"Laserpulsabscheidung und Optimierung der Eigenschaften
von ta-C- Schichten für mechanische Anwendungen"

Bearbeitung:
Betreuung:

Dipl.-Ing. (FH) Katja Günther
Prof. Dr. rer. nat. Steffen Weißmantel

Seit einigen Jahr en werden diamantartige Kohlenstoffschichten (DLC- Schichten) in der Industrie unter verschiedenen Markennamen (z.B. BALINIT der Firma Balzers, DYNAMANT der Firma IKOS GmbH, DIAMOR des Fraunhofer-Instituts IWS Dresden) als Verschleißschutzschichten für z.B. Bohrer, Fräser und andere Werkzeuge sowie in Einspritzdüsen für Dieselmotoren erzeugt. Diese DLC- Schichten besitzen auf Grund ihres Wasserstoffanteils von bis zu 40 % Mikrohärten von 15 bis 25 GPa.

Um den Verschleiß an Werkzeugen und verschleißbeanspruchten Bauteilen weiter zu vermindern und somit deren Standzeiten zu erhöhen, bietet der Einsatz von wasserstofffreien, überwiegend tetraedrisch gebundenen amorphen Kohlenstoffschichten (ta-C- Schichten) optimale Voraussetzungen. Diese ta-C- Schichten stellen eine neuartige, bisher noch nicht in die industrielle Nutzung überführte Phase von DLC- Schichten dar. Sie weisen einen sehr geringen Reibungskoeffizienten auf und besitzen einen vergleichsweise hohen Anteil an diamantartigen sp³ - Bindungen von bis zu 85 %. Aus diesem hohen sp³- Bindungsanteil resultierend eine Mikrohärte von bis zu 65 GPa. Ein weiterer Vorteil liegt in der geringen Oberflächenrauhigkeit der ta-C- Schichten, die in Abhängigkeit vom Substratmaterial im Bereich von einigen nm bis zu einigen 10 nm liegen kann.

Für die industrielle Herstellung solcher ta-C- Schichten ist es vor allem wichtig, möglichst große Flächen in kürzester Zeit zu beschichten und dabei gleichzeitig eine hohe Härte der ta-C- Schichten zu realisieren. Die Bogenverdampfung (ARC- Verfahren) [u.v.a. 1, 2] sowie die Laserpulsablation (PLD- Verfahren) [u.v.a.3 - 5] bieten mit Abscheideraten im Bereich von 50 bis 150 nm/min auf Flächen von wenigstens 10 cm² und mit ausreichend hohen Energien der schichtbildenden Teilchen, die für die Ausbildung der sp³- Bindungen erforderlich sind, als die zwei einzigen Verfahren die Möglichkeit zur Herstellung solcher superharten ta-C- Schichten. Die Laserpulsablation bietet dabei im Vergleich zur Bogenverdampfung den Vorteil, dass die vom Graphittarget herausgelösten Partikulate von Anzahl und Größe bei optimalen Laserparametern so gering sind, dass keine zusätzlichen Maßnahmen zur Partikulatreduzierung notwendig sind. Weiterhin findet beim PLD Verfahren der Schichtbildungsprozess im Hochvakuum statt, so dass die erforderlichen hohen Energien der vom Target ablatierten Teilchen erreicht und deshalb ein höherer sp³- Bindungsanteil als beim ARC- Verfahren erzeugt werden kann.

Während des Schichtbildungsprozesses besteht jedoch sowohl beim ARC- als auch beim PLD- Verfahren das Problem der Bildung von hohen kompressiven Schichtspannungen im Bereich von -8 bis -12 GPa. Ein neues Verfahren zur Spannungsreduzierung bzw. Spannungsbeseitigung in ta-C- Schichten ist das von der Forschungsgruppe der Hochschule Mittweida entwickelte und patentierte Laserpulsspannungsrelaxationsverfahren [Patente siehe 6, 7, 8]. Damit konnten bisher bis zu 5 μm dicke spannungsfreie superharte ta-C-Schichten mit hoher Haftfestigkeit auf Si, verschiedenen Stahl und WC-Hartmetall-Substrate abgeschieden werden.


Auf Grundlage dieser bisherigen Forschungsergebnisse an der Hochschule Mittweida, sollen in diesem Teilthema (1) folgende Ziel verfolgt werden:

  1. Optimierung der Haftfestigkeit der ta-C Schichten auf dreidimensionalen Substraten
  2. Tribologische Untersuchungen der ta-C Schichten unter verschiedenen Bedin­gungen
  3. Einsatzuntersuchungen ta-C beschichteter Werkzeuge unter Beobachtung der Veränderungen der Schichteigenschaften
  4. Optimierung der ta-C Schichteigenschaften für biologische Anwendungen

[1] H.-J. Scheibe et.al., Diam. Rel. Mater. 1 (1992) 98.
[2] Y. B. Zhang et.al., Surface & Coatings Technology 195 (2005) 338.
[3] D.L. Pappas et. al., J. Appl. Phys. 72 (1992) 3966.
[4] M. Bonelli et. al., Eur. Phys. J. B 25 (2002) 269.
[5] G. Reiße et.al., Appl. Surf. Sci. 127-129 (1998) 500-506.
[6] G. Reiße, D.Rost, S.Weißmantel, Verfahren und Vorrichtungen zur Spannungsreduzierung in dünnen Schichten, Aktenzeichen 103 19 206.9, Anmeldetag: 25.04.2003.
[7] G. Reiße, S. Weißmantel, D. Rost, Verfahren und Vorrichtung zur Einstellung vorgegebener Spannungsverläufe in einer Schicht, Aktenzeichen 10 2006 018 048.8, Anmeldetag: 20.04.2006.
[8] G. Reiße, S. Weißmantel, D. Rost, Vorrichtung zur Laserpulsabscheidung von Schichten auf Substrate, Aktenzeichen 10 2007 009 487.8, Anmeldetag: 22.02.2007.

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Dipl.-Ing. (FH) Katja Günther
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