Neues Kohlenstoff-Beschichtungsverfahren
Wissenschaftlern des Fraunhofer-Instituts können tetraedrische amorphe Kohlenstoffschichten (abgekürzt „ta-C“) im großtechnischen Maßstab herstellen. Sie sind noch sind deutlich härter und damit verschleißfester als die herkömmlichen diamantähnlichen DLC-Kohlenstoffschichten
Wissenschaftlern des Fraunhofer-Instituts um Prof. Leson, Dr. Hans-Joachim Scheibe und Dr. Volker Weihnacht ist es jetzt gelungen, wasserstofffreie tetraedrische amorphe Kohlenstoffschichten (abgekürzt „ta-C“) im großtechnischen Maßstab in gleichbleibender Qualität herzustellen. Sie sind noch sind deutlich härter und damit verschleißfester als die herkömmlichen diamantähnlichen Kohlenstoffschichten (abgekürzt „DLC“ wie „Diamond-like-Carbon“).
Bauteile, die in Motoren stark druck- und reibungsbelastet sind, wie Ventilstößel, Tassenstößel, Schlepphebel und Kolbenbolzen werden bereits teilweise in der Serienproduktion mit einer diamantähnlichen DLC-Kohlenstoffschicht überzogen, um Reibung und Verschleiß zu minimieren. Die Herausforderungen für den Einsatz etwa in Getrieben oder anderen komplexen Aggregaten erfordert aber noch eine Menge Forschung und Entwicklungsarbeit an den Materialien und geeigneten, neuen Schmierstoffen.
(Bild: Dirk Mahler/Fraunhofer)
Die Forscher sind nun eine weiteren (kleinen) Schritt vorangekommen und haben ein Lichtbogenverfahren vorgestellt, mit dem Kohlenstoffschichten mit nahezu der Härte von Diamant großtechnisch in hohen Beschichtungsraten und großen Dicken aufgetragen werden können.
Bei ihrem Verfahren wird im Vakuum ein Lichtbogen zwischen einer Anode und dem Kohlenstoff als Kathode erzeugt. Als Auslöser für den Lichtbogen benutzen die Forscher einen Laser, den sie auf den Kohlenstoff richten. Im Lichtbogen entsteht nun Plasma aus Kohlenstoff-Ionen, das sich im Vakuum auf den zu beschichtenden Bauteilen absetzen. Um industriell große Stückzahlen zu ermöglichen, fährt ein gepulster Laser vertikal eine rotierende Kohlenstoffwalze ab und steuert hierdurch den Lichtbogen. Die Walze wird gleichmäßig abgetragen. Für eine einheitliche glatte Beschichtung lenkt zudem ein Magnetfeld das Plasma ab und filtert Schmutzpartikel heraus.
Mit diesem sogenannten Laser-Arc-Verfahren können sehr dicke ta-C-Schichten von bis zu 20 Mikrometern mit hohen Beschichtungsraten abgeschieden werden. „Insbesondere im Motorenbau sind große Schichtdicken entscheidend, da hier Bauteile über längere Zeiten enormen Belastungen ausgesetzt sind“, erläutert Dr. Weihnacht einen Vorteil dieses Verfahrens.
„Durch unsere Entwicklung könnte man bei konsequenter Anwendung in den kommenden zehn Jahren über 100 Milliarden Liter Treibstoff pro Jahr einsparen“, sagt Prof. Andreas Leson vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden. Er bezieht sich dabei auf eine Studie, die 2012 im Fachjournal Tribology International veröffentlicht wurde. Als Beispiele nannte er Kohlenstoffschichten auf Kolbenringen oder Kolbenbolzen.
Für die Entwicklung des Laser-Arc-Verfahrens und der Anwendung von ta-C-Beschichtungen in der Serienfertigung erhalten Andreas Leson, Hans-Joachim Scheibe sowie Volker Weihnacht den Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2015. (fpi)