Tribologische ta-C-Schichten

Kohlenstoffschichten vom Typ ta‑C zeichnen sich durch eine extrem hohe Härte und dadurch außerordentliche Verschleißbeständigkeit und zugleich universell niedrige Reibung aus. Die Schichtabscheidung erfolgt bei unter 100°C, wodurch temperaturempfindliche Stähle, aber auch Aluminium und sogar Kunststoffe wie Polyamid mit ta‑C beschichtet werden können.

Die chemisch inerten Kohlenstoffschichten verringern die Anhaftungsneigung der Gegenkörpermaterialien und erlauben somit einen schmierstofffreien Einsatz mit geringen Reibwerten um 0,1. In Kombination mit bestimmten Schmierstoffen wird sogar supraniedrige Reibung < 0,01 erreicht. ta‑C ist bis 400°C temperaturstabil.

Mit angepassten ta‑C-Schichten auf Komponenten von Lagern, Führungen und Kolben-Zylinder-Paarungen gelingt eine Reibungsminderung in Kombination mit dauerhaftem Verschleißschutz. Mit Härten von bis zu 70 GPa (entsprechend 7000 HV) selbst in Anwesenheit äußerst abrasiver Mikropartikel bleiben die Oberflächen nahezu verschleißfrei. Die ta‑C-Schichten überbrücken auch Mangelschmierungszustände und sogar vorübergehenden Schmierstoffausfall.

Reibungsminderung und Verschleißschutz in einem Zahnradgetriebe gelingt durch dicke ta-C-Beschichtung ohne weitere Anpassung der Zahnradgeometrie. Für niedrig belastete Getriebe ist durch ta‑C-Schichten sogar ein schmierstofffreier Betrieb möglich. Auch für mediengeschmierte Systeme eignen sich ta‑C-Schichten hervorragend als Verschleißschutz.

Durch geeignete Haftschichttechnologien und eine spezielle Schichtarchitektur gelingt die Abscheidung von ta‑C-Schichten mit Dicken von 10 µm und mehr. Möglich ist die Kombination mit so genannten Einlaufschichten, die auf die verschleißfeste ta‑C-Grundschicht aufgetragen werden. Das verringert die Belastung im Erstkontakt und sorgt für ein mildes Einlaufen der Gleitflächen.

Mit der Langzeit-Prozessstabilität der Laser-Arc-Technik verbunden mit einem Konzept des Eigenspannungsmanagements gelingt die Abscheidung ultradicker ta‑C-Schichten. Diese können für extrem hohe Verschleißanforderungen, z.B. für Gleitlager oder für Anwendungen mit hoher Partikelerosion eingesetzt werden.

Die Schicht ist homogen aufgebaut und weist nahezu keinen Härtegradienten auf, wie durch Nanohärtemessungen am Querschnitt nachgewiesen wurde. Die Eigenspannung der Schicht ist mit ca. 1,6 GPa (Druckspannung) relativ moderat. Die Schicht kann auf verschiedenste Substratmaterialien, sogar Kunststoff aufgebracht werden.

Dank der geringen Abscheidetemperatur kann ta‑C haftfest auf Kunststoffen abgeschieden werden. Die superharte ta‑C-Schicht schützt z.B. vor abrasiver Belastung in Getrieben mit Kunststoff-Zahnrädern.

Für die Beschichtung von Kunststoff wurden eigene Haftschicht-Konzepte entwickelt. Mit speziellen Härte-gradierten Einlaufschichten kann im tribologischen Erstkontakt mit empfindlichen Gegenkörpermaterialien eine Überbelastung vermieden und eine sanfter Einlauf sichergestellt werden.

Durch die atomistische Oberflächenstruktur von ta‑C-Schichten bilden diese mit bestimmten Schmiermitteln extrem gleitfähige Oberflächen aus. Daher ist es möglich mit ta‑C-Schichten Supraschmierung zu erreichen, z.B. in Gleitlagern mit ta‑C-beschichteten Lagerscheiben. 

Das Fraunhofer IWS ist weltweit mit führend bei der Entwicklung suprageschmierter tribologischer Systeme, basierend auf ta‑C-beschichteten Gleitkomponenten und betreibt umfangreiche Tribologieforschung dazu.