«Ultradicke» ta-C-Schichten und Plasmafiltertechnik erweitern Anwendungsmöglichkeiten Glatte Kohlenstoffschichten der neuen Generation

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Hohe mechanische und abrasive Belastungen verkürzen die Lebensdauer von Werkzeugen und Bauteilen deutlich. Beschichtungen aus tetraedrisch-amorphem Kohlenstoff (ta-C) reduzieren Reibung und schützen Oberflächen wirkungsvoll. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS hat kürzlich zwei Durchbrüche erzielt, die den industriellen Einsatz von ta-C-Schichten deutlich erweitern können. Forschende aus Dresden entwickelten eine Plasmafiltertechnologie für das Laser-Arc-Verfahren, um Defekte gezielt zu reduzieren. Erstmals gelang es darüber hinaus, ultradicke ta-C-Schichten bis 100 Mikrometer prozesssicher zu realisieren und somit die Tür zum Schutz mechanisch höchst belasteter Oberflächen zu öffnen.

Tetraedrisch-amorpher Kohlenstoff stellt die härteste Form diamantartiger Kohlenstoffschichten dar. Ein hoher Anteil sp³-hybridisierter Diamantbindungen erzeugt die hohe Härte und ausgeprägte Verschleissbeständigkeit. Gleichzeitig senkt ta-C die Reibung in tribologischen Systemen deutlich. Industrieunternehmen nutzen diese Eigenschaften seit Jahren, um Reibverluste zu reduzieren und Bauteile unter anspruchsvollen Einsatzbedingungen zu schützen. Die industrielle Herstellung von ta-C-Schichten erfordert kontrollierte Vakuumbogenprozesse. Dabei entstehen unvermeidlich partikelartige Tröpfchen, sogenannte Droplets. Sie lösen sich aus der Kathode, gelangen in den Plasmastrahl und lagern sich in der wachsenden Schicht ab. Diese Defekte erhöhen die Rauheit und erfordern häufig aufwändige, nachgelagerte Glättungsschritte. Gleichzeitig begrenzen hohe Druckeigenspannungen die erreichbare Schichtdicke, da sie das Risiko von Schichtversagen erhöhen. Die umfassende industrielle Verbreitung von ta-C-Schichten hängt entscheidend davon ab, ob sich diese Herausforderungen überwinden lassen.

Das Fraunhofer IWS entwickelt das Laser-Arc-Verfahren konsequent für den industriellen Einsatz weiter. Hohe Abscheideraten und stabile Prozesse gehören zu den wesentlichen Vorteilen dieser Technologie. Gemeinsam mit Industriepartnern überführten die Forschenden das Verfahren in Serienanwendungen für tribologische Schutzschichten auf Motoren- und Maschinenkomponenten sowie Werkzeugen.

Ultrahohe Schichtdicken und glatte Oberflächen gezielt realisieren

Parallel zur Industrialisierung des Laser-Arc-Verfahrens adressierte das Fraunhofer IWS zwei zentrale Herausforderungen der ta-C-Herstellung durch eine gezielte Weiterentwicklung: die Abscheidung mehr als 20 Mikrometer dicker Schichten mit geringen Eigenspannungen sowie die Herstellung glatter, defektfreier ta-C-Schichten.

Forschende passten dafür die Puls-Stromquellentechnik sowie die Schichtarchitektur an und senkten die Druckeigenspannungen auf ein unterkritisches Niveau, ohne Einbussen an der Schichthärte zu erleiden. Parallel optimierte das Team die Langzeitstabilität der Laser-Arc-Technik bei hoher Abscheiderate. Anlagen arbeiten heute über Zeiträume von mehr als 24 Stunden stabil und ermöglichen reproduzierbare Prozesse für grosse Schichtdicken. Ergänzend entwickelte das Fraunhofer IWS spezifische Haftschichtsysteme, angepasst an den jeweiligen Werkstoff. Diese ermöglichen die sichere Abscheidung von ta-C-Schichten bis 100 Mikrometer auf technischen Substraten wie Wälzlagerstahl, Hartmetall, Gusswerkstoffen sowie ausgewählten Kunststoffen. Zusätzlich integrierten die Forschenden eine Plasmafiltertechnik in das Laser-Arc-Verfahren. Ein 90-Grad-Umlenkfilter trennt nun den Ionenstrom gezielt von Partikeln. Die Schicht wächst dadurch gleichmässig und weist eine besonders geringe Defektdichte auf, während eine hohe Abscheiderate des Verfahrens erhalten bleibt.

Dr. Volker Weihnacht, Abteilungsleiter Dünnschichttechnik am Fraunhofer IWS, ordnet ein: «Unsere Laser-Arc-Technik kombiniert hohe Abscheideraten mit stabilen Prozessen für qualitativ hochwertige ta-C Schichten. Die gezielte Absenkung der Eigenspannungen, die hohe Langzeitstabilität und angepasste Haftschichtkonzepte ermöglichen erstmals die industrielle Abscheidung ultradicker Schichten – ein echter Durchbruch für klassische Dünnschichtsysteme, die bei hoher Belastung oftmals durch den ›Eierschalen-Effekt‹ versagen. Unsere ›dicken‹ ta-C-Schichten bringen nun selbst die erforderliche Stützwirkung mit, die für hohe Belastungen erforderlich sind.»

Industrieller Nutzen dank hoch-belastbarer Schichtstrukturen

Die Anwendung entscheidet über die Auslegung des Schichtsystems. Hohe Schichtdicken kommen dort zum Einsatz, wo starke abrasive oder erosive Belastungen auftreten. Die Schicht wirkt selbsttragend und vermeidet den Eierschaleneffekt, also ein frühzeitiges Schichtversagen, durch lokale Überlastung. Schichtdicken von bis zu 100 Mikrometern ermöglichen dadurch einen zuverlässigen und dauerhaften Schutz, wenn extreme Einsatzbedingungen dies erfordern.

Für Anwendungen mit harten Grundwerkstoffen genügen Schichtdicken von einem bis fünf Mikrometern. Die Plasmafiltertechnik ermöglicht dabei die Abscheidung glatter, defektarmer ta-C-Schichten. Die Filterung entfernt Droplets aus dem Plasmastrahl und ermöglicht homogene Schichten mit glatter Oberfläche. Das erhöht die Oberflächenqualität der Bauteile und verbessert die Stabilität tribologischer Systeme im Betrieb. Typische Einsatzfelder sind Gleitlager, Wellen, Führungen sowie Werkzeuge für die Zerspanung und Umformung. Die angepasste Schichtauslegung erlaubt es, das System gezielt auf die jeweilige Belastung und Funktion abzustimmen.

«Die Erweiterung des Laser-Arc-Verfahrens um ultradicke und glatte ta-C-Schichten stärkt unseren Beitrag zur Lebensdaueroptimierung industrieller Systeme», erklärt Prof. Christoph Leyens, Institutsleiter des Fraunhofer IWS. «Die Neuentwicklung reduziert Verschleiss noch weiter, stabilisiert Produktionsprozesse und hilft der Industrie, Ressourcen sparsam und gezielt einzusetzen.»

Reibungsreduzierung zur Verbesserung der Energieeffizienz

Neben dem Verschleissschutz nutzen ta-C-Schichten eine weitere Eigenschaft: ihre nahezu universell niedrige Reibung. Unter unterschiedlichsten Medienschmierungen – von Motoröl und Maschinenöl über Fette und Wachse bis hin zu wasserbasierten Medien sowie Säuren und Basen – zeigen selbst einseitig mit ta-C beschichtete Reibpaarungen ein stabiles Reibverhalten mit Reibwerten von 0,1 bis 0,2.

Selbst unter ungünstigen Betriebsbedingungen bleibt das tribologische System stabil. Mangelschmierung oder ein vorübergehender Ausfall der Schmierung führen nicht unmittelbar zu Schädigungen der Kontaktflächen. Diese Robustheit erweitert die Einsatzmöglichkeiten von der Lebensmittelverarbeitung über Anwendungen im Trinkwasserumfeld und in der Medizintechnik bis hin zu Implantatbeschichtungen.

Ein weiteres Potenzial eröffnen ta-C-Schichten bei der Supraschmierung, einem Zustand mit nahezu nicht mehr messbaren Reibwerten. Forschende des Fraunhofer IWS untersuchen gemeinsam mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie seit Jahren, wie sich dieser Effekt auf reale Maschinenkomponenten übertragen lässt. Einen wichtigen Fortschritt erzielte das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderte Forschungsprojekt «CHEPHREN»: Erstmals erreichten glatte, mittels Plasmafiltertechnik hergestellte ta-C-Schichten unter anwendungsnahen Bedingungen den Zustand der Supraschmierung. Der langzeitstabile Effekt dieser Reibungsreduktion besitzt ein erhebliches volkswirtschaftliches Potenzial. Er steigert die Energieeffizienz von Antriebs- und Maschinenelementen und senkt den Energieverbrauch von Motoren, Pumpen und Anlagen um bis zu zehn Prozent. Dr. Volker Weihnacht fasst zusammen: «ta-C bietet grosses Potenzial für den Verschleissschutz und zur Energieeinsparung in zahlreichen Industrieanwendungen. Die weiterentwickelte Laser-Arc-Technik erweitert dieses Einsatzspektrum, indem sie ultradicke und besonders glatte ta-C-Schichten ermöglicht. Damit werden Anwendungen realisierbar, die bislang technisch nicht umsetzbar waren.»

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