Hoch belastbare a-C:H Schichten für Werkzeuge und Bauteile

Amorphe Kohlenstoffschichten haben gegenüber traditionellen Hartstoffschichten niedrigere Reibkoeffizienten, niedrigere Verschleißraten, weniger Kaltaufschweißungen und benötigen weniger Schmierung, nur die Überlastsicherheit ist geringer, so dass viele Erwartungen nicht erfüllt wurden. Bei einer lokalen kurzfristigen Überlastung kommt es zu zerstörten Schichtbereichen, während beispielsweise TiN-Schichten gegenüber Überlastungen weniger empfindlich sind. Als Maß für die Überlastsicherheit kann die im Scratch-Test ermittelte Last dienen, bei der es zur Rissbildung oder zu Schichtausbrüchen kommt. Bei wiederholter Belastung sinkt bei Kohlenstoffschichten die kritische Last, während sie bei TiN und metallhaltigen Kohlenstoffschichten wie a-C:H:W kaum beeinflusst wird. Die Belastbarkeit, besonders Rissentstehung und Ausbreitung, lässt sich durch den Einbau geeigneter Haft-, Zwischen- und Übergangsschichten entscheidend verbessern. Das können Cr, W oder CrN-Schichten sein, die mit PVD-Verfahren neben metallhaltigen oder metallfreien a-C:H-Schichten abgeschieden werden. Beispielsweise besteht ein solches Mehrschichtsystem aus einer Cr-Haftschicht auf dem Substrat, dann folgen eine CrN-, Cr- und a-C:H:W-Schicht. Haftung, Härte, Verschleiß und Reibwert werden durch die Zwischenschichten nicht beeinflusst, aber die kritische Last wird verdoppelt. Das unterschiedliche Bruchverhalten wird durch die gröbere Stängelstruktur der a-C:H:W-Schicht erklärt. Entstehende Risse werden stärker abgelenkt, in die Tiefe laufende Risse werden durch die duktilere CrN-Schicht aufgefangen. Anwendungsversuche beim Umformen und Schneiden von Aluminium und Stahl bestätigen die höhere Überlastsicherheit der Mehrschichtsysteme gegenüber TiN oder TiCN. Verformungsversuche von Magnesium bei höheren Temperaturen waren ohne Anhaftungen erfolgreich.