Beschichtung Glatte Kohlenstoffschichten der neuen Generation

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Fraunhofer-Institut für Werkstoff und Strahltechnik IWS

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Beschichtungen aus tetraedrisch-amorphem Kohlenstoff (ta-C) reduzieren Reibung und schützen Oberflächen wirkungsvoll. Die industrielle Herstellung von ta-C-Schichten erfordert kontrollierte Vakuumbogenprozesse. Forscher am Fraunhofer IWS haben eine Plasmafiltertechnologie für das Laser-Arc-Verfahren entwickelt, um Defekte gezielt zu reduzieren.

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. Seit Jahren nutzen Industrieunternehmen diese Eigenschaften, um Reibverluste zu reduzieren und Bauteile unter anspruchsvollen Einsatzbedingungen zu schützen. 
Die ta-C-Schichten werden in einem kontrollierten Vakuumbogenprozess hergestellt. 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.

Ultrahohe Schichtdicken und glatte Oberflächen gezielt realisieren

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. 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 haben dafür die Puls-Stromquellentechnik sowie die Schichtarchitektur angepasst und die Druckeigenspannungen auf ein unterkritisches Niveau gesenkt, 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.

Industrieller Nutzen dank hoch-belastbarer Schichtstrukturen

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.

Reibung reduzieren – Energieeffizienz verbessern

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.