„Wie beschichtet man Teile, die in keine Beschichtungsanlage passen?“

der Lösungsansatz:

Chromnitritschichten, insbesondere plasmaphysikalisch abgeschiedene, haben sich als korrosionshemmende Verschleißschutzschichten mit guten antiadhäsiven Eigenschaften bewährt. Auf Grund der Nicht-Verfügbarkeit entsprechend dimensionierter Vakuumbeschichtungsanlagen können etliche Bauteile, für die diese Schutzschichten relevant wären, zur Zeit nicht per PVD oder CVD mit Chromnitrit beschichtet werden. Als alternative Technik bietet sich hierfür das Plasmanitrieren galvanisch verchromter Oberfl ächen an. Hierdurch kann die gewünschte Chromnitritschicht erzeugt werden. Dabei werden die Parameter der Behandlung so gewählt, dass der Stickstoff während des Nitriervorgangs ausreichend tief in die Oberfl äche des Chroms implantiert wird, so dass ähnliche Eigenschaften wie bei einer Vakuumbeschichtung mit Chromnitrit erzielt werden. Der erwünschte Nutzen der Behandlung besteht darin, eine verschleißhemmende, korrosionsgeschützte Oberfläche zu erzeugen, die zusätzlich eine gegenüber der unbehandelten Chromoberfläche verbesserte Antihaftwirkung für ein besseres Abformverhalten aufweist. Eine möglicherweise vorhandene funktionelle Struktur der zu behandelnden Oberfl äche soll im Prozess unverändert erhalten bleiben. Die anwendungsspezifi sche Modifi kation des Plasmanitrierens verchromter  Oberflächen zur Erzeugung von antiadhäsiven CrNSchichten wurde von der DTVa erarbeitet.

Die von der DTVa initiierten Testmodifi kationen an der Oberfl äche einer verchromten Kühlwalze wurden im Hause Carl Gommann GmbH erstmals durchgeführt. Dazu wurden Proben aus einem verchromten Kühlzylinder (Papierindustrie) genommen und per Plasmanitrieren behandelt, um den Effekt des Verfahrens zu demonstrieren und die optimalen Plasmaparameter zu eruieren. Die zu analysierenden Proben sind in Tabelle 1 aufgeführt:

1 verchromter Stahl 80 % H2 / 20 % N2 plasmanitriert

2 verchromter Stahl 75 % H2 / 25 % N2 plasmanitriert

3 verchromter Stahl 20 % H2 / 80 % N2 plasmanitriert

4 verchromter Stahl unbehandelt

Tabelle 1: zu analysierende Proben.

Im folgenden werden die behandelten Proben zwei Verfahren unterzogen, die bei DTVa angewandt werden, um Hartstoffschichten zu charakterisieren: chemische Tiefenprofi lanalyse mittels AES und Verscheißmessung am oszillierenden Tribometer mit zusätzlicher Auswertung der Verscheißspur am Mikroskop. Für die Messungen wurden die Proben speziell präpariert und in der Größe reduziert.

Verscheißmessung mit dem oszillierenden Tribometer:

Zur Charakterisierung der Verschleißfestigkeit der Proben wurde ein oszillierendes Tribometer mit folgenden Messparametern eingesetzt:

Gegenkörper: WC-Kugel, Durchmesser 5 mm

Prüflast: 1 N

Reibspurlänge: 2 mm

Frequenz: ca. 2 s-1

Schwingungsperioden: 5000

Umgebungsbedingungen: Luft

In jeder Schwingungsperiode des Tribometers wird die Reibungszahl gemessenund aufgezeichnet. Durch den fortschreitenden Abtrag von Probematerial kommen Verschleißprodukte zwischen Proben oberfl äche und Kugel und verändern das Reibverhalten merklich. Als Maß für die Verschleißfestigkeit kann deshalb der Zeitpunkt des Anstiegs der Reibungszahl (in Perioden) auf einen bestimmten Wert herangezogen werden. Diese Bewertung wird durch die visuelle Bewertung der resultierenden Reibspuren ergänzt.

Abbildung 1 zeigt die gemessenen Reibungswerte in Abhängigkeit von der Anzahl der Tribometerperioden. Bei der unbehandelten Probe 4 steigt die Reibungszahl sehr schnell an, so dass ein Wert von ≥ 0,5 schon nach etwa 20 Schwingungsperioden erreicht wird. Das bedeutet einen relativ hohen Verschleiß, der auch durch die resultierende Reibspur (Abb. 5) bestätigt wird. Die im Verlauf der Reibungszahlmessung sehr stark schwankenden Werte sind durch zeitliche Veränderungen des Zustandes der Verschleißprodukte zwischen Probenoberfläche und Gegenkörper zu erklären.

Bei den plasmanitrierten Proben erfolgt der Reibungszahlanstieg später. Werte ≥ 0,5 werden bei Probe 1 nach ca. 370 Perioden, bei Probe 2 nach 1300 Perioden und bei Probe 3 nach 1700 Perioden erreicht. Die Bilder der resultierenden Reibspuren (Abb. 2 – 4) bestätigen, dass der Verschleiß der plasmanitrierten Proben geringer ist, als bei der unbehandelten Probe. Das für die Proben 3 und 4 im Vergleich zu Probe 1 etwas bessere Ergebnis kann auch durch die unterschiedliche Oberfl ächenstruktur der Proben beeinflusst sein. Probe 1 wurde an einer glänzenden Stelle, die Proben 2 und 3 wurden an matten Stellen gemessen.

Chemische Tiefenprofi lanalyse mittels AES:

Die Analysen wurden mit Auger-Elektronenspektroskopie (AES) am Oberflächenanalysesystem HVD 2000 (Vacuum Generators) durchgeführt. Die experimentellen Bedingungen waren:

Primärenergie: 5 keV; Elektronenstrom; ca. 20 nA; laterale Aufl ösung < 1 μm2.

Die Tiefenauflösung der Methode wird durch die Ausdringtiefe der Elektronen bestimmt und beträgt wenige Nanometer. Um Informationen aus der Tiefe der Schichten zu erhalten, wurde mit Ar-Ionen (E = 5 keV; Ionenstrom ca. 250 nA) ein Ätzfleck (Durchmesser ca. 1 mm) erzeugt. Die Ätzdauer betrug jeweils 60 min. Aus den Parametern ergibt sich eine geschätzte Ätzfl ecktiefe von ca. 0,5 μm. Durch AESMessung in verschiedenen Bereichen dieses Ätzfl ecks erhält man Informationen aus verschiedenen Tiefen der Schicht. Aus den Peakhöhen der Spektren wurden Elementgehalte berechnet, indem Werte mit Element-Empfindlichkeitsfaktoren (Literaturwerte) korrigiert und auf 100 % Gesamtgehalt normiert wurden. Die an den untersuchten Proben gemessenenTiefenverteilungen sind in der Abbildung 3 dargestellt. Die Tiefenskala gibt die Lage der Messpunkte über die Ätzfl eckfl anken wider und ist nicht unbedingt linear. Die Bedingungen wurden jedoch bei allen Proben etwa gleich gewählt. Die Werte bei Tiefe 0 wurden an der ungeätzten Oberfl äche gemessen und beinhalten auch Oberflächenverunreinigungen (hauptsächlich Kohlenstoff und Sauerstoff). In der unbehandelten Probe 4 ändert sich die Zusammensetzung nach Entfernung der obersten Schicht nur wenig. Neben dem Hauptbestandteil Chrom wurden Sauerstoff (ca. 15 %) und Stickstoff (ca. 8 %) und Kohlenstoff (ca. 7 %) gefunden. Der Kohlenstoffgehalt steigt am Ende der Tiefenskala bis auf 34 % an. Die Stellen mit den höheren Kohlenstoffanteil sind im Ätzfl eck als unregelmäßig geformterheller Fleck erkennbar. Das deutet auf eine lokale Inhomogenität hin.Die Proben 1 bis 3 zeigen ähnliche Analysenergebnisse. An den unbehandelten Oberfläche werden hohe Gehalte von Kohlenstoff (Verunreinigung), Sauerstoff und Eisen gefunden. Die Konzentrationen dieser Elemente sinken mit zunehmender Tiefe schnell auf Werte kleiner bzw. ca. 10 %. Dafür erhöhen sich die Chrom- und Stickstoffanteile auf ca. 42 % bzw. 35 %. Nach einer bestimmten Tiefe sinken die Stickstoffwerte wieder ab und es wird etwa die Zusammensetzung der unbehandelten Probe erreicht.

Die Eindringtiefe von Stickstoff scheint bei Probe 3 etwas höher zu sein als bei den Proben 1 und 2, die Unterschiede sind jedoch gering. Die Analysen zeigen, dass Stickstoff bis zu einer Tiefe von einigen 100 nm (ca. 0,5 μm) in die Chrommatrix eindringt. Die Konzentration von Cr und N sind in diesem Bereich etwa gleich hoch, was auf die Bildung von CrN hindeutet. Der Einfluß des Stickstoffgehalts in der Gasmixtur hat bei den hier benutzten Randbedingungen offensichtlich keinen Einfluß auf die Implantationstiefe des Stickstoffs und damit auf die entstehende Schichtdicke der Chromnitritschicht. Die hier relevanten Randbedingungen sind Plasma- Spannung, Plasma- Pulsfrequenz, Pulsdauer, Gesamtgasdruck, Zeitmanagement, Geometrie und Oberflächenmaterial benachbarter Chargen. Durch gezielte Wahl bzw. Variation dieser Parameter könnte eine Verbesserung der Implantationstiefe und somit eine dickere und wirksamere Chromnitritschicht erzeugt werden.

Neben Stickstoff wird in den oberflächennahen Bereich auch Eisen eingebracht.Wahrscheinlich stammt das Eisen von den anderen im Plasma des Nitrierprozesses zerstäubten Edelstahl-Substratoberflächen.

Zusammenfassung:

Mit Hilfe des Plasmanitrierens können Oberflächen, die bereits verchromt sind,eine dünne aber wirkungsvolle Chromnitridschicht erhalten. Das beweisen die Analysen aus Verschleißmessung und chemischer Tiefenprofilanalyse. Diese Beschichtung unterscheidet sich in ihrer Zusammensetzung und Wirkungsweise nicht von denen, die per PVD hergestellt werden. Lediglich die Schichtdicke ist wesentliche geringer, was aber kein Nachteil sein muß. Denn für viele Anwendungen ist eine 0,5μm dicke Schutzschicht bereits ausreichend. Damit sind die hier behandelten Kühlzylinder für Ihren Einsatz in der Papierindustrie mit einem gesteigerten Abformverhalten und dem nötigen Verschleißschutz bestens für die geforderte hohe Geschwindigkeit ausgerüstet. Die Dresdner Transferstelle für Vakuumtechnik e.V. (DTVa) hat es sich bereits seit 1992 zur Aufgabe gemacht, Unternehmen beim Einsatz von vakuum- und plasmarelevanten Oberflächentechniken zu unterstützen. Dazu steht neben qualifiziertem Fachpersonal eine Reihe von Vakuumbeschichtungsanlagen und Analysemöglichkeiten zur Verfügung, die eine Anpassung der eingesetzten Methoden an die konkreten Probleme ermöglicht. DTVa betreibt  Technologieentwicklung für Beschichtungsanwendungen, unter anderem für namhafte Hersteller von Beschichtungsanlagen. Zu unseren Vereinsmitgliedern gehören zahlreiche Anlagenbauer und Lohnbeschichter, wie Creavac– Creative Vakuumbeschichtung GmbH, Vakuumtechnik Dresden VTD GmbH, Techno-Coat Oberflächentechnik GmbH und Von Ardenne Anlagentechnik GmbH. Darüber hinaus bietet DTVa maßgeschneiderte Beschichtungen für jeden Anwendungsfall an.

Diese werden im eigenen Labor entwickelt und optimiert. Dabei helfen uns unsere langjährigen Erfahrungen auf dem Gebiet der Plasmaphysik und eine konsequent systematische Vorgehensweise bei der Anpassungsentwicklung für  Spezielanwendungen. Auch wenn manche Kunden dafür wenig Verständnis aufbringen: eine optimal angepaßte Beschichtung erzielt man nur über die Korrelation von Ergebnissen aus der Schichtanalytik im Labor mit den für die Schichteigenschaften ausschlaggebenden Prozessparameter der Beschichtungsanlagen und einer anschließenden Bestimmung des Anforderungsprofil der gewünschten Beschichtung durch einen realen Praxistest. Wir bieten natürlich auch Analysen als Dienstleistungen im Kundenauftrag an. Über die Dresdner Transferstelle für Vakuumtechnik können sie sich im Internet unter:

www.dtva-ev.de informieren.

Unsere Beschichtungsanlagen und Oberflächenanalysegeräte finden Sie unter dem Stichwort „Labor“.

Dr. Daniel Rohde, Dr. Ulrich Herrmann

Dresdner Transferstelle für Vakuumtechnik
(DTVa) e.V.
Löbtauer Straße 71, D-01159 Dresden
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