Projekt 07105/01

Substitution galvanischer Verfahren mittels sekundÀrer Plasmastrahlbeschichtung

ProjekttrÀger

Löt- und SchweißgerĂ€te GmbH
Mörikestr. 2
73773 AichwaldZielsetzung und Anlass des Vorhabens Ziel des Vorhabens war die Entwicklung einer Ionenquelle mit einem Strahldurchmesser von 10 cm und einer Leistung von 10 kW mit ablenkbarem Strahl als Instrument zur sekundĂ€ren Ionenstrahlbeschichtung. Mit der zu entwickelnden Anlage sollten zur galvanischen Beschichtung vergleichbare Prozeßzeiten erreicht werden. Der Vorteil der Ionenstrahlbeschichtung liegt darin, daß keine giftigen AbwĂ€sser in die Umwelt gelangen, noch SĂ€ure- oder LaugendĂ€mpfe entstehen und eingeatmet werden mĂŒssen. Hinzu kommt, daß keine schwermetallhaltigen AbwasserschlĂ€mme entstehen. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn der ersten Phase wurde die Hochleistungsionenquelle einschließlich des zur Plasmaanregung notwendigen Hochfrequenzgenerators entwickelt und gebaut. Parallel dazu wurden aus vorhandenen Bauteilen eine Vakuumanlage konzipiert und einschließlich eines kĂŒhlbaren Targethalters und eines drehbaren Substrathalters aufgebaut. Nach der Inbetriebnahme des Systems wurden erste Probebeschichtungen durchgefĂŒhrt. WĂ€hrend dieser Testphase wurde die Ionenquelle modifiziert, z.B. wurde die HF-Spule in Transformatorenöl gelagert, so daß auch bei möglichen ÜberschlĂ€gen zwischen den Gittern, bedingt durch Flitter, keine Entladungen zwischen Spule und Ionenquellenmantel entstehen kann. Bedingt durch die hohe Leistung der Ionenquelle mußte ein neues Prinzip der Extraktionsgitterlagerung gefunden werden, die eine gleichmĂ€ĂŸige thermische Ausdehnung und Extraktions- und Abschirmgitter gewĂ€hrleistet. Nach dem reibungslosen Betrieb der Ionenquelle wurden dann diverse von der Industrie zur VerfĂŒgung gestellten Probekörper beschichtet und am Forschungsinstitut fĂŒr Edelmetalle und Metallchemie analysiert. Daneben wurden die von der Industrie zur VerfĂŒgung gestellten Probekörper in den dortigen Labors untersucht und getestet. Ergebnisse und Diskussion Zwischen der galvanischen Beschichtung und der sekundĂ€ren Ionenstrahlbeschichtung kann im Prinzip keine scharfe Trennung zwischen physikalischen und chemischen Erscheinungen gemacht werden, zumal sich die grundlegenden VorgĂ€nge bei beiden Methoden der Schichterzeugung Ă€hneln. Bei beiden Prozessen spielen Keimbildung, Keimwachstum, OberflĂ€chen-, Korngrenzen- und Volumendiffusion eine entscheidende Rolle, ebenso wie Adsorptionseigenschaften, aber auch die Eigenschaften des Grundmaterials. Es kann von den wissenschaftlichen Grundlagen her nur schwer von GegensĂ€tzen zwischen beiden Prozessen gesprochen werden. Anders sieht es indes im praktischen Betrieb aus. Waren frĂŒher bei der galvanischen Beschichtung bzw. der Beschichtung mittels Aufdampfen oder ZerstĂ€ubung im Vakuum, die gleiche chemische Vorreinigung des Substrats (Entfettung, Aufrauhung, halftvermittelnde Schichten) bzw. Nachbehandlung (Passivierung, Lackierung, VerstĂ€rkung) notwendig, eröffnet sich mit der Ionenstrahlbeschichtung die Möglichkeit auf die chemischen Vorreinigungsschritte, wie auf die Nachbehandlung zu verzichten. Dies wird einfach dadurch möglich, daß der Entladungsraum des Ionen erzeugenden Plasmas vom eigentlichen Beschichtungsraum getrennt ist, und die Energie einschließlich der Ionenstrahlbeschichtungsmethode breit variiert werden kann. Hinzu kommt, daß durch die jetzt möglichen hohen Ionenstromdichten (25 mA/cm2 bei 1000 V), die sich nochmals um den Faktor 4 bis 5 erhöhen lassen, Beschichtungsraten möglich sind, die um den Faktor 2 bis 3 ĂŒber denen der Galvanik liegen. Auch lassen sich mit der Ionenstrahlbeschichtungsmethode die Struktur der abgeschiedenen Schichten in weit grĂ¶ĂŸerem Maße beeinflussen. Die Ionenstrahlbeschichtungstechnologie bietet außerdem die Möglichkeit, keramische Schichten mit Schmierpartikel-Einlagerungen zu erzeugen. Und mit der Ionenstrahltechnologie lassen sich, im Gegensatz zur Galvanik, dĂŒnnste Schichten aus Nanopartikeln abscheiden. Mit der Ionenstrahltechnologie lĂ€ĂŸt sich auch der Nachteil der PVD-(Physical-Vapor-Deposition) Methoden, nĂ€mlich die Stengelkristallbildung, verhindern. Durch die Wahl der Verfahrensparameter lĂ€ĂŸt sich die Struktur der Schicht in weiten Grenzen beeinflussen. Da das Substrat dem Plasma bei der Ionenstrahlbeschichtung nicht ausgesetzt ist, sind die Substrattemperaturen auch bei hohen Beschichtungsraten niedrig (60 bis 180Âș C). Auch das Problem der Porigkeit ist durch die Ionenstrahlanwendung gelöst. Öffentlichkeitsarbeit und PrĂ€sentation Der Prototyp der Ionenstrahlbeschichtungsanlage wurde im Rahmen einer Gemeinschaftsausstellung mit der Deutschen Bundesstiftung Umwelt auf der Messe in Hannover prĂ€sentiert. Daneben wurde das Konzept der Ionenstrahlbeschichtung in einem Sonderheft vom Umwelt-Magazin vorgestellt. Fazit Die sekundĂ€re Ionenstrahlbeschichtung ist eine Alternative zur Galvanik. Die Beschichtungsraten von Chrom liegen bereits jetzt ĂŒber den galvanischen Beschichtungsraten. Und noch ist das Entwicklungspotential der Ionenstrahltechnologie bei weitem nicht ausgenutzt. So lassen sich die Beschichtungsraten noch erheblich erhöhen und bei Kombination von zwei oder drei Quellen lassen sich Schichten erzeugen, die neuartige Eigenschaften besitzen

Übersicht

Telefon

0711/362190

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Bundesland

Baden-WĂŒrttemberg

Fördersumme

142.650,43 €

Förderzeitraum

08.08.1995 - 07.07.1998