Der komplette Leitfaden zur DLC-Beschichtung (Diamond Like Coating)

Für Metall- und Kunststoffteile stehen verschiedene Oberflächenbehandlungsverfahren zur Verfügung, und die DLC-Beschichtung ist eine der wichtigsten und am häufigsten eingesetzten Techniken. In diesem Artikel erfahren Sie, was DLC-Beschichtung ist und welche Eigenschaften, Vorteile und Anwendungen sie bietet.

Was ist DLC-Beschichtung?

DLC-Beschichtung, auch als diamond-like carbon coating (diamantähnliche Kohlenstoffbeschichtung) bekannt, ist eine spezielle Oberflächenbeschichtung (Nanokompositbeschichtung) mit diamantähnlichen Eigenschaften wie Härte, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und chemischer Inertheit. DLC-Beschichtungen bestehen üblicherweise aus Kohlenstoff und Wasserstoff und werden durch physikalische Verdampfungsabscheidung oder chemische Gasphasenabscheidung auf die Oberfläche verschiedener Materialien aufgebracht.

DLC ist eine metastabile Form von diamantähnlichem amorphem Kohlenstoff mit einem Verhältnis von sp2- und sp3-Bindungen. Es wird häufig eingesetzt, um die Härte und Verschleißfestigkeit von Materialoberflächen zu erhöhen und gleichzeitig Reibung und Oberflächenhaftung zu verringern. Die Diamond-Like-Carbon-(DLC-)Beschichtung ist eine neue technologische Weiterentwicklung bei PVD- + PECVD-Beschichtungen, die in der kommerziellen Industrie breite Anwendung gefunden hat.

Eine kurze Geschichte der DLC-Beschichtung

In den 1970er-Jahren verwendeten Sol und Ronald aus Deutschland die Ionenstrahlabscheidung, um bei Raumtemperatur einwertige Kohlenstoffionen auf einem Substrat abzuscheiden und so DLC-Schichten zu erzeugen.

1984 nutzten Lin Xigang et al. die Niederenergie-Ionenstrahlabscheidung, um diamantähnliche Kohlenstoffschichten herzustellen, und untersuchten vorläufig deren mechanische, optische und elektrische Eigenschaften.

Nach den 1990er-Jahren begannen Forscher, dotierte DLC-Schichten zu untersuchen, und erkundeten kontinuierlich neue Arten von DLC-Beschichtungen sowie fortschrittlichere Abscheidetechniken, um deren Leistung zu verbessern. DLC-Beschichtungen sind zu einer ausgereiften Technologie geworden und werden in verschiedenen Branchen eingesetzt, darunter Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt sowie elektronische Geräte.

Arten von DLC-Beschichtungen

• a-C = wasserstofffreier amorpher Kohlenstoff
• ta-C = tetraedrisch gebundener wasserstofffreier amorpher Kohlenstoff
• a-C: H = amorpher Kohlenstoff mit Wasserstoff
• a-C:H: Me = metall-dotierter amorpher Kohlenstoff mit Wasserstoff (Me = W, Ti)
• ta-C:H = tetraedrisch gebundener amorpher Kohlenstoff mit Wasserstoff
• a-C:H:Si = Si-dotierter amorpher Kohlenstoff mit Wasserstoff
• a-C:Me = metall-dotierter wasserstofffreier amorpher Kohlenstoff (Me = Ti)
• a-C:H:X = nichtmetall-dotierter amorpher Kohlenstoff mit Wasserstoff

Eigenschaften der DLC-Beschichtung

Härte: Dank ihrer diamantähnlichen Struktur weist die DLC-Beschichtung eine hohe Härte auf: Die Schichthärte liegt über 2300 HV und ist damit zehnmal härter als Graphit. Dadurch eignet sie sich hervorragend zur Erhöhung der Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit von Materialien. Diese Härte ermöglicht ihren breiten Einsatz bei Maschinenteilen, Schneidwerkzeugen und Lagern.

Niedriger Reibungskoeffizient: Die glatte Oberfläche der DLC-Beschichtung weist einen niedrigen Reibungskoeffizienten (0,05–0,1) auf und bildet auf der Produktoberfläche eine selbstschmierende Reibungsschicht, die Reibungsverluste reduziert. Dies ist besonders nützlich in Umgebungen, in denen Schmierstoffe nur begrenzt verfügbar oder nicht einsetzbar sind, etwa in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau und bei industriellen Anlagen.

Korrosionsbeständigkeit: DLC-Beschichtungen bieten eine gewisse Beständigkeit gegen chemische Korrosion, was die Korrosionsbeständigkeit von Materialien verbessert. Daraus ergeben sich Anwendungen in maritimen Umgebungen, in der chemischen Industrie und bei Medizinprodukten.

Thermische Stabilität: DLC-Beschichtungen sind in Hochtemperaturumgebungen gut stabil und halten Temperaturen bis 450 °C stand. Dadurch eignen sie sich für den breiten Einsatz in Hochtemperaturprozessen und bei Bauteilen von Automobilmotoren.

Biokompatibilität: Einige Arten von DLC-Beschichtungen erfüllen die Standards für medizinische Implantate und sind biokompatibel mit dem menschlichen Körper, weshalb sie im medizinischen Bereich breite Anwendung finden, etwa bei künstlichen Gelenken, Implantaten und chirurgischen Instrumenten.

Leitfähigkeit: Einige Arten von DLC-Beschichtungen weisen eine gute elektrische Leitfähigkeit auf, was Anwendungen in elektronischen Geräten, Sensoren und Displays ermöglicht.

Vorteile der DLC-Beschichtung

Korrosions- und Verschleißbeständigkeit: Die von der DLC-Beschichtung gebildete Schutzschicht trägt dazu bei, die Integrität und Funktionalität des darunterliegenden Materials auch unter widrigen Umgebungsbedingungen zu erhalten.

Haltbarkeit: DLC-Beschichtungen sind für ihre außergewöhnliche Haltbarkeit bekannt. Dank hoher Härte, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit können diese Beschichtungen über lange Zeiträume eingesetzt werden. Diese Haltbarkeit stellt sicher, dass das beschichtete Material beständig gegen Verschleiß oder Verblassen bleibt, solange das darunterliegende Material gut gepflegt wird.

Umweltfreundlichkeit: DLC-Beschichtungen verwenden keine schädlichen Chemikalien und sind im Allgemeinen sowohl für die Umwelt als auch für die am Beschichtungsprozess beteiligten Bediener sicherer.

Verbessertes Erscheinungsbild: DLC-Beschichtungen können Objekten ein schönes grau-schwarzes Aussehen verleihen und die visuelle Qualität von Produkten steigern.

Vielseitigkeit: Durch die Anpassung der Abscheidebedingungen und die Zugabe von Dotierstoffen kann die Leistung von DLC-Beschichtungen auf verschiedene Anwendungsanforderungen zugeschnitten werden.

Abscheidung von DLC-Beschichtungen

Auf dem Markt sind verschiedene Verfahren zur Abscheidung von DLC-Beschichtungen erhältlich, darunter Ionenstrahl, Elektronenstrahl, PAVCD, Sputtern, Kathodenzerstäubung und Laser. Heute werden für DLC-Beschichtungen PVD und PAVCD eingesetzt, da diese als die konsistentesten und hochwertigsten gelten. Im Folgenden werden wir hauptsächlich die PVD-Technologie und die PACVD-Technologie erläutern:

PVD-Technologie

Die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) ist eine neuartige Dünnschichtabscheidungstechnologie, bei der das Targetmaterial (Ausgangsmaterial) in einer Vakuumumgebung physikalisch in ein Gas oder Plasma umgewandelt und anschließend auf der Substratoberfläche abgeschieden wird. Sie ist eine der derzeit wichtigsten Oberflächenfertigungstechniken. Sie umfasst im Wesentlichen drei Hauptkategorien: Vakuumaufdampfbeschichtung, Vakuum-Sputterbeschichtung und Vakuum-Lichtbogen-Ionenplattieren.

Mit der PVD-Beschichtungstechnologie abgeschiedene Schichten weisen eine hohe Härte, hohe Verschleißfestigkeit (niedriger Reibungskoeffizient), hervorragende Korrosionsbeständigkeit und chemische Stabilität auf, was zu einer längeren Lebensdauer der Schicht führt. Darüber hinaus verbessert die Schicht die dekorativen Eigenschaften des Werkstücks erheblich.

Die PVD-Beschichtungstechnologie ist ein umweltfreundliches Oberflächenbehandlungsverfahren, das Schichten im Mikrometerbereich wirklich ohne Umweltbelastung erzielen kann. Sie kann zur Herstellung verschiedener Einzelmetallschichten (wie Aluminium, Titan, Zirkonium, Chrom usw.), Nitridschichten (TiN, ZrN, CrN, TiAlN) und Karbidschichten (TiC, TiCN) sowie Oxidschichten (wie TiO) verwendet werden.

Die Dicke der PVD-Beschichtung liegt im Mikrometerbereich und ist relativ dünn, in der Regel 0,3 μm bis 5 μm. Die Dicke dekorativer Beschichtungen beträgt typischerweise 0,3 μm bis 1 μm. Daher können verschiedene physikalische und chemische Eigenschaften der Werkstückoberfläche verbessert werden, ohne die ursprünglichen Abmessungen wesentlich zu beeinflussen, sodass keine Nachbearbeitung erforderlich ist.

Verschleißfestigkeit: PVD-Beschichtungen sind sehr hart und verschleißfest und eignen sich daher ideal für Oberflächen, die häufig genutzt werden und Verschleiß ausgesetzt sind.

Korrosionsbeständigkeit: PVD-Beschichtungen bieten eine zusätzliche Schutzschicht gegen Korrosion und sind daher eine gute Wahl für Außen- oder Meeresumgebungen.

Verbesserte Ästhetik: PVD-Beschichtungen können in verschiedenen Farben aufgebracht werden und bieten eine breite Palette ästhetischer Optionen.

Umweltfreundlich: PVD-Beschichtungsverfahren setzen keine schädlichen Chemikalien frei und sind daher umweltfreundlicher als andere Beschichtungsverfahren.

PACVD-Technologie

PACVD ist die Abkürzung für Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition (plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung). Dieses Abscheideverfahren wird häufig zur Abscheidung von Diamond-Like-Carbon-Beschichtungen eingesetzt. Das Verfahren basiert auf Vakuum, und alle Edukte des PACVD-Prozesses liegen in gasförmigem Zustand vor. Im Gegensatz zu PVD eignet sich das gasförmige Abscheideverfahren für die 3D-Beschichtung ohne Rotation. PACVD-Beschichtungen enthalten etwa 70 % sp3-Bindungen und sind amorph. Die sp3-Bindungen sind für die ultrahohe Härte (10–40 GPa) der Beschichtung verantwortlich. Bei Temperaturen unter 200 ℃ kann PACVD Beschichtungen für eine breite Palette nichtleitender und leitender Substratmaterialien abscheiden.

• Keine Nachbehandlung erforderlich
• Abscheidung auf einer breiten Palette von Substraten möglich
• Keine Verformung bei hochpräzisen Substraten
• Verwendet ein gasförmiges Verfahren, das eine gleichmäßige Beschichtung ermöglicht

Tipps zur Verbesserung der Haftung von DLC-Beschichtung und Substratmaterial

Optimierung der Oberflächenbehandlung: Reinigen und Aufrauen der Substratoberfläche: Methoden wie Schleifpapier, Sandstrahlen und Ätzen können eingesetzt werden, um die Oberflächenenergie und die Kontaktfläche zwischen Beschichtung und Substrat zu erhöhen und so die Haftung zu verbessern.

Wärmebehandlung: Durch die Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten von Beschichtung und Substratmaterial können Spannungen durch Temperaturschwankungen reduziert werden.

Verwendung von Haftvermittlern: Durch das Aufbringen oder Eintauchen eines Haftvermittlers zwischen Beschichtung und Substrat können organische Moleküle chemisch mit der Substratoberfläche reagieren und starke chemische Bindungen eingehen, die die Haftung verbessern.

Ionenimplantation: Durch Ionenimplantation können Metallelemente in die Substratoberfläche eingebracht werden, wodurch eine Zwischenschicht mit guter Haftung zum Beschichtungsmaterial entsteht und die Verbundfestigkeit erhöht wird.

Legierungsbehandlung: Durch das Hinzufügen von Legierungselementen zum Substratmaterial kann dessen Verträglichkeit und Verbundfestigkeit mit dem Beschichtungsmaterial verbessert werden.

Verwendung von Verbundbeschichtungen: Durch das Einbringen einer oder mehrerer Zwischenschichten mit hoher Haftung zwischen Beschichtung und Substrat, etwa aus Metallen, Keramiken oder anderen Polymerwerkstoffen, kann die Haftung zwischen Beschichtung und Substrat verbessert werden.

Anwendungen von DLC-Beschichtungen

DLC-Beschichtungen können die Leistung von Werkstoffen verbessern, die Lebensdauer verlängern und die Korrosionsbeständigkeit erhöhen. Sie werden häufig in Formen, in der Medizintechnik, im Automobilbau und bei Schneidwerkzeugen eingesetzt.

Formen

DLC-Beschichtungen zeichnen sich durch eine glatte Oberfläche, einen niedrigen Reibungskoeffizienten, einfaches Entformen, Verschleißfestigkeit und eine gute Wärmeleitfähigkeit aus. Die Beschichtung hat eine extrem hohe Härte, sodass der Hochdruckstrahl und die Partikel des Materials sie kaum beschädigen können, was die Lebensdauer der Form erhöhen kann. Daher werden sie häufig zur Herstellung verschiedener Formen eingesetzt, darunter: Stanzformen, Spritzgussformen und Halbleiterformen. Zum Beispiel: Stempel, Matrizen, Feinschneid- und Prägewerkzeuge.

Medizintechnik

DLC-Beschichtungen weisen eine gute Biokompatibilität auf, sodass biologische Gewebe und implantierte künstliche Materialien ohne Abstoßungsreaktion nebeneinander bestehen können. Sie können als Oberflächenbeschichtung für Materialien für künstliche Gelenke, Dentalmaterialien, künstliche Knochen, Materialien für künstliche Herzklappen, Operationsnadeln und medizinische Katheter verwendet werden.

Automobil

DLC-Beschichtungen können unter Trockenreibungsbedingungen ohne Schmieröl eine gute Schmier- und Verschleißschutzwirkung entfalten und sind eine gute Wahl für Automobilmotorteile. Der Kolbenring im Automobilmotor bewegt sich im Zylinder auf und ab, und die Ringoberfläche streift ständig an der Zylinderinnenwand, was zu einem großen Reibungsleistungsverlust führt und den Energieverbrauch und die Lebensdauer des Motors stark beeinträchtigt.

Werkzeug

DLC-Beschichtungen haben einen niedrigen Reibungskoeffizienten und eine hohe Verschleißfestigkeit. Sie können die Lebensdauer von Schneidwerkzeugen wirksam verlängern und Werkzeugen hervorragende mechanische Gesamteigenschaften verleihen, wodurch die Bearbeitungseffizienz deutlich gesteigert wird. DLC-Beschichtungen sind zu einem idealen Beschichtungsmaterial für HSS- und Hartmetallwerkzeuge geworden.

Häufig gestellte Fragen

Welche Farben haben DLC-Beschichtungen?

Die Farbe einer DLC-Beschichtung wird von der Dicke, der Struktur und den Dotierstoffen beeinflusst; es gibt keine feste Farbe. Je nach Herstellungsverfahren und Materialzusammensetzung zeigt sie unterschiedliche Farben, von farblos und transparent bis grau-schwarz und sogar braun oder gelb. Am häufigsten ist eine schwarzgraue Beschichtung.

Welche Einschränkungen haben DLC-Beschichtungen?

DLC-Beschichtungen erzeugen während des Abscheideprozesses Eigenspannungen, die zu einer Verformung des Substrats oder sogar zum Abplatzen der Beschichtung führen können. Übermäßige Spannungen können auch die Abrieb- und Schlagfestigkeit der Beschichtung verringern. Ist die Beschichtung nicht homogen, wird die Leistung in bestimmten Bereichen beeinträchtigt. Zudem sind die Kosten im Vergleich zu anderen Beschichtungen höher.

Fazit

Nach dem Lesen dieses Blogbeitrags haben Sie sicherlich ein klareres Verständnis von DLC-Beschichtungen. In den letzten Jahren werden DLC-Beschichtungen in immer mehr Bereichen eingesetzt – von Automobilteilen bis zu Werkzeugmaschinenwerkzeugen, von präzisen Medizinprodukten bis zu gewöhnlichen Federn.

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