Diamantähnliches Schichtsystem für extreme Automobilanwendungen

Die Firma Ionbond ist ein Beschichtungsdienstleister, der harte, reibungsarme und verschleißfeste Beschichtungen mittels Physical Vapour Deposition (PVD), Plasma-Assisted Chemical Vapour Deposition (PACVD) und Chemical Vapour Deposition (CVD) auf den Produkten ihrer Kunden abscheidet und hiermit dessen Qualität, Leistungsfähigkeit und Nachhaltigkeit entscheidend verbessert. Diese vakuumbasierten Beschichtungsverfahren werden eingesetzt, um die nur wenige Mikrometer dicken, sogenannten Dünnschichten abzuscheiden. Die standard- oder kundenspezifischen Beschichtungslösungen beliefern Unternehmen aus der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, der Lebensmittelindustrie, Automobil-, Dekorations- und Werkzeugbauindustrie. Mit 35 Beschichtungs­zentren in Europa, Nordamerika und Asien profitieren Ionbonds Kunden von der globalen Expertise und der lokalen Erreichbarkeit eines der weltweit größten Beschichtungsnetzwerke. Ionbond ist Teil der IHI-Gruppe, einesjapanischen Industriekonzerns mit bedeutenden F&E-Ressourcen. Die IHI-Gruppe ist in unterschiedlichen Bereichen tätig, darunter Energie und Ressourcen, soziale Infrastruktur, Industriemaschinen und Flugzeugtriebwerke.

Die Automobilindustrie befindet sich derzeit im Wandel. Schon seit einigen Jahren sind die Automobilhersteller bestrebt, den CO₂-Ausstoß ihrer Fahrzeuge durch eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs zu senken. Getrieben werden sie hierbei durch politische Maßnahmen und Regulierungen. In der Vergangenheit wurde ein verringerter Kraftstoffverbrauch vor allem durch effizientere Verbrennungsmotoren realisiert. Beim sogenannten Downsizing der Motoren verringert sich dieser zwar, jedoch steigt die Belastung der Komponenten durch die höhere Leistungsdichte. Im Pkw-Bereich findet der Wandel derzeit hin zur Elektromobilität statt. Bei derartigen Fahrzeugen sind ebenfalls Reibkontakte, bspw. im Antriebsstrang, vorhanden, wenn auch in geringerer Anzahl. Das Differenzialgetriebe wird aufgrund des höheren Gewichtes der Fahrzeuge sowie des höheren Drehmomentes der Motoren im niedrigen Drehzahlbereich jedoch stärker beansprucht als bei leichteren Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Durch die steigenden Anforderungen der Automobilindustrie an die Komponenten im tribologischen Kontakt werden neue Impulse in der Entwicklung von Hochleistungsschichten gesetzt, die den steigenden Beanspruchungen standhalten können und die Haltbarkeit der Komponenten verbessern.

Im Bereich der Dünnschichttechnologie kann zwischen unterschiedlichen Beschichtungsvarianten unterschieden werden. Zum Verschleißschutz von Bauteilen und Werkzeugen werden häufig kristalline Hartstoffschichten verwendet. Diese können als Einlagerungsmischkristall vorliegen, bei dem Nichtmetallatome die Zwischengitterplätze einer Trägergitterstruktur aus Metallatomen besetzen. Diese besondere Struktur der keramischen Werkstoffe verleiht ihnen eine besonders hohe Härte und Temperaturbeständigkeit. Ein typischer Vertreter, der häufig im Bereich der Komponentenbeschichtungen verwendet wird, ist Chromnitrid (CrN).

Die Klasse der sogenannten Diamond Like Carbon (DLC)-Schichten weist hingegen eine amorphe Struktur auf und zeichnet sich insbesondere durch ihre reibmindernden Eigenschaften aus. Der Hauptbestandteil der Beschichtungen ist Kohlenstoff, der hauptsächlich sp²- oder sp³-hybridisiert gebunden vorliegt [1]. Die sp²-Hybridisierung weist drei σ-Bindungen in trigonal planarer Ebene und eine π-Bindung orthogonal hierzu auf [2]. Aufgrund der schwächeren π-Bindungen sind DLC-Schichten mit hohem sp²-Anteil eher „graphitartig“. Sie weisen eine geringe Schichthärte von < 1.800 HV0,005 auf und zeigen einen geringen Reibwert von µ < 0,1 gegenüber Stahl. Die sp³-Hybridisierung zeigt hingegen vier gleichwertige σ-Bindungen die tetraedrisch angeordnet sind [2]. Aufgrund der höheren Bindungsenergie sind DLC-Schichten mit hohem sp³ eher „diamantartig“, also mit > 4.000 HV0,005 sehr hart und verschleißbeständig. Bei Diamant, dem härtesten in der Natur vorkommenden Werkstoff, liegt der Kohlenstoff ausschließlich sp³-gebunden, jedoch in kristalliner Form, vor [3].

Neben Kohlenstoff können DLC-Schichten auch prozessbedingt ­Wasserstoff enthalten. a-C:H-Schichten können mittels PACVD hergestellt werden [4]. Hierzu werden sogenannte Precusor verwendet. Als Precursor werden die gasförmigen Reaktanten bezeichnet, aus denen die Beschichtung aufwächst, bspw. Acetylen (C₂H₂). Wasserstoff verringert die Vernetzung innerhalb der amorphen Struktur, womit die Beschichtungen an Härte und Verschleißbeständigkeit verlieren. Zudem können Metalle oder Halbmetalle, wie z. B. Wolfram oder Silicium, zugegeben werden, um das Reibungsverhalten, die Temperaturbeständigkeit oder weitere Eigenschaften gezielt einzustellen. Mit a-C und ta-C werden wasserstofffreie DLC-Schichten bezeichnet. Diese Beschichtungen können ausschließlich mittels PVD abgeschieden werden, da hier mit einer festförmigen Kohlenstoffquelle ohne wasserstoffhaltige Precusor gearbeitet wird [4]. Für die Abscheidung von ta-C werden Beschichtungsverfahren eingesetzt, mit denen ein hoher Ionisationsgrad des Plasmas während der Schichtabscheidung erzeugt werden kann. Lediglich mit hinreichend hoher Energie der auftreffenden Ionen können sp³-Bindungen erzeugt werden [5]. Im industriellen Umfeld wird hierzu häufig die kathodische Lichtbogenverdampfung verwendet.

Aufgrund ihrer unterschiedlichen Struktur und chemischen Zusammensetzung weist jede Schichtvariante, wie oben beschrieben, ein spezifisches Eigenschaftenspektrum auf. Technische Anwendungen stellen aufgrund ihres Beanspruchungskollektivs teilweise widersprüchliche Werkstoffanforderungen an die Beschichtungen, wie beispielsweise eine hohe Härte aber gleichzeitig hohe Zähigkeit. Um diese widersprüchlichen Werkstoffanforderungen zu überwinden, können Schichtsysteme in einem mehrlagigen Aufbau ausgelegt und mit unterschiedlichen Beschichtungsverfahren abgeschieden werden. Bei der Firma Ionbond wurde ein mehrlagiges Schichtsystem entwickelt, das speziell in hochbeanspruchten tribologischen Kontakten eingesetzt werden kann. Anwendung finden kann dieses bspw. auf Schlepphebeln (Abb.1a), die eine Komponente des Ventiltriebs eines Verbrennungsmotors darstellen. Eine Anwendung, in der das Schichtsystem bereits erfolgreich erprobt wurde, sind Differenzialbolzen in Differentialgetrieben für Elektrofahrzeuge, in denen hohe Leistungen und Drehmomente an die Antriebsräder übertragen werden, siehe Abbildung 1b.Abb. 2 a): Schematische Darstellung und b) REM-Aufnahme des mehrlagigen Schichtsystems im Querschliff sowie c) lichtmikroskopische Aufnahme eines Kalottenschliffes

In Abbildung 2a ist der Aufbau des neu entwickelten Schichtkonzeptes schematisch dargestellt. Die unterschiedlichen Einzellagen sind teilweise sowohl in der rasterelektronenmikroskopischen (REM)-Aufnahme (Abb. 2b) als auch in der lichtmikroskopischen Aufnahme eines Kalottenschliffes (Abb. 2c) voneinander abgegrenzt sichtbar. Zunächst wurde ein Haftvermittler aus Chrom auf dem Stahlwerkstoff aufgebracht, um die Anbindung der Beschichtung zu verbessern. Anschließend wurde eine CrN-Stützschicht appliziert. Diese kristalline Hartstoffschicht weist sowohl eine hohe Härte als auch eine gute Bruchzähigkeit auf und schränkt die Verformung der darüberliegenden, amorphen ta-C- und a-C:X-Lagen (X = H, Si, W, WC, Ti, Al, Zr, N, O) ein. Dies ist vorteilhaft, da amorphe Werkstoffe wie DLC aufgrund ihrer strukturbedingt verringerten Bruchzähigkeit anderenfalls überlastet werden könnten. Zwischen der CrN- und der ta-C-Lage befindet sich zur besseren Anbindung eine weitere Cr- bzw. CrC-Schicht. Die Cr-CrN-Cr-Zwischenlagen sind auf den Aufnahmen nicht voneinander abzugrenzen und weisen eine Gesamtdicke von s_Cr-CrN-Cr = 2,2 µm auf. Eine hinreichend hohe Dicke ist erforderlich, um eine gute Stützwirkung zu gewährleisten. Die ta-C-Zwischenlage stellt die eigentliche Funktionslage dar. Sie weist eine sehr hohe Nanohärte von 4.000 - 8.000 HV_0,005 auf und ist besonders verschleißbeständig. Daher ist eine Einzellagendicke von nur s_{ta C} = 0,8 - 1,2 µm der ta-C-Funktionslage bereits ausreichend hoch. Die a C:X-Decklage erfüllt die Funktion einer Einlaufschicht. Durch diese werden die Rauheitsspitzen der Schichtoberfläche und des Gegenkörper der tribologischen Paarung zunächst eingeglättet. Die Einzellagendicke der a-C:X-Einlaufschicht beträgt s_{a C:X} = 0,8 - 1,0 µm. Diese Schichtdicke wurde im Verhältnis zur weiter unten dargestellten Rauheit gewählt, um einen hinreichend guten Einlauf zu gewährleisten.

Abb. 3 a): REM-Aufnahme einer geläppten Stahloberfläche nach dem Beschichten, (b REM-Aufnahme einer geschliffenen Stahloberfläche nach dem Beschichten und einer mechanischen Nachbehandlung zur Entfernung der Droplets und c) lichtmikroskopische Aufnahme eines Rockwell-C-Eindrucks

Die ta-C-Funktionslage wurde mittels der kathodischen Lichtbogenverdampfung hergestellt. Während der Lichtbogen auf dem Kohlenstofftarget brennt, werden hierbei neben der Verdampfung des Kohlenstoffes schmelzflüssige Tröpfchen aus Kohlenstoff (Graphit) emittiert und schlagen sich auf den zu beschichtenden Bauteilen nieder. In Abbildung 3a ist die REM-Aufnahme einer geläppten Stahloberfläche nach dem Beschichten dargestellt. Auf der Oberfläche sind diese Defekte deutlich sichtbar. Hierbei handelt es sich um diese sogenannten, einige Mikrometer großen Droplets. Wenn die Droplets nicht fest in der Beschichtung eingebettet sind, können sie sich im tribologischen Kontakt aus der Schichtoberfläche herauslösen und als Abrasivpartikel den Verschleiß beschleunigen. Daher müssen diese in einem mechanischen Nachbehandlungsprozess nach dem Beschichten entfernt werden. Abbildung 3b zeigt die REM-Aufnahme einer geschliffenen Stahloberfläche nach dem Beschichten und nach einer derartigen mechanischen Nachbehandlung zur Entfernung lose angebundener Droplets.

Die Oberfläche wirkt nach der mechanischen Nachbehandlung deutlich glatter und die lose angebundenen Droplets wurden entfernt. Die glatte Oberfläche spiegelt sich ebenfalls in den Rauheitskennwerten der nachbehandelten Beschichtung wider (siehe Tab. 1). Anhand der lichtmikroskopischen Aufnahme eines Rockwell-C-Eindrucks in Abbildung 3c, kann auf eine gute Anbindung der Beschichtung zum Substrat geschlossen werden. Die Haftfestigkeitsklasse nach DIN 4856 entspricht HF1 [6]. Es sind zudem keine kohäsiven Abplatzungen zu beobachten, die auf ein kohäsives Schichtversagen hindeutet würden.

Tab. 1: Rauheitskennwerte der Beschichtung nach einer mechanischen Nachbehandlung

Um die Leistungsfähigkeit des mehrlagigen Schichtkonzeptes in einer tribologischen Anwendung zu untersuchen, wurden Differenzialbolzen beschichtet, in ein Differenzialgetriebe verbaut und auf einem Getriebeprüfstand getestet. Hierzu wurde ein Hochlasttest durchgeführt, bei dem höhere Differenzdrehzahlen als sie in der Realität jemals auftreten könnten, simuliert. Zudem wurde die Last gezielt ungleichmäßig hoch verteilt und Kegelräder mit extrem hohen Rauheitswerten von Rz = 8 µm als Gegenköper eigesetzt. Dieser Test führte bei unbeschichteten Differenzialbolzen und bei Differenzialbolzen, die durch konventionelle DLC-Schichten anderer Hersteller beschichtet wurden, regelmäßig zum Systemausfall infolge eines Fressschadens.Abb. 4 a): Fotographische, b) lichtmikroskopische und c) REM-Aufnahme eines Differenzialbolzens im Kontaktbereich mit der Lauffläche des Kegelrades nach dem Einsatz in einem Getriebeprüfstand: Hochlasttest

Durch das neu entwickelte, mehrlagige Schichtkonzept gelang es schließlich, den Hochlasttest durchzuführen, ohne dass ein Fressschaden den Test vorzeitig beendete. In der fotographischen Aufnahme in Abbildung 4a ist der Kontaktbereich mit Kegelrad nach dem Einsatz zu sehen. Oben und unten in der Abbildung befinden sich die Ölnuten. Im Bereich der Lauffläche wirkt die Oberfläche augenscheinlich durch den Einlauf poliert. Dieser Bereiche wurde lichtmikroskopisch mittels REM untersucht, siehe Abbildung 4b. Es sind vertikal ausgerichtete Schleifriefen sichtbar, die durch die Bearbeitung des Bolzens vor dem Beschichten entstanden. Die horizontalen Kratzer entstammen hingegen der Demontage des Getriebes. Schließlich sind schwarze Punkte sichtbar. Hierbei handelt es sich um Löcher in der Beschichtung. Diese bildeten sich durch das Herauslösen von Droplets während der mechanischen Nachbearbeitung aus. Wichtiger ist jedoch etwas, was nicht sichtbar ist: Riss, Brüche und kohäsive Abplatzungen, die auf eine Schichtüberlastung hindeuten würden. Die REM-Aufnahme in Abbildung 4c bestätigt die Schluss­folgerung, dass die Beschichtung der Belastung standhalten konnte. Die verbliebenen, in der Beschichtung fest eingebetteten Droplets, sowie die Schichtoberfläche zwischen den Schleifriefen, sind glattpoliert und es liegen keine Überlastungsspuren vor. Die Analyse der Schichtdicke mittels Kalottenschliff wies im Bereich der Laufflächen keine Veränderung der Schichtdicke nach. Dies lässt darauf schließen, dass das Schichtsystem neben der hohen Robustheit ebenfalls eine hohe Verschleißbeständigkeit aufweist. Fressen lässt sich demnach effektiv verhindern und die Lebensdauer, Robustheit und Standfestigkeit des Getriebes wird hierdurch erhöht.

Literatur

[1 ]A. Grill, Diamond and Related Materials 8, (1999), 428–434
[2] J. Robertson, Materials Science and Engineering R, Reports 37, 4-6, (2002), 129-281
[3] Y. Lifshitz, Diamond and Related Materials 8 (1999) 1659–1676
[4] VDI-Richtlinie 2840, Grundlagen, Schichttypen und Eigenschaften, (2012)
[5] C. Donnet, A. Erdemir, Tribology of diamond-like carbon films, Springer Science and Business Media, (2008)
[6] DIN 4856:2018-02, Kohlenstoffschichten und andere Hartstoffschichten – Rockwell-Eindringprüfung zur Bewertung der Haftung