Lektion 11.8BeschichtenKapitel 11 · Beschichten und Oberflächenbearbeitung

PVD-Beschichtung (Dünnschichten im Vakuum)

Aus einem Target geschlagene Atome beschichten Teile im Vakuum

PVD (physikalische Gasphasenabscheidung) beschichtet Teile mit einem Metall- oder Keramikfilm von wenigen Mikrometern Dicke, der im Vakuum Atom für Atom aufgebaut wird. Die goldfarbene Schicht auf vielen Bohrern ist eine PVD-Beschichtung aus Titannitrid. Sie lässt Werkzeuge mehrfach länger halten und gibt Uhren und Armaturen eine harte, dauerhafte Farbe.

Foto: Cetko, CC0, via Wikimedia Commons

PVD-Beschichtung · Sputtern in einer Vakuumkammer, mit Detailansicht des FilmsDie eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten unten; der Kasten rechts zoomt auf eine beschichtete Oberfläche.

So funktioniert es

Reinigen und beladen. Die Teile werden blitzsauber gereinigt, oft in Ultraschallbädern, und dann auf Vorrichtungen montiert, die sich beim Beschichten drehen. Jede Spur von Öl oder Staub würde das Haften des Films verhindern.
Abpumpen und aufheizen. Pumpen saugen die Luft ab, bis der Druck etwa ein Millionstel des normalen beträgt. Heizer bringen die Teile auf typischerweise 200–500 °C, und ein kurzer Stoß Argonionen reinigt ihre Oberflächen.
Atome aus dem Target schlagen. Argongas wird zu einem Plasma (einem leuchtenden, elektrisch geladenen Gas). Seine Ionen prallen auf das Target, eine Platte aus dem Beschichtungsmetall, und schlagen Atome los: Das ist das Sputtern. Andere Anlagen setzen die Atome mit einem Lichtbogen oder durch einfaches Verdampfen frei.
Fliegen und reagieren. Die freigesetzten Atome fliegen geradlinig und landen auf allem, was sie sehen können. In die Kammer eingeleiteter Stickstoff reagiert mit ihnen, sodass sich Titan als hartes, goldfarbenes Titannitrid (TiN) niederschlägt.
Drehen und aufbauen. Die Vorrichtungen rotieren, damit jede Fläche ihren Anteil bekommt. Der Film wächst typischerweise auf 1–5 µm Dicke, dann kühlt die Kammer ab und wird belüftet.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Beschichtungen: TiN, TiAlN, CrN, DLC (diamantähnlicher Kohlenstoff), Aluminium, Chrom. Teile: Werkzeugstahl, Hartmetall, Edelstahl, Glas, einige Kunststoffe
Typische Teile: Bohrer, Schaftfräser und Wendeplatten, Formen, Uhrengehäuse, Armaturen, Linsen, Chips
Bauteilgröße: Von winzigen Wendeplatten bis zu Teilen von mehreren Dutzend Zentimetern Länge; begrenzt durch die Kammer
Präzision: Film typischerweise 1–5 µm, bis hinunter zu Bruchteilen eines Mikrometers; die Größe des Teils ändert sich kaum
Oberfläche: Kopiert die Oberfläche darunter (poliert hinein, poliert heraus); Farben von Gold (TiN) bis Schwarz (DLC)
Geeignete Losgröße: Hunderte bis Tausende kleiner Teile pro Charge; Lohnbeschichter nehmen auch kleine Serien an
Werkzeug- und Maschinenkosten: Hoch: Eine industrielle Anlage kostet typischerweise Hunderttausende bis über eine Million Dollar; die Kosten pro Teil sind bei vollen Chargen niedrig
Geschwindigkeit: Eine Charge dauert typischerweise einige Stunden vom Beladen bis zum Entladen

Stärken und Grenzen

Stärken

Sehr harter, dünner Film, der scharfe Kanten scharf hält
Viele harte und dekorative Farben wie Gold, Schwarz oder Bronze
Mäßige Wärme: Die meisten Werkzeugstähle behalten ihre Härte
Sauberes, trockenes Verfahren ohne flüssige Abfälle

Grenzen

Sichtlinie: Tiefe Bohrungen und verdeckte Flächen werden kaum oder gar nicht beschichtet
Braucht eine Vakuumkammer: hohe Maschinenkosten und Chargenbetrieb
Das Teil muss blitzsauber sein, sonst blättert der Film ab
Zu dünn, um Kratzer zu füllen oder verschlissene Teile wieder aufzubauen

Wo es eingesetzt wird

SchneidwerkzeugeGoldfarbene TiN-Bohrer, dunkle TiAlN-Schaftfräser, Hartmetall-Wendeplatten
Formen und WerkzeugeVerschleißfeste Filme auf Spritzgussformen und Umformwerkzeugen
Uhren und SchmuckSchwarze, goldene oder roségoldene Oberflächen auf Stahlgehäusen und Armbändern
Haus und BadArmaturen und Türgriffe in gebürstetem Nickel oder Messingoptik
Optik und ElektronikAntireflexschichten auf Linsen, Metallfilme auf Chips und Displays
AutomobilbauKolbenringe und Motorteile mit CrN- oder DLC-Beschichtung

So erkennen Sie es

Eine dünne, gleichmäßige Farbe auf Metall: Gold auf Bohrern, Violettschwarz oder Bronze auf Schneidwerkzeugen.
Die Farbe deckt Außenflächen und Schneidkanten perfekt ab, verblasst aber in tiefen Bohrungen und Nuten.
Keine Tropfen, Läufer oder dicken Kanten: Das Metall selbst scheint die Farbe gewechselt zu haben.
Sehr kratzfest, anders als Lack in derselben Farbe.

Im Vergleich mit

CVD-Beschichtung11.9baut Filme durch chemische Reaktion aus Gasen auf, heißer, und erreicht auch verdeckte Flächen; PVD läuft kühler, beschichtet aber nur, was es sehen kann.Galvanisieren11.5bringt ebenfalls Metall auf Metall, aber aus einem flüssigen Bad und meist dicker; PVD liefert härtere Keramikfilme.Atomlagenabscheidung13.4ein Verwandter aus der Chipfertigung, der Filme Atomlage für Atomlage aufbaut.

Ansehen

Korvus Technology · Die Grundlagen von PVD, von einem Anlagenhersteller

Plansee · Eine Animation von Atomen, die aus einem Target gesputtert werden

CICEL COMPANY · Der komplette Ablauf in der Fabrik, vom Reinigen bis zum Entladen

Oerlikon · Wie eine industrielle Beschichtungsanlage aussieht

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Physikalische Gasphasenabscheidung — Verfahren (Sputtern, Lichtbogen, Verdampfen) und Anwendungen, mit Links zu Fotos
Fotosuche auf Wikimedia Commons

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PVD baut im Vakuum Atom für Atom einen harten Film auf, typischerweise 1–5 µm dick.
Atome fliegen geradlinig, daher werden verdeckte Flächen kaum beschichtet.
Die Goldfarbe vieler Bohrer ist PVD-Titannitrid.