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Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden hat zwei technische Hürden beim Einsatz von tetraedrisch-amorphem Kohlenstoff überwunden. Die Forscher stellten erstmals Schichten bis 100 Mikrometer Dicke prozesssicher her und reduzierten schädliche Partikeldefekte im Beschichtungsprozess. Damit rückt die Technologie näher an den Serieneinsatz für mechanisch hoch belastete Bauteile.
Was ta-C leistet und wo die Grenzen lagen
Tetraedrisch-amorpher Kohlenstoff, kurz ta-C, gilt als härteste Variante diamantartiger Kohlenstoffschichten. Die hohe Härte entsteht durch einen großen Anteil sogenannter sp³-hybridisierter Bindungen, die der Diamantstruktur ähneln. Das Material senkt die Reibung in tribologischen Systemen, also überall dort, wo Oberflächen gegeneinander gleiten, und erhöht die Verschleißbeständigkeit erheblich.
Industriell eingesetzt wird ta-C bereits seit Jahren: bei Motorenkomponenten, Maschinenteilen und Schneidwerkzeugen. Der breite Einsatz scheiterte bisher an zwei Problemen. Erstens entstehen im Vakuumbogenprozess, dem gängigen Herstellungsverfahren, unvermeidlich partikelartige Tröpfchen aus dem Kathodenmaterial. Diese sogenannten Droplets lagern sich in der wachsenden Schicht ab, erhöhen die Rauheit und erzwingen aufwändige Nachbearbeitung. Zweitens begrenzen hohe Druckeigenspannungen im Material die mögliche Schichtdicke. Bei zu dicken Schichten steigt das Risiko, dass die Beschichtung abplatzt.
Zwei technische Durchbrüche aus Dresden
Weniger Defekte durch verbesserte Plasmafilterung
Das Fraunhofer IWS nutzt für die Herstellung das sogenannte Laser-Arc-Verfahren, das sich durch hohe Abscheidungsraten und stabile Prozessführung auszeichnet. Die Dresdner Forscher haben eine weiterentwickelte Plasmafiltertechnologie für dieses Verfahren entwickelt, die den Droplet-Eintrag in die Schicht gezielt reduziert. Weniger Defekte bedeuten geringere Rauheit und weniger Nacharbeit nach der Beschichtung.
Schichtdicke erstmals auf 100 Mikrometer skaliert
Der zweite Fortschritt betrifft die erreichbare Schichtdicke. Erstmals gelang es den Forschern, ta-C-Schichten von rund 100 Mikrometern prozesssicher abzuscheiden. Bisherige Serienanwendungen bewegen sich in deutlich dünneren Bereichen. Die größere Dicke ist für Bauteile relevant, die starken Abrasivkräften ausgesetzt sind und daher mehr Schichtvolumen für den Verschleißschutz benötigen. Das Rasterelektronenmikroskop zeigt die Schichtstruktur im Querschnitt ohne Risse oder Ablösungen.
Vom Labor in die Serienproduktion
Die Übertragung in industrielle Anwendungen erfolgte gemeinsam mit Industriepartnern. Das Verfahren wird bereits in Serienanwendungen für tribologische Schutzschichten auf Motoren- und Maschinenkomponenten sowie auf Werkzeugen eingesetzt. Konkrete Abnehmer oder Serienvolumina nennt das Institut nicht öffentlich.
Für Produktionsverantwortliche in der Zerspanungstechnik, im Motorenbau oder im Maschinenbau ist der Befund relevant: Dickere ta-C-Schichten können Standzeiten verlängern und Schmieraufwand reduzieren. Bisherige Beschränkungen bei der Schichtdicke schränkten den Einsatz auf Anwendungen mit moderatem Verschleißdruck ein. Das ändert sich mit den neuen Prozessparametern.
Der Markt für PVD-Beschichtungen, also physikalische Gasphasenabscheidung, ist etabliert. Anbieter wie Oerlikon Balzers oder Unternehmen in der Automobilzulieferkette nutzen diese Technologien standardmäßig. Die ta-C-Variante war bislang eine Nische. Die neue Prozessbeherrschung bei Fraunhofer IWS kann diese Nische verbreitern.
Fazit
Die Ergebnisse des Fraunhofer IWS lösen zwei konkrete Produktionsprobleme: unkontrollierte Defekte und begrenzte Schichtdicke. Beides hielt ta-C bisher aus vielen Serienprozessen heraus. Wer Werkzeuge oder Bauteile unter hoher mechanischer Last betreibt und bisher auf konventionelle Beschichtungen oder aufwändige Schmierung setzt, sollte die Entwicklung beobachten. Eine industrielle Umsetzung im eigenen Betrieb setzt allerdings den Zugang zu Laser-Arc-Anlagen oder entsprechende Lohnbeschichter voraus.
