Projekt 07105/01

Substitution galvanischer Verfahren mittels sekundärer Plasmastrahlbeschichtung

Projektträger

Löt- und Schweißgeräte GmbH
Mörikestr. 2
73773 Aichwald
Telefon: 0711/362190

Zielsetzung 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 sekundären Ionenstrahlbeschichtung. Mit der zu entwickelnden Anlage sollten zur galvanischen Beschichtung vergleichbare Prozeßzeiten erreicht werden. Der Vorteil der Ionenstrahlbeschichtung liegt darin, daß keine giftigen Abwässer in die Umwelt gelangen, noch Säure- oder Laugendämpfe entstehen und eingeatmet werden müssen. Hinzu kommt, daß keine schwermetallhaltigen Abwasserschlämme 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 kühlbaren Targethalters und eines drehbaren Substrathalters aufgebaut. Nach der Inbetriebnahme des Systems wurden erste Probebeschichtungen durchgeführt. Während dieser Testphase wurde die Ionenquelle modifiziert, z.B. wurde die HF-Spule in Transformatorenöl gelagert, so daß auch bei möglichen Überschlägen 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 gleichmäßige thermische Ausdehnung und Extraktions- und Abschirmgitter gewährleistet. Nach dem reibungslosen Betrieb der Ionenquelle wurden dann diverse von der Industrie zur Verfügung gestellten Probekörper beschichtet und am Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie analysiert. Daneben wurden die von der Industrie zur Verfügung gestellten Probekörper in den dortigen Labors untersucht und getestet.


Ergebnisse und Diskussion

Zwischen der galvanischen Beschichtung und der sekundären Ionenstrahlbeschichtung kann im Prinzip keine scharfe Trennung zwischen physikalischen und chemischen Erscheinungen gemacht werden, zumal sich die grundlegenden Vorgänge bei beiden Methoden der Schichterzeugung ähneln. Bei beiden Prozessen spielen Keimbildung, Keimwachstum, Oberflächen-, 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 Gegensätzen zwischen beiden Prozessen gesprochen werden. Anders sieht es indes im praktischen Betrieb aus. Waren früher bei der galvanischen Beschichtung bzw. der Beschichtung mittels Aufdampfen oder Zerstäubung im Vakuum, die gleiche chemische Vorreinigung des Substrats (Entfettung, Aufrauhung, halftvermittelnde Schichten) bzw. Nachbehandlung (Passivierung, Lackierung, Verstärkung) 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 über denen der Galvanik liegen. Auch lassen sich mit der Ionenstrahlbeschichtungsmethode die Struktur der abgeschiedenen Schichten in weit größerem 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, dünnste Schichten aus Nanopartikeln abscheiden.
Mit der Ionenstrahltechnologie läßt sich auch der Nachteil der PVD-(Physical-Vapor-Deposition) Methoden, nämlich die Stengelkristallbildung, verhindern. Durch die Wahl der Verfahrensparameter läßt 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 180º C). Auch das Problem der Porigkeit ist durch die Ionenstrahlanwendung gelöst.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Der Prototyp der Ionenstrahlbeschichtungsanlage wurde im Rahmen einer Gemeinschaftsausstellung mit der Deutschen Bundesstiftung Umwelt auf der Messe in Hannover präsentiert. Daneben wurde das Konzept der Ionenstrahlbeschichtung in einem Sonderheft vom Umwelt-Magazin vorgestellt.


Fazit

Die sekundäre Ionenstrahlbeschichtung ist eine Alternative zur Galvanik. Die Beschichtungsraten von Chrom liegen bereits jetzt über 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