Zur EMO hat Oerlikon Balzers eine revolutionäre Generation von Verschleißschutzschichten auf Basis seiner Technologie S3p vorgestellt. Die unter der Bezeichnung BAL.IQ vermarkteten Schichtprodukte weisen eine maßgeschneiderte Mikrostruktur aus, deren Herstellung einen technologischen Meilenstein markiere.
Die neuen Schichten zeichnen sich durch außergewöhnlich glatte Oberflächen sowie hohe Dichte, Härte, Haft- und Verschleißfestigkeit aus. Diese bahnbrechende Kombination von Eigenschaften wurde möglich durch die S3p Technologie (Scalable Pulsed Power Plasma), einer Weiterentwicklung des HiPIMS-Verfahrens (High Power Impulse Magnetron Sputtering). Die so aufgebrachten Schichten werden unter dem Markennamen BAL.IQ in Kombination mit der spezifischen Anwendung angeboten. Zur EMO stellte der Beschichtungsspezialist die ersten beiden Kundenlösungen vor:
- BAL.IQ Micro Alcronos wurde speziell für die Ansprüche von Mikrobohrern und -fräsern entwickelt und garantiert hohe Glattheit und Defektfreiheit bei hervorragender Haftung. Als AlCrN-basierte Schicht ist sie auch bei großer thermischer Belastung verschleißfest und neigt kaum zum Aufkleben – auch nicht bei rostfreien Stählen und anderen schwierigen Werkstoffen. Durch die spezifischen Eigenschaften der BAL.IQ-Schicht erübrigt sich eine mechanische Nachbehandlung, die bei Mikro-Tools aufgrund kleinster Dimensionen ohnehin kaum möglich wäre.
- BAL.IQ Tap Alcronos ist eine spezifisch entwickelte Lösung für Gewindeformer und -bohrer. Die AlCrN-basierte Schicht stellt laut Hersteller eine deutlich leistungsfähigere Alternative zu gängigen TiN- oder TiCN-Produkten dar.
Sputtern neu erfunden
Mit den genannten Vorteilen hat S3p die HiPIMS-Technologie auf produktivere Beine gestellt und bisherige Schwächen überwunden. Laut Oerlikon Balzers wird damit der eigentliche Fortschritt von HiPIMS nun besser nutzbar: Dieses Verfahren verbindet die Vorzüge der gängigen PVD-Technologien (Physical Vapor Deposition) Sputtern und Arc Evaporation, die bei der Beschichtung von Teilen in tribologischen Systemen eingesetzt werden (siehe Kasten). Dabei ist Arc Evaporation aufgrund höherer Dichte, Härte und Haftung der Schichten sowie geringerer Kosten oft das bevorzugte Verfahren, vor allem für die Werkzeugbeschichtung. Bei Anwendungen, die eine absolut glatte Oberfläche erfordern, wird hingegen Sputtern bevorzugt. Denn anders als bei der Arc-Technik bilden sich hier auf der Beschichtung keine Tröpfchen (Droplets), die die Rauigkeit erhöhen.
HiPIMS erzeugt glatte Schichten, die hinsichtlich Härte, Dichte und Haftung mit Arc-Beschichtungen vergleichbar sind. Die moderne Sputter-Lösung erreicht dies durch eine starke Erhöhung des Ionisierungsgrads der Partikel in der Verdampfungsphase von etwa 5 auf über 70 Prozent. Dies gelingt durch eine höhere gepulste Stromzufuhr, damit das Substrat nicht über seinen Schmelzpunkt hinaus erhitzt wird. Die gesteigerte Ionisierung erleichtert die Manipulation der Ionen, wodurch sich erwünschte Eigenschaften wie hohe Dichte und erhöhte Reaktivität leichter erzielen lassen.
Das bisher bekannte HiPIMS-Verfahren hatte allerdings auch Einschränkungen. So ließen sich bislang Dauer und Stromstärke der eingesetzten Hochleistungsimpulse nicht präzise steuern, und auch die Spannung blieb während der Dauer des Pulses nicht konstant. Die Form des Stromimpulses war nicht ideal, was zu schwankenden Beschichtungsbedingungen während des Impulses führte. S3p beseitigt diese Einschränkungen durch die Entwicklung eines speziellen Leistungsmoduls zur exakten Steuerung der Impulsparameter. Die voneinander unabhängige Regelung von Impulsdauer und -stärke erlaubt eine präzise Definition der Schichteigenschaften, wodurch sich breitere Anwendungsfenster öffnen.
Zusätzlich zum erweiterten Spektrum der Beschichtungsmaterialien bewirkt S3p als Sputter-Technik eine bisher unerreichte Homogenität der Dickenverteilung im Einsatz mit industriellen Beschichtungsanlagen wie etwa Ingenia von Oerlikon Balzers. S3p ist hierbei in der Lage, Schichten von außergewöhnlicher Oberflächenglätte zu produzieren, die eine lange Lebensdauer sowie hohe Dichte und Widerstandsfähigkeit gegen Adhäsiv- und Abrasionsverschleiß bieten.
Skalierbarkeit eröffnet neue Möglichkeiten
Die verbesserte Skalierbarkeit der Parameter mit S3p ermöglicht eine maßgeschneiderte Morphologie der Beschichtung für verschiedenste Anwendungsanforderungen. So kann zum Beispiel eine sehr feinkörnige und dichte Morphologie oder auch eine eher säulenartige und poröse gewählt werden. Es ist zudem möglich, mehrere Schichten von abwechselnd fein- und grobkörnigen Schichten desselben Materials zu erzeugen, wodurch sich einzigartige mechanische Eigenschaften erzielen lassen.
Davon können zum Beispiel Mikrowerkzeuge profitieren, wie sie etwa in der Automobilindustrie zur Bohrung von Düsenlöchern für Injektionssysteme in Lkw-Motoren eingesetzt werden. Diese Tools sind meist zu klein für eine Nachbehandlung, die etwa zur Entfernung von Tröpfchen infolge der Arc-Technik nötig würde. Mögliche S3p-Anwendungen sind auch Beschichtungen für Gussformen von Teilen in der Unterhaltungselektronik oder für Uhrmacherwerkzeuge.
Die nun variable Impulsdauer verbessert zudem die Prozessstabilität. So muss kein Kompromiss mehr zwischen Impulsdauer und -stärke gefunden werden, wodurch sich eine größtmögliche Abscheiderate und eine höhere Effizienz gegenüber früheren HiPIMS-Verfahren erzielen lässt. Zusätzlich bewirkt die Skalierbarkeit der Impulse innerhalb eines breiten Bereichs reaktive Prozesse frei von Hysterese-Effekten. Auch dies macht den Beschichtungsprozess stabiler und einfacher kontrollierbar.
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