Stahl härten mit Diamantbeschichtung
Wenn man von hartem Stahl spricht, meint man zumeist dass der Stahl besonders widerstandsfähig gegenüber äußeren Einflüssen ist. Bisher erreicht man dies über die Wärmebehandlung von Stahl in Härtereien. Mit traditionellen Wärmebehandlungen, wie beispielsweise dem Nitrieren, werden hierbei die Oberflächen gehärtet. Das Beschichten von Oberflächen ist eine weitere Option, spielt aber im industriellen Umfeld, wo wirklich harte Oberflächen zum Einsatz kommen sollen, eine eher untergeordnete Rolle. Beschichtungen haben in der Regel einen dekorativen Charakter oder sollen physikalische Eigenschaften wie die Haftfestigkeit, die Korrosionsbeständigkeit, die Leitfähigkeit oder die Dichtungsqualifikationen herstellen oder verbessern. Eine Beschichtung die Stahl tatsächlich härter und widerstandsfähiger macht müsste aus einem sehr harten Material bestehen.
Materialen mit extremer Härte kommen in der Natur nicht oft vor. Das härteste bekannte Material, welches in der Natur vorkommt, ist der Diamant. Der Diamant ist ein Mineral, das aus Kohlenstoffatomen besteht, die in einer Kristallgitterstruktur angeordnet sind. Dabei ist jedes Kohlenstoffatom kovalent an vier benachbarte Kohlenstoffatome gebunden und bildet eine tetraedrische Anordnung. Die kompakte Struktur mit einem enorm hohen Schmelzpunkt führt zu einer außergewöhnlichen Härte.
Diamanten werden typischerweise tief im Erdmantel unter hohen Druck- und Temperaturbedingungen gebildet. Sie werden durch Vulkanausbrüche oder den gezielten Abbau in Mienen an die Erdoberfläche gebracht. Diamanten lassen sich aber auch herstellen. Die synthetisch Produktion erfolgt mittels Hochdruck-Hochtemperaturverfahren oder durch chemische Gasphasenabscheidung.
In Anbetracht der extremen Härte und der tribologischen Eigenschaften von Diamanten liegt die Vermutung nah, dass Diamant-beschichtete Oberflächen auf Stahl maximalen Verschleißschutz bieten. Problematisch ist allerdings die katalytische Wirkung von Eisen auf die Graphitbildung, die das Auftragen einer Diamantbeschichtung auf Stählen verhindert. Eine Diamantbeschichtung haftet nicht unmittelbar auf Stahl. Die bayrische Forschungsallianz „Bayfor“ forscht seit einiger Zeit im Rahmen der FORCARBON an der Herstellung einer stark haftbaren Zwischenschicht aus Metall-/Metallkarbid, die den katalytischen Effekt aushebeln soll. Die Zwischenschicht ist an ihrer Oberfläche eisenfrei und kann mittels Gasphasenabscheidung mit Diamanten beschichtet werden.
Die Idee einer Zwischenschicht zur Diamantbeschichtung ist in der Forschung nicht neu, es fanden sich bislang allerdings noch keine Lösungsansätze mit guter Haftung. Das aktuelle Projekt der bayrischen Forschungsallianz setzt auf eine „Erweiterung des Eisenwerkstoffes mit gradierter Zusammensetzung“. Die Anteile an Chrom und Chromkarbid der Zwischenschicht nehmen hierbei mittels Diffusionschromierungsverfahren von innen nach außen hin zu. Damit die Diamantbeschichtung stabil bleibt erfolgt die Beschichtung bei niedrigen Substrattemperaturen unter 900 Grad Celsius.
Derzeit ist eine Prototypen-Beschichtungsanlage für Chromkarbid-Zwischenschichten in Planung, in der einfache Bauteile mit Zwischenschichten und Diamantschichten erzeugt werden sollen. Die so erzeugten Bauteilen werden auf ihre Härte-Eigenschaften geprüft (Härte, Reibung, Verschleiß, Korrosions- und Erosionsbeständigkeit, Antiadhäsionseigenschaften, Verzug) und dass Verfahren soll dann auf geometrisch komplexere Bauteile übertragen werden.
Erste Versuche mit der neuartigen gradierten Zwischenschicht sind erfolgversprechend, es wird allerdings noch viel Forschungsarbeit nötig sein, bevor die Diamantbeschichtung von Stahl in industriellem Maßstab möglich ist.