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Diamantschichten schützen vor Verschleiß und Korrosion

20.11.2008
Diamantschichten schützen Innenflächen von Hohlkörpern vor Verschleiß- und Korrosion. Sie können auf nahezu allen Substratwerkstoffen mit hoher Haftung und Homogenität abgeschieden werden. Grund dafür ist ein Niedertemperatur-Verfahren, das dünne, extrem harte Funktionsschichten erzeugt. Diese Schichten sind sehr reibungsarm, säure- und laugenbeständig.

DC-99 steht für Diamond Coating (DC) mit einer 99%igen, reinen kristallinen Diamantschicht, die in einem Niedertemperatur-Verfahren (80 °C) mit einer Härte bis zu 10000 Vickers hergestellt wird. Die Schicht kann eine Dicke von 1 bis 20 µm haben und lässt sich auf nahezu allen Substratwerkstoffen mit hoher Haftung und Homogenität auftragen. Entwickelt wurde das Beschichtungsverfahren vom Dortmunder Unternehmen Surcoatec, einem Spezialisten für plasmagestützte Beschichtungstechnik. Surcoatec hat aufgrund verschiedener Verfahrensentwicklun-gen ein Alleinstellungsmerkmal am Markt für Oberflächenveredelung.

Gleichmäßiger Schichtaufbau sorgt für hohe Haftung

Das Spezialgebiet von Surcoatec ist das Beschichten komplexer Oberflächen. Dafür wurden neuartige Verfahren entwickelt, die zum Patent angemeldet sind. So ist man in der Lage, eine Innenbeschichtung von Hohlkörpern mit hoher Haftung und Homogenität vorzunehmen.

Diese Entwicklung basiert auf einer Beschichtungstechnik, die im Vergleich zu konventionellen Abscheidungsverfahren eine Reihe von Vorteilen hat. Dazu gehört, dass extrem harte Schichten bei niedrigen Temperaturen gut haftend auf nahezu allen Basiswerkstoffen aufgetragen werden können. Das Ergebnis sind gasdichte, korrosionsbeständige, kratz- und abriebfeste Schutzschichten, die extrem reibungsarm, leicht zu reinigen, chemisch inert, hautverträglich, säure- und laugenbeständig sind.

Dabei werden die hohen Anforderungen hinsichtlich Bio- und Hämokompatibilität erfüllt. Die Schichten entsprechen den Ansprüchen der Lebensmittelindustrie. Die chemische Resistenz wird bei einer thermischen Belastung bis 400 °C erfüllt.

Diamantschichten halten hohen Kräften stand

DC-99-Schichten sind unter anderem für Oberflächen von Maschinen-, Anlagen- und Werkzeugteilen geeignet, die hoher Reibung und abrasiven Kräften ausgesetzt werden. Dazu kommt, dass die Funktionsschicht DC-99 so modifiziert ist, dass sie einerseits eine deutlich erhöhte Haftung zum Substrat hat, andererseits eine hohe Dehnung unbeschadet zulässt.

Wegen der hohen Homogenität des Abscheidungsprozesses lässt sich ein gleichmäßiger Schichtaufbau gewährleisten. Diese Schicht verringert die Reibung, selbst unter sparsamsem Einsatz von Kühl-, Hilfs- oder Schmierstoffen. Weil sie mit einer Härte bis 10 000 Vickers bei etwa 80 °C Temperatur abgeschieden wird, ergibt sich eine Vielzahl potenzieller Anwendungen.

Diamantschichten erfüllen hohe Anforderungen der Pharmaindustrie

So werden in der Pharmaindustrie höchste Anforderungen bezüglich Reinheit und Bakterienfreiheit gestellt. Aus diesem Grund belaufen sich dort die Ausgaben für Reinigungsprozesse und Qualitätsüberwachungsmaßnahmen in Millionenhöhe. Lange Stillstandszeiten während der Maschinen- oder Anlagenreinigung erzeugen Produktionsausfall und Produktivitätseinbußen und damit hohe Kosten. Zudem wird mit säure- und laugenhaltigen Reinigungsprodukten die Umwelt erheblich belastet.

Diese reinigungsbedingten Nachteile kann Surcoatec vermeiden. Die Lösung liegt in einer Beschichtungstechnik, die es erstmals ermöglicht, auch die Innenbeschichtung von Hohlkörpern mit hoher Haftung und Homogenität durchzuführen. Dadurch lässt sich der Reinigungsaufwand auf ein Minimum reduzieren.

Kannen mit Diamantbeschichtung deutlich schneller zu reinigen

Bei Tests zur Innenbeschichtung von Bulkkannen der Pharmaindustrie kam man zu folgenden Resultaten: Die Reinigungszeit der Kannen hat sich von 48 h auf 10 min verkürzt. Außerdem wurde für die Reinigung ausschließlich Heißwasser verwendet – anstelle von zuvor genutzten Säuren und Laugen.

Trotz der Reinigung sind eingebrannte Kontaminierungen in den Edelstahlkannen vorhanden. Dadurch entsteht die erhöhte Gefahr von Partikelbildung und Ablösung. Unten zeigt das Bild dagegen die Kanne, nachdem sie von Surcoatec gereinigt und beschichtet wurde. Zur Beschichtung wird Kohlenstoff in kristalliner Struktur mit einer Schichtdicke bis 3 µm aufgebracht (DLC-Schicht). Es konnte keinerlei Kontaminierung festgestellt werden. Somit sind erhöhte Prozess-Sicherheit und enorme Kostenreduzierung gewährleistet.

Chemisch interte Diamantschicht verhindert Kontaminationen

Zusammen mit einem führenden Unternehmen der Pharmaindustrie hat Surcoatec einen Beschichtungsprozess für die Innenbeschichtung von Glasreaktoren (Dreihalskolben aus Duran-Glas von Schott) entwickelt. Bei diesen Glaskolben war bislang eine Innenbeschichtung nicht möglich. Die patentierte Innenbeschichtung garantiert eine reaktionsfreie Oberfläche bei der Herstellung pharmazeutischer Substrate. Aufgrund der chemisch inerten DC-Oberfläche werden die Eigenschaften so verbessert, dass eine Kontaminierung des Gefäßes vermieden wird. Das erleichtert maßgeblich die Reinigung und reduziert die damit in Zusammenhang stehenden Kosten.

Im Auftrag eines weiteren Pharmakonzerns wurde eine Beschichtung entwickelt, um die Gleitfähigkeit verschiedener Maschinenteile zu erhöhen und somit die Produktivität zu steigern.

Höhere Gleitfähigkeit dank Diamantbeschichtung

Außerdem kommt die Beschichtung erfolgreich bei Maschinenteilen eines Bedruckungsautomaten zur Anwendung. In diesem Fall blieben Stanzteile in der sternförmigen Aufnahme des Automaten hängen. Infolge der Beschichtung wurde diese Störung beseitigt. Die modifizierte Funktionsschicht DC-99 bietet daher viele Vorteile für die Stanztechnik und die metallver- und -bearbeitende Industrie.

Das Beschichtungsverfahren ermöglicht sogar die Oberflächenveredelung von Kunststoffteilen. In Zusammenarbeit mit einem Hersteller von Kunststoff-Präzisionsteilen hat man das Verfahren so weiterentwickelt, dass technisch erstmals auf PMMA (Plexiglas) in einem PE-CVD-Verfahren eine transparente Schicht abgeschieden wird. Ziel dieser Beschichtung ist die Erhöhung der Kratzfestigkeit.

Kunststoffteile werden durch Diamantschichten kratzfest

Unbeschichtet haben die PMMA-Teile eine Kratzfestigkeit von 0,5 N (Erichson-Test). Tests mit beschichteten Teilen ergaben bei unterschiedlichen Beschichtungsprozessen eine Erhöhung der Kratzfestigkeit auf 5 bis 8 N. Das bedeutet, dass bei dem zurzeit effektivsten Beschichtungsprozess eine Erhöhung der Kratzfestigkeit auf das 16-Fache erreicht werden kann.

In der Stanztechnik erhöhen die Beschichtungen die Standzeit der Werkzeuge und/oder die Stanzgeschwindigkeit. Außerdem verbessern sie die Qualität der Schnittkanten. Bei sechsmonatigen Testreihen mit mehreren Millionen Stanzhüben haben sich die Schichten bereits hervorragend bewährt.

So ergaben Tests bei Stempeln eine Verlängerung der Laufzeit um 50 bis 80%. Bei Matrizen konnte sogar eine Verlängerung um 80 bis 100% erreicht werden.

Diamantschichten senken Kosten in der Stanztechnik deutlich

Dadurch haben sich die Kosten für Ersatz- und Austauschteile im Zusammenhang mit der Werkzeugwartung und -instandhaltung halbiert. Darüber hinaus wurde bei einem Hersteller von Verpackungen die Oberflächenhärte und Gleitfähigkeit von Umformwerkzeugen aus Aluminium verbessert.

Nicht zuletzt bietet sich die Beschichtungstechnik für Anwendungen in der Automobilindustie und der Luftfahrttechnik an. Die damit erzeugten Schichten eignen sich für mechanische Funktionsteile im Motorenbau und kritische Bauteile in der Luftfahrttechnik. So wurde für einen Flugzeugbauer ein Beschichtungsprozess als Ersatz für die bisher angewandten Cr(VI)-Schichten – zum Beispiel für Landing Gears – entwickelt. Ziel dieser Entwicklung war die Umstellung auf einen umweltverträglichen Prozess, dessen Ergebnis den vorgeschriebenen Anforderungen genügt. Diese Anforderung beinhaltet unter anderem, dass die erzeugte Schicht bei einem Salzsprühnebeltest bis zu 600 h lang keine Korrosionsspuren zeigt.

Multilayer-Diamantschicht widersteht 1000 h Salzsprühnebeltest

Die von Surcoatec in Zusammenarbeit mit einem Partnerunternehmen entwickelte Multilayer-Schicht wurde an der Fachhochschule Gelsenkirchen nach DIN EN ISO 9227:2006 getestet. Dabei stellte sich heraus, dass die Probe mit dem effektivsten Beschichtungsprozess nach einem 1000 h langen Salzsprühnebeltest noch keine Anzeichen von Korrosion zeigte und damit die vorgeschriebene Anforderung um über 60% übertroffen hat. Außerdem ergab eine XRD-Analyse, dass es sich bei der Beschichtung um eine 98,89%-ige reine kristalline Diamantschicht handelt.

Zusammen mit einem Automobilhersteller wurde speziell für den Motorsport ein Beschichtungsprozess entwickelt. Eine wesentliche Herausforderung lag dabei in einer gleichmäßigen, gut haftenden Abscheidung auf dem Werkstoff MP35N. Voraussetzung: Die Schicht muss mit der thermischen Ausdehnung des Substratwerkstoffs Schritt halten, um nicht zu reißen. Ziel der aufgetragenen Schicht DC-99 ist die Verringerung des Reibungskoeffizienten.

5 µm dicke Diamantschicht schützt Glas vor Korrosion

Außerdem wurde für die Automotive-Industrie eine gasdichte, rund 5 µm dicke Schicht erzeugt, um Glaskorrosion während eines chemischen Prozesses in einem Glasröhrchen zu vermeiden. Die Beschichtungstemperatur beträgt dabei weniger als 90 °C, so dass das Substrat nicht thermisch belastet wird. und damit keine Verformung erfährt.

Abschließend ist festzuhalten, dass aktuell die Beschichtung von Surcoatec auch hinsichtlich der Sicherung gasförmiger Antriebsmittel (Kunststoffliner) getestet wird. Hauptanforderung ist, dass sie einer Gasdiffusion entgegenwirkt. Erste Tests mit den von Surcoatec beschichteten Proben ergaben, dass sich die Diffusion um etwa 50% reduzieren ließ. An der Weiterentwicklung des Beschichtungsprozesses zur weiteren Einschränkung der Diffusion wird derzeit geforscht.

Ralf Stein ist Geschäftsführer der Surcoatec Surface Coating Technologies GmbH in 44287 Dortmund.

Ralf Stein | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/produktion/oberflaechentechnik/articles/154879/

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