Ziel der Entwicklung
Kohlenstoffbasierte Hartstoffschichten mit einer diamantartigen Struktur (DLC) bieten aufgrund einer guten Härte und günstiger Reibungseigenschaften hervorragende Einsatzmöglichkeiten auf Werkzeugen und Bauteilen. Vorteile solcher Schichtsysteme sind die geringe Adhäsionsneigung und die chemische Inertheit, weshalb sich diese Systeme auch für Zerspan-, Umform- und Stanzprozesse eignen, bei denen hochharte Oberflächen benötigt und Anhaftungen vermieden werden sollen. Von großer Bedeutung hierbei ist für die Verschleißbeständigkeit und Härte von DLC-Schichten der Anteil tetraedrischer sp3-Bindungen. Sehr hohe Anteile (>85 Prozent) sind nur in ta-C-Schichten möglich. Allerdings lassen sich mit konventionell verfügbarer Anlagentechnik diese Schichten nur mit zusätzlicher energetischer Unterstützung oder unter Zusatz von Wasserstoff (ta-C:H) abscheiden, wodurch allerdings die Härte begrenzt wird. Ziel des Projektes war daher die Entwicklung von „ta-C“-DLC- Schichten, die sich durch Abscheiden aus einer Graphit-Kathode erzeugen lassen. Die technologischen Neuheiten zur Realisierung derartiger Schichtsysteme waren die Punkte Arc- PVD-Verfahren zur DLC-Abscheidung in einer industriellen Anlage „filtered deposition“ zur Vermeidung von Droplets und der Erzeugung wasserstofffreier DLC-Schichten (ta-C).
Vorteile und Lösungen
Im Rahmen des Projektes konnte nach der Schaffung der anlagentechnischen und technologischen Vorraussetzungen nachgewiesen werden, dass mit der oben genannten ta-C- Beschichtungstechnologie Schichten mit einer hohen Schichthärte aufgrund eines hohen Anteils der tetraedrischen sp3- Struktur, verbesserter chemischen und antioxidativen Eigenschaften aufgrund der chemischen Inertheit des Kohlenstoffs und verbesserte Antiadhäsionseigenschaften durch kovalente chemische Bindung des Kohlenstoffs in der „ta-C“- DLC- Struktur auf z.B. Zerspanwerkzeugen vorzugsweise aus Hartmetall abscheidbar sind. Unter Beachtung geeigneter Werkzeugvor- und Schichtnachbehandlungen lassen sind weitere positive Effekte erzielen. Besonders bei der Bearbeitung (Fräsen) von zum Kleben neigenden Aluminium deuten die Ergebnisse auf ein sehr gutes Einsatzverhalten bei einer ausreichenden Schichthaftung hin. Desweiteren zeigen die ta-C-Schichten im Vergleich zu derzeit am Markt verfügbaren optimalen Lösungen wie CVD-Diaman- oder TiB2 bei einem deutlich verringerten Beschichtungsaufwand (filtered arc PVD Prozess) ein ähnlich gutes Adhäsionsverhalten.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die erarbeitete ta-C-Beschichtungstechnologie stellt die Basis für weitere Optimierungen u.a. hinsichtlich Erhöhung der Haftfestigkeit dar, die letztendlich eine deutliche Erhöhung der Werkzeuglebensdauer und eine Verringerung des Verschleißes zum Ziel haben. Daher sind sehr gute wirtschaftliche Erfolgsaussichten für die Nutzung dieser Technologie vorhanden. Geplant ist, die bei der Projektbearbeitung erarbeiteten Erkenntnisse und Erfahrungen auf dem Gebiet der ta-C-Beschichtung inclusive der Vor- und Nachbehandlung der Werkzeuge im Rahmen weiterer FuE-Projekte zu nutzen, um ta-C-Verschleißschutzschichten für weitere Einsatzfälle zu modifizieren.