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Glatt, verschleißfest und selbsttragend Neuartige Kohlenstoffschicht schützt Werkzeuge besser

Quelle: Fraunhofer IWS 4 min Lesedauer

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Fraunhofer-Institut für Werkstoff und Strahltechnik IWS
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Meister Strömungstechnik GmbH
Fastems Systems GmbH

Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) hat zwei Durchbrüche erzielt, die den industriellen Einsatz von tetraedisch-amorphen Kohlenstoff deutlich erweitern können ...

Wo bewegte Maschinenteile einander berühren, gibt es Reibungsverluste, die schließlich zum Ausfall eines der Partner führen. Deshalb schmiert man Maschinen. Und Fraunhofer-Forscher können jetzt spezielle Kohlenstoffschichten herstellen, die besser sind als Öl und Fett ...(Bild: KI-generiert)
Wo bewegte Maschinenteile einander berühren, gibt es Reibungsverluste, die schließlich zum Ausfall eines der Partner führen. Deshalb schmiert man Maschinen. Und Fraunhofer-Forscher können jetzt spezielle Kohlenstoffschichten herstellen, die besser sind als Öl und Fett ...
(Bild: KI-generiert)

Die Forscher aus Dresden haben eine Plasmafiltertechnologie für das Laser-Arc-Verfahren entwickelt, um Defekte gezielt zu reduzieren. Erstmals gelang es darüber hinaus, relativ dicke „ta-C“-Schichten bis 100 Mikrometer prozesssicher zu applizieren. Somit stehe die Tür zum Schutz mechanisch höchst belasteter Oberflächen ein Stück weiter offen als bisher. Denn tetraedrisch-amorpher Kohlenstoff stelle die härteste Form diamantartiger Kohlenstoffschichten dar, wie es dazu heißt. Ein hoher Anteil sogenannter sp³-hybridisierter Diamantbindungen erzeugt dabei die hohe Härte und ausgeprägte Verschleißbeständigkeit. Gleichzeitig senkt „ta-C“ die Reibung in tribologischen Systemen deutlich. Die Industrie nutzt diese Eigenschaften seit Jahren aus, um etwa Reibungsverluste zu verringern und Bauteile unter anspruchsvollen Einsatzbedingungen zu schützen.

Droplets machen einem das Leben schwerer

Die industrielle Herstellung dieser Schichten erfordert aber kontrollierte Vakuumbogenprozesse. Dabei entstehen unvermeidlich partikelartige Tröpfchen – sogenannte Droplets. Sie lösen sich aus der Kathode, gelangen in den Plasmastrahl und lagern sich in der wachsenden Schicht ab. Diese Defekte erhöhen aber dann die Rauheit und erfordern häufig aufwändige, nachgelagerte Glättungsschritte. Gleichzeitig begrenzen hohe Druckeigenspannungen die erreichbare Schichtdicke, weil sie das Risiko von Schichtversagen erhöhen, so die Forscher. Die umfassende industrielle Verbreitung von „ta-C“-Schichten hängt also entscheidend davon ab, ob sich diese Herausforderungen meistern lassen. Doch das das Laser-Arc-Verfahren wurde nun konsequent für den industriellen Einsatz weiterentwickelt. Hohe Abscheidungsraten und stabile Prozesse charakterisieren den Prozess, heißt es. Gemeinsam mit Industriepartnern überführten die Forscher dann das Verfahren in Serienanwendungen für tribologische Schutzschichten auf Motoren- und Maschinenkomponenten sowie auf Werkzeugen.

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