Anoden-Plasma ionisiertes Magnetron-Sputtern (APiMS)
Im Invest BW-Forschungsvorhaben APiMS wird ein effizientes PVD-Sputter-Verfahrens erforscht und entwickelt, welches zur Verkürzung der Beschichtungsdauer und dadurch zur Strom- und CO₂-Einsparung führen soll.
PVD (Physical Vapor Deposition) Verfahren zählen zu den ökonomischen, umweltfreundlichen Oberflächen-Beschichtungstechnologien. Obwohl PVD eine bewährte Technologie ist, werden immer wieder Möglichkeiten für weitere technologische Verbesserungen entdeckt. Die in diesem Forschungsvorhaben beschriebene Projektidee verbindet erst kürzlich für technologische Anwendungen entdeckte Möglichkeiten der zusätzlichen Plasmaerzeugung an einer Anode mit dem PVD-Verfahren der Kathodenzerstäubung, auch Magnetron-Sputtern genannt. Damit wird eine signifikant höhere Ionisierung sowohl des Arbeitsgases als auch des zerstäubten Materials erzielt. Dies führt zu einem effizienteren Fluss der Beschichtungsteilchen zum zu beschichtenden Bauteil, zu besseren Schichteigenschaften und folglich zu einer deutlichen Reduzierung der Beschichtungszeit. Der ökologische Nutzen dieser Technologieverbesserung führt zu einer signifikanten Verringerung des Stromverbrauchs und damit zur CO₂-Einsparung.
Die höhere Ionisierung in der Vakuumkammer wird zu einer Erhöhung der Schichthaftung und der Schichthärte führen. Dadurch werden die mechanischen Eigenschaften der Schicht und somit die Standzeit von beschichteten Werkzeugen oder die Verschleißeigenschaften von beschichteten Bauteilen verbessert.
Danksagung
Das Invest BW Forschungsvorhaben BW1 5038/02 des fem Forschungsinstitutes wird gefördert durch das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg.
Entwicklung von korrosionsschützenden, verschleißbeständigen und REACH-konformen Refraktärmetall-Magnesium-Nitrid-Schichten zum Schutz von Stahlbauteilen
Im Forschungsvorhaben werden Refraktärmetall-Magnesium-Nitrid-Schichten (RM-Mg-N-Schichten) zum kombinierten Korrosions- und Verschleißschutz von nicht- oder niedrig-legierten Stahlbauteilen entwickelt. Anwendungsbereiche sind z.B. dort angesiedelt, wo auch Hartchrom eingesetzt wird, z.B. bei Kolbenstangen, Motorventilschäften, Wälzlagern, Extruderschnecken, Fadenführungen (Textil) etc.
Um einen guten Verschleißschutz zu gewährleisten, ist angestrebt, RM-Mg-N-Schichten zu entwickeln, die eine Vickershärte ≥ 1.800 HV besitzen (Hartchrom: ca. 1.100 HV). In einem abgeschlossenen DFG-Projekt wurde das Schichtsystem TiMgN bereits eingehend untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass eine ca. 2,5 µm dicke TiMgN-Schicht mit ausreichend hohem Mg-Anteil Stahlbauteile zu einem gewissen Maß vor Korrosion schützen kann. Auch im tribologischen Einsatz konnte bei diesen Schichten eine signifikant geringere Reibung und ein deutlich niedriger Verschleiß im Vergleich zu Hartchrom festgestellt werden. Je mehr Mg in den TiMgN-Schichten vorhanden ist, desto unedler wird die PVD-Beschichtung und desto besser ist das Korrosionsverhalten des beschichteten Stahlsubstrates im neutralen Salzsprühtest (NSS Test). Bei TiMgN liegt der Schwellenwert des Mg bei ≳ 17 At.-%, um eine signifikante Verbesserung des Korrosionsverhaltens im NSS-Test zu erhalten. Der maximal mögliche Mg-Gehalt ist durch die Vorbedingung an die Schichthärte (≥ 1.800 HV) limitiert und liegt beim System TiMgN bei ca. 24 At.-%. Der Langzeit-Korrosionsschutz (≥ 96 h) von TiMgN reicht bislang jedoch noch nicht an den einer 20–25 μm Hartchromschicht heran.
Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es daher, RM-Mg-N-Schichten zu entwickeln, die einerseits schon bei geringeren Mg-Gehalten einen signifikanten Korrosionsschutz bieten, so dass die damit beschichteten Stahlbauteile mehrere Tage im NSS-Test überstehen (Ziel: ≥ 96 h). Andererseits sollen die Schichten aber auch eine entsprechende mechanisch-tribologische Beständigkeit aufweisen, um eine ausreichende Stabilität gegen von außen eingebrachte Beschädigungen zu besitzen. Die Schichten werden im Forschungsvorhaben mittels eines umweltfreundlichen PVD-Verfahrens (Magnetron Sputtern) entwickelt. Alle eingesetzten Refraktärmetalle sind dabei REACH-konform. Die PVD-Beschichtungstechnologie und die zu entwickelnden Beschichtungen bieten den interessierten Unternehmen den Vorteil der Planungssicherheit aufgrund deren Unbedenklichkeit im Hinblick auf REACH (siehe Hartchrom-Problematik).
Aufgrund der Zielstellung, korrosions- und verschleißschützende sowie gleichzeitig REACH-konforme Schichten zu entwickeln, wird ein extrem breites Spektrum verschiedener Branchen angesprochen. Die potentielle Wertschöpfungskette erstreckt sich dabei von Targetherstellern über Beschichter und Maschinenbauer im weitesten Sinne bis hin zu potentiellen Endanwendern von Produkten.
Danksagung
Das IGF-Vorhaben 21989 N der Forschungsvereinigung Edelmetalle + Metallchemie wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Entwicklung eines produktionsrelevanten PACVD-Verfahrens zur Abscheidung von elektrisch leitfähigen a-C:H:N-Schutzschichten mit hoher Rate für PEM-Brennstoffzellen
Einleitung
PEM-Brennstoffzellen weisen für die Umwandlung chemischer in elektrischer Energie einen hohen Wirkungsgrad auf. Sie sind zudem insbesondere im Bereich kleiner Leistungen bis zu einigen 100 kW konventionellen Verbrennungskraftmaschinen weit überlegen. Sie eignen sich deshalb besonders gut für die unterbrechungsfreie Stromversorgung von z.B. Telekommunikationsanlagen und stehen aber auch in großem industriellen Interesse bei Automobil- und Heizgeräteherstellern. Ein zentrales Bauelement der Brennstoffzellenstacks ist die Bipolarplatte, mit der die Gasräume der benachbarten Zellen voneinander abgetrennt werden. Diese Bipolarplatten müssen neben einer guten korrosiven Beständigkeit auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Bisher werden diese Anforderungen durch graphitische Bipolarplatten sehr gut erfüllt. Diese lassen sich allerdings nur schwer in für die Massenproduktion geeigneten Prozessen herstellen. Des Weiteren tragen diese Platten zu etwa 80 % des Gewichtes und bis zu 45 % der Kosten eines Stacks bei. Durch den Einsatz metallischer Werkstoffe wie z.B. Edelstahl könnten die Platten durch Massenproduktion prinzipiell wesentlich preiswerter und die Stacks bei gleicher Leistung mit etwa 1/5 des Volumens und Gewichtes produziert werden. Nachteilig bei den metallischen Platten ist deren Anfälligkeit
gegenüber Korrosion. Innerhalb dieses Projektes sollten Kohlenstoffschichten die bereits in einem früheren IGF-Forschungsvorhaben entwickelt wurden, hinsichtlich ihrer Beschichtungsparameter so optimiert werden, dass eine Prozessverkürzung beim PACVD-Verfahren mit der Plasmastrahlquelle um Faktor 2–3 und beim Mikrowellen-PACVD Verfahren um Faktor 2 zum Vorgängerprojekt erzielt werden kann.
Ergebnisse
An der Plasmastrahlquelle wurde durch die Regulierung des Stroms an den Magnetspulen der Gitter- und Matchboxseite das Plasma „geformt“ und dadurch die Eigenschaften des Plasmas verändert. Die höchste Abscheiderate von ca. 2 µm/h wird mit einer Spuleneinstellung von 12 A an der Gitterseite und 0 A an der Matchboxseite erzielt. Zudem wurde die Ätzzeit für die Reinigung der Edelstahlsubstrate schrittweise verkürzt und anschließend die Haftung, der Kontaktwiderstand und die Korrosionsstromdichte der abgeschiedenen Kohlenstoffschichten untersucht. Dadurch konnte die Ätzzeit um den Faktor von 1,5 im Vergleich zum Vorgängerprojekt verkürzt werden, ohne dabei die DOE-Grenzwerte zu überschreiten. Während der Beschichtungsprozesse wurde die Temperatur der Edelstahlsubstrate in-situ mit einem Thermoelement gemessen. Dabei wurde festgestellt, dass durch den Ätz- und Beschichtungsprozess eine deutliche Erwärmung der Edelstahlsubstrate erfolgte. Demzufolge konnte die Starttemperatur für den Beschichtungsprozess auf ~110 °C deutlich verringert werden. Der Beschichtungsdruck wurde ebenfalls schrittweise erhöht und die höchste Abscheiderate konnte für die Plasmastrahlquelle bei 9×10-4 mbar und für die Mikrowellenquelle bei 2×10-3 mbar erzielt werden. So konnte mit der Plasmastrahlquelle die Beschichtungszeit um den Faktor 10 und mit der Mikrowellenquelle sogar um den Faktor 30 zum Vorgängerprojekt verkürzt werden. Allerdings muss bei der a-C:H:N-Beschichtung mit der Mikrowellenquelle eine Substratvorspannung an das Bauteil angelegt werden. Es zeigte sich, dass bei einer niedrigen Korrosionsstromdichte der Kontaktwiderstand häufig sehr hoch ist und umgekehrt. Die DOE-Grenzwerte sowohl für den Kontaktwiderstand als auch für die Korrosionsstromdichte erfüllen nur die a-C:H:N-Schichten, deren Werte innerhalb der schraffierten Fläche liegen.
Die mit a-C:H:N-beschichteten Bipolarplatten mit Flowfield wurden in einem laufenden Testbetrieb in einer PEM-Brennstoffzelle untersucht. In Abbildung 4 ist die für den Einbau von metallischen Bipolarplatten modifizierte, Messzelle des Herstellers balticFuelCells (Typ quickConnect) abgebildet. Die a-C:H:N-beschichtete Bipolarplatte lieferte mit einer sehr hohen Stromdichte von über 2 A/cm2 ein hervorragendes Ergebnis und liegt damit sogar oberhalb der Stromdichte der vergoldeten Bipolarplatte. Damit konnten die gesteckten Ziele des HiRaCarbon-Projektes, leitfähige, korrosionsschützende a-C:H:N-Schichten für metallische Bipolarplatten mit deutlicher gesteigerter Abscheiderate bzw. mit deutlich verkürzten Prozesszeiten zu entwickeln, mehr als erfüllt werden.
Danksagung
Das IGF-Vorhaben 42 EWN der Forschungsvereinigung Edelmetalle + Metallchemie wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.