Neue Generation glatter Kohlenstoffschichten: Hohe Verschleißfestigkeit, geringe Reibung und Selbsttragfähigkeit
Ultradicke ta-C-Beschichtungen und Plasmafiltertechnologie erweitern industrielle Einsatzmöglichkeiten
Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden hat bedeutende Fortschritte bei der Herstellung von tetraedrisch-amorphem Kohlenstoff (ta-C) erzielt, der für seine extrem hohe Härte und Verschleißbeständigkeit bekannt ist. Durch die Entwicklung einer Plasmafiltertechnik im Laser-Arc-Verfahren konnten Defekte in den Schichten deutlich reduziert werden. Zudem gelang erstmals die prozesssichere Abscheidung ultradicker ta-C-Schichten mit einer Dicke von bis zu 100 Mikrometern, was den Schutz stark beanspruchter Oberflächen erheblich verbessert.
Eigenschaften und Herausforderungen von ta-C-Schichten
Tetraedrisch-amorpher Kohlenstoff zeichnet sich durch einen hohen Anteil sp³-hybridisierter Diamantbindungen aus, was zu außergewöhnlicher Härte und Verschleißresistenz führt. Gleichzeitig reduzieren ta-C-Beschichtungen die Reibung in tribologischen Systemen signifikant. Trotz dieser Vorteile stellt die industrielle Fertigung vor Herausforderungen: Im Vakuumbogenprozess entstehen sogenannte Droplets, die als Defekte die Oberflächenrauheit erhöhen und aufwändige Nachbearbeitungen erfordern. Zudem begrenzen hohe Druckeigenspannungen die maximale Schichtdicke, da sie das Risiko von Schichtversagen steigern. Die Überwindung dieser Probleme ist entscheidend für eine breitere industrielle Anwendung.
Weiterentwicklung des Laser-Arc-Verfahrens
Das Fraunhofer IWS hat das Laser-Arc-Verfahren gezielt für die industrielle Nutzung optimiert. Die Technologie zeichnet sich durch hohe Abscheideraten und stabile Prozessbedingungen aus und wird bereits in Serienanwendungen für tribologische Schutzschichten auf Motoren-, Maschinenkomponenten und Werkzeugen eingesetzt.
Ultradicke und glatte Schichten mit Plasmafiltertechnik
- Durch Anpassung der Puls-Stromquelle und Schichtarchitektur konnten Druckeigenspannungen reduziert werden, ohne die Härte zu beeinträchtigen.
- Die Langzeitstabilität des Verfahrens bei hohen Abscheideraten wurde verbessert, sodass Anlagen über mehr als 24 Stunden stabil arbeiten.
- Entwicklung spezifischer Haftschichtsysteme ermöglicht die Abscheidung von ta-C-Schichten bis zu 100 Mikrometern auf verschiedenen technischen Substraten wie Wälzlagerstahl, Hartmetall, Gusswerkstoffen und ausgewählten Kunststoffen.
- Integration eines 90-Grad-Umlenkfilters trennt Ionenstrom von Partikeln, was zu besonders glatten und defektarmen Schichten bei gleichzeitig hoher Abscheiderate führt.
Dr. Volker Weihnacht, Abteilungsleiter Dünnschichttechnik am Fraunhofer IWS, betont die Bedeutung dieser Entwicklung: „Die Kombination aus hoher Abscheiderate, stabilen Prozessen und reduzierten Eigenspannungen ermöglicht erstmals die industrielle Herstellung ultradicker ta-C-Schichten. Diese bieten eine selbsttragende Schutzwirkung und verhindern das typische Versagen dünner Schichten unter hoher Belastung.“
Industrielle Anwendungen und Nutzen
Die Schichtdicke wird an die jeweilige Anwendung angepasst:
- Ultradicke Schichten (bis 100 Mikrometer) kommen bei stark abrasiven oder erosiven Belastungen zum Einsatz und verhindern durch ihre Selbsttragfähigkeit das frühzeitige Versagen der Beschichtung.
- Dünnere Schichten (1–5 Mikrometer) auf harten Grundwerkstoffen profitieren von der Plasmafiltertechnik, die glatte, defektarme Oberflächen erzeugt. Diese finden Verwendung in Gleitlagern, Wellen, Führungen sowie Zerspanungs- und Umformwerkzeugen.
Prof. Christoph Leyens, Institutsleiter des Fraunhofer IWS, unterstreicht den Beitrag der Technologie zur Verlängerung der Lebensdauer industrieller Systeme und zur Ressourcenschonung.
Reduzierung der Reibung und Steigerung der Energieeffizienz
ta-C-Schichten zeichnen sich durch sehr niedrige Reibungswerte aus, die unter verschiedensten Schmierbedingungen stabil bleiben. Selbst bei mangelhafter Schmierung schützen sie die Kontaktflächen vor Schäden. Dies eröffnet Einsatzmöglichkeiten in sensiblen Bereichen wie der Lebensmittelverarbeitung, Trinkwassertechnik, Medizintechnik und Implantatbeschichtungen.
Ein weiterer Forschungsschwerpunkt liegt auf der Supraschmierung, bei der Reibwerte nahezu auf Null sinken. Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderte Projekt CHEPHREN erreichte erstmals diesen Zustand unter praxisnahen Bedingungen mit glatten ta-C-Schichten aus der Plasmafiltertechnik. Die daraus resultierende Energieeinsparung von bis zu zehn Prozent bei Antriebs- und Maschinenelementen besitzt ein erhebliches wirtschaftliches Potenzial.
Dr. Volker Weihnacht fasst zusammen: „Die weiterentwickelte Laser-Arc-Technologie erweitert das Anwendungsspektrum von ta-C-Schichten erheblich und ermöglicht neue Einsatzfelder, die zuvor technisch nicht realisierbar waren.“
Technisches Profil von ta-C
- Materialtyp: Tetraedrisch-amorpher Kohlenstoff (ta-C), eine Form diamantartiger Kohlenstoffschichten (DLC)
- Struktur: Hoher Anteil sp³-hybridisierter Kohlenstoffatome (bis zu 90 %), ähnlich der Diamantstruktur
- Eigenschaften:
- Extrem hohe Härte
- Ausgezeichnete Verschleißbeständigkeit
- Niedrige Reibungskoeffizienten unter nahezu allen Bedingungen
- Hohe thermische und chemische Stabilität
- Abscheidung: Laser-Arc-Verfahren im Hochvakuum, optional mit Plasmafiltertechnik für glatte Schichten
- Typische Anwendungen:
- Gleit- und Wälzlagerkomponenten wie Scheiben, Wellen, Bolzen, Führungen, Zahnräder, Ventile
- Bauteile mit abrasiver oder erosiver Belastung, z. B. Werkzeuge, Pumpenteile, Maschinenteile, auch bei chemischer Beanspruchung
- Umform-, Zerspanungs- und Schneidwerkzeuge
Kontakt für wissenschaftliche Anfragen
Dr.-Ing. Volker Weihnacht
Abteilungsleiter Dünnschichttechnik
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS
Winterbergstraße 28, 01277 Dresden
Telefon: +49 351 83391-3247
E-Mail: volker.weihnacht@iws.fraunhofer.de
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