Oerlikon: DLC-Beschichtung Beschichtungen gegen mechanischen Verschleiss

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DLC- (Diamond-Like Carbon)Beschichtungen haben sich als ideal für hoch anspruchsvolle Anwendungen unter mechanischer Beanspruchung etabliert. Niedriger Reibungskoeffizient und hohe Härte verhindern vorzeitigen Verschleiss durch Abrasion, Oberflächenermüdung oder Tribooxidation.

Wasserstofffreie DLC-Beschichtungen eignen sich ideal für Komponenten, die extrem von hohen Temperaturen und Reibung beansprucht werden, zum Beispiel Kolben, Ventile und Nocken in Verbrennungsmotoren.
Wasserstofffreie DLC-Beschichtungen eignen sich ideal für Komponenten, die extrem von hohen Temperaturen und Reibung beansprucht werden, zum Beispiel Kolben, Ventile und Nocken in Verbrennungsmotoren.
(Bild: Oerlikon Balzers)

DLC-Beschichtungen sind im Automobil- und Rennsportbereich weitverbreitet. Sie finden jedoch vermehrt auch in weniger bekannten Einsatzbereichen, wie Wellenlagern von Windturbinen und den dazugehörigen Planetengetrieben, ihre Anwendung. Ebenso werden diese Schichten in der Lebensmittelindustrie verwendet. Dort werden sie beispielsweise auf rostfreien Stahlmessern, in Kolbenpumpen und auf diversen Gleitelementen in Abfüllanlagen eingesetzt. Die Beschichtungen haben sich ebenso zur Leistungssteigerung kritischer rotierender Teile in hydraulischen Antrieben, Kraftstoffeinspritzsystemen, bei Gleitringdichtungen und auch bei Pumpen und Ventilen bewährt.

Eigenschaften exakt einstellbar

Üblich versteht man unter DLC-Beschichtungen ausschliesslich wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffbeschichtungen (a-C:H). Dies ist jedoch zu kurz gegriffen. DLC-Beschichtungen können durch die Anpassung des Wasserstoffgehalts (wasserstoffhaltig oder wasserstofffrei), durch die Auswahl unterschiedlicher metallischer und nicht metallischer Dotierungselemente und sogar durch die Möglichkeit, diverse Haft- oder Zwischenschichten einzubauen, für spezifische Anwendungen massgeschneidert werden. Die Auswahl der geeigneten Abscheidemethode spielt ebenso eine grosse Rolle. Somit lassen sich gewünschte Schichteigenschaften einstellen. Meist sind DLC-Beschichtungen 1 bis 5 µm dick und 8 bis 80 GPa hart. Auch noch härtere Schichten sind möglich (Diamant ist mit 70–150 GPa der härteste Werkstoff). Ebenso können der gewünschte Reibungskoeffizient, die Oberflächenbeschaffenheit und auch die Temperaturbeständigkeit eingestellt werden. Aufgrund der breiten Palette an justierbaren Eigenschaften können DLC-Beschichtungen bereits in der frühesten Phase des technischen Designs eine wichtige Rolle im Entwicklungsprozess spielen. «Eine Beschichtung ist ein hochentwickeltes Designelement mit angepassten Eigenschaften», sagt Dr. Florian Rovere von Oerlikon Balzers, einem Unternehmen der Schweizer Oerlikon-Gruppe, das spezialisierte DLC-Beschichtungen für Bauteile und Werkzeuge weltweit anbietet. «Die Eigenschaften können sehr spezifisch auf die Anforderungen der Betriebsbedingungen zugeschnitten werden. Daher sollten Beschichtungen nicht nachträglich in ein System integriert werden, sondern sollten bereits in der Designphase berücksichtigt werden, um die Möglichkeiten für eine maximale Systemleistung voll auszuschöpfen», erläutert Florian Rovere.

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Wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffbeschichtung

Die bekannteste Variante DLC-Beschichtung, hydrierter amorpher Kohlenstoff (a-C:H), wird am häufigsten durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung aufgetragen (PACVD). Diese Abscheidungsmethode verursacht eine chemische Reaktion durch Plasmaanregung und Ionisierung, die eine Beschichtungshärte von etwa 15 bis 30 GPa erzeugt. Das liegt am unteren Ende der möglichen Härten der DLC-Beschichtungen. Die Eigenschaften dieser Beschichtungen können jedoch durch Hinzufügen von Dotierungselementen wie Silizium, Sauerstoff oder unterschiedlichen Metallen an die entsprechenden Anforderungen angepasst werden. Zum Beispiel kann für Steckverbindungen, Gleitelemente oder auch im Formenbau ein besonders niedriger Reibungskoeffizient erforderlich sein, um die Haft- beziehungsweise die Gleitreibung oder – im Formenbau – das Entformungsverhalten zu verbessern. In diesem Fall ist der Zusatz von Silizium als Dotierungselement ein möglicher Ansatz, aus dem eine a-C:H:Si-Beschichtung mit einer Härte von 15 bis 20 GPa resultiert. Ebenso kann durch die Dotierung mit Silizium und Sauerstoff ein hoher elektrischer Widerstand und eine chemisch inerte Oberfläche erzeugt werden.

Beständig bei Gleiten und Trockenlauf

Zu den Anwendungen für diese Art von DLC-Beschichtung gehören Komponenten, die einem erhöhten Gleitverschleiss ausgesetzt sind, oder Oberflächen, die verbesserte Trockenlaufeigenschaften benötigen. Mit Silizium dotierte DLC-Beschichtungen eignen sich daher ideal für Werkzeuge zum Spritzgiessen von Kunststoffen, für Auswerfer sowie für Blasformen und für Anlagen zur Herstellung von Halbleitern. Alle DLC-Beschichtungen von Oerlikon Balzers sind biokompatibel und lebensmittelecht. Somit eignen sie sich auch ideal für medizinische Instrumente und Bauteile in der Lebensmittelverarbeitung. «Einer unserer Kunden in der Lebensmittelverarbeitung hat die Rezeptur der von ihm hergestellten Cracker verbessert, um sie gesünder zu machen», erklärt Florian Rovere. «Sie verwendeten bis dato eine a-C:H-DLC-­Beschichtung, um die Stempel und Matrizen verschleissfester zu machen. Doch nach der Änderung der Rezeptur haftete die zu verarbeitende Masse stärker an den Werkzeugen, was zu Unterbrechungen bei der Herstellung führte. Wir konnten dieses Problem mit Balinit Dyln lösen, einer DLC-Beschichtung, die mit Silizium und Sauerstoff dotiert ist.» Weiterhin gibt es auch andere Optionen zur Modifikation des Schichtaufbaus. Bei der Dotierung mit Wolfram entsteht eine duktilere Wolframcarbid-Kohlenstoff- (Me-C:H-)Beschichtung, die sich ideal für Getriebeanwendungen, Kugellager und Kraftübertragungssysteme eignet. Diese Bauteile sind einer hohen Flächenpressung ausgesetzt und benötigen eine gewisse Einlaufphase. Weiterhin kann anstatt Wolfram auch Chrom verwendet werden, um eine vergleichsweise härtere Oberfläche zu verwirklichen.

Wasserstofffreie DLC-Beschichtungen

Eine Alternative zu hydrierten DLC-Beschichtungen ist eine Familie wasserstofffreier Beschichtungen, die eine noch höhere Härte bei sehr niedrigem Reibungskoeffizienten bieten. Diese Beschichtungen können unter ausgesprochen anspruchsvollen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden. Dazu gehören auch Verschleiss- und Kontaktbereiche in Motoren sowie im Ventiltrieb leistungsstarker Fahrzeuge, die extrem hoher Reibung ausgesetzt sind. Die Beschichtung kann auch in Kraftstoffeinspritzsystemen, bei Nockenwellen, Kolbenbolzen, Ventilen und Schlepphebeln eingesetzt werden, da dort hohe Flächenpressungen und Gleitgeschwindigkeiten bestehen. Abgesehen davon sind diese Beschichtungen auch ideal für den Einsatz bei Bauteilen in Hydraulikpumpen, bei Gleitringdichtungen und Komponenten für Hochdruckventile. Die meisten wasserstofffreien Kohlenstoff-Beschichtungen werden mit einer Methode der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) durch Lichtbogenverdampfung (Arc) aufgetragen. Dabei entsteht tetraedrisch amorpher Kohlenstoff (ta-C), mit einem hohen Anteil an tetraedrischen Bindungen (50 bis 60 Prozent). Verglichen mit a-C:H kann hier eine substanziell bessere Beständigkeit gegen abrasiven Verschleiss erzeugt werden. Typisch sind ta-C-Beschichtungen bis zu 60 GPa hart. Damit sind sie eine ausgezeichnete Wahl für Komponenten, die langfristig extremen Belastungen ausgesetzt sind, zum Beispiel Wellen und Dichtungen, die unter tribologischen Bedingungen arbeiten müssen, bei denen Reibung zu Überhitzung und Versagen führen kann.

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Glatte Oberflächen erforderlich

Historisch gesehen besteht die Herausforderung bei wasserstofffreien Beschichtungen und im Besonderen bei der Abscheidung von ta-C darin, dass der Beschichtungsprozess kleine «Droplets» auf der Oberfläche erzeugt, die zu einer erhöhten Rauheit führen. Diese bedarf einer Nachbehandlung durch den Beschichtungsdienstleister, um die Oberfläche wieder zu glätten. Aufgrund der hohen Härte der Schicht ist dies ein sehr zeitaufwendiger und teurer Prozess, der spezielle Verfahren erfordert. Um diesen Aufwand zu vermeiden, werden wasserstofffreie Kohlenstoffbeschichtungen mit der sogenannten «Filtered Cathodic Arc»-Methode hergestellt. Dabei werden durch den Einsatz eines elektromagnetischen Filters während der Abscheidung die meisten Tröpfchen entfernt. Dadurch entsteht zwar eine glattere Oberfläche, dennoch ist meistens eine zusätzliche Nachbehandlung notwendig. Ebenso sind längere Prozesszeiten für vergleichbare Schichtdicken nötig.

Bei niedrigen Temperaturen beschichten

Müssen die Oberflächen besonders glatt sein, können wasserstofffreie DLC-Beschichtungen mit der von Oerlikon Balzers entwickelten Technologie S3p (Scalable Pulsed Power Plasma) aufgetragen werden. Diese Technologie ist eine einzigartige Weiterentwicklung des Verfahrens HiPIMs (High Power Impulse Magnetron Sputtering), das die Vorteile des Lichtbogenverdampfungs- und des Sputterverfahrens kombiniert. Das sehr dichte Plasma ergibt harte Beschichtungen mit guter Haftung, vergleichbar zu der durch Lichtbogenverdampfung erzeugten. Gleichzeitig sind die entstehenden Beschichtungen auch sehr glatt. Dies aufgrund des verwendeten Sputterprozesses, bei dem die Atome aus dem Target-Material herausgestossen werden. Verglichen mit anderen DLC-Beschichtungen, die Prozesstemperaturen bis zu 350° C benötigen, werden DLC-Beschichtungen mit der Technologie S3p bei weit unter 200° C, also bei relativ niedriger Temperatur, aufgetragen. Dies ermöglicht die Anwendung auf einer viel breiteren Werkstoffpalette. Die Schicht haftet effektiv auf Aluminium und Stahlsubstraten. Eine solche wasserstofffreie DLC-Beschichtung wie Baliq Carbos kommt bei tribologischen Anwendungen, hochwertigen dekorativen Bauteilen, medizinischen Instrumenten und anderen kleineren Präzisionswerkzeugen zum Einsatz.

Nanokristallin und äusserst hart

Mit einer Härte von 80 bis 100 GPa befinden sich mikro- und nanokristalline Diamantbeschichtungen am oberen Ende der Härteskala. Abgeschieden werden solche Beschichtungen mit dem CVD-Verfahren (Chemical Vapour Deposition) und finden ihren Einsatz hauptsächlich bei hochspezialisierten Werkzeugen zum Zerspanen anspruchsvoller Materialien wie kohlefaserverstärkte Verbundwerkstoffe und bieten nicht mehr den Vorteil einer geringen Reibung.

Mehrlagig forderungsgerecht aufbauen

Angesichts der Vielzahl an DLC-Varianten müssen Anwender die unterschiedlichen Optionen verstehen, um die individuell jeweils technisch und wirtschaftlich beste Beschichtung auszuwählen. «Beschichtungen sind effektiv eine Architektur aus unterschiedlichen Einzelschichten, wobei jede davon gezielt entwickelt wird, um bestimmte Eigenschaften zu erfüllen», sagt Florian Rovere und führt aus: «Eine Beschichtung wird Lage für Lage aufgebaut mit dem Fokus auf Haftung, Härte und Oberflächeneigenschaften. Durch die Modifikation jeder einzelnen Zwischenschicht können wir eine extrem breite Palette an Oberflächenlösungen innerhalb der DLC-Beschichtungen schaffen. Durch den Einsatz von Bauteilen mit DLC-Beschichtungen werden nicht nur die Härte erhöht und die Lebensdauer verlängert. Wesentliche Teile des Systems versagen weitaus seltener, wenn überhaupt. Dadurch werden Wartung, unerwartete Ausfallzeiten und die damit verbundenen Kosten drastisch reduziert, selbst in anspruchsvollsten Umgebungen mit hoher Reibung, starkem Verschleiss und hoher Flächenpressung.» - kmu - SMM

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