Ziel der Entwicklung
Ziel des Projektes war es, amorphe Kohlenstoffschichten abzuscheiden, welche eine erhöhte thermische Beständigkeit aufweisen, da die üblichen amorphen Kohlenstoffschichten oftmals nur bis 450 Grad Celsius einsetzbar sind. Die amorphen Kohlenstoffschichten sind außerdem interessant für Grundwerkstoffe, welche üblicherweise aufgrund der thermischen Stabilität und Maßhaltigkeit nicht beschichtbar sind. Die Abscheidungstemperaturen der amorphen Kohlenstoffschichten liegen meist unterhalb von 250 Grad Celsius. Aufgrund der Härte der Schichten können Haftungsprobleme bei diesen Schichten auftreten, zum Beispiel die haftfeste Beschichtung von „weichen“ Werkstoffen mit einer armorphen Kohlenstoffschicht. Daher wurde auch eine Verbesserung der Haftung angestrebt und erreicht. Eine Verbesserung in diesen Bereichen soll durch Schichtstrukturoptimierungen und den zusätzlichen Einbau weiterer Legierungselemente erreicht werden.
Vorteile und Lösungen
Im ersten Schritt wurde eine umfassende Prozessanalyse der Gas- beziehungsweise Dampfabscheidung (PVD) unter der Betrachtung verschiedener schichtbeeinflussender Randbedingungen durchgeführt und die wesentlichsten Randbedingungen für einen stabilen Abscheidungsprozess ermittelt. Relevante Prozessparameter zum Erreichen des Projektzieles sind die Kathodenleistung, die Bias-Spannung sowie die Dotierung mit Elementen wie beispielsweise Silizium und Ätzdosis. Eine Anpassung der Magnetfelder ist zur Stabilisierung des Abscheideprozesses notwendig, zusätzlich wurden Kühlschritte in den Beschichtungsvorgang integriert. Nach der Ermittlung des Einflusses der modifizierten Beschichtungsparameter auf die sich auszubildenden Schichteigenschaften wurden erste Verschleißschutzschichten abgeschieden, welche strukturell an die veränderten Abscheidebedingungen angepasst wurden. Daneben wurden auch optimierte Haftvermittlerschichten abgeschieden und bewertet. Anschließend wurden die aussichtsreichsten Schichten nochmals hinsichtlich ihrer Anbindung und Struktur optimiert. Während der Schichtentwicklung erfolgte fortwährend eine Analyse der Schichteigenschaften wie beispielsweise der Schichtdicke, der Schichthaftung und des tribologischen Verhaltens. Durch die Dotierung einer amorphen Kohlenstoffschicht mit Silizium konnte das Verschleiß- und Reibungsverhalten, die thermische Beständigkeit und die Haftung der Schicht verbessert werden. Abschließend wurden die Schichten in Zerspanversuchen getestet. Dazu wurden Wendeschneidplatten mit einer Referenzschicht und verschiedenen amorphen Kohlenstoffschichten beschichtet. Die besten Ergebnisse konnten mit einer Schicht realisiert werden, welche aus einem Multilayeraufbau aus ta-C und siliziumhaltigen Lagen besteht.
Zielgruppe und Zielmarkt
Potenzielle Anwender der entwickelten Beschichtungen sind vor allem Hersteller und Anwender von Zerspanungswerkzeugen, die aufgrund der reduzierten Prozesstemperatur auch kostengünstigere Werkstoffe einsetzen können. Für weitere Einsatzzwecke können die Schichtsysteme gezielt weiterentwickelt und an die jeweilige Aufgabenstellung wie Zerspanung, Umformung oder hinsichtlich tribologischer und chemischer Eigenschaften angepasst werden. Damit können die getätigten Entwicklungen im Bereich von Technologien im Leichtbau und der metallverarbeitenden Industrie, wie zum Beispiel in der Automobil- und Kunststoffbranche, der Elektrotechnik oder des Maschinenbaus, Anwendung finden. Die Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden e. V. (GFE) wird als wirtschaftsnahe und gemeinnützige Forschungseinrichtung die Ergebnisse in geeigneter Weise interessierten Unternehmen zur Verfügung stellen. Durch die Vereinsarbeit hat die GFE Kontakt zu vielen wichtigen Herstellern und Anwendern von Werkzeugen. Für den Technologietransfer ist vor allem die Zusammenarbeit mit kleinen und mittelständischen Unternehmen geplant. Da die Ausstellungsmöglichkeiten auf Messen derzeit eingeschränkt sind, sollen die Entwicklungsergebnisse vorrangig über die Internetpräsenz und den Geschäftsbericht der GFE, die Arbeitskreise, die Netzwerkarbeit, die Publikationen sowie die Schmalkalder Werkzeugtagung präsentiert werden. Aufgrund der positiven Entwicklungsergebnisse wird eine erhöhte Nachfrage nach amorphen Kohlenstoffschichten erwartet. Es ist angedacht, auf Basis der in diesem Projekt erzielten Ergebnisse weitere Forschungen durchzuführen.
