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PVD-Verfahren

Dieses Infoblatt soll den Anwendern als kurzer, praxisnaher Leitfaden für das PVD-Verfahren dienen

1. Beschreibung

Das Schlagwort PVD (Abkürzung für physical vapour deposition) bezeichnet alle Verfahren der physikalischen Abscheidung dünner Schichten über die Dampfphase.
Dabei wird das Ausgangsmaterial für die Schichten über die physikalischen Vorgänge des Verdampfens (mit Lichtbogen ("Arc") oder Elektronenstrahl) oder der Kathodenzerstäubung im Hochvakuum in die Dampfphase übergeführt und anschließend auf einem geeigneten Substrat wieder niedergeschlagen. Die dabei erzeugten
Schichtdicken auf Werkzeugen und Bauteilen bewegen sich zwischen 1 µm und maximal 15 µm.

Verschleißschutzschichten auf Werkzeugen und Bauteilen werden mit allen drei oben erwähnten PVD-Verfahren auf computergesteuerten Beschichtungsanlagen abgeschieden.
Es handelt sich dabei um nitridische Hartstoffschichten, d.h. Verbindungen aus den Übergangsmetallen Titan und Chrom mit Stickstoff. Erweiterte Eigenschaften liefern Schichten, die zusätzlich Aluminium und Kohlenstoff enthalten. Die bei den Lohnschichtern auf dem Markt erhältlichen Schichten basieren auf den Grundtypen der nitridischen Hartstoffschichten Titannitrid TiN, Titankarbonitrid TiCN, Titanaluminiumnitrid TiAlN und Chromnitrid CrN, die mit einigen ihrer Eigenschaften in der folgenden Tabelle zusammengestellt sind.

Schicht TiN TiCN TiAlN CrN
Farbe gold violett - dunkelgrau anthrazit metallisch
Schichtdicke µm 1 - 5 1 - 5 1 - 5 1 - 10
Mikrohärte HV 0,05 2.300 3.000 3.000 1.900
Oxidationstemperatur °C > 450 > 350 > 700 > 600

Sie zeichnen sich augrund der hohen kovalenten Bindungsanteile der Schichtatome durch hohe Schichthärte, gute Oxidationsbeständigkeit und chemisch träges Verhalten aus.

Der von den Verdampfern ausgehende, gerichtete Teilchenstrahl des metallischen Schichtbestandteils durchfliegt die Hochvakuumkammer, wobei der Ionenanteil durch das am Beschichtungsgut liegende negative Potential auf die Werkzeuge beschleunigt wird. Die aufwachsende Schicht ist dadurch einem Ionenbeschuss ausgesetzt, was zu einer Verdichtung und insbesondere zu einer verbesserten Haftung der Dünnschicht auf der Werkstückoberfläche führt. Durch den hohen Ionenanteil beim Lichtbogenverdampfen
ist dieser Effekt gegenüber den anderen PVD-Verfahren besonders ausgeprägt.

Zur Erzeugung dieser Verbindungsschichten wird ein Reaktivgas durch die Hochvakuumkammer geleitet. TiN-Schichten erhält man so durch die Reaktion des Titandampfes mit Stickstoff im Plasma, für TiCN wird zusätzlich ein kohlenstoffhaltiges Gas eingesetzt. Wegen des gerichteten Stroms der Schichtteilchen müssen die Werkzeuge bzw. Bauteile während des Prozesses bewegt werden, um eine gleichmäßige Beschichtung zu erhalten.

Schichten zur Reibungsverminderung, wie Weichschichten auf Basis von Molybdändisulfid und Kohlenstoffschichten, werden vorzugsweise mit dem PVD-Verfahren Kathodenzerstäubung abgeschieden.

2. Geeignete Werkstoffe

Geeignet zur Abscheidung der nitridischen Hartstoffschichten sind gehärtete Werkzeugstähle mit Anlasstemperaturen über 500°C (Schnellarbeitsstähle, Warmarbeitsstähle, ausgewählte Kaltarbeitsstähle, rostbeständige Stähle, Kunststoffformenstähle, da die Beschichtungstemperaturen im allgemeinen bei 450°C liegen. Des weiteren sind Hartmetalle beschichtungsfähig. Es ist zu beachten, dass es sich bei der PVD-Beschichtung um eine weitere Wärmebehandlung an einem fertig bearbeiteten Werkzeug
handelt und es deshalb wichtig ist, dass das Werkzeug vorher beschichtungsgerecht wärmebehandelt wurde, um Veränderungen im Gefüge, der Härte und der Maße zu vermeiden.

In Spezialfällen und/oder für Spezialschichten sind auch PVD-Beschichtungsprozesse unterhalb von 200°C möglich.

3. Standardprüfverfahren

PVD-beschichtete Werkzeuge und Bauteile werden visuell auch Schichtfehler überprüft. Auf Wunsch des Kunden kann die Schichtdicke mit zerstörungsfreien Methoden auf der Funktionsfläche gemessen werden.

4. Vorzüge dieser Wärmebehandlung

Die PVD-Beschichtung erfolgt als letzter Veredelungsschritt auf dem fertig bearbeiteten Werkzeug oder Bauteil ohne Veränderung der Maßhaltigkeit aufgrund der dünnen Schichtdicken. Durch die besonderen Eigenschaften der Schichten erhält man eine deutliche Steigerung des Verschleißwiderstandes bzw. eine Reibungsminderung. Dadurch ergibt sich ein breites Anwendungsspektrum auf Werkzeugen zur Zerspanung, Umformung, Druckgießen, Werkzeugen zur Kunststoffverarbeitung und vielen Bauteilen.

5. Kundenangaben zur PVD-Beschichtung

Zur Bearbeitung eines Beschichtungsauftrages benötigt der Lohnbeschichter folgende Angaben:

  1. Werkstoffbezeichnung
  2. Anlasstemperatur, Härte
  3. gewünschte Schicht
  4. letzte Oberflächenbearbeitungsschritte
  5. Angabe der Flächen, die beschichtet werden sollen; Flächen, die nicht beschichtet werden dürfen

Weitere, für das PVD-Verfahren notwendige Angaben, sind dem Lohnhärter mitzuteilen. Als Orientierung kann das Infoblatt "Angaben zum Wärmebehandlungsauftrag" herangezogen werden.

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