Forscher aus Dresden haben eine Plasmafiltertechnik für das Laser-Arc-Verfahren entwickelt, um Defekte gezielt zu reduzieren. Erstmals gelang es darüber hinaus, ultradicke ta-C-Schichten bis 100 µm prozesssicher zu realisieren. Damit konnten sie die Tür zum Schutz mechanisch höchst belasteter Oberflächen öffnen.
Tetraedrisch-amorpher Kohlenstoff stellt die härteste Form diamantartiger Kohlenstoffschichten dar. Ein hoher Anteil sp³-hybridisierter Diamantbindungen erzeugt die hohe Härte und 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 partikelartige Tröpfchen, so genannte 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 industrielle Verbreitung von ta-C-Schichten hängt entscheidend davon ab, ob sich diese Herausforderungen überwinden lassen.
Das Fraunhofer IWS hat das Laser-Arc-Verfahren für den industriellen Einsatz weiterentwickelt. Hohe Abscheideraten und stabile Prozesse gehören zu den wesentlichen Vorteilen dieser Technik. Gemeinsam mit Industriepartnern überführten die Forscher das Verfahren in Serienanwendungen für tribologische Schutzschichten auf Motoren- und Maschinenkomponenten sowie Werkzeugen.
Ultrahohe Schichtdicken und glatte Oberflächen realisieren
Parallel zur Industrialisierung des Laser-Arc-Verfahrens adressierte das Fraunhofer IWS zwei zentrale Herausforderungen der ta-C-Herstellung: die Abscheidung mehr als 20 µm dicker Schichten mit geringen Eigenspannungen sowie die Herstellung glatter, defektfreier ta-C-Schichten.
Forscher 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 h 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 µm auf technischen Substraten wie Wälzlagerstahl, Hartmetall, Gusswerkstoffen sowie bestimmten Kunststoffen. Zusätzlich integrierten die Forscher eine Plasmafiltertechnik in das Laser-Arc-Verfahren. Ein 90°-Umlenkfilter trennt nun den Ionenstrom von Partikeln. Die Schicht wächst dadurch gleichmäßig und weist eine besonders geringe Defektdichte auf, während eine hohe Abscheiderate 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 Absenkung der Eigenspannungen, die hohe Langzeitstabilität und Haftschichtkonzepte ermöglichen erstmals die industrielle Abscheidung ultradicker Schichten – ein 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.“
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 bis 100 µm ermöglichen dadurch einen zuverlässigen und dauerhaften Schutz, wenn die Einsatzbedingungen dies erfordern.
Für Anwendungen mit harten Grundwerkstoffen genügen Schichtdicken von 1 bis 5 µm. 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 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“, erläutert Prof. Christoph Leyens, Institutsleiter des Fraunhofer IWS. „Die Neuentwicklung reduziert Verschleiß weiter und stabilisiert Produktionsprozesse.“
Reibungsreduzierung verbessert Energieeffizienz
Neben dem Verschleißschutz nutzen ta-C-Schichten eine weitere Eigenschaft: ihre nahezu universell niedrige Reibung. Unter unterschiedlichen Schmiermedien – 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 schädigen nicht unmittelbar die Kontaktflächen. Diese Robustheit erweitert die Einsatzmöglichkeiten.
Ein weiteres Potenzial eröffnen ta-C-Schichten bei der Supraschmierung, einem Zustand mit nahezu nicht mehr messbaren Reibwerten. Forscher des Fraunhofer IWS untersuchen mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie seit Jahren, wie sich dieser Effekt auf 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.