Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Weiterentwicklung und Ertüchtigung TiMgSEN-basierter PVD-Schichten zur Verbesserung des Korrosions- und Verschleißschutzes un- und niedriglegierter Stähle

Es besteht ein hohes wirtschaftliches Interesse an der Entwicklung von PVD-Hartstoffschichten, die neben ihren überlegenen tribologischen Eigenschaften auch einen Korrosionsschutz für un- und niedriglegierte Vergütungsstähle bewirken. Bisher sind aber keine industriellen PVD-Schichten verfügbar, die diese Anforderungen erfüllen. Mit den Ergebnissen des Vorgängerprojekts IGF 19124N liegt erstmals eine Ausgangsbasis für wettbewerbsfähige PVD-Schichtsysteme vor.

Hauptziel des beantragten Forschungsprojekts ist die Leistungsoptimierung TiMgSEN-basierter PVD-Schichten zur Verbesserung des Korrosions- und Verschleißschutzes un- und niedriglegierter Stähle mit anwendungsspezifisch individualisierten Anforderungsprofilen.

Die im Projekt angestrebten Ergebnisse bergen folgendes Innovationspotenzial:

- Erschließung neuer industrieller Anwendungsfelder, bei denen PVD-Beschichtungen aufgrund des bisher eingeschränkten Korrosionsschutzvermögens noch nicht zum Einsatz kamen.

- Identifikation von Grenzwerten und Parameterfenstern zur Sicherstellung eines reproduzierbaren Beschichtungsergebnisses.

- Verbesserung des Umwelt- und Gesundheitsschutzes durch Verzicht auf Chemikalien, insbesondere der kanzerogenen sechswertigen Chromsäureelektrolyte zur Herstellung von Hartchromschichten

- Wirtschaftliche Vorteile, da gegenüber den heute verfügbaren PVD-Schichtsystemen eine höhere Wertschöpfung bei ähnlichen Beschichtungskosten zu erzielen ist.

- Sicherstellung reproduzierbarer Beschichtungsergebnisse und die Gewährleistung des Korrosions- und Verschleißschutzes mittels anwendungsspezifisch individualisierter Schichten.

Hersteller von Beschichtungsanlagen, Beschichtungsbetriebe sowie die aus praktisch allen produzierenden Branchen stammenden Anwender sind häufig den kmU zuzuordnen. Daher haben die angestrebten Projektergebnisse ausgeprägten volkswirtschaftlichen Nutzen und kommen damit insbesondere dem Mittelstand zu Gute.

Ergebniszusammenfassung:

Im IGF-Vorhaben 20706N wurde durch das Hinzulegieren von Mg-Gd zu einer binären TiN-Schicht bei einer PVD-üblichen Schichtdicke von 4 pm erstmals eine Korrosionsbeständigkeit von mehr als 1000h im Salzsprühtest erreicht. Gleichzeitig wies die Schicht gegenüber konventionellem PVD-TiN eine verbesserte Verschleißbeständigkeit auf. Dies legt den Grundstein für die PVD-Technologie als konkurrenzfähige und nachhaltige Alternative zu galvanischen und chemischen Beschichtungen, da das Einsatzspektrum von PVD-Schichten nun auch auf korrosive Anwendungen ausgeweitet werden kann. Mit der entwickelten Strategie wurde für TiN+MgGd-Schichten die Korrosionsbeständigkeit auf mindestens 1000h im Salzsprühtest erhöht [12,40]. Für andere SE-Elemente (La, Ce) wurde ebenfalls eine Verbesserung der Korrosionseigenschaften nachgewiesen, ebenso wie für das System CrN-MgGd. Für die Prozessentwicklung wurden die PVD-Targets aus einzelnen Segmenten der Materialen Titan und Mg-SE zusammengesetzt. Für die Abscheidung von TiMgGdN wurde von Plansee Composite Materials GmbH aus den einzelnen metallischen Komponenten Ti, Mg und Gd über eine pulvermetallurgische Prozessführung erstmals entsprechende Targets hergestellt und erfolgreich zur Beschichtung mittels Magnetron- und Arc-Vedampfen eingesetzt. Zusammenfassend bewirkt das an binären TiN-Schichten entwickelte Legierungskonzept mit MgGd eine signifikante Verbesserung des Korrosionsschutzes für niedriglegierte Stähle. Gleichzeitig wurde durch Parameteranpassungen das Verschleißverhalten von TiN+MgGd gegenüber binärem TiN deutlich verbessert. Das erzielte Wissen bildet damit die Grundlage zur gezielten Korrosionsoptimierung heute marktüblicher temärer PVD-Hartstoff-Nitridschichten. Dies ebnet den Weg zur Erschließung neuer Märkte und Anwendungen, wo das Potenzial funktionsoptimierter, individualisierter PVD-Schichten aufgrund der heute vorherrschenden Korrosionsproblematik noch nicht ausgeschöpft wurde.