Durchbruch bei ta-C-Beschichtungen: Fraunhofer IWS entwickelt ultradicke, verschleißfeste Kohlenstoffschichten für industrielle Anwendungen.

Neue Generation glatter Kohlenstoffschichten: Hohe Verschleißfestigkeit, geringe Reibung und selbsttragende Eigenschaften

Innovationen bei ta-C-Beschichtungen durch Plasmafiltertechnik und ultradicke Schichten

Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden hat bedeutende Fortschritte bei der Herstellung von tetraedrisch-amorphem Kohlenstoff (ta-C) erzielt. Diese Beschichtungen zeichnen sich durch ihre außergewöhnliche Härte und Verschleißbeständigkeit aus und werden eingesetzt, um Werkzeuge und Bauteile vor mechanischer Beanspruchung zu schützen und Reibungsverluste zu minimieren. Die jüngsten Entwicklungen umfassen eine neuartige Plasmafiltertechnik im Laser-Arc-Verfahren sowie die prozesssichere Herstellung von ultradicken ta-C-Schichten mit einer Dicke von bis zu 100 Mikrometern.

Eigenschaften und Herausforderungen bei ta-C-Schichten

ta-C ist eine der härtesten Formen diamantähnlicher Kohlenstoffschichten, mit einem hohen Anteil sp³-hybridisierter Bindungen, die für Härte und Verschleißfestigkeit verantwortlich sind.
Diese Schichten reduzieren die Reibung in tribologischen Systemen erheblich und schützen Bauteile unter anspruchsvollen Einsatzbedingungen.
Die industrielle Fertigung erfolgt mittels kontrollierter Vakuumbogenprozesse, bei denen jedoch unvermeidlich partikelartige Defekte („Droplets“) entstehen, die die Oberflächenrauheit erhöhen und aufwändige Nachbearbeitung erfordern.
Hohe Druckeigenspannungen begrenzen bisher die erreichbare Schichtdicke, da sie das Risiko von Schichtversagen erhöhen.

Weiterentwicklung des Laser-Arc-Verfahrens für industrielle Anwendungen

Das Fraunhofer IWS arbeitet an der Optimierung des Laser-Arc-Verfahrens, das sich durch hohe Abscheideraten und stabile Prozessbedingungen auszeichnet. Gemeinsam mit Industriepartnern wurde das Verfahren bereits für den Serieneinsatz bei tribologischen Schutzschichten auf Motoren-, Maschinenkomponenten und Werkzeugen etabliert.

Gezielte Realisierung ultrahoher Schichtdicken und glatter Oberflächen

Durch Anpassung der Puls-Stromquellentechnik und Schichtarchitektur konnten die Druckeigenspannungen auf ein unterkritisches Niveau reduziert werden, ohne die Härte der Schichten zu beeinträchtigen.
Die Langzeitstabilität des Laser-Arc-Verfahrens wurde verbessert, sodass Anlagen über mehr als 24 Stunden reproduzierbare Prozesse bei hohen Abscheideraten gewährleisten.
Speziell entwickelte Haftschichtsysteme ermöglichen die sichere Abscheidung von ta-C-Schichten bis zu 100 Mikrometern auf unterschiedlichen technischen Substraten, darunter Wälzlagerstahl, Hartmetall, Gusswerkstoffe und ausgewählte Kunststoffe.
Die Integration einer Plasmafiltertechnik mit einem 90-Grad-Umlenkfilter trennt Ionenstrom von Partikeln, wodurch die Schichten besonders glatt und defektarm wachsen, ohne Abscheiderate einzubüßen.

Dr. Volker Weihnacht, Abteilungsleiter Dünnschichttechnik am Fraunhofer IWS, betont: „Unsere Laser-Arc-Technologie verbindet hohe Abscheideraten mit stabilen Prozessen für qualitativ hochwertige ta-C-Schichten. Die Reduzierung der Eigenspannungen und die verbesserte Langzeitstabilität ermöglichen erstmals die industrielle Herstellung ultradicker Schichten, die mechanisch stark belastete Oberflächen effektiv schützen.“

Industrielle Anwendungen und Nutzen der neuen Schichtsysteme

Ultradicke Schichten bieten selbsttragende Eigenschaften und verhindern den sogenannten „Eierschalen-Effekt“, bei dem dünne Schichten durch lokale Überlastung versagen.
Schichtdicken bis zu 100 Mikrometern gewährleisten dauerhaften Schutz bei extremen abrasiven oder erosiven Belastungen.
Für harte Grundwerkstoffe genügen Schichten von 1 bis 5 Mikrometern, die dank Plasmafiltertechnik besonders glatt und defektarm sind.
Typische Einsatzgebiete umfassen Gleitlager, Wellen, Führungen sowie Werkzeuge für Zerspanung und Umformung.
Die Schichtsysteme lassen sich flexibel an spezifische Belastungen und Funktionen anpassen.

Prof. Christoph Leyens, Institutsleiter des Fraunhofer IWS, ergänzt: „Die Erweiterung des Laser-Arc-Verfahrens um ultradicke und glatte ta-C-Schichten trägt zur Verlängerung der Lebensdauer industrieller Systeme bei und unterstützt eine ressourcenschonende Produktion.“

Reibungsreduktion und Energieeffizienz durch ta-C-Beschichtungen

Neben dem Verschleißschutz zeichnen sich ta-C-Schichten durch sehr niedrige Reibungskoeffizienten aus, die unter verschiedensten Schmierbedingungen stabil bleiben. Selbst bei mangelhafter Schmierung schützen sie die Kontaktflächen vor Schäden, was ihre Anwendung in sensiblen Bereichen wie der Lebensmittelverarbeitung, Trinkwasseranlagen, Medizintechnik und Implantatbeschichtungen ermöglicht.

Ein weiterer Fokus liegt auf der Supraschmierung, einem Zustand mit nahezu verschwindend geringem Reibwert. Im Forschungsprojekt CHEPHREN, gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, konnten erstmals mittels Plasmafiltertechnik hergestellte glatte ta-C-Schichten unter praxisnahen Bedingungen diesen Effekt erzielen. Die daraus resultierende Energieeinsparung von bis zu zehn Prozent bei Antriebs- und Maschinenelementen birgt ein erhebliches wirtschaftliches Potenzial.

Dr. Volker Weihnacht fasst zusammen: „ta-C-Schichten bieten großes Potenzial für Verschleißschutz und Energieeinsparung. Die Weiterentwicklung des Laser-Arc-Verfahrens erweitert das Anwendungsspektrum erheblich und ermöglicht neue technische Lösungen.“

Technische Daten zu ta-C-Schichten

Materialtyp: Tetraedrisch-amorpher Kohlenstoff (ta-C), eine Form diamantartiger Kohlenstoffschichten (DLC)
Struktur: Hoher Anteil sp³-hybridisierter Kohlenstoffatome (bis ca. 90 %), ähnlich der Diamantstruktur
Eigenschaften:
- Superhärte
- Hohe Verschleißbeständigkeit
- Niedrige Reibungskoeffizienten unter nahezu allen Bedingungen
- Gute thermische und chemische Stabilität
Abscheidung: Laser-Arc-Verfahren im Hochvakuum, optional mit Plasmafiltertechnik für glatte Schichten
Typische Anwendungen:
- Gleitkomponenten wie Gleit- und Wälzlagerscheiben, Wellen, Bolzen, Führungen, Zahnräder, Ventile
- Abrasiv oder erosiv belastete Bauteile von Werkzeugen, Pumpen und Maschinen, auch bei chemischer Belastung
- Umform-, Zerspanungs- und Schneidwerkzeuge

Kontakt

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
Website: www.iws.fraunhofer.de