Was ist Hartfilmabscheidung?

Grundlage der Hartfilmabscheidung

Unter Hartfilmabscheidung versteht man den Prozess der Abscheidung dünner, harter Beschichtungen auf einem Substratmaterial, um Oberflächeneigenschaften wie Verschleißfestigkeit, Korrosionsschutz oder Wärmedämmleistung zu verbessern. Die typischerweise 1–10 Mikrometer dicken Beschichtungen entstehen durch die Kondensation verdampfter Legierungselemente und Verbindungen auf der Substratoberfläche. Diese Technik der Oberflächentechnik ermöglicht es Herstellern, die Härte, Gleitfähigkeit, Oxidationsbeständigkeit oder andere Eigenschaften von Grundmaterialien zu verbessern, ohne deren Masseneigenschaften zu beeinträchtigen.

Zwecke der Hartfilmabscheidung

Durch die Hartfilmabscheidung werden die Oberflächeneigenschaften von Materialien auf verschiedene Weise verbessert:

Verschleißschutz

Eines der Hauptziele der Hartfilmabscheidung ist die Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Bauteilen. Harte Beschichtungen wie Titannitrid (TiN) und Chromnitrid (CrN) können abrasiven Verschleiß, Adhäsionsverschleiß und Oberflächenermüdung an Teilen wie Schneidwerkzeugen, Motorkomponenten und Lagern minimieren. Die Hartbeschichtung verhindert einen schnellen Materialabtrag bei Kontakt mit anderen Oberflächen.

korrosions~~POS=TRUNC

Durch das Aufbringen von Beschichtungen wie TiN, Aluminiumtitannitrid (AlTiN) und amorphem diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) entsteht eine Barriere, die das darunter liegende Substrat vor Korrosionsschäden schützt. Dies ist besonders nützlich für Teile, die hohen Temperaturen, oxidativen Umgebungen und korrosiven Medien wie Säuren oder Salzwasser ausgesetzt sind.

Wärmebarriere

Einige Materialien wie Keramik und Metalllegierungen können Komponenten vor hohen Temperaturen isolieren. Durch die Abscheidung von Filmen aus Zirkonoxid, Chromoxid oder Molybdändisilizid auf Turbinenschaufeln können diese bei höheren Temperaturen betrieben werden, indem die Wärmeübertragung verringert wird.

Dekorative Oberflächen

Harte Beschichtungen wie Titannitrid und Zirkoniumnitrid erzeugen attraktive gold-, blau- oder schwarzfarbene Oberflächen auf Oberflächen. Dies ermöglicht Schmuck, Modeaccessoires und Konsumgütern einzigartige dekorative Effekte und Erscheinungsbilder.

Elektrische Eigenschaften

Leitfähige Beschichtungen wie Gold, Platin und Metallkarbide können elektrische Eigenschaften wie Leitfähigkeit und Widerstand verändern. Dies ermöglicht eine präzise Steuerung des elektrischen Stromflusses in Komponenten wie Sensoren und Halbleiterbauelementen.

Arten von Hartbeschichtungen

Es gibt verschiedene Kategorien von Hartbeschichtungen, die durch Aufdampfverfahren aufgebracht werden können:

• Übergangsmetallnitride – Üblicherweise werden sehr harte keramische Nitridverbindungen aus Metallen wie Titan, Chrom und Zirkonium verwendet. Titannitrid (TiN) sorgt für eine goldfarbene Beschichtung mit hervorragender Korrosionsbeständigkeit und einer Härte von bis zu 2000 HV. Chromnitrid (CrN) hat ein gräuliches Aussehen und behält seine tribologischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen bei.
• Übergangsmetallkarbide – Metallkarbide wie Wolframkarbid (WC), Titankarbid (TiC) und Tantalkarbid (TaC) erzeugen extrem harte und langlebige Beschichtungen. Sie bieten im Vergleich zu Nitridfilmen eine überlegene Abriebfestigkeit. Allerdings können Karbidfilme bei hohen Temperaturen mit Stahlsubstraten reagieren.
• Keramikbeschichtungen – Nichtmetallische Keramikmaterialien wie Aluminiumoxid (Al2O3), Zirkonoxid (ZrO2) und Chromoxid (Cr2O3) können gegen Hitze und Korrosion isolieren. Siliziumkarbid (SiC) hat eine geringe Dichte, hohe Härte und Festigkeit.
• Diamantartiger Kohlenstoff – Beschichtungen aus diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) enthalten eine Mischung aus sp3- und sp2-hybridisierten Kohlenstoffatomen, die für diamantähnliche Eigenschaften sorgen. Amorphe DLC-Filme bieten außergewöhnliche Härte, geringe Reibung und chemische Inertheit.
• Mehrschichtige Beschichtungen – Durch die Kombination von Schichten verschiedener Materialien wie TiN und TiAlN entstehen Beschichtungen, die die Vorteile der einzelnen Substanzen vereinen. Mehrschichtfolien weisen im Vergleich zu Einzelschichten tendenziell eine verbesserte Härte, Bruchzähigkeit und Oxidationsbeständigkeit auf.

Materialien für die Hartfilmabscheidung

Eine Vielzahl von Substratmaterialien kann mit Hartfilmen beschichtet werden, um deren Oberflächeneigenschaften und Leistung zu verbessern:

• Stahl– Stahl ist eines der am häufigsten mit Hartfilmen beschichteten Substrate. Beschichtungen wie TiN, TiCN, CrN und DLC werden auf Stahlkomponenten wie Schneidwerkzeuge, Formen, Motorteile und Lager aufgetragen, um die Härte, Verschleißfestigkeit und den Korrosionsschutz zu erhöhen.
• Aluminium– Leichte Aluminiumlegierungen werden häufig beschichtet, um die Verschleiß- und Abriebfestigkeit zu verbessern. Hartanodisierte Beschichtungen und Keramikfilme wie Aluminiumoxid und Siliciumdioxid bieten Schutz für Automobil- und Luftfahrtkomponenten aus Aluminium.
• Titan– Die Härte, Haftung und Korrosionsbeständigkeit von Titan können durch Beschichtungen wie TiN, Chromnitrid und metalldotierten diamantähnlichen Kohlenstoff verbessert werden. Diese Filme ermöglichen es medizinischen Implantaten aus Titan und Teilen für die Luft- und Raumfahrt, Stößen und Korrosion besser zu widerstehen.
• Carbide– Siliziumkarbid-, Wolframkarbid- und Borkarbid-Substrate werden mit dünnen Filmen beschichtet, um ihre Härte und Wärme-/Oxidationsbeständigkeit für Werkzeuganwendungen weiter zu optimieren. Häufig werden Mehrschichtfolien eingesetzt.
• Kunststoffe und Polymere– Harte Beschichtungen wie DLC, Chromnitrid und Siliziumoxid, die auf Kunststoffkomponenten abgeschieden werden, verbessern die Oberflächenhärte und Kratzfestigkeit und behalten gleichzeitig die Masseneigenschaften wie Flexibilität und Schlagfestigkeit bei.
• Keramik– Die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit von Keramikteilen aus Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliziumkarbid und Siliziumnitrid kann durch die Dünnfilmabscheidung von Metallnitriden, -oxiden und -karbiden verbessert werden.

Ausrüstung und Verbrauchsmaterialien

Bei der Hartfilmabscheidung werden fortschrittliche Vakuumtechnologiegeräte eingesetzt, um Beschichtungen mit einer Dicke von nur wenigen Mikrometern und präziser Steuerung abzuscheiden.

• Vakuumkammern– Beschichtungen werden in Vakuumkammern aufgetragen, die mithilfe von Pumpen hohe Vakuumniveaus bis zu 10-6 Torr erreichen. Dadurch gelangen verdampfte Beschichtungsstoffe ohne Reaktion mit Gasen zum Untergrund. Die Kammern bestehen aus Edelstahl oder Glas.
• Sputterpistolen– Magnetron-Sputterpistolen stoßen mithilfe eines elektrischen Feldes Atome des Zielbeschichtungsmaterials aus. Die Atome kondensieren dann als dünner Film auf dem Substrat. Leistungsstarke Magnete begrenzen die Plasmaentladung auf der Oberfläche des Sputtertargets.
• Verdunstungsquellen– Quellen wie Elektronenstrahl-, Wärme- oder Lichtbogenverdampfung nutzen sehr hohe Temperaturen, um das Beschichtungsmaterial zu verdampfen, sodass es auf Substraten kondensieren kann.
• Gas Versorgung– Reaktive Gase wie Stickstoff oder Methan werden in die Kammer eingeleitet, um mit dem gesputterten oder verdampften Beschichtungsmaterial zu reagieren und Verbindungen wie Nitride oder Karbide zu bilden.
• Substratheizungen und Vorspannung– Heizelemente und Substratvorspannung verbessern die Haftung und modifizieren die Filmstruktur, indem sie die Oberflächenmobilität der abgeschiedenen Atome erhöhen.
• Zielmaterialien– Für die Beschichtungsabscheidungsquelle sind hochreine Targetmaterialien erforderlich. Zu den gängigen Materialien gehören Titan, Chrom, Aluminium, Zirkonium, Wolfram, Kohlenstoff und Silizium.
• Prozessgase– Gase wie Argon, Stickstoff und Acetylen werden verwendet, um das Plasma zu erzeugen oder mit dem Beschichtungsmaterial zu reagieren. Die Zufuhr hochreiner Prozessgase gewährleistet die richtige Filmzusammensetzung.

Prozessschritte

Das Aufbringen harter Beschichtungen durch Aufdampfen erfordert eine sorgfältige Verarbeitung, um Beschichtungen mit den gewünschten Eigenschaften herzustellen.

1. Oberflächenvorbereitung– Die Substratoberfläche muss gründlich gereinigt werden, um Öle, Oxide und Verunreinigungen zu entfernen, die die Beschichtungshaftung verringern können. Üblicherweise werden Sandstrahlen, Lösungsmittelreinigung und Säureätzen eingesetzt.
2. Montage– Komponenten werden auf speziellen Halterungen befestigt bzw. montiert, die eine gleichmäßige Beschichtung aller Oberflächen ermöglichen. Rotierende Zylinder sorgen für eine gleichmäßige Abdeckung.
3. Heating– Das Substrat wird vor der Abscheidung häufig auf 150–500 °C vorgewärmt, um die Oberflächenmobilität der Beschichtungsatome zu erhöhen und die Haftung zu verbessern.
4. Ablage– Das Beschichtungsmaterial wird durch Sputtern, Verdampfen oder Lichtbogenverdampfen verdampft, sodass ein dünner, nur Mikrometer dicker Film auf dem Substrat kondensieren kann. Dies geschieht in einer Hochvakuumumgebung.
5. Ionenbeschuss– Energetischer Ionenbeschuss während der Abscheidung kann die Haftung und Dichte verbessern, indem die Oberflächendiffusion der Beschichtungsatome verbessert wird.
6. Abkühlen– Nach der Abscheidung werden die Komponenten unter kontrollierter Atmosphäre abgekühlt, um Oxidation zu verhindern und die Entspannung von Restspannungen zu ermöglichen.
7. Qualitätskontrolle– Beschichtete Teile werden Tests unterzogen, um die Dicke, Haftung, Härte und Leistung der Beschichtung durch Mikroskopie, Kratztests, Verschleiß-/Korrosionstests und andere Analysen zu überprüfen.

Eine sorgfältige Oberflächenvorbereitung, Kontrolle des Abscheidungsprozesses und Tests nach der Beschichtung gewährleisten optimale Qualität und Beschichtungseigenschaften.

Industrielle Anwendungen

Harte Schutzbeschichtungen werden in der Fertigungsindustrie häufig eingesetzt, um die Leistung und Haltbarkeit von Komponenten zu verbessern.

• Schneidewerkzeuge– Beschichtungen wie Titanaluminiumnitrid (TiAlN), Titancarbonitrid (TiCN) und diamantähnlicher Kohlenstoff (DLC), die auf Bohrer, Fräser, Sägen und andere Schneidwerkzeuge aufgebracht werden, erhöhen die Härte und Verschleißfestigkeit erheblich. Dies ermöglicht höhere Schnittgeschwindigkeiten und längere Standzeiten.
• Formen und Matrizen– Nitrid-, Karbid- und DLC-Beschichtungen schützen Kunststoffspritzgussformen und Metallformwerkzeuge vor abrasivem Verschleiß und Korrosion und verlängern so ihre Lebensdauer. Zu den gängigen Beschichtungen gehören CrN, TiAlN und Wolframkarbid-Kohlenstoff (WC/C).
• Öl- und Gaskomponenten– Bohrlochbohrer, Ventile, Pumpen und andere Öl- und Gasteile sind mit extrem harten TiN-, TiAlN- oder Diamantfilmen beschichtet, um abrasivem Verschleiß durch Bohren, Sandproduktion und Korrosion durch heiße Solen zu widerstehen.
• Luft- und Raumfahrt- und Automobilteile– Triebwerkskomponenten, Flugzeugzellenoberflächen, Lager und andere Teile sind mit Schutzfilmen beschichtet, die vor Verschleiß, Ermüdung und Oxidation bei hohen Temperaturen schützen.
• Medizintechnik– Chirurgische Instrumente, Implantate und Oberflächen medizinischer Geräte werden mit biokompatiblen Filmen wie DLC, TiN und TiAlN beschichtet, um Härte, Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.
• Dekorative Beschichtungen– Farbige dekorative Hartbeschichtungen wie TiN, ZrN, CrN und AlTiN werden auf Schmuck, Uhren, Sonnenbrillen und andere Konsumgüter aufgetragen.

Hartbeschichtungen verbessern die Haltbarkeit und Leistung in nahezu allen Fertigungsbereichen.

Anwendungen im Schmuck

Hartbeschichtungen erhöhen nicht nur die Haltbarkeit, sondern sorgen auch für attraktive Oberflächen für Schmuck und Modeaccessoires.

• Schutzbeschichtungen für Uhren– Gehäuse und Armbänder von Luxusuhren werden oft mit dünnen Schichten aus Titannitrid (TiN), diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) oder Chromnitrid (CrN) beschichtet, um die Kratzfestigkeit zu erhöhen. Dies schützt die teuren Uhrenkomponenten vor Beschädigungen im täglichen Gebrauch.
• Farbiger Modeschmuck– Aufgedampfte Beschichtungen aus TiN, Zirkoniumnitrid (ZrN) und Chromnitrid sorgen für auffällige goldene, blaue, schwarze und graue Oberflächen auf preiswerten Modeschmuckstücken aus Edelstahl oder Messing.
• Verbesserte Edelsteinfassungen– Das Auftragen einer dünnen Schicht Rhodium oder Ruthenium auf Schmuckfassungen aus Weißgold oder Silber erhöht die Härte und verringert den Verschleiß, um Edelsteine ​​besser zu schützen und auch nach Jahren regelmäßigen Gebrauchs ein neuwertiges Aussehen zu bewahren.
• Verbesserte Oberflächenhärte– DLC- und Keramikbeschichtungen wie Titanoxid oder Siliziumdioxid können auf Schmuckstücke aufgetragen werden, um die Widerstandsfähigkeit gegen Oberflächenkratzer, Abrieb und Anlaufen zu verbessern. Dadurch bleibt im Laufe der Zeit ein glänzendes, neuwertiges Aussehen erhalten.
• Dekorative Beschichtungen für tragbare Technologien– Harte dekorative Beschichtungen verleihen tragbaren Geräten wie Smartwatches, Fitness-Trackern und VR/AR-Headsets einen ästhetischen Reiz und ermöglichen es Marken, sich anhand des Erscheinungsbilds zu differenzieren.

Langlebige, attraktive Hartbeschichtungen erhöhen sowohl die Langlebigkeit als auch die optische Attraktivität von Schmuck, Uhren und Modeaccessoires.

Vergleich mit anderen Oberflächenhärtungsverfahren

Die Hartfilmabscheidung unterscheidet sich in mehrfacher Hinsicht von herkömmlichen Oberflächenhärtungstechniken:

Aufkohlen und Nitrieren

Durch Aufkohlen und Nitrieren diffundieren Kohlenstoff oder Stickstoff in die Oberfläche von Legierungen wie Stahl, um harte Verbindungen zu erzeugen. Die Härte reicht nur 0.1–0.5 mm tief. Filme können jedes Material beschichten und erreichen eine Härte, die mehr als doppelt so hoch ist wie beim Nitrieren.

Induktions- und Flammhärten

Beim Induktions- oder Flammhärten härtet ein thermischer Zyklus selektiv nur die Oberflächenschicht von Teilen wie Zahnrädern und Lagern. Die Filmabscheidung ermöglicht maßgeschneiderte Beschichtungen auf allen Oberflächen.

Technologien zur Hartfilmabscheidung

Zur Aufbringung harter Beschichtungen kommen verschiedene Aufdampfverfahren zum Einsatz:

Sputterabscheidung

Bei der Sputter-Abscheidung werden durch den Beschuss mit energiereichen Ionen Atome aus einem festen Target geschleudert, wodurch die Atome als dünner Film auf dem Substrat kondensieren können. Magnetronsputtern wird häufig zur Abscheidung von Materialien wie Titannitrid und Chromnitrid eingesetzt.

Kathodische Lichtbogenabscheidung

Ein Lichtbogen verdampft das Beschichtungsmaterial eines Kathodentargets und ionisiert dabei einen erheblichen Teil des Flusses. Dies ermöglicht die Abscheidung sehr harter Keramikbeschichtungen wie Titanaluminiumnitrid bei relativ niedrigen Temperaturen.

Gepulste Laserabscheidung

Ein gepulster Hochleistungslaser trägt Material von einem Ziel ab, um eine Plasmafahne zu erzeugen, die die Beschichtung in einer Vakuumkammer auf dem Substrat abscheidet. Dieser Prozess ermöglicht eine gute Kontrolle der Filmdicke und -zusammensetzung.

Elektronenstrahlabscheidung

Ein Elektronenstrahlverdampfer bombardiert das Beschichtungsmaterial und erhitzt es bis zur Verdampfung für die Dünnfilmabscheidung. Hohe Abscheidungsraten sind möglich, dieser Prozess kann jedoch schwierig zu kontrollieren sein.

Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD)

PVD-Techniken wie Sputtern und Verdampfen verdampfen Beschichtungsmaterialien physikalisch, um dünne Filme abzuscheiden. Zu den gängigen PVD-Methoden gehören Magnetronsputtern, thermische Verdampfung und Elektronenstrahlverdampfung.

Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)

CVD nutzt chemische Reaktionen zwischen Vorläufergasen, um Filme auf erhitzten Substraten abzuscheiden. Niederdruck-CVD und plasmaunterstütztes CVD ermöglichen Beschichtungen auf komplexen Geometrien.

Jede Technologie hat ihre eigenen Vorteile in Bezug auf Kontrolle, mögliche Beschichtungen, Abscheidungsrate und Kosten. Sowohl PVD als auch CVD spielen bei Anwendungen zur Hartfilmabscheidung eine entscheidende Rolle.