Die Abscheidung kristalliner Diamantschichten auf Stählen ist bereits seit vielen Jahren ein weltweiter Forschungsschwerpunkt bei der Entwicklung von neuartigen Hochleistungsbeschichtungen. Jetzt gelang der Universität Erlangen-Nürnberg erstmals der Übertrag der erfolgreichen Laborergebnisse auf industrielle Bauteile.
Die direkte Abscheidung kristalliner CVD-Diamantschichten auf Stahl ist aufgrund des metastabilen Charakters des Eisenkarbids unter den für die Abscheidung vorherrschenden Prozessparametern nicht durchführbar. Um diese Problematik zu lösen, wurde eine neuartige CVD-Hochtemperaturzwischenschicht auf Titannitridbasis mit Bordotierung entwickelt. Die in-situ oberflächenstrukturierte Zwischenschicht dient als Haftvermittlerschicht zwischen dem Stahlsubstrat und der Diamantschicht. Dies ermöglicht eine haftfeste Abscheidung von bis zu 10 µm dicken Diamantschichten auf unterschiedlichen aus-tenitisch-ferritisch umwandelnden Stählen bei Substrattemperaturen zwischen 780 °C und 920 °C (je nach Stahlsorte). Abhängig von den Legierungselementen im Stahl lässt sich zusätzlich eine In-situ-Härtung des Stahles während des Abkühlprozesses einstellen.
rechts: Diamantbeschichtetes Stahlinsert eines Aluminiumdruckgusswerkzeuges (oben) und Vergleich des mit Diamant (unten links) und Standardwerkzeug (unten rechts) hergestellten Aluminiumdruckgussbauteils (Quelle: FAU, ZMP)
Die im Labormaßstab gewonnenen Ergebnisse konnten anschließend erfolgreich auf große 3-dimensionale Bauteile wie z. B. Stahlinserts für den Aluminiumdruckguss mit einem Gewicht von ca. 1 kg übertragen werden. Die Diamantschicht unterbindet hierbei vor allem die Adhäsion der Aluminiumschmelze zum Stahlwerkzeug und verhindert damit die Stahlauflösung und Rissbildung. Sowohl Stahlkerne als auch Stahlinserts für den Aluminiumdruckguss wurden mit Zwischen- und Diamantschicht beschichtet und getestet. Neben der deutlichen Standzeiterhöhung der Werkzeuge verbessert die Diamantschicht auch die Oberflächenqualität der hergestellten Aluminiumbauteile, was Nachbearbeitungsschritte einspart.
