Tetraedrisch-amorpher Kohlenstoff zählt zu den härtesten diamantartigen Kohlenstoffschichten und wird eingesetzt, um Reibung und Verschleiß an Werkzeugen und Maschinenkomponenten zu reduzieren. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS hat sein Laser-Arc-Verfahren nun in zwei Punkten weiterentwickelt: bei der erreichbaren Schichtdicke und bei der Oberflächenqualität.
ta-C-Schichten erreichen 100 Mikrometer
Durch Anpassungen an Puls-Stromquellentechnik und Schichtarchitektur konnten die Forschenden die Druckeigenspannungen reduzieren, ohne laut Institut die Schichthärte zu beeinträchtigen. Angepasste Haftschichtsysteme ermöglichen ta-C-Schichten bis 100 Mikrometer auf Substraten wie Wälzlagerstahl, Hartmetall und Gusswerkstoffen sowie ausgewählten Kunststoffen.
Die hohe Schichtdicke ist insbesondere für Bauteile interessant, die starken abrasiven oder erosiven Belastungen ausgesetzt sind. Die Beschichtung übernimmt dabei selbst eine Stützfunktion. Dadurch soll der sogenannte Eierschaleneffekt vermieden werden, bei dem eine harte, aber dünne Beschichtung infolge lokaler Überlastung des darunterliegenden Werkstoffs versagt.
Plasmafilter reduziert Defekte in ta-C-Schichten
Eine zweite Entwicklung betrifft die Oberflächenqualität. Beim Vakuumbogenprozess können sich Partikel von der Kathode lösen und als sogenannte Droplets in die wachsende Schicht gelangen. Das erhöht die Rauheit und kann zusätzliche Glättungsschritte erforderlich machen.
Das IWS integriert deshalb einen 90-Grad-Plasmafilter in den Laser-Arc-Prozess. Dieser trennt den Ionenstrom von den Partikeln und ermöglicht laut Institut gleichmäßigere, defektarme Schichten. Für harte Grundwerkstoffe können bereits Schichtdicken zwischen einem und fünf Mikrometern ausreichen. Als Anwendungen nennt das IWS unter anderem Gleitlager, Wellen, Führungen sowie Zerspanungs- und Umformwerkzeuge.
Weniger Reibung für energieeffizientere Maschinen
Neben dem Verschleißschutz können ta-C-Schichten Reibungsverluste reduzieren. Das IWS gibt für einseitig beschichtete Reibpaarungen unter unterschiedlichen Schmiermedien Reibwerte zwischen 0,1 und 0,2 an. In Forschungsarbeiten zur sogenannten Supraschmierung wurden mit plasmagefilterten ta-C-Schichten unter anwendungsnahen Bedingungen noch niedrigere Reibwerte erreicht. Daraus ergeben sich mögliche Anwendungen zur Senkung des Energiebedarfs von Motoren, Pumpen und anderen Maschinenelementen.