PlaTeG GmbH ( PlaTeG ).... PulsPlasma® CVD, Das Verfahren

Mit Hilfe der Plasma CVD-Technik können Hartstoffschichten auf Stahlwerkstücken abgeschieden werden, um diese beim Einsatz vor Verschleiß zu schützen.

PulsPlasma® CVD
Verfahrensbeschreibung

Zur Verbesserung des Verschleißschutzes von Werkstücken werden verschiedene mit Plasmaunterstützung arbeitende Verfahren zur Oberflächenbehandlung erfolgreich eingesetzt. Die Plasma Diffusionsbehandlung, insbesondere das Plasmanitrieren sowie die Plasma CVD-Beschichtung sind von der Verfahrens- und Anlagenseite sehr ähnlich. Daher ist es auch möglich, beide Verfahren in einer Anlage, häufig auch hintereinander, ohne Unterbrechung durchzuführen. Durch die Plasma Diffusionsbehandlung werden Randschichten von Werkstücken in ihrer chemischen Zusammensetzung durch Eindiffusion von gasförmigen Elementen verändert. Demgegenüber wird mit Hilfe einer Plasma CVD-Behandlung eine Hartstoffschicht auf den Werkstücken abgeschieden.

Mit Hilfe der Plasma CVD-Technik können Hartstoffschichten auf Stahlwerkstücken abgeschieden werden, um diese beim Einsatz vor Verschleiß zu schützen. Das Grundprinzip dieser Beschichtungstechnik besteht darin, daß chemisch reaktionsfähige Gasgemische durch Plasmaunterstützung zur Reaktion gebracht werden, damit eine chemische Verbindung zwischen metallischen Elementen und Stickstoff, Kohlenstoff oder Sauerstoff entsteht. Diese Beschichtungstechnik wird so gesteuert, daß die zu beschichtenden Bauteile möglichst gleichmäßig mit einer dünnen keramikartigen Schicht überzogen werden.

Das Schichtwachstum wird durch die verschiedensten Parameter gesteuert. Dadurch ist es möglich, das Schichtwachstum den jeweiligen Erfordernissen anzupassen und zu optimieren.
Die durch einen PulsPlasma® CVD-Prozeß abgeschiedenen Schichten zeichnen sich durch besonders hohe Härte aus, welche mit dem Substrat sehr fest verbunden sind.

Für eine Beschichtung hat sich Titan als metallisches Ausgangselement bewährt und ist daher am weitesten verbreitet. Üblicherweise wird als Titanspender leicht flüchtiges TiCl₄ eingesetzt. In Abhängigkeit von dem gewünschten Ergebnis werden stickstoff- oder kohlenstoffhaltige Gase eingesetzt, um Schichten aus Titan-Nitrid (TiN), Titan-Carbid (TiC) oder Kombinationen davon zu erhalten. Es können auch Schichten erzeugt werden, welche Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen mit Titan enthalten, so daß Titan-Carbo-Nitridschichten (Ti[C, N]) entstehen.

Sowohl beim thermischen als auch beim PA CVD laufen in vereinfachter Form die folgenden chemischen Reaktionen ab:

TiCl₄ + 2 H₂ + 0,5 N₂ = TiN + 4 HCl
TiCl₄ + 2 H₂ + CH₄ = TiC + 4 HCl

Beim thermischen, auch HochtemperaturCVD genannt, erfolgt die Anregung der chemischen Reaktion durch die hohe Beschichtungstemperatur von 900 bis 1000°C. Demgegenüber wird beim PulsPlasma® CVD-Prozess ein reaktionsfähiges Gasgemisch durch Plasmaaktivierung und Zersetzung erzeugt. Dadurch können die Beschichtungstemperaturen erheblich, bis auf etwa 500°C, abgesenkt werden. Dies hat zur Folge, dass die beschichteten Teile anschließend keiner Wärmebehandlung (Härtung) unterzogen werden müssen.

Zur Behandlung im Plasma werden die Teile in einen Vakuumbehälter, vom Gehäuse elektrisch isoliert, eingebracht. Bei einem Druck von 100 - 1000 Pa wird eine pulsierende elektrische Gleichspannung von einigen hundert Volt zwischen Werkstück und Behälterwand angelegt, wobei das Werkstück kathodisch geschaltet ist. Durch Ionisierung des Prozeßgases im Behälter entwickelt sich eine stromstarke Glimmentladung.

Die elektrisch positiv geladenen Ionen werden zum Werkstück hinbeschleunigt und treffen mit hoher kinetischer Energie auf dieses auf. Dabei laufen im Bereich der Oberfläche die folgenden Prozesse ab:

Abstäuben, Reinigen und Aktivieren der Oberfläche
Aufheizen des Werkstückes durch Absorption der kinetischen Teilchenenergie
Reaktion der hochaktiven Teilchen im Gas miteinander sowie mit den Elementen im Grundwerkstoff
Diffusion der im Prozeßgas befindlichen Elemente in das Werkstück hinein
Abscheidung von Schichten auf der Werkstückoberfläche

In Abhängigkeit von der Art des Werkstoffes, den eingesetzten Gasen und dem gewünschten Behandlungsziel werden die Behandlungsparameter vorgewählt.

Die PulsPlasma® Technik hat einige verfahrenstechnische Besonderheiten, welche unten dargestellt sind. Ein wesentlicher Aspekt ist dabei die Möglichkeit, auf eine wassergekühlte Kammerwand zu verzichten und stattdessen eine Wärmedämmung und eine separate Heizung einzusetzen. Für den PA CVD-Prozeß sind dies entscheidende Voraussetzungen.

PULSSTROMTECHNIK

	nur die für den Prozeß erforderliche Energie wird dosiert zugeführt, d.h. bei Bedarf niedrige Behandlungstemperaturen
	kaum Energieverluste durch Kühlwasser, da Behälterwand gedämmt
	Temperaturverteilung in Charge gut, da Temperaturdifferenz zwischen Charge und Behälterwand gering
	Vollständige Nutzung des Chargenraumes, da gute Temperaturgleichmäßigkeit
	Gleichmäßigkeit und Reproduzierbarkeit der Behandlungsergebnisse für unterschiedliche Chargengröße gut, da für das Ergebnis wichtige Plasmaparameter unabhängig von Beladungsdichte sind
	Entstehung von Lichtbögen nicht möglich, da durch ständige Unterbrechung des Stromes eine Lichtbogenentwicklung verhindert wird. Selbst während des Pulses Abschaltung bei Störung in weniger als 1 µs
	Vollständige Oberflächenbehandlung selbst bis in kleinste Bohrungen hinein.

Die Behandlungstemperaturen liegen üblicherweise im Bereich von 500 bis 550 °C, so daß bereits fertig bearbeitete Teile beschichtet werden können, da ein Verzug durch die Behandlung nicht zu erwarten ist.

PlaTeG GmbH
Ein Unternehmen der PVA TePla Gruppe
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