Wie Nanostrukturierung die Grenzen der Hartstoffbeschichtung erweitert: Dicke Hartstoffschichten, hergestellt mit einer PVD-Dünnschichttechnik

Dünne Hartstoffschichten werden seit Jahrzehnten zum Verschleißschutz von Werkzeugen und Bauteilen eingesetzt. Die mit CVD- oder PVD-Verfahren hergestellten Metallnitride, -oxide, -karbide oder amorphe Kohlenstoffschichten sind deutlich härter als Werkzeugstahl bzw. Hartmetall und werden typischerweise in Schichtdicken bis ca. 10 µm angewendet. Die Herstellung solcher Schichten wird industriell sehr gut beherrscht, allerdings stellt die Abscheidung dickerer Schichten (>> 10 µm) mit PVD-Verfahren eine Herausforderung dar. Neben störenden Eigenspannungszuständen bilden sich bei dickeren Schichten oft inhomogene Schichtstrukturen aus, die durch Wachstumsdefekte oder eingelagerte Partikel hervorgerufen werden. Deren Bildung oder zumindest deren weiteres Wachstum muss beim Beschichtungsprozess verhindert werden. Dies kann beispielsweise durch ein gezieltes Schichtdesign im Nanometer-Maßstab erfolgen. An Hand experimenteller Ergebnisse werden einige Aspekte dieser Herangehensweise näher diskutiert.

Hard material coatings have been used for decades to protect tools and components from wear. Using PVD or CVD processes, metal nitrides, oxides, carbides, or amorphous carbon coatings can be formed, all significantly harder than tool steel or hard metals. Typical thickness of such coatings is up to 10 mm. Formation of such coatings on the industrial scale is now an established technology although deposition of thicker coatings (>> 10 mm) using PVD is more challenging. In addition to problems arising from internal stress in such deposits, the thicker coatings often exhibit inhomogeneous structures, typically caused by growth defects or occluded particles. Formation of such defects or at least, inhibiting their propagation, must be prevented as far as possible during the coating process. This can be achieved for example, by using a special layer design on the nanometre scale. Using experimental results, some aspects of this approach are described in detail.