Bezüglich Shore-Härteprüfung: DLC steht für „Diamond-Like Carbon" und beschreibt eine Gruppe von amorphen Kohlenstoffbeschichtungen, die zu den härtesten und reibungsärmsten Dünnschichtsystemen in der industriellen Oberflächentechnik zählen. Der Name ist Programm: Die atomare Struktur dieser Schichten ähnelt in Teilen der von Diamant, wodurch DLC-Beschichtungen eine außergewöhnliche Kombination aus extremer Härte, geringer Reibung und hoher chemischer Beständigkeit erreichen.
Was ist DLC-Beschichtung?
DLC-Beschichtungen sind amorphe Kohlenstoffschichten, deren Atomstruktur eine Mischung aus diamantähnlichen (sp³-hybridisierten) und graphitähnlichen (sp²-hybridisierten) Kohlenstoffbindungen enthält. Das Verhältnis dieser beiden Bindungsarten bestimmt maßgeblich die Eigenschaften der fertigen Schicht: Ein höherer Anteil diamantähnlicher sp³-Bindungen führt zu extrem großer Härte, während ein höherer Anteil graphitähnlicher sp²-Bindungen die Schicht elastischer und reibungsärmer macht.
Klassifizierung von DLC-Schichten nach VDI 2840
Der Verein Deutscher Ingenieure unterteilt DLC-Schichten in verschiedene Untergruppen:
- ta-C (wasserstofffreies tetraedrisches amorphes Kohlenstoff): Besitzt den höchsten sp³-Anteil (bis zu 80 %) und erreicht extreme Härten von 4.000 bis 8.000 HV. Herstellung erfolgt meist über Cathodic Arc Abscheidung.
- a-C:H (wasserstoffhaltiges amorphes Kohlenstoff): Der Standard-DLC mit Härten von 1.500 bis 3.000 HV und hervorragenden Gleiteigenschaften (Trockenreibungskoeffizient µ < 0,1).
- a-C:H:Me (metallmodifizierte DLC-Schichten): Enthält Metallelemente wie Wolfram (W-DLC) oder Chrom zur Reduzierung von Eigenspannungen und Erhöhung der Zähigkeit.
- a-C:H:Si / Si-DLC (siliziummodifiziert): Weist extrem niedrige Oberflächenenergien und hervorragende Antihafteigenschaften auf.
Herstellungsverfahren für DLC-Schichten
PVD-basierte Verfahren (Physical Vapor Deposition)
Bei PVD-Verfahren wird eine Kohlenstoffquelle (Graphit-Target) im Hochvakuum verdampft oder per Sputtern zerstäubt. Die Kohlenstoffatome kondensieren auf der Bauteiloberfläche. Weitere Details zu PVD-Prozessen finden Sie in PVD-Beschichtung.
PACVD-Verfahren (Plasma-Assisted Chemical Vapor Deposition)
Bei PACVD werden kohlenstoffhaltige Gase (z. B. Acetylen C₂H₂) in die Vakuumkammer eingeleitet und durch ein HF- oder DC-Plasma getrennt. Dies erlaubt eine exzellente 3D-Rundum-Beschichtung komplexer Geometrien.
Eigenschaften & Tribologische Vorteile
- Extreme Härte: Verschleißschutz gegen Abrasiv- und Adhäsivverschleiß.
- Minimaler Reibungskoeffizient: Trockengleitzahlen von µ = 0,05 bis 0,10 reduzieren Reibleistung und Energieverbrauch. Im Vergleich zu amorphen Kunststoffen wie PTFE (siehe PTFE-Beschichtung) ist DLC um ein Vielfaches härter.
- Geringe Schichtdicke: 1 bis 4 µm Schichtdicke verändern Bauteiltoleranzen praktisch nicht.
- Biokompatibilität: Vollkommen inert und ungiftig für medizinische Implantate und Instrumente.
Industrielle Einsatzbereiche
- Automobilindustrie: Einspritznadeln, Tassenstößel, Kolbenbolzen und Kolbenringe.
- Werkzeugbau: Zerspanungswerkzeuge für Aluminium-Trockenbearbeitung und Stanzstempel.
- Medizintechnik: Chirurgische Messer, Hüftgelenk-Komponenten und Dentalwerkzeuge.
Fazit
DLC-Beschichtungen bieten die ultimative Kombination aus Diamanthärte und Graphitgleitfähigkeit für hochbeanspruchte Bauteile.
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