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Glatt, verschleißfest und selbsttragend

Neuartige Kohlenstoffschicht schützt Werkzeuge besser

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Fraunhofer-Institut für Werkstoff und Strahltechnik IWS
AMADA GmbH
Schages GmbH & Co.KG
Thermacut GmbH

Zwei Herausforderungen wurden nun gemeistert

Parallel zur Industrialisierung des Laser-Arc-Verfahrens wollte man am IWS noch zwei zentrale Herausforderungen der „ta-C“-Herstellung durch eine gezielte Weiterentwicklung meistern: Die Abscheidung von über 20 Mikrometer dicker Schichten mit geringen Eigenspannungen sowie die Herstellung glatter, defektfreier Schichten. Die Wissenschaftler passten dafür die sogenannte Pulsstromquellen-Technik sowie die Schichtarchitektur an und senkten die Druckeigenspannungen auf ein unterkritisches Niveau – ohne Einbußen in Sachen Schichthärte, wie man betont. Das Team optimierte auch die Langzeitstabilität der Laser-Arc-Technik bei hoher Abscheiderate. Diese Anlagen arbeiten heute nämlich über 24 Stunden stabil und ermöglichen reproduzierbare Prozesse für große Schichtdicken. Ergänzend entwickelte das IWS spezifische Haftschichtsysteme, die an den jeweiligen Werkstoff angepasst sind, was die sichere Abscheidung bis 100 Mikrometer Dicke auf technischen Substraten wie Wälzlagerstahl, Hartmetall, Gusswerkstoffen sowie ausgewählten Kunststoffen erlaubt. Zusätzlich integrierte man eine Plasmafiltertechnik: Ein 90-Grad-Umlenkfilter trenne nun den Ionenstrom gezielt von Partikeln. Die Schicht wachse dadurch gleichmäßig und weise eine besonders geringe Defektdichte auf, während eine hohe Abscheiderate des Verfahrens erhalten bleibe.

Glattere und defektärmere „ta-C“-Schichten

Die Anwendung aber entscheidet über die Auslegung des Schichtsystems, wie die Experten anmerken. Hohe Schichtdicken kommen nur dort zum Einsatz, wo starke abrasive oder erosive Belastungen auftreten. Die Schicht ist selbsttragend und vermeidet so den sogenannten Eierschaleneffekt – also ein frühzeitiges Schichtversagen, durch lokale Überlastung. Dadurch schützen auch die 100-Mikrometer-Schickten dauerhaft, wenn extreme Einsatzbedingungen das erfordern. Für Anwendungen mit harten Grundwerkstoffen genügen Schichtdicken von einem bis fünf Mikrometern, wie man weiter erfährt. Die Plasmafiltertechnik ermöglicht dabei die Abscheidung glatter, defektarmer „ta-C“-Schichten. Die Filterung entfernt dabei die Droplets aus dem Plasmastrahl und ermöglicht homogenere Schichten mit glatterer 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 erlaube es, das System gezielt auf die jeweilige Belastung und Funktion abzustimmen.

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