Entwicklung einer Hochrate- und Großflächenbeschichtung mit reibungs- und verschleißarmen kohlenstoffbasierten Hartstoffschichten

Diamantähnliche DLC(a-C:H)- und modifizierte DLC(a-C:H)-Schichten zeichnen sich durch sehr geringe Reibung und niedrigen Verschleiß aus. Für die weitere industrielle Verwertung der erreichten F&E-Ergebnisse besteht die Notwendigkeit, die bisher bekannten Abscheideverfahren so zu modifizieren oder neu zu entwickeln, dass für Großflächenbeschichtungen oder Kurztaktprozesse, die in Fertigungslinien integrierbar sind, deutlich erhöhte Raten gegenüber den bisherigen Verfahren angeboten werden können. Die Entwicklungsarbeiten hatten zum Ziel, für das Magnetronsputtern die Abscheiderate gegenüber den bisher üblichen Verfahren mindestens auf Werte von mehr als 30 Mikrometer/h zu erhöhen. Mittels der Schichtcharakterisierung und Untersuchung der funktionellen Eigenschaften an den Schichten, die mit erhöhten Raten abgeschieden wurden, sollte der Nachweis erbracht werden, dass für die Applikationen relevante und vorteilhafte Eigenschaften vorliegen, die denen der 'Standardschichten' entsprechen. Die Kriterien des Meilensteins 'Realisierung des Hochrate-Magnetronsputterprozesses für a-C:H:Me-Schichten' mit einer Rate von ca. 20 mikron/h, einer Schichtdicke: > 2 Mikrometer, einer Haftung auf Stahlsubstraten ausreichend für die tribologische Charakterisierung, einer Verschleißrate, die höchstens doppelt so hoch wie bei 'Standardschichten' ist, konnten in allen Punkten erreicht und teilweise deutlich übertroffen werden. Das Ziel, Wachstumsraten von 30 Mikrometer/h durch reaktives Magnetronsputtern zu realisieren, wurde nur knapp verfehlt, scheint aber prinzipiell durch eine Erhöhung der Targetleistung erreichbar zu sein. Im Rahmen des Projektes war dies mit der zur Verfügung stehenden Beschichtungsanlage, bedingt durch die unzureichende Targetkühlung, nicht möglich. Die prinzipielle Eignung des a-C:H:Ti Hochrate-Magnetronsputterprozesses für die Integration in In-line Beschichtungsanlagen mit mehreren Beschichtungsstationen konnte nachgewiesen werden. Eine Unterbrechung des Beschichtungsprozesses zwischen der Haft- und Deckschicht ist ohne Beeinträchtigung der Schichteigenschaften möglich. Erstmals wurde eine Methode zur plasmaaktivierten Elektronenstrahlbedampfung von wasserstofffreien kohlenstoffbasierten Hartstoffschichten eingerichtet. Die Erwartungen an den Hochrateprozess wurden mit Beschichtungsraten von 100 Mikrometer/h vollständig erfüllt. Derartige Ratewerte stellen keine Begrenzung dars, eher die gleichzeitige Anforderungen an eine nötige Partikelfreiheit. Vorschläge zur Prozessoptimierung wurden im projektbegleitenden Ausschuss vorgestellt. Die im Verschleißschutz üblichen Schichtdicken von 3 Mikrometer konnten haftfest abgeschieden werden. Für tribologische Anwendungen ist die Schichthaftung weiter zu optimieren. Die Schichthärten liegen repräsentativ im Bereich 11 GPa bis 4 GPa. In einzelnen Versuchen wurden 16 GPa erreicht. Im Volumenverschleiß wurden Bestwerte von 2x10(exp 15) m(exp 3)/Nm ermittelt, wie im Projektantrag formuliert.