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PVD-Beschichtung für Werkzeuge und Bauteile
Als PVD-Verfahren bezeichnet man Verschleißschutzverfahren, bei denen unter Vakuum Metall verdampft wird und mit einem oder mehreren Reaktionsgasen zu sogenannten Hartstoffschichten reagiert.
Die verschiedenen PVD-Verfahren unterscheiden sich in der Methode, das Metall in den gasförmigen Zustand zu versetzen. Von industrieller Bedeutung sind Elektronenstrahlverdampfen, Magnetronsputtern und das Arc-Verfahren, das bei GPA ausschließlich und auf Basis eigener Patente zum Einsatz kommt.
Arc-Technologie
Bei der Arc-Verdampfungstechnik bedient man sich eines Lichtbogens, um ein festes Metalltarget in den gasförmigen Zustand zu versetzen. Dazu wird zwischen dem zu verdampfenden Material (Kathode) und einer Anode ein elektrischer Bogen gezündet.
Der einmal mittels Abrißfunken (Trigger) gezündete Bogen wird durch das verdampfte Material selbst genährt. Der Bogen bewegt sich mehr oder wenige zufällig über die Kathodenoberfläche (random arc). Aufgrund der hohen Energiedichte im Kathodenfleck (Kontaktpunkt des Lichtbogens auf der Kathode) wird dort aus der festen Kathode Material abgetragen.
Gängige Kathodenmaterialien sind z.B. Titan und Chrom, außerdem legierte Kathoden aus Titan-Aluminium und Chrom-Aluminium.
Die erzeugte Beschichtung setzt sich aus dem Kathodenmaterial und dem Reaktionsgas zusammen. So entsteht beim Verdampfen von Titan und dem Reaktionsgas Stickstoff (N2) Titannitrid; entsprechendes gilt für andere Nitridschichten. Carbo-Nitridschichten werden erzeugt, indem neben Stickstoff ein Kohlenstoffträgergas zum Einsatz kommt. Der Einbau von Kohlenstoff führt generell zu einem besseren Reibungswiderstand und höherer Härte. So ist TiCN glatter und härter als TiN, CrCN glatter und härter als CrN.
Schichtaufbau
Je nach internem Aufbau der Beschichtung spricht man von Monolayer-, Multilayer- oder Nanolayer-Schichten. Monolayer sind Beschichtungen, bei denen zwischen Grundmaterial und Schichtoberfläche durchgängig dieselbe Zusammensetzung besteht, z. B. CrN. Multilayerschichten zeichnen sich durch einzelne unterschiedliche Schichten aus, die aufeinander gelegt werden. Durch die Kombination unterschiedlicher Schichtvarianten werden Eigenspannungen reduziert und günstige Eigenschaften der Einzelschichten kombiniert. Vollautomatische Prozeßabläufe gestatten, beliebig viele unterschiedliche Schichten innerhalb einer Schicht aufeinander zu legen. Da die Schichtdicke der Einzelschichten nur Nanometer beträgt, werden diese Schichten als Nanolayer bezeichnet.
Eigenschaften der PVD-Beschichtungen
PVD-Beschichtungen werden aufgrund ihrer keramischen Eigenschaften auch als Hartstoffschichten bezeichnet. Sie haften auf der Oberfläche rein adhäsiv, dringen also nicht ins Grundmaterial ein. Aufgrund ihrer hohen Härte sind PVD-Beschichtungen gleichzeitig spröde und haften nur aufgrund der geringen Schichtstärken auf der Oberfläche. Sie werden daher auch als „Dünne Schichten“ bezeichnet und beeinträchtigen in den meisten Fällen nicht die Werkzeuggeometrie, da sie innerhalb der Toleranzen liegen.
Der vollautomatische Beschichtungsprozeß gliedert sich in Prozeßschritte, die je nach Anforderung individuell programmiert werden können. Zunächst wird unter Vakuum an die Werkzeuge eine negative Spannung (Bias) angelegt, die ein Inertgas (reaktionsträges Gas) auf die Substrate hin beschleunigt.
Dies führt zu der sogenannten Glimmentladung (Glow Discharge), dem letzten Reinigungsschritt vor der Beschichtung.
Durch das Zünden der Verdampfer (Triggern), die in jeder Raumlage angeordnet werden können, wird ein Lichtbogen erzeugt, der auf der Oberfläche des Verdampfungsmaterials (Kathode) brennt.
Die Temperatur des Lichtbogens führt dazu, daß am Fußpunkt des Lichtbogens, dem Kathodenfleck, festes Metall schlagartig in den gasförmigen Zustand versetzt wird; es entsteht elektrisch positiv geladener Metalldampf.
Dieser wird unter Zugabe von Reaktionsgas zu den negativ geladenen Werkzeugen hin beschleunigt, auf deren Oberfläche er zu einer Hartstoffschicht kondensiert.
