FOROXID

BAYERISCHER FORSCHUNGSVERBUND MULTISKALENDESIGN OXIDISCHER FUNKTIONSMATERIALIEN

I. 4 Diamant auf Stahl

Arbeitsfeld:

Schutzschichten aus Diamant stellen aufgrund ihrer hervorragenden tribologischen Eigenschaften einen vielversprechenden Lösungsansatz für die Verschleißproblematik von Bauteilen aus Stählen dar. Aufgrund der katalytischen Wirkung von Eisen auf die Graphitbildung können jedoch Stähle nicht unmittelbar mit haftfesten Diamantschichten versehen werden. Im Rahmen des beantragten Projekts werden Stähle mit neuartigen, extrem haftfesten Metall-/Metallkarbidzwischenschichten versehen, die an der Oberfläche praktisch eisenfrei sind, und anschließend mittels Chemischer Gasphasenabscheidung (Chemical-Vapour-Deposition, CVD) mit Diamant beschichtet.
Bereits früher wurde in der Literatur versucht, die Problematik der Diamantbeschichtung von Stählen über Zwischenschichten zu lösen. Die Neuartigkeit der Zwischenschicht im vorliegenden Projekt liegt darin, dass sie als Erweiterung des Eisenwerkstoffes mit gradierter Zusammensetzung des Grundwerkstoffes konzipiert werden soll, wodurch erstmals eine ausreichende Haftfestigkeit erreicht wird. Die Zwischenschicht besteht letztlich aus dem Grundwerkstoff mit nach außen hin zunehmenden Anteilen an Chrom und Chromkarbid. Sie wird über ein Diffusionschromierungsverfahren erzeugt. Die CVD-Diamantbeschichtung erfolgt bei niedrigeren Substrattemperaturen (< 900°C) als die Diffusionschromierung, so dass die gradierte Zwischenschicht bei der Diamantbeschichtung stabil bleibt.
Zu Projektbeginn wird eine Prototypen-Beschichtungsanlage für Chromkarbid-Zwischenschichten aufgebaut und eingefahren. Danach werden einfache Proben mit Zwischenschichten und Diamantschichten versehen und die erreichbaren Eigenschaften (Haftfestigkeit, Härte, Reibung, Verschleiß, Korrosions- und Erosionsbeständigkeit, Antiadhäsionseigenschaften, Verzug) des Diamant-Chromkarbid-Stahl-Systems ermittelt. Im weiteren Projektverlauf erfolgt die Beschichtung der geometrisch komplexen Bauteile der beteiligten Industriepartner, die diese dann hinsichtlich der jeweils erforderlichen Eigenschaften testen. Des weiteren werden Grundlagenuntersuchungen durchgeführt zu einer nochmaligen Verbesserung der Diamantschichthaftung durch Zulegieren von Refraktärmetallen in die Zwischenschicht.
Vorversuche mit dem neuen gradierten Zwischenschichtsystem verliefen erfolgreich. Wenn mit diesem Projekt die weitere Umsetzung gelingt, wird weltweit erstmals die haftfeste Diamantbeschichtung von Stählen realisiert, der immer noch wichtigsten Werkstoffgruppe des Maschinen- und Anlagenbaus.