beschichtungstemperaturen. Während die klassischen Hartstoffe typischerweise bei Temperaturen um 400 °C abgeschieden werden, erfolgt die Kohlenstoffbeschichtung bei Temperaturen unter 200 °C. So lassen sich auch temperatur-empfindliche Werkstoffe wie Polymere beschichten. Die Temperaturfestigkeit der DLC-Schichten selbst hingegen ist wesentlich größer. Sie reicht bis etwa 400 °C und geht bei bestimmten Modifikationen auch leicht darüber hinaus.

Die Reibeigenschaften der DLC-Schichten sind ausgesprochen günstig. Trockenreibwerte unter µ=0,2 lassen sich gegenüber verschiedensten Werkstoffen problemlos realisieren. Auch die Adhäsionsneigung gegenüber den meisten Metallen ist gering. Sie kann durch den Einbau bestimmter chemischer Elemente gezielt eingestellt werden. Auf diese Weise lassen sich sowohl teflonähnliche Schutzschichten als auch sehr gut benetzbare Oberflächen erzeugen.

So eröffnet die Verbindung von guten Reib- und Verschleißeigenschaften mit geringer Klebneigung und hoher chemischen Beständigkeit eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten für Kohlenstoffbeschichtungen. Viele tribologisch beanspruchte Maschinenelemente und Werkzeuge lassen sich mit solchen Schichten vor Verschleiß schützen und in ihrer Leistungsfähigkeit und Funktionalität steigern. Schmierstoffmengen können verringert oder ökologisch unbedenklichere Schmierstoffe eingesetzt werden. In einigen Fällen ermöglicht die Beschichtung sogar einen schmierstofffreien Betrieb. Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich daher für eine Vielzahl von tribologisch beanspruchten Maschinenelementen:

– Lagerelemente: Gleitlager, Kugellager, Führungselemente…

– Antriebselemente: Zahnräder, Wellen, Achsen, Ketten…

– Kolben/Zylinderpaarungen: Stoßdämpfer, Kolben für Motoren, Pumpen und Kompressoren…

Modifizierte amorphe DLC-Schichten können auch Kaltverschweißungen und Verklebungen verhindern. Hier kommt dem Schichtsystem die Kombination aus Härte und Elastizität, gepaart mit hervorragender Korrosionsbeständigkeit und geringer Adhäsionsneigung zugute. Die DLC-Schicht schützt dabei nicht nur das veredelte Bauteil, sondern auch den meist unbeschichteten Gegenkörper.

Insbesondere bei Umform- oder Presswerkzeugen erzielen die DLC-Schichten deutliche Vorteile gegenüber den klassischen Hartstoffschichten wie etwa TiN. Die Kohlenstoffbeschichtungen bewirken eine deutlich erhöhte Standzeit und verbessern zugleich die Oberflächengüte der bearbeiteten Werkstücke.

Im Werkzeugbereich werden DLC-Schichten vor allem in der Umformung von Leichtmetallen, Buntmetallen und Stahl verwendet. Dort reduzieren sie die Schmierstoffmengen und können Kaltaufschweißungen verhindern. Modifizierte Kohlenstoffschichten mit Anti-Haft-Eigenschaften dienen zudem verstärkt als PTFE-Ersatz in der Verarbeitung von Kunststoffen, Farben, Klebstoffen oder sogar Lebensmitteln. Typische Einsatzgebiete sind:

– Press- und Formwerkzeuge

– Zerspanwerkzeuge für Nichteisenwerkstoffe: Papier, Kunststoffe, Bunt- und Leichtmetalle

– Umformwerkzeuge

– Urformwerkzeuge für Leichtmetalldruckguss

Kohlenstoffschichten weisen ein enorm breites Eigenschaftspektrum auf. Sie bieten daher vielfältige Möglichkeiten, neue Produkte mit maßgeschneiderten, multifunktionalen Oberflächen zu schaffen. Der gezielte Einsatz dieser Schichten eröffnet eine bisher unbekannte konstruktive Vielfalt. Denn sie können Funktionen übernehmen, die mit Massivwerkstoffen nicht zu realisieren sind. So erhöhen sie die Lebensdauer und Belastbarkeit von Werkstücken oder statten die Oberflächen mit neuen Funktionen aus. Reibverluste werden reduziert. Antriebsleistungen sinken ebenso wie die benötigten Schmierstoffmengen. Teilweise sind sogar trockene Systeme möglich. DLC-Schichten führen außerdem zu einfacheren Konstruktionen und ermöglichen die Substitution von Werkstoffen, zum Beispiel im Leichtbau.

Das Interesse der Industrie an DLC-Schichten ist daher in den letzten Jahren stark angestiegen. Da auch die Anlagentechnologie ein hohes Niveau erreicht hat, nimmt die Anwendungsbreite der Schichten rapide zu. Selbst in Millionenstückzahl hergestellte Produkte lassen sich heute mit leistungsfähigen Anlagen wirtschaftlich beschichten.

DLC-Schichten bestehen grundsätzlich aus einer hochvernetzten amorphen Kohlenstoffmatrix mit verschiedenen Anteilen an sp2- und sp3-(Orbital-)Bindungen sowie unterschiedlichen Gehalten an eingelagertem Wasserstoff. Bei den Me-C:H-Schichten sind zusätzlich feinverteilte Metallkarbide in die Matrix eingelagert (typischerweise zwischen 10 und 20 %). Auch Nichtmetalle lassen sich einbauen (Dotierstoffe). Die i-C-Schichten bestehen dagegen wie Diamant nahe-zu vollständig aus sp3-gebundenem Kohlenstoff. Im Falle von i-C bildet er ein amorphes Kohlenstoffnetzwerk, bei Diamant weist er die typische Diamantkristallstruktur auf.

Schon seit einigen Jahrzehnten gehört das Beschichten von Werkzeugen mit dünnen Verschleißschutzschichten zum Stand der Technik. Begonnen hat diese Entwicklung mit der Hartstoffschicht Titannitrid (TiN). Aufgrund ihrer hohen Verschleißbeständigkeit (Härte bei 2000 bis 2500 HV) kann sie selbst die Lebensdauer und Belastbarkeit von Hartmetallwerkzeugen deutlich steigern.

Außer durch ihre hohe Härte zeichnen sich industriell hergestellte Hartstoffschichten durch Oxidationsbeständigkeit und chemische Beständigkeit aus. Die Universalschicht TiN kommt für vielfältige Zerspanaufgaben zum Einsatz. Bei höheren Anforderungen wird auf die stärker belastbaren TiCN-Schichten für den unterbrochenen Schnitt zurückgegriffen oder auf TiAlN-Schichten, wenn hohe thermische Anforderungen zu erfüllen sind. CrN-Schichten eignen sich vorzugsweise für die Buntmetallbearbeitung, die Kohlenstoffvarianten vor allem für Umformwerkzeuge. Für spezielle Anwendungen sind CrCN, CrC oder die zirkonbasierten Schichtsysteme ZrN, ZrCN erhältlich. In der Hochleistungszerspanung von NE-Werkstoffen spielen auch CVD-Diamantschichten eine große Rolle.

Weiterentwickungen im Bereich der Verschleißschutzschichten beschäftigen sich vor allem mit komplexen Strukturen (beispielsweise Multilayer, Gradientenschichten) sowie borhaltigen Systemen. Das Ziel ist hier die Herstellung von c-BN Schichten, die als zweithärtestes Material nach Diamant auch für die Zerspanung von Eisenwerkstoffen geeignet sind. Sie neigen nicht zur Diffusion in das Stahlmaterial, wie dies Diamant tut.