Neue Vorbehandlung verbessert Korrosionsschutz und Haftfestigkeit Vollig neue Anwendungsmoglichkeiten fUr Aluminium und andere Leichtmetalle entstehen durch die Entwicklung eines neuen Vorbehand-lungsverfahrens. Haftfestigkeit und Korrosionsschutz von Dunnschicht-systemen auf Leichtmetallen werden durch eine oxidische Zwischen-schicht erheblich verbessert.

Dunne Schichten die mittels plas-magestiitzter PVD/CVD-Be-

schichtungsprozesse hergestellt wer-den, zeichnen sich unter anderem besonders durch eine hohe Schicht-reinheit, eine groBe Vielfalt an Schicht-materialien und variierbaren Schichtei-genschaften aus. Ein Problem bei die-sen Dunnschichtsystemen auf metalli-schen Karpern besteht haufig in dem unzureichenden Korrosionsschutz, den diese Schichtsysteme gegenuber dem Grundwerkstoffbieten. Bei einem ent-sprechend vor Korrosion geschutzten Grundwerkstoff ist dagegen oftmals eine Verbesserung der Haftfestigkeit des Dunnschichtsystems wunschens-wert.

Um fUr die Anwendung von PVD/CVD-Beschichtungsprozessen auf Aluminium und anderen Leicht-metallen den Korrosionsschutz bei gleichzeitig optimierter Schichthaf-tung zu verbessern, wurde ein entspre-chend geeignetes Vorbehandlungsver-fahren entwickelt.

Durch spezifische Vorbehand-lungschritte werden zwischen Grund-werkstoff und Deckschicht angepasste, oxidische Zwischenschichten erzeugt, die die Funktionseigenschaften wie Haftfestigkeit und Korrosionschutz mit den Vorteilen einer nachfolgenden Plasmabeschichtung verbinden. Fur Aluminium und seine Legierungen sowie fUr andere Leichtmetalle erge-ben sich dadurch vallig neue Anwen-dungsbereiche.

Schutz durch isolierte Barriere

Bei den mittels Plasmabeschichtung hergestellten dunnen Schichten kann, bedingt durch deren Struktur oder auch durch punktuelle Defekte, be i-spielsweise Wasser an den Grundwerk-stoff gelangen. Es besteht die Gefahr der Korrosion, die letztlich, zum Bei-spiel durch Abplatzungen, zum Versa-gen des Schichtsystems fUhrt. Eine

Plasma-Beschichtung

Pore wasserfrei

~Pore mitWasser

'-- '-- L........ '-- U . - -- .. - .. - -- -- ... :-. -. - ... -~ -.... ~ -.. ~~ .. : ::: .. :. -':::: ::::: n. Aluminiumsubstrat ...... : ::: :::,.~.:·~·~: ~ ! : i : i :

~ Oxidschicht ...~ ..

Aluminium-substrat

Bifd 1 (links): Nach dem Eloxalverfahren sind die Poren normalerweise noch mil Wasser gefOlII. Bifd 2 (rechts): Die Plasma·Beschichtung macht die Eloxalporen wasserfrei .

unzureichende Haftfestigkeit verstarkt diesen Effekt noch. Wird beispielswei-se Kupfer auf Aluminium abgeschie-den, so entsteht ein Korrosionsele-ment. Die Feuchte der Umgebungsluft reicht aus, damit sich das Kupfer als Kathode und Aluminium als Anode ausbilden kann. Aluminium oxidiert zum Ion AJ3+ + 3 e- um. Der so ausgelii-ste Korrosionsprozess fUhrt zum Versa-gen des Bauteils. Durch eine isolieren-de Barriere, beispielsweise einer Oxid-schicht, lasst sich der Stromfluss unter-binden. Wird das Aluminium zunachst oxidiert und anschlieBend mit einer funktionellen Schicht mittels eines plasmagestiitzten Verfahrens beschich-tet, kann der Korrosionsschutz des Bauteils erheblich verbessert werden.

Eine Reihe von Ansatzen wurde schon unternommen, um plasma-gestutzte Beschichtungsverfahren zur Lasung der Korrosionsproblematik weiterzuentwickeln. Fur viele indus-trierelevante Anwendungsfiille sind die erzielten Ergebnisse aber noch nicht ausreichend. Ziel war es daher, ein Ver-fahren fUr die PVD/CVD-Beschichtung von Leichtmetallen zu entwicklen, das bei guter Schichthaftung die Korrosi-onsbestandigkeit verbessert. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren ge Iii st, bei dem auf dem Substrat eine Metalloxid-Zwischenschicht erzeugt wird und auf dieser anschlieBend durch einen plasmagestutzten Beschich-tungsschritt die gewunschte Funkti-onsschicht aufgebracht wird.

Besonders vorteilhaft lasst sich die-ses Verfahren dann einsetzen, wenn als Leichtmetall Aluminium oder eine Aluminiumlegierung verwendet wird. Beim Einsatz von Aluminium und Aluminiumlegierungen wird eine Metalloxid-Zwischenschicht mittels anodischer Oxidation aufgebaut.

Gerade bei dieser besonders bevor-zugten AusfUhrungsform wird von einem Verfahren Gebrauch gemacht, das vielfach erprobt und sehr zuverlas-

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sig ist, dem als sogenannten Eloxalver-fahren oder anodischer Oxidation bekannten Verfahren. Versuche haben gezeigt, dass die zunachst mittels Elo-xalverfahren entstandene Oxidschicht unter der Einwirkung des Plasmas nicht wieder zerstiirt wird.

Die angestellten Untersuchungen lassen vermuten, dass die ersten

Bild 3: Draufsicht einer Oxidschicht

Die Poren reichen tief in die Oxid-schicht hinein; sie werden beim Elo-xalverfahren automatisch erzeugt und konnen in ihrer Tiefe und Form durch entsprechende Variation des Oxidie-rungsverfahrens in weiten Grenzen vorgegeben werden. Bei rich tiger Ver-fahrensweise reichen sie aber nicht bis zum Grundsubstrat. Die Oxidschicht selbst ist also geschlossen, wodurch die Korrosion des Grundmaterials weitge-he nd verhindert wird.

Das anodische Oxid ie rungsverfa h-re n, das die Poren bildet, hinte rlass t zunac hst in de n Pore n e ine wass rige F lil ssigke it (Bild I). Anders als bei ilb liche n E loxa lverfa hre n wird be i d ie -sem Verfahren mittds Trocknung d ie F lU ssigke it aus de n Pore n e ntfe rn t. Dies kann e ine atmosp harische, besser e ine Vakuumtrocknung sein. Nac hdem d ie Poren wasserfre i sind, ist e in

ustand e rre icht, der e ine p las ma-gestUtzte Besc hichtung e rlaubt.

Nac h dem plasmagestUtzte n Be-sChichtungsschritt ergibt sich das in Bild 2 dargeste llte Mode ll des Schicht-

Oberflachenharte des Grundwerkstof-fes erhoht wird. Durch dieses Vorbe-handlungsverfahren entstehen zudem Schichtsysteme, die ein angenehmes Oberflachenfinish aufweisen.

Neben Aluminium als Grundwerk-stoff bieten sich auch noch andere Leichtmetalle oder Leichtmetall-Legierungen wie zum Beispiel Magne-sium oder Titan an, wobei Aluminium aber au fgrund des bekannte n und be-he rrschten anodische n Oxidie rungs-verfa hre ns Vorte ile hat.

D urch die E ntwicklung des Vor-be handlungsverfa hre ns lasse n sich die Anwendungsmoglichke iten von Leichtmeta lle n e rweite rn . Die oxid i-sc he Zwische nschicht die nt dabe i als eine wichtige Schni ttste lle zwische n dem Leichtme tall a ls Grundwerkstoff und der PVD/CVD-Besc hichtung als F unktionsschicht, d ie das Gesamtsy-stem verbessert beziehungswe ise Uberhaupt er st e rmoglicht. So werde n beispie lsweise fUr \I'larmet ausc her Schichtsysteme be notigt, die e inerseits e ine geringe Ne igung zur Anlagerung

Bild 4 und 5: Seitenansichten einer Oxidschicht.

von Stoffe n wie Ka lk zei-gen, andere rseits abe r mit aggresiven Medie n und hohen Temperaturen in Be rUhrung komme n und dahe r vor Korrosion ge-schUtZt werde n mUsse n. Hier kann be ispie lswe ise be i de r Verwe ndung e ines Le ichtmetalls als Werkstoff das e ntwicke lte Vorbehand-lu ngsverfahre n zur Haf-tungs- und Korrosions-schutzverbesserung ange-we ndet werde n. Auch der

Rasterelektronmikroskopische Aufnahmen von Oxid-schichten auf Aluminium, V=5 700: 1 (aus: Alumini-um, 65. Jahrgang, 1989-11)

schichtbildenden Atome, die in dem plasmagestiitzten Beschichtungs-schritt auf die Oxidschicht auftreffen, in die dort vorhandenen Poren eindrin-gen und dort abgeschieden werden. Mit zunehmender Dauer wachst das Schichtenmaterial aus den Poren und damit aus der Oxidschicht heraus und bildet die funktionelle Schicht auf der Oxid-schicht. Das in die Poren eingela-gerte Material bildet einen extrem haftfesten Verbund mit der Oxid-schicht.

systems. Die Oberflachenschicht ragt in die Poren der Oxidschicht hinein. Dadurch bildet sich eine feste Ver-klammerung.

Das spezifische Vorbehandlungs-verfahren hat den Vorteil, reproduzier-bar und einfach durchfiihrbar zu sein. Das Verfahren ist okologisch unbe-denklich und wirtschaftlich. Die ent-stehenden Schichten auf dem Grund-substrat besitzen eine hohe Haftfestig-keit und Korrosionsbestandigkeit, wobei sogar gleichzeitig noch die

dekorative Charakte r be i der Kombination einer Oxid-

schicht mit einem Diinnschichtsystem auf Leichtmetallen erOffnet neue Mog-lichkeiten. •

Die Auloren: Dipl.-Ing. Volker von der Heide.

Melaplas lonon. Bergisch Gladbach; Dipl-Ing. Heinz-Bernhard Groninger. Fraunhofer-Inslilul fOr Schichl- und

Oberflachenlechnik (ISn. Braunschweig; Tel. (05 31) 21 55 - 6 19 e-mail: gro@iSl.fhg.de

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