Oberflächenfunktionalisierung durch Duplex – Plasmatechnologie (ODPat)

Problemstellung
Aluminium und seine Legierungen sind wegen ihres Leichtbaupotenzials aus dem Maschinen- und Fahrzeugbau nicht mehr wegzudenken. So sieht z. B. die Automobilindustrie die Möglichkeit einer bis zu 50%-igen Gewichtseinsparung für verschiedene Fahrzeugkomponenten (mit einer Gewichtsreduzierung von ca. 20% beim gesamten Fahrzeug). Aufgrund der unzureichenden Stützfunktion durch das Material selbst, sowie plastischer Verformungen bei hohen mechanischen Belastungen ist der Einsatz von Aluminium allerdings bisher auf Anwendungsfälle mit lokal geringen mechanischen Belastungen beschränkt.

Projektziele
Ziel des Projekts war die Entwicklung und Erprobung der Duplex-Plasmatechnologie für thermisch, mechanisch und tribologisch hochbelastete Komponenten aus Aluminium. Die zu entwickelnde Technologie sollte die Verfahrensschritte Plasmadiffusion (zur Härtung), Wärmebehandlung und Plasma-CVD-Beschichtung (zur Reibungs- und Verschleißminderung) in einem durchgängigen Prozess in einer einzigen Anlage verknüpfen. Im Projekt waren zwei Beispielanwendungen geplant: Kolben und Liner von Verbrennungsmotoren und Komponenten von Verdrängerpumpen.

Vorgehensweise
Die bekannten Probleme beim Entfernen der natürlichen Oxidhaut und die Schwierigkeiten bei der Prozessstabilität während des darauf folgenden Nitriervorgangs sollten durch eine neuartige Prozessführung gelöst werden, basierend auf der Weiterentwicklung einer Hochtemperatur-PECVD-Anlage. Durch die Verwendung von Hochfrequenz-Plasmen und einer innovativen, speziell zu diesem Prozess entwickelten HF-Plasmadiagnostik konnten die notwendigen Prozessschritte stabilisiert und reproduzierbar gemacht werden. Die bis zum Beginn des Projekts nur für Flachproben lösbaren Aufgaben, sollten im Rahmen des Projekts für reale Bauteile umgesetzt werden. Dabei werden die Bauteile abschließend ohne eine weitere Prozessunterbrechung mit einer mikrostrukturierten DLC-Schicht versehen. Die Topographie dieser Schicht soll möglichst der einer eingelaufenen Zylinderoberfläche entsprechen, um den normalerweise erforderlichen Einlauf zu vermeiden. An Hand von Versuchsergebnissen und Simulationen wurde im Laufe des Projektes ersichtlich, dass die angestrebte Nitriertiefe nur durch sehr lange Prozesszeiten zu realisieren ist. Deswegen wurde das Projektziel modifiziert. Eine dünne Nitrierzone sollte weiterhin als Haftvermittlerschicht dienen. Durch die Weiterentwicklung des Beschichtungsvorgangs zu einem Hochdruck-Hochtemperatur-Prozess ist es zudem möglich, DLC auch in Hinterschneidungen und Kolbenringnuten, abzuscheiden. Da die dünne Nitrierzone natürlich nicht die angestrebte Stützwirkung erzeugen konnte, wird diese Eigenschaft jetzt durch einen neu entwickelten Nassstrahlprozess generiert. Die positiven Erfahrungen des µ-Kugelstrahlverfahrens auf Stahlsubstraten zur Steigerung der Überrollfestigkeit durch Erzeugen von Eigenspannungen im Substrat wurden durch ein Nassstrahlverfahren auf Aluminiumbauteile übertragen. Der sich an diese Vorbehandlung anschließende Plasma-Duplexprozess wurde dahingehend optimiert, dass scharfe Kanten und vor allem dünne Kavitäten zuverlässig und homogen beschichtet werden.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Durch Kombination eines adaptierten Nassstrahlverfahrens und die Weiterentwicklung des DLC-Abscheideverfahrens hin zu einem Hochdruck-Hochtemperaturprozess wurde von den Projektpartnern ein Verfahren entwickelt, um die Oberflächen von thermisch, mechanisch und tribologisch hochbelasteten Aluminiumkomponenten zu optimieren. Dieses Verfahren wurde an zwei Bauteilgruppen getestet, an Automobilkolben der Fa. Kolbenschmidt und an Verdrängerpumpen der Fa. Eckerle. Im Fall der Kolben erzielte die entwickelte Kombination aus Strahlen und dem Duplexprozess eine Verbesserung der Reibleistung im Vergleich zu unbehandelten Bauteilen. Diese Werte liegen jedoch bei ölgeschmierten Tribosystemen immer noch über den Reibwerten, welche z.B. mit einer über viele Jahre perfektionierten Kunststoffbeschichtung auf dem Kolbenhemd erreicht werden kann. Außerdem erreicht das hier entwickelte Verfahren die für eine schnelle Anwendung erforderlichen niedrigen Kosten nicht. Jedoch kann dieses Schichtsystem bei kleineren Serien, wie bei den Verdrängerpumpen Anwendung finden. Hier sieht das Konsortium das größere Anwendungspotential. Reibwertmessungen zeigten Reibwertverbesserungen gegenüber den Standardschichtsystemen. Zusätzlich wurde eine Erhöhung der Dauerfestigkeit festgestellt. Die Anwendung ist nicht nur auf die hier angestrebte Verwendung in Pumpen beschränkt. Vor allem Kleinserien bei höheren Stückpreisen und Anwendungen bei denen sich durch einen Materialwechsel von Stahl zu Aluminium bewegte Massen reduzieren lassen, können profitieren (z.B. Steuerventile in der Pneumatik).
Durch Verwendung der Self-Excited-Electron-Resonance-Spectroscopy und der optischen Emissionsspektroskopie gelang es den Projektpartnern mittels Auswertemodellen eine Vielzahl an Plasmaparametern zu bestimmen. Die Anlagentechnik wurde um zusätzliche Spannungsteiler und Stromsensoren im Anpassnetzwerk erweitert. Ein Plasmamonitor wurde entwickelt, um alle Prozessgrößen aus dem Plasma und des HF-Anpassnetzwerks zu erfassen. Dadurch kann der PECVD-Prozess überwacht und eine höhere Prozessstabilität und Prozessreproduzierbarkeit gewährleisten werden. Durch die mit diesem Tool ermittelten Erkenntnisse wird es in Zukunft möglich sein, Schichtsysteme auf andere Bauteilgeometrien zu übertragen.

Die beschriebenen Techniken und Prozessschritte konnten auf einer im Projekt aufgebauten Demonstratoranlage in einem durchgehenden Oberflächenprozess umgesetzt und validiert werden.