Hochleistungsschichten im Werkstoffprogramm des BMBF. Trends und Potenziale

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1 Hochleistungsschichten im Werkstoffprogramm des BMBF Trends und Potenziale

2 Impressum Herausgeber: Projektträger Jülich Forschungszentrum Jülich GmbH Jülich Redaktion: Dipl.-Ing. Madeleine Dietrich Satz: Odilie Palant Druck: Bildnachweis: Titel: CemeCon AG Dezember 2006

3 Vorwort Vorwort Vielfach werden Schichten und Schichttechnologien in ihrer wirtschaftlichen Bedeutung stark unterschätzt. Es ist häufig nicht deutlich, dass die Leistungsstärke eines Bauteils nur durch die aufgebrachte Schicht erzielt werden kann. Von einfachen Dämm- oder Schutzschichten bis hin zu ultramodernen Funktionsschichten und neuartigen Schichttechnologien reicht ein fast unüberschaubares Technologiefeld, dass ein Multi-Milliarden Euro Geschäft darstellt. Seit es Werkstoffprogramme des Bundes gibt, waren stets F+E-Projekte zum Themenfeld Schichten Bestandteil der Förderung. Deshalb ist dieser Bereich gut geeignet, um technologische Fortschritte zu dokumentieren, die nur über Entwicklungssprünge in der Werkstoff-Forschung generiert wurden. Schutz- und Dämmschichten, deren Haftung auf dem Substrat und der Verbesserung der Standzeiten waren über lange Zeit herausragende Forschungsthemen. Diese werden heute durch die Entwicklung von funktionalen und multifunktionalen Schichten abgelöst. Hier hat in den letzten Jahren seit der Etablierung nanotechnologischer Forschungsansätze ein enormer Entwicklungsschub eingesetzt. Haftungsprobleme zwischen Schicht und Substrat werden jetzt nanotechnologisch durch chemische Ansätze gelöst, in dem funktionale Gruppen zwischen Substrat und Schicht verbinden. Zukunftsweisend ist die oft diskutierte Frage Was macht eine Schicht, wenn sie keine Schicht mehr ist? Betrachtet man in der Rückschau die positive Entwicklung auf dem Schichtgebiet, so extrapoliert sich daraus ein Trend für die Zukunft, der eine weiter ansteigende Bedeutung der Schicht und Schichttechnologien aufzeigt. Die vorliegende Broschüre fasst die erreichten Ergebnisse zusammen und beschreibt daraus das enorme Zukunftspotenzial. Es ist davon auszugehen, dass auch zukünftig F+E-Vorhaben zum Technologiefeld Beschichtung eine gute Aussicht haben, Forschungsförderung des Bundes zu erhalten. Dr. Bernd Steingrobe Projektträger Jülich Fachbereichsleiter Nanomaterialien und Keramik

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5 Inhalt Einleitung Mit Nanotechnologie zu Hochleistungsschichten Kohlenstoffbasierte Schichten gegen Reibung und Verschleiß Aktuelle Fördervorhaben Schichten für Reibminderung und Verschleißschutz Antihaftschichten Optische Funktionsschichten Abgeschlossene Fördervorhaben Schichten für Reibminderung und Verschleißschutz Elektrische Funktionsschichten Antihaftschichten Diverse Schutzschichten Potenziale und zukünftige Entwicklungsrichtungen Anhang Projektbeschreibungen aus dem WING-Jahrbuch

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7 Einleitung 7 Einleitung Die Funktionen der Oberflächen von Bauteilen und Gebrauchsgegenständen gewinnen durch die ständig steigenden Anforderungen bezüglich des Einsatzes der verschiedenen Materialien zunehmend an Bedeutung. Durch gezielte Oberflächenveränderungen und Anpassungen der Schichten an das Grundmaterial werden die Gebrauchseigenschaften des gesamten Bauteils entscheidend beeinflusst. Aus diesen aber auch aus Kostengründen finden Werkstoffentwicklungen zurzeit verstärkt durch Nutzung der Oberflächentechnologien statt. Begünstigt wird dieser Trend vor allem durch die umfangreichen neuen Entwicklungsergebnisse auf dem Gebiet der Nanotechnologie und der Beschichtungsverfahren. Dass der Fokus der Nanotechnologie-Aktivitäten zurzeit auf dem Transfer der Grundlagenforschung in die industrielle Anwendung gerichtet ist, zeigen besonders deutlich die Förderprojekte zum Thema Schichten im BMBF-Werkstoffprogramm WING (Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft). Anliegen der Broschüre ist es, die gegenwärtig im Werkstoffprogramm des BMBF geförderten Vorhaben zum Thema Hochleistungsschichten zu dokumentieren und weitere Entwicklungstrends aufzuzeigen. Dabei wird dem Aspekt der Nachhaltigkeit Rechnung getragen, in dem rückwirkend bis 1996 gezeigt werden kann, dass mit der BMBF-Förderung zur Entwicklung neuer Hochleistungsschichten schnell auf neue Technologie- und Bauteilentwicklungen reagiert wird. Aktuell (Stand Dez. 2006) werden 22 industriegeführte Verbundvorhaben mit 126 Partnern durchgeführt. Der Förderanteil an den Gesamtkosten von ca. 72 Mio. beträgt etwa 41 Mio.. Die Zielrichtung der Vorhaben konzentriert sich überwiegend auf die Entwicklung von Funktionsschichten für: Reibminderung/Verschleißschutz, Haftung/Antihaftung. Die beschriebenen Fördervorhaben zeigen, dass durch eine Vielfalt an Anwendungsmöglichkeiten die Beschichtungstechnologie eine branchenübergreifende Querschnittstechnologie darstellt. Innerhalb der 1998 eingeführten themenspezifischen Bekanntmachungen sind Forschungsvorhaben zum Handlungsfeld Schichten immer Gegenstand der einzelnen Fördermaßnahmen. Ansprechpartner: Madeleine Dietrich Projektträger Jülich - Geschäftsbereich NMT Forschungszentrum Jülich GmbH D Jülich Telefon: / Telefax: /

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9 Mit Nanotechnologie zu Hochleistungsschichten 9 Mit Nanotechnologie zu Hochleistungsschichten In den letzten Jahren hat sich die Nanotechnologie rasant entwickelt und neue Impulse für viele Branchen geliefert. Das wird deutlich durch die Etablierung neuer Forschungszweige wie Nanomedizin, Nanobiotechnologie, Nanoelektronik, Nanochemie und Nanoproduktion. Die Grenzen zwischen diesen Gebieten gehen fließend ineinander über. Neue Materialien bilden dabei das Fundament für alle Bereiche der Nanotechnologie. Insbesondere neue Beschichtungen und Schichtmaterialien stehen im Mittelpunkt der Forschungsaktivitäten. Die Herstellung von Hochleistungsschichten mit Nutzung der materialtechnischen Nanotechnologie liefert einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung maßgeschneiderter Nutz- und Schutzfunktionen von Oberflächen, an denen entsprechende Reaktionen mit gasförmigen, flüssigen und festen Medien ablaufen. Nanomaterialien können Oberflächen kratzfest versiegeln, vor Oxidation schützen, mechanischen Verschleiß vermindern, Hochtemperaturfestigkeit erhöhen oder ein Beschlagen mit Feuchtigkeit verhindern. Die viel versprechenden Potenziale der nanotechnologisch gestalteten Oberflächen werden besonders deutlich in den zur Zeit im WING-Werkstoffprogramm des BMBF geförderten Forschungsvorhaben zum Thema Schichten. Gegenwärtig werden in 14 Fördervorhaben von insgesamt 22 Schichtprojekten Hochleistungsschichten mit Hilfe von Nanomaterialien entwickelt (Tabelle 1). Die Fördervorhaben unterstreichen, dass auf dem Gebiet der Nanotechnologie eine enge interdisziplinäre Zusammenarbeit erforderlich ist, um das in großem Umfang vorhandene Grundlagenwissen von der Forschungsseite auf die Bauteilherstellung zu übertragen. Damit liefern diese Vorhaben mittel- bis langfristig zu den Zielen einer nachhaltigen Entwicklung in Deutschland einen entscheidenden Beitrag. In Deutschland wird die Nanotechnologie auf breiter Ebene intensiv gefördert. Die gesamten Aufwendungen betrugen in 2005 etwa 294 Mio., wovon ca. 134 Mio. der Projektförderung zugesprochen wurden. Damit hat sich das Fördervolumen in diesem Bereich seit 1998 vervierfacht. Mit einer Zuwendung von ca. 9 Mio. werden von dieser Gesamtsumme der Projektförderung 7 % für die Entwicklung von nanostrukturierten Hochleistungsschichten im Werkstoffprogramm des BMBF ausgegeben. Generell konzentriert sich die Förderung der Nanotechnologie des BMBF gegenwärtig auf fünf Leitinnovationen für den Automobilbau NanoMobil, die Chemie NanoChem, die Halbleitertechnik NanoFab, die Medizin NanoforLife und die Lichttechnik NanoLux. Im Rahmen der Leitinnovationen NanoMobil und NanoChem werden gegenwärtig acht Vorhaben mit dem Entwicklungsziel der Herstellung nanostrukturierter Hochleistungsschichten im Werkstoffprogramm WING gefördert. Die Auflistung der Fördervorhaben zeigt die branchenübergreifende, breit gefächerte Anwendung dieser neuen Schichten, deren Entwicklungen immer noch am Anfang stehen. Schichten mit unterschiedlichen Funktionen gewinnen weiterhin stetig an Bedeutung - wie beispielsweise multifunktionale Schichtsysteme, die mit Hilfe von neuen Beschichtungsprozessen abgeschieden werden und nur mit Hilfe der Nanotechnologie herstellbar sind. Mit diesen Schichtsystemen können elektrische Eigenschaften (Leitfähigkeit) mit optischen Funktionen (Antireflexionen) und mechanischen Eigenschaften (Abriebfestigkeit) kombiniert werden. Aber auch aufgrund der immer höher werdenden Belastungen der Werkstoffe, die durch Beschichtungen abgefangen werden müssen, liegen Nanokomposit- Schichten und Mehrlagenschichten im Trend neuer Forschungsarbeiten. Die dazu notwendigen wis-

10 10 Mit Nanotechnologie zu Hochleistungsschichten senschaftlichen Arbeiten sind durch ihre komplexe Herangehensweise, ausgehend von den Grundlagenerkenntnissen zur Nanotechnologie, nur in großen Verbundvorhaben zu lösen, wie beispielsweise die im Anhang beschriebenen Fördervorhaben NaCoLab (03X0003, S. 65) und NanoSafe (03X2510, S. 140) zeigen, in denen 13 bzw. 14 Verbundpartner involviert sind. Abb. 1: Leistungsfähigkeit von PVD-Schichten beim Bearbeiten von Nickel-Basis-Superlegierungen (Quelle CemeCon). Wie in Abb. 1 dargestellt, werden beispielsweise Entwicklungsarbeiten der Fa. CemeCon zu den Supernitriden für die Hartbearbeitung von Werkstoffen vorangetrieben. Durch den Einsatz dieser nanostrukturierten Schichten wurde heute eine 25 fache Leistungssteigerung erreicht und diese soll zukünftig noch auf das 50 fache erhöht werden. Die Nanostruktur der Supernitride (SN 2 ) als Beschichtungswerkstoff sorgt für höchste Zähigkeit bei maximaler Härte. Das dabei eingesetzte neue Herstellungsverfahren High Ionization Pulsing (HIP) verbindet superglatte Oberflächen mit großem Verschleißvolumen. Des Weiteren wurden in einer speziellen BMBF-Fördermaßnahme innerhalb des Werkstoffprogrammes WING im Jahr 2000 zum Thema Grenzflächenhaftung in technischen Systemen grundlegende wissenschaftliche Erkenntnisse über molekulare, morphologische und mikromechanische Mechanismen erarbeitet, die das Haftverhalten von Schichten im nanoskopischen Bereich bestimmen. Ausgehend von Untersuchungen an Modellsystemen zur Analyse der Adhäsions-, Strukturbildungsund Alterungsvorgänge konnte durch eine gezielte Annäherung an das technische System ein tieferes Verständnis für das komplexe Zusammenwirken der die Eigenschaften bestimmenden Mechanismen erlangt werden /1/. Dieser hohe Entwicklungsstand zu Prozessen der Grenzflächenhaftung bildete die

11 Mit Nanotechnologie zu Hochleistungsschichten 11 Grundlage für die Entwicklung neuer zukünftiger Lackschichten (Abb. 2) und neuer Produkte für die Textilindustrie mit den Eigenschaften kratz- und abriebfest aber auch schmutzabweisend z. B. auf textilen Flächen (03X3006, S. 147 / 03X0017, S. 21 / 03X0018, S. 22). Abb. 2: Winkelabhängige Farbeffekte an Nano-Lackschichten; bei Verformung des Bleches - Farbänderung. (Quelle: Merck KGaA) Komplett neue Wege zur Herstellung von Funktionsschichten werden in dem Verbundvorhaben: Nanofunktionalisierung von Grenzflächen für Daten-, Textil-, Gebäude-, Medizin-, Bio- und Raumfahrttechnik" (NANOFUNK, 03N8022, S. 89) beschritten. Mit diesem Forschungsverbund soll durch eine gezielte Modifizierung der Werkstoffoberflächen mittels Plasmatechnologie eine deutliche Optimierung der Funktionalität der Oberflächen und der inneren Grenzflächen erreicht werden. Es wird davon ausgegangen, dass die Eigenschaften der Grenz- bzw. der Oberflächen der Produkte noch nicht optimal an die jeweilige Anwendung angepasst und damit optimierungsbedürftig sind. Ein hohes Potenzial wird in der gezielten chemisch/physikalischen Funktionalisierung der Oberflächen erwartet, ohne dass die makroskopischen Volumeneigenschaften des Werkstoffes verändert werden. Für die zukünftige, erfolgreiche Entwicklung von industriell nutzbaren Werkstoffen ist es von entscheidender Bedeutung, die chemische und physikalische Beschaffenheit der Grenzflächen exakt auf ihre spätere Funktion hin einstellen und kontrollieren zu können. Ziel des Projektes ist es daher, eine breite Basis von nanoskopischen Funktionsschichten zu entwickeln, die aufgrund ihrer Lage im Schichtsystem, ihrer lateralen Ausdehnung und ihrer chemischen Funktionalität zur Gesamtfunktionalität der Produkte beitragen. Die nanoskopischen Funktionsschichten sollen dabei so beschaffen sein, dass unter anderem sowohl Materialeigenschaften des Volumenmaterials (bulk), als auch der ultra/hyperdünnen Schicht gemeinsam die Funktionalität des Werkstoffes an der Grenzfläche zur Umgebung bestimmen. Dies soll erreicht werden, indem die Materialoberflächen definiert bis auf wenige Prozent genau mit chemischen Funktionen ausgestattet werden. Zusätzlich soll untersucht werden, ob sich das Schichtwachstum in einem sehr frühen Stadium gezielt beeinflussen lässt, um z. B. ein Schicht-für- Schicht- oder ein Inselwachstum, auch bei polymeren ultradünnen Schichten, über die Prozessparameter vorgeben zu können.

12 12 Mit Nanotechnologie zu Hochleistungsschichten Eine große Anzahl von Materialsystemen wird im Rahmen des Projektes entwickelt sowie deren Eigenschaften wissenschaftlich untersucht. Das Vorhaben mit 12 Verbundpartnern wurde aufgrund des erkennbaren hohen Stellenwertes für die Übertragung der materialwissenschaftlichen Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Nanotechnologie in die Anwendung für die oben genannten Gebiete als Initiativprojekt 2003 gestartet. Die Ergebnisse werden zukünftig einen großen Einfluss auf alle weiteren Schichtentwicklungen im Dünnschichtbereich ausüben. Literatur /1/ Grenzflächenhaftung in technischen Systemen, Broschüre 2005, FZ Jülich, PtJ - Geschäftsbereich NMT Tab. 1: Nanotechnologisch hergestellte Schichten Förderkennzeichen Akronym Bekanntmachung Anwendung 03N8022 NANOFUNK Initiativprojekt Neue Produkte für die Bereiche: Daten, Textil, Gebäude, Medizin, Biologie und Raumfahrt 03X0003 NaCoLab Nanomobil Motorbereich 03X0005 NM-NanoOnTex Nanomobil Teppiche im Auto, Flugzeuginnenraum (antibakterielle Wirkung) 03X0017 NanoDruck NanoChem Transportoberflächen im Maschinenbau 03X0018 Nano-Permanentschutz NanoChem Textilien mit ausgewählter Schutzfunktion 03X1501 ZOVAN Bioverträgliche Materialien für die Oralmedizin Zahnbereich 03X2503 TCO-Schichten D/Korea LCD, OLED, Flachbildschirme 03X2504 TiBN-Schichten D/Korea Druckgusswerkzeuge 03X2505 AR-, Hr-Schichtsysteme D/Korea Glasscheiben, Autospiegel 03X2508 HYDRANO Nanomobil Hydraulik, Pumpen 03X2509 NM-NanoLack Nanomobil Kratz-, abriebfeste Lacke für die Automobilindustrie 03X2510 NanoSafe Nanomobil Autoscheiben, Scheinwerfer, Instrumentenabdeckungen 03X3006 LB-Nanos Nanomobil Karosserie-Anbauteile 03X3507 ÖKOZER Ressourceneffizienz Schneid-, Zerspanwerkzeuge

13 Kohlenstoffbasierte Schichten gegen Reibung und Verschleiß 13 Kohlenstoffbasierte Schichten gegen Reibung und Verschleiß Schon 1984 schätzte das Bundesministerium für Wirtschaft den volkswirtschaftlichen Schaden infolge Reibung und Verschleiß in Deutschland auf jährlich rund 35 Milliarden. Nach wie vor wird jährlich etwa 1 bis 4 Prozent des Bruttosozialproduktes durch Verluste von Energie und Werkstoffen als Folge von Reibung und Verschleiß vernichtet. Deshalb ist die Steigerung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Bauteilen, Werkzeugen und damit die Effizienz von Maschinen und Produktionsprozessen eine fortwährende technologische Herausforderung /1/. Bauteile in der Verkehrstechnik und im Maschinenbau, die in irgendeiner Weise gegeneinander bewegt werden, wie in Motoren, Getrieben, Pumpen und Lagerelementen, unterliegen ständigen Reibungs- und Verschleißbelastungen. Von den Schlüsselindustrien in Deutschland werden in steigender Anzahl neue High-Tech-Leichtbaumaterialien eingesetzt (z. B. Aluminium-Silizium-, Magnesiumlegierungen, Verbundwerkstoffe in der Automobilindustrie), die deutlich Gewicht, Kraftstoff und damit Energie sparen, sich aber nur sehr kosten- und energieintensiv bearbeiten lassen. Außerdem verursachen diese Werkstoffe starken Abrasiv- und Adhäsionsverschleiß an den eingesetzten Werkzeugen, d. h. es entstehen Schäden in Folge mechanischer und thermischer Beanspruchung sowie Abscheren von Pressschweißstellen. Um wettbewerbsfähig zu sein, sind moderne Produktionsstätten so ausgerüstet, dass mit hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten, reduziertem Kühl- bzw. Schmiermitteleinsatz und gestreckten Wartungsintervallen gearbeitet werden muss. Dabei werden Verschleißschutzschichten mit Erfolg eingesetzt, um die Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Leistungsfähigkeit von Präzisionsbauteilen zu erhöhen. /2/. Vor diesem Hintergrund ist der hohe Entwicklungsbedarf an Verschleißschutzschichten erkennbar und spiegelt das gestiegene Energie- und Umweltbewusstsein nicht nur in Deutschland sondern in Europa wieder auch getragen durch neue, strengere Gesetzgebungen zum Umweltschutz und der Ressourcenschonung. So ist die Reduzierung des Kraftstoffverbrauches im Automobilbau und die damit im Zusammenhang stehende direkte Beeinflussung der Bauteileigenschaften wie Leichtbau, Steigerung der Belastbarkeit und Lebensdauer durch den Einsatz neuer Hochleistungsschichten erreichbar. Abb. 3: Wendeschneidplatte mit Diamantschicht (Quelle: CemeCon). Mit den Förderungen im Werkstoffprogramm des BMBF wird dieser Entwicklungstrend seit Jahren unterstützt. Wegweisend hat in der Vergangenheit die Förderung von Trockenschmierstoffschichten einen großen Forschungsbeitrag dazu geliefert. Grundlegend sind hierfür alle in Frage kommenden Schichtsysteme zur Entwicklung der Minimalmengenschmierung für die Zerspanung und Umformung von Aluminium-, Kupfer- und Eisenlegierungen untersucht worden (03N5013 bis 03N5016, S ), wobei die Herstellung von Kohlenstoffschichten auch hier schon im Mittelpunkt der Entwicklungsarbeiten stand.

14 14 Kohlenstoffbasierte Schichten gegen Reibung und Verschleiß Gegenwärtig spielen die Kohlenstoffschichten zur Lösung tribologischer Verschleißprobleme eine sehr große Rolle, da diese Schichten durch die Möglichkeit ihrer vielfältigen Modifikationen ein besonders hohes Einsatzpotenzial im Maschinenbau und in der Fahrzeugtechnik besitzen. Amorpher Kohlenstoff (Diamant like Carbon: DLC) und polykristalliner Diamant zeichnen sich durch hohe Härte und Verschleißfestigkeit bei sehr guten Gleitreibeigenschaften aus. Polykristalliner Diamant besitzt außerdem bei Raumtemperatur die höchste Wärmeleitfähigkeit von Festkörpern. Diese hohe Wärmeleitfähigkeit wirkt sich positiv auf die Beständigkeit der Reibflächen gegen thermische und chemische Belastungen aus, wie sie unter Verschleißbedingungen auftreten. Neueste Entwicklungen zeigen, dass der Einbau von nichtmetallischen Elementen in das DLC-Netzwerk zu weiteren interessanten Oberflächeneigenschaften führt /3-6/. Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wird über die Diamant-Dünnschichten vom Material des 21. Jahrhunderts gesprochen /6/ und weltweit werden Forschungsaktivitäten zu diesem Thema intensiviert /7/. Abb. 4: Mit amorphem Kohlenstoff innenbeschichtete Kollektoroptik. (Quelle: Fraunhofer IST) Kohlenstoffbasierte Schichtsysteme werden mit unterschiedlichen chemischen (CVD) oder physikalischen (PVD) Verfahren im Vakuum abgeschieden. Vor allem die in den letzten Jahren neu entwickelten CVD-Verfahren zur direkten Abscheidung von polykristallinen Diamantschichten machen dieses Material mit seiner extremen Eigenschaftskombination aus hoher Härte und Verschleißfestigkeit, niedrigen Reibwerten und extremer chemischer Resistenz für viele neue Anwendungen verfügbar und wirtschaftlich interessant /4/. Zum Beispiel werden bei der plasmaaktivierten chemischen Schichtabscheidung (PACVD) Ausgangsgemische aus Argon und kohlenstoffhaltigen Prekursoren genutzt. Je nach Herstellungsverfahren und Abscheideparameter ist das Verhältnis von sp 2 - (Graphit) zu sp 3 - Bindungen (Diamant) und der unterschiedliche Gehalt an eingelagertem Wasserstoff entscheidend für die Schichteigenschaften /3 6/. In eine amorphe Kohlenwasserstoffschicht a-c:h mit diamantähnlichen Eigenschaften (DLC) können weitere Elemente gleichzeitig eingebaut werden (wie a-c:h:me, a-c:h:x), wodurch sich solche Eigenschaften wie Benetzbarkeit, Klebverhalten und Transparenz beeinflussen lassen. Eine große Anzahl von Modifikationen der Kohlenstoffschichten ist möglich (a-c:h:x, a-c:me, a-c, ta-c, ta-c:h), um die gewünschten Schichteigenschaften zu erzielen. Eine Klassifizierung und Eigenschaftsdarstellung von Kohlenstoffschichten wurde von der Industrie mit entsprechenden Forschungseinrichtungen 2004 erarbeitete und in der VDI-Richtlinie 2840 dokumentiert/5/. Dass in den letzten Jahren diese große Eigenschafts- und Anwendungsvielfalt zu einem verstärkten industriellen Interesse an den Kohlenstoffschichten geführt hat, wird durch die neu gestarteten, sieben Forschungsvorhaben im Werkstoffprogramm des BMBF verdeutlicht. Darin werden unter anderem auch die Möglichkeiten untersucht, die kohlenstoffbasierten Schichten entsprechend ihrer Zusammen-

15 Kohlenstoffbasierte Schichten gegen Reibung und Verschleiß 15 setzung maßgeschneidert auf eine gezielte Anwendung nanokristallin zu gestalten: Vorhaben HYDRA- NO (03X2508, S. 76) Herstellung von Nanocomposites. In diesem Projekt werden Metall-Kohlenstoffsysteme (Metall: Zr, Cr, Ti) überstöchiometrisch abgeschieden, wobei eine Phasentrennung auftritt und sich nanokristalline Metallkarbide in einer amorphen a-c:h- oder a-c-matrix bilden - abhängig davon, ob der Kohlenstoff über ein Kohlenstoffträgergas reaktiv abgeschieden wird oder ein Kohlenstofftarget als Ausgangsmaterial dient. Nanocomposites im System Me-C:H bzw. Me-C sind besonders interessant für die Bauteilbeschichtung, da - abgesehen vom niedrigen Reibwert - niedrige Beschichtungstemperaturen T < 150 C sowohl in PACVD als auch in PVD-Prozessen industriell realisiert werden können. Mit diesem Vorhaben wird versucht, temperaturempfindliche, wärmebehandelte Stahlwerkstoffe (z. B. Radialpumpenkolben aus 100Cr6) ohne Verzug und Härteverlust zu beschichten. Im Vorhaben DiaCer (03X2507, S. 70) werden erstmalig Verschleißbauteile aus Keramik - Ziehsteine, Gleitringe und Wendeschneidplatten - mit Diamant beschichtet. In dem Verbundvorhaben mit 12 Partnern sind fünf kleine mittelständische Unternehmen involviert. Bei allen drei Produktgruppen wird der Grundkörper aus Keramik gefertigt und anschließend im Hot Filament CVD-Verfahren, welches besonders zur Beschichtung komplexer Geometrien geeignet ist, mit einer polykristallinen Diamantdünnschicht versehen. Auf diese Weise werden die positiven Materialeigenschaften von Keramiken z. B. hohe thermische Belastbarkeit, hohe chemische Resistenz mit den herausragenden Werkstoffeigenschaften von Diamant gepaart: höchste Härte, niedrige Reibung, extreme chemische Resistenz. So können aufwendige, teure Lösungen - z. B. Verwendung von massiven Diamanteinsätzen - ersetzt und neue Anwendungen z. B. Beschichtung komplexer Werkzeuge oder großflächiger Bauteile erschlossen werden. Mit der neuen Werkstoffkombination sollen innovative Produkte hergestellt werden, die eine stark verbesserte Leistungsfähigkeit gegenüber dem Stand der Technik mit hoher Wirtschaftlichkeit vereinen. Am Ende des Vorhabens soll die Basis für die Entwicklung neuer DiaCer- Produkte geschaffen werden, die auf dem Markt noch nicht existieren. Die beiden genannten Beispiele zeigen einige wenige Möglichkeiten von den vielen Anwendungsbeispielen dieser neuen kohlenstoffbasierten Schichten. Anhand der geförderten Projekte ist aber auch deutlich erkennbar, dass Kohlenstoffschichten an konkrete Applikationen angepasst werden müssen. Diese aufwendigen Entwicklungsarbeiten aber auch das Problem der wirtschaftlichen Fertigung großer Stückzahlen, insbesondere bei den Diamantbeschichtungen, führen zu einer nur langsamen Umsetzung. Um dem entgegen zu wirken, ist staatliche Forschungsförderung ein wichtiges Instrument, Ergebnisse aus der Grundlagenforschung gezielt in die Anwendung zu bringen. Weiterentwicklungen in der Anlagentechnik werden in den nächsten Jahren zu einer deutlich stärkeren industriellen Verbreitung dieser Schichten führen. Deshalb ist schon jetzt absehbar, dass die Kohlenstoffschichten die klassischen Hartstoffschichten umsatzmäßig einholen werden /1,4,6/. Abb. 5: Titannitrid- und Diamantbeschichtete Extruderschnecken zur Kunststoffverarbeitung (Quelle: Fraunhofer IST).

16 16 Kohlenstoffbasierte Schichten gegen Reibung und Verschleiß Wie staatliche Forschungsförderung hilft, grundlegende Werkstoffentwicklungen gezielt in die Anwendung zu überführen, zeigt das schon beschriebene Vorhaben Diamantbeschichtete Keramiken - DiaCer. Bei der Firma Burgmann sind Trockenlauftests mit den im Vorhaben entwickelten diamentbeschichteten Keramik-Gleitringdichtungen unter Extrembedingungen durchgeführt worden. Dabei war an den diamantbeschichteten Proben auch nach 30 min Laufzeit kein nennenswerter Verschleiß erkennbar, während eine konventionelle Gleitringdichtung schon nach 3 min zerstört wurde. Da in einigen geförderten Vorhaben - wie DiaCer - neue extreme Eigenschaften im Zusammenhang mit tribologischen Fragestellungen verfügbar geworden sind, die das gesamte Bauteil in seiner Wirkung verändern und eine völlig neue, verbesserte Konstruktion möglich machen, kommt eine andere positive Wirkung der neuen Kohlenstoffschichten zum Tragen, indem über ganz neue Produkte nachgedacht wird. Viele Modifikationen diamantartiger Kohlenstoffschichten lassen sich heutzutage in großtechnischem Maßstab herstellen. Durch ihre herausragenden mechanischen Eigenschaften konnte die Leistungsfähigkeit einiger industrieller Anwendungen enorm gesteigert werden. Ein Beispiel hierzu ist die Dieseleinspritztechnologie der Robert Bosch GmbH: Die Forderung nach sinkenden Emissionen führte dazu, dass die Einspritzdrücke auf über 2000 bar gesteigert wurden, um ein optimales Diesel-Luft- Gemisch zu erzeugen. Erst die große Härte und Verschleißbeständigkeit diamantartiger Kohlenstoffschichten bei gleichzeitig geringer Reibung ermöglichen es, beschichtete Komponenten mit mikrometergenauen Passungen dauerfest zu betreiben /9/. Die Erfolgsgeschichte der Dieselhochdruckeinspritzung ist damit eng mit der DLC-Beschichtung verbunden. In Dieseleinspritzsystemen der Robert Bosch GmbH werden DLC-beschichtete Komponenten seit 1994 eingesetzt und täglich über zehntausend Bauteile mit DLC beschichtet. Neben den Kolben von Hochdruckpumpen kommen weitere Komponenten wie Injektordüsennadeln beschichtet zum Einsatz, um sie für die extremen Belastungen widerstandsfähig zu machen. Die wichtigsten Grundlagen zum Verständnis der Wirkungsweisen von DLC-Schichten wurden im Werkstoffprogramm des BMBF zum Thema Trockenschmierstoffschichten /10/ von 1998 bis 2001 erarbeitet. Um das große, noch nicht ausgeschöpfte Potenzial der Kohlenstoffschichten nutzen zu können, ist aktive Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet weiterhin notwendig. Zum Beispiel sind Kombinationen der Schichtmaterialien mit dem Ziel eines Schichtsystems, das die Eigenschaften mehrerer Schichttypen aufweist, noch nicht herstellbar /3/. Im Labormaßstab konnten jedoch die Vorteile gezeigt werden, dass durch den Mehrlagenaufbau der Schichtverschleiß deutlich abnimmt. Damit werden neue Entwicklungsrichtungen vorgegeben. Es ist absehbar, dass auch das Benetzungsverhalten der Kohlenstoffschichten durch den schon erwähnten Einbau nichtmetallischer Materialien in die amorphe DLC-Matrix im Mittelpunkt der Entwicklungsarbeiten stehen werden, wodurch sowohl gute Hydrophobie als auch gute Hydrophilie zu erreichen sind /3,8/. Entsprechend sind die Oberflächen von Bauteilen so zu modifizieren, dass insbesondere die Benetzung von Flüssigkeiten und das Anhaften fester Stoffe minimiert werden. Damit weisen die Kohlenstoffschichten auch als Antihaftschichten ein neues Entwicklungspotenzial auf. Ein erstes Projekt in diese Richtung wird innerhalb einer deutsch-koreanischen Zusammenarbeit mit dem Thema: Gering adhäsive multifunktionale Mehr- und Multilagenschichtsysteme (Hybridprozessentwicklung zur Plasmasynthese temperaturbeständiger Kohlenstoffschichten) im Werkstoffprogramm des BMBF gefördert (03X2502, S. 123). Der Entwicklungsbedarf dieser Kohlenstoffschichten besteht vor allem in Richtung der Benetzbarkeit darin, dass kein Verlust der Härte bzw. der Verschleißfestigkeit und kein Anstieg der Reibwerte entsteht, wie das bei den heute verfügbaren Schichten der Fall ist /8/.

17 Kohlenstoffbasierte Schichten gegen Reibung und Verschleiß 17 mikrokristallin nanokristallin Mehrlagenschicht leitende Mehrlagenschicht Abb. 6: Schichtentwicklung: CVD-Diamantschichten (Quelle: CemeCon) Literatur /1/ DGM-Tagung Reibung und Verschleiß, vom 10. bis 12. März 2004 in Fürth, A. Fischer, Vorwort, Tagungsband /2/ P. Dünner: "Tribologische Schichten, Verschleißminderung" in: Klaus W. Mertz, Hermann A. Jehn (Hrsg.): "Praxishandbuch moderne Beschichtungen", Carl Hanser Verlag, ISBN /3/ Zweite WING-Konferenz, November 2005, Aachen, Vortrag, G. Bräuer (Fraunhofer IST Braunschweig), Neue Anwendungen kohlenstoffbasierter Schichten, /4/ J. Brand, L. Schäfer: "Harte tribologische Schichten - Innovative Schmierstoffe der Zukunft", Veröffentlichung zum BMBF-Verbundprojekt LEZABS, Fördernummer 02PP2370, /5/ VDI-Richtlinie 2840: "Kohlenstoffschichten, Grundlagen, Schichttypen und Eigenschaften", Beuth-Verlag Berlin (2004), /6/ Paul W. May: "Diamond thin films: a 21st-century material", Phil. Trans. R. Soc. Lond. A (2000) 358, pp

18 18 Kohlenstoffbasierte Schichten gegen Reibung und Verschleiß /7/ 33rd International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films (ICMCTF 2006), May 1-5, San Diego, California, USA, Bericht Dr. Schäfer, Fraunhofer IST /8/ K. Bewilogua, G. Bräuer, Fraunhofer IST Braunschweig, Carolo-Wilhelmina 1/2002, S /9/ Bosch Research, Info Ausgabe 3/2001 /10/ BMBF-Projekt Trockenschmierstoffschichten - Kohlenstoff (1998 bis 2001), FKZ 03N3081A6

19 Aktuelle Fördervorhaben 19 Aktuelle Fördervorhaben Mit dem aktuellen BMBF-Werkstoffprogramm WING (Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft) soll vor allem die Innovationskraft der Unternehmen in Deutschland, unter Berücksichtigung des gesellschaftlichen Bedarfs und der Nutzung von Forschung/Technologie für nachhaltige Entwicklungen, gestärkt werden. Dass in einem ganzheitlichen Ansatz werkstoffbasierte Produktinnovationen generiert und gleichzeitig dem gesellschaftlichen Bedarf an aktuellen Werkstoffentwicklungen, aber auch Nachhaltigkeitsaspekten, Rechnung getragen werden, verdeutlichen die vom BMBF in WING geförderten Vorhaben zum identifizierten Handlungsfeld Schichten und Grenzflächen. Zur Zeit (Stand September 2006) werden 22 Verbundprojekte in WING gefördert, die die Entwicklung von hochleistungsfähigen Schichten zum Inhalt haben. Hierbei handelt es sich überwiegend um neuartige, nanokristalline bzw. nanopartikelbasierte, auch multifunktionale Schichten für Reibminderung/Verschleißschutz, Haftung/Antihaftung und transparenten Kratzschutz. Die Forschungsverbünde sind entlang der Wertschöpfungskette strukturiert, wobei das bewährte Prinzip der Verbundforschung zwischen Unternehmen der gewerblichen Wirtschaft und ein oder mehreren Forschungseinrichtungen angewandt wurde. Gegenwärtig kann die Förderung von Hochleistungsschichten in WING wie folgt zusammengefasst werden: Von den 22 zu fördernden Schichtprojekten wurden 13 Vorhaben im Rahmen von Bekanntmachungen zu übergeordneten Themen, 5 Vorhaben als Initiativprojekte und 4 Vorhaben innerhalb einer bilateralen Kooperation zwischen Korea und Deutschland eingereicht. Die Fördervorhaben können folgenden zwei Schichtkategorien zugeordnet werden: Schichten für Reibminderung und Verschleißschutz: 11 Verbundvorhaben (70 Einzelprojekte) und Schichten für Antihaftung: 9 Verbundvorhaben (52 Einzelprojekte), 2 Verbundvorhaben (4 Einzelprojekte) zum Thema optische Funktionsschichten sind die genannten Projekte im Rahmen einer Zusammenarbeit Deutschland/Korea. Überwiegend Kohlenstoff-, Lack- und Hartstoffschichten stehen im Vordergrund der Untersuchungen. Die Gesamtzuwendungssumme beträgt ca. 40,8 Mio. bei einer Gesamtsumme der veranschlagten Kosten von ca. 71,5 Mio.. Innerhalb des Werkstoffprogramms WING fördert das BMBF insgesamt Vorhaben mit einem jährlichen Budget bis zu ca. 85 Mio., d. h. zur Zeit werden davon ca. 16 % der Zuwendungssumme für Schicht-Fördervorhaben ausgegeben (die Laufzeit der Verbundprojekte beträgt in der Regel 3 Jahre).

20 20 Aktuelle Fördervorhaben Schichten für Reibminderung und Verschleißschutz 9 Verbundvorhaben, 1 Einzelvorhaben, Zuwendung: ca. 21,1 Mio. 03X0003 Nanokristalline Composite-Beschichtungen für Zylinderlaufbahnen mit nanostrukturierter Oberfläche und Verschleißvorhersage für hochbelastete Benzin- und Dieselmotoren (NaCoLab) Zuwendung: Gesamtkosten: Laufzeit: Verbundpartner:..... Gehring GmbH & Co. KG, Ostfildern DURUM Verschleiß-Schutz GmbH, Willich-Schiefbahn GTV mbh, Luckenbach Opel Powertrain GmbH, Rüsselsheim Porsche Engineering Group GmbH, Weissach DaimlerChrysler AG, Ulm Ford Werke GmbH, Köln Ford FZ Aachen GmbH Federal-Mogul Burscheid GmbH RWTH Aachen (IOT) Uni Duisburg (WTII) Uni Kassel (IMK) Uni Braunschweig (IWF) Bauteil: Motorbereich (Zylinderlaufbahn) Schichtwerkstoff: Boride, Carbide, Nanomaterialien auf Eisenbasis Projektbeantragung:..... Bekanntmachung Nanomobil Kurzbeschreibung: Die Forderungen an moderne Verbrennungsmotoren bestehen in einer Reduzierung von Herstellkosten, Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission. Aufgrund der Erfahrungen mit bisherigen Laufbahnbewehrungen besteht der Lösungsansatz im Auftragen einer thermischen Drahtbeschichtung aus Eisen, Chrom, Molybdän und Bor. Im Prozess entsteht eine harte Schicht, die sowohl aus einer Matrix als auch aus Carbiden und Boriden der Kristallgröße Nanometer besteht. Beginnend bei der Optimierung der Substratvorbehandlung enthält das Arbeitsprogramm die Entwicklung des Beschichtungsprozesses und tribologische Untersuchungen bis hin zum befeuerten Prüfstandstest. Es geht also um die Entwicklung einer vollständigen Prozesskette von der Behandlung des Substrates bis zur Herstellung einer funktionsfähigen Laufflächentopographie. Das bisher junge Projekt zeigt erste Ergebnisse im Bereich der Oberflächenvorbehandlung. Die aufwändigen konventionellen Prozesse werden ersetzt durch eine Modifikation der ohnehin obligatorischen Feinbohrvorbearbeitung. Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Gerhard Flores Gehring GmbH & Co.KG Nielsenstr. 6D Ostfildern Telefon: / Telefax: /

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