Oberflächenbeschichten Neue Schichten gegen Verschleiß

Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Die neue Beschichtungsgeneration BALIQ von Oerlikon Balzers überzeugt bei Mikro- und Gewindewerkzeugen durch eine maßgeschneiderte Mikrostruktur.

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Die S3p-Technologie ermöglicht die Produktion einer breiten Palette von Beschichtungen, wie BAL.IQ Micro für Mikrowerkzeuge und BAL.IQ Tap für Gewindewerkzeuge.
Die S3p-Technologie ermöglicht die Produktion einer breiten Palette von Beschichtungen, wie BAL.IQ Micro für Mikrowerkzeuge und BAL.IQ Tap für Gewindewerkzeuge.
(Bild: Oerlikon Balzers)

Die neuen Schichten zeichnen sich durch außergewöhnlich glatte Oberflächen sowie extreme Dichte, Härte, Haft- und Verschleißfestigkeit aus. Diese Kombination von Eigenschaften wurde möglich durch die S3p Technologie (Scalable Pulsed Power Plasma), eine signifikante Weiterentwicklung des HiPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering). Die mit dem industriereifen Verfahren von Oerlikon Balzers aufgebrachten Schichten werden unter dem Markennamen BALIQ in Kombination mit der spezifischen Anwendung angeboten.

Absolut glatt ohne Nachbehandlung

Gerade Mikrowerkzeuge können von den erweiterten Möglichkeiten der S3p-Technologie profitieren. Entscheidend sind bei Mikrowerkzeugen absolut glatte Oberflächen, denn diese ermöglichen einen reibungslosen Spanabfluss und vermindern Anhaftungen sowie die Bildung von Aufbauschneiden. BALIQ Micro Alcronos wurde speziell für die Ansprüche von Mikrobohrern und -fräsern entwickelt und garantiert höchstmögliche Glattheit und Defektfreiheit bei hervorragender Haftung. Als AlCrN-basierte Schicht ist BALIQ Micro Alcronos auch bei großer thermischer Belastung hoch verschleißfest und neigt kaum zum Aufkleben, auch nicht bei rostfreien Stählen und anderen schwierigen Werkstoffen. Durch die spezifischen Eigenschaften der BALIQ-Schicht erübrigt sich eine mechanische Nachbehandlung, die bei Mikro-Tools aufgrund kleinster Dimensionen ohnehin kaum möglich ist.

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Prozesssichere Gewindewerkzeuge

Die Vorteile von BALIQ sind auch ein Plus für BALIQ Tap Alcronos, der spezifisch entwickelten Lösung für Gewindeformer und -bohrer. Die AlCrN-basierte Schicht stellt eine deutlich leistungsfähigere Alternative zu gängigen TiN- oder TiCN-Produkten dar. Die innovativen Fertigungsmöglichkeiten führen zu einer deutlichen Erhöhung der Standzeiten, höchster Prozesssicherheit und Effizienz unter allen Anwendungsbedingungen.

Sputtern neu erfunden

Mit solchen Vorteilen hat S3p die HiPIMS-Technologie auf produktivere Beine gestellt und bisherige Schwächen überwunden. Damit wird der eigentliche Fortschritt von HiPIMS nun besser nutzbar: Dieses Verfahren verbindet die Vorzüge der gängigen PVD (Physical Vapor Deposition)-Technologien Sputtern und Arc Evaporation (siehe Infobox), die bei der Beschichtung von Teilen in tribologischen Systemen eingesetzt werden. Dabei ist Arc Evaporation aufgrund höherer Dichte, Härte und Haftung der Schichten sowie geringerer Kosten oft das bevorzugte Verfahren, vor allem für die Werkzeugbeschichtung. Bei Anwendungen, die eine absolut glatte Oberfläche erfordern, wird hingegen Sputtern bevorzugt. Der Grund: Anders als bei der Arc-Technik bilden sich auf der Beschichtung keine Tröpfchen (Droplets), die die Rauigkeit erhöhen.

HiPIMS nun lässt absolut glatte Schichten produzieren, die hinsichtlich Härte, Dichte und Haftung mit Arc-Beschichtungen vergleichbar sind. Die moderne Sputter-Lösung erreicht dies durch eine starke Erhöhung des Ionisierungsgrads der Partikel in der Verdampfungsphase von etwa 5 % auf über 70 %. Dies gelingt durch eine höhere gepulste Stromzufuhr – eine kluge Methode, damit das Substrat nicht über seinen Schmelzpunkt hinaus erhitzt wird. Die damit enorm gesteigerte Ionisierung erleichtert die Manipulation der Ionen, wodurch sich erwünschte Eigenschaften wie hohe Dichte und erhöhte Reaktivität leichter erzielen lassen.

Das bisher bekannte HiPIMS-Verfahren hat jedoch auch Limitationen. So ließen sich bislang Dauer und Stromstärke der eingesetzten Hochleistungsimpulse nicht präzise steuern, und auch die Spannung blieb während der Dauer des Pulses nicht konstant. Die Form des Stromimpulses war nicht ideal, was zu schwankenden Beschichtungsbedingungen während des Impulses führte.

HiPIMS ohne Limits

S3p beseitigt diese Einschränkungen durch die Entwicklung eines speziellen Leistungsmoduls zur exakten Steuerung der Impulsparameter. Die voneinander unabhängige Regelung von Impulsdauer und -stärke erlaubt eine präzise Definition der Schichteigenschaften, wodurch sich breitere Anwendungsfenster öffnen.

Zusätzlich zum erweiterten Spektrum der Beschichtungsmaterialien bewirkt S3p als Sputter-Technik eine bisher unerreichte Homogenität der Dickenverteilung im Einsatz mit industriellen Beschichtungsanlagen wie etwa Ingenia von Oerlikon Balzers. S3p ist hierbei in der Lage, Schichten von außergewöhnlicher Oberflächenglätte zu produzieren, die eine lange Lebensdauer sowie hohe Dichte und Widerstandsfähigkeit gegen Adhäsiv- und Abrasionsverschleiß bieten.

Maßgeschneiderte Morphologie

Die deutlich verbesserte Skalierbarkeit der Parameter mit S3p ermöglicht eine maßgeschneiderte Morphologie der Beschichtung für verschiedenste Anwendungsanforderungen. So kann zum Beispiel eine extrem feinkörnige und dichte Morphologie oder auch eine eher säulenartige und poröse gewählt werden. Es ist zudem möglich, mehrere Schichten von ab-wechselnd fein- und grobkörnigen Schichten desselben Materials zu erzeugen, wodurch sich einzigartige mechanische Eigenschaften erzielen lassen.

Davon können zum Beispiel Mikrowerkzeuge profitieren, wie sie etwa in der Automobilindustrie zur Bohrung von Düsenlöchern für Injektionssysteme in LKW-Motoren eingesetzt werden. Diese Tools sind meist zu klein für eine Nachbehandlung, die etwa zur Entfernung von Tröpfchen infolge der Arc-Technik nötig würde. Mögliche S3p Anwendungen sind auch Beschichtungen für Gussformen von Teilen in der Unterhaltungselektronik oder für Uhrmacherwerkzeuge.

Stabilere und effizientere Prozesse

Die nun variable Impulsdauer verbessert zudem die Prozessstabilität beträchtlich. So muss kein Kompromiss mehr zwischen Impulsdauer und -stärke gefunden werden, wodurch sich eine größtmögliche Abscheiderate und erhöhte Effizienz gegenüber früheren HiPIMS-Verfahren erzielen lässt. Zusätzlich bewirkt die Skalierbarkeit der Impulse innerhalb eines breiten Bereichs reaktive Prozesse frei von Hysterese-Effekten. Auch dies macht den Beschichtungsprozess stabiler und einfacher kontrollierbar. (qui)

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