DLC Beschichtung

DLC Beschichtung – Aufbau, Eigenschaften und Einsatzbereiche

Eine DLC Beschichtung ist eine dünne, kohlenstoffbasierte Schutzschicht mit diamantähnlichen Eigenschaften. Die Abkürzung DLC steht für „Diamond-like Carbon“, auf Deutsch „diamantähnlicher Kohlenstoff“. DLC-Schichten werden auf Werkzeugen und technischen Bauteilen eingesetzt, um Reibung, Verschleiß und Materialanhaftungen zu reduzieren.

Die Kombination aus hoher Oberflächenhärte und geringer Reibung macht DLC insbesondere für Präzisionswerkzeuge, bewegte Maschinenteile und tribologisch belastete Komponenten interessant. Die tatsächlichen Eigenschaften hängen vom verwendeten Schichtsystem, dem Beschichtungsverfahren und dem jeweiligen Grundwerkstoff ab.

Was ist eine DLC Beschichtung?

Eine DLC-Beschichtung besteht überwiegend aus amorphem Kohlenstoff. Anders als bei natürlichem oder synthetisch hergestelltem Diamant besitzt die Schicht keine durchgehend kristalline Diamantstruktur.

Innerhalb der Schicht treten unterschiedliche Bindungsformen des Kohlenstoffs auf. Das Verhältnis dieser Bindungen beeinflusst unter anderem:

• die Härte,
• die Elastizität,
• den Reibungskoeffizienten,
• die Temperaturbeständigkeit,
• die elektrische Leitfähigkeit,
• die Verschleißfestigkeit.

DLC ist daher keine einzelne, fest definierte Beschichtung. Der Begriff beschreibt eine Gruppe verschiedener diamantähnlicher Kohlenstoffschichten.

Welche DLC-Schichtarten gibt es?

Je nach Zusammensetzung und Herstellungsverfahren werden verschiedene DLC-Systeme unterschieden.

Wasserstoffhaltige DLC-Schichten

Wasserstoffhaltige Schichten werden häufig als a-C:H bezeichnet. Sie bieten eine Kombination aus geringer Reibung, guter Verschleißfestigkeit und vergleichsweise elastischem Verhalten.

Wasserstofffreie DLC-Schichten

Wasserstofffreie Schichten können eine besonders hohe Härte und Verschleißbeständigkeit erreichen. Zu dieser Gruppe gehört unter anderem ta-C, sogenannter tetraedrisch gebundener amorpher Kohlenstoff.

Dotierte DLC-Schichten

Durch die Zugabe weiterer Elemente lassen sich bestimmte Eigenschaften gezielt beeinflussen. Abhängig vom Einsatzzweck können beispielsweise Reibungsverhalten, Zähigkeit, Temperaturbeständigkeit oder elektrische Eigenschaften angepasst werden.

Die Auswahl des richtigen Schichtsystems muss deshalb immer auf Werkzeug, Werkstoff und Bearbeitungsprozess abgestimmt werden.

Wie wird eine DLC Beschichtung hergestellt?

DLC-Schichten werden unter kontrollierten Bedingungen in speziellen Beschichtungsanlagen erzeugt. Dabei kommen unterschiedliche vakuum- und plasmagestützte Verfahren zum Einsatz.

Gebräuchlich sind unter anderem:

• PVD-Verfahren,
• PACVD- beziehungsweise PECVD-Verfahren,
• Lichtbogenverdampfung,
• Sputterverfahren,
• plasmagestützte Kohlenstoffabscheidung.

Vor dem Beschichten wird die Oberfläche gründlich gereinigt. Rückstände von Öl, Fett, Oxiden oder Bearbeitungsstoffen können die Haftung der Schicht beeinträchtigen.

Der typische Ablauf umfasst:

1. Reinigung des Bauteils oder Werkzeugs,
2. Einbringen in die Beschichtungsanlage,
3. Evakuieren der Prozesskammer,
4. Aktivieren und Reinigen der Oberfläche durch Plasma,
5. gegebenenfalls Aufbringen einer Haftvermittlerschicht,
6. Abscheiden der DLC-Schicht,
7. kontrolliertes Abkühlen,
8. Prüfung von Oberfläche, Haftung und Schichtqualität.

Die DLC-Schicht ist normalerweise nur wenige Mikrometer dick. Dadurch bleiben Maßhaltigkeit und Schneidengeometrie weitgehend erhalten. Dennoch muss die Beschichtung bereits bei der Werkzeugauslegung berücksichtigt werden.

Eigenschaften einer DLC Beschichtung

Die genauen Kennwerte unterscheiden sich zwischen den verschiedenen DLC-Systemen. Typische Eigenschaften sind:

• hohe Oberflächenhärte,
• geringe Reibung,
• gute Verschleißfestigkeit,
• geringe Neigung zu Materialanhaftungen,
• gute Beständigkeit gegenüber vielen chemischen Einflüssen,
• dünne und gleichmäßige Schichtdicke,
• Schutz vor abrasivem und adhäsivem Verschleiß,
• teilweise dunkle bis anthrazitfarbene Oberfläche.

Die geringe Reibung kann die Bewegung von Bauteilen erleichtern und den Energieverlust in tribologischen Kontakten reduzieren. Bei Zerspanungswerkzeugen unterstützt sie den Spanablauf und kann das Anhaften des bearbeiteten Materials an der Schneide vermindern.

Vorteile bei Zerspanungswerkzeugen

Eine DLC Beschichtung kann die Leistungsfähigkeit geeigneter Fräser, Bohrer und Schneidwerkzeuge verbessern. Besonders bei klebenden oder abrasiven Werkstoffen kann die beschichtete Oberfläche Vorteile bieten.

Zu den möglichen Vorteilen gehören:

• reduzierter Reibungswiderstand,
• geringere Aufbauschneidenbildung,
• verbesserter Spanablauf,
• reduzierte Materialanhaftung,
• geringere Wärmeentwicklung durch Reibung,
• erhöhte Verschleißfestigkeit,
• längere Werkzeugstandzeit,
• gleichmäßigere Bearbeitungsergebnisse,
• stabilere Oberflächenqualität.

Die Beschichtung kann jedoch keine ungeeignete Werkzeuggeometrie oder falsche Schnittwerte ausgleichen. Drehzahl, Vorschub, Zustellung und Werkzeugspannung müssen weiterhin an Werkstoff, Maschine und Werkzeugdurchmesser angepasst werden.

DLC-Beschichtung auf VHM-Werkzeugen

Als Grundmaterial beschichteter Präzisionsfräser wird häufig Vollhartmetall verwendet. VHM bietet eine hohe Steifigkeit, Druckfestigkeit und Maßhaltigkeit.

Die Verbindung aus Vollhartmetall und einer passenden DLC-Schicht ermöglicht Werkzeuge mit:

• stabiler Schneidengeometrie,
• hoher Rundlaufgenauigkeit,
• widerstandsfähiger Oberfläche,
• geringer Reibung,
• guter Verschleißfestigkeit.

Für ein zuverlässiges Ergebnis müssen Hartmetallsorte, Schneidenpräparation und Beschichtung aufeinander abgestimmt sein. Eine ungeeignete Vorbehandlung kann zu schlechter Schichthaftung oder frühzeitigem Abplatzen führen.

Geeignete Werkstoffe

DLC-beschichtete Werkzeuge werden häufig bei der Bearbeitung von Werkstoffen eingesetzt, die zu Anhaftungen neigen oder eine abrasive Wirkung besitzen.

Typische Anwendungswerkstoffe sind:

• Aluminium und ausgewählte Aluminiumlegierungen,
• Kupfer,
• Messing,
• Graphit,
• technische Kunststoffe,
• faserverstärkte Kunststoffe,
• Holz und Holzwerkstoffe,
• Verbundwerkstoffe,
• Leiterplattenmaterialien.

Bei der PCB-Bearbeitung kann eine geeignete DLC Beschichtung den Verschleiß durch glasfaserverstärkte Leiterplattenmaterialien reduzieren. Die konkrete Eignung hängt jedoch vom Fräser, dem Leiterplattenmaterial und den verwendeten Bearbeitungsparametern ab.

Einsatz bei Aluminium

Aluminium kann bei der Zerspanung zur Bildung von Aufbauschneiden neigen. Dabei lagert sich bearbeitetes Material an der Schneidkante an und verändert die wirksame Werkzeuggeometrie.

Die reibungsarme Oberfläche einer geeigneten DLC-Schicht kann diese Materialanhaftung reduzieren. Dadurch können Spanabfuhr, Prozessstabilität und Oberflächenqualität verbessert werden.

Entscheidend bleiben jedoch:

• eine scharfe Schneidengeometrie,
• ausreichend großer Spanraum,
• passende Schnittwerte,
• zuverlässige Spanabfuhr,
• geeignete Kühlung oder Minimalmengenschmierung, sofern erforderlich.

Einsatz bei Holz und Kunststoffen

Bei Holz, Holzwerkstoffen und technischen Kunststoffen kann die DLC-Schicht die Reibung zwischen Werkzeug, Span und Werkstoff reduzieren. Dies kann insbesondere bei längeren Bearbeitungszeiten und hohen Stückzahlen von Vorteil sein.

Bei Kunststoffen kann eine verringerte Reibung dazu beitragen, unerwünschte Erwärmung und Materialanhaftungen zu begrenzen. Die Wärmeentwicklung hängt dennoch wesentlich von Vorschub, Drehzahl, Schneidenanzahl und Werkzeuggeometrie ab.

Bei faserverstärkten Materialien steht vor allem der Schutz gegen abrasiven Verschleiß im Vordergrund.

DLC und CVD-Diamantbeschichtung im Vergleich

DLC-Beschichtungen dürfen nicht mit kristallinen CVD-Diamantbeschichtungen gleichgesetzt werden.

Eine DLC-Schicht besteht aus amorphem, diamantähnlichem Kohlenstoff. Eine CVD-Diamantbeschichtung besitzt dagegen eine kristalline Diamantstruktur und ist normalerweise deutlich dicker.

DLC bietet häufig:

• eine sehr glatte Oberfläche,
• geringe Reibung,
• geringe Schichtdicke,
• gute Maßhaltigkeit,
• vergleichsweise flexible Schichtsysteme.

CVD-Diamant bietet häufig:

• eine besonders hohe Härte,
• sehr hohe Beständigkeit gegen abrasiven Verschleiß,
• Vorteile bei stark abrasiven Verbundwerkstoffen,
• eine größere Schichtdicke.

Welche Beschichtung besser geeignet ist, hängt von Werkstoff, Werkzeuggeometrie, Schneidenradius, Belastung und Bearbeitungsaufgabe ab.

Grenzen der DLC Beschichtung

Trotz ihrer Vorteile ist eine DLC-Beschichtung nicht für jede Anwendung die beste Lösung.

Mögliche Einschränkungen sind:

• begrenzte Temperaturbeständigkeit bestimmter DLC-Systeme,
• hohe Anforderungen an die Oberflächenvorbereitung,
• mögliche Schichtablösung bei unzureichender Haftung,
• Empfindlichkeit gegenüber starken Schlagbelastungen,
• unterschiedliche Eignung für eisenhaltige Werkstoffe,
• höhere Werkzeugkosten gegenüber unbeschichteten Ausführungen.

Bei hohen Bearbeitungstemperaturen oder der Zerspanung bestimmter Stähle können andere Hartstoffschichten geeigneter sein. Die Auswahl sollte deshalb nicht allein anhand der Härte erfolgen.

Typische Anwendungen außerhalb der Zerspanung

DLC-Schichten werden nicht nur auf Schneidwerkzeugen eingesetzt. Weitere Anwendungsbereiche sind:

• Lager- und Gleitflächen,
• Kolben und Ventilkomponenten,
• Zahnräder,
• Pumpenbauteile,
• Führungen,
• Dichtflächen,
• Präzisionsmechanik,
• Medizintechnik,
• Fahrzeugtechnik,
• Komponenten der Automatisierungstechnik.

Überall dort, wo Reibung und Verschleiß reduziert werden sollen, kann ein geeignetes DLC-System technische Vorteile bieten.

Pflege DLC-beschichteter Werkzeuge

Beschichtete Werkzeuge sollten sorgfältig behandelt werden. Harte Schläge, unsachgemäße Reinigung und beschädigte Spannmittel können Schneidkante und Beschichtung beeinträchtigen.

Vor dem Einsatz sollten kontrolliert werden:

• Schneidkanten,
• Schichtoberfläche,
• Spannfläche,
• Rundlauf,
• Werkzeugaufnahme,
• Materialanhaftungen.

Verschmutzte Spannzangen und Werkzeugschäfte können den Rundlauf verschlechtern. Dadurch entstehen ungleichmäßige Belastungen, die Werkzeug und Beschichtung vorzeitig beschädigen können.

Häufige Fragen

Ist DLC eine echte Diamantbeschichtung?

Nein. DLC besitzt diamantähnliche Eigenschaften, besteht jedoch aus amorphem Kohlenstoff. Eine kristalline CVD-Diamantbeschichtung ist ein anderes Schichtsystem.

Welche Farbe hat eine DLC-Beschichtung?

Viele DLC-Schichten erscheinen dunkelgrau, anthrazit oder schwarz. Die sichtbare Farbe kann sich jedoch je nach Schichtsystem, Dicke und Grundwerkstoff unterscheiden.

Kann eine DLC-Beschichtung nachgeschärft werden?

Beim Nachschärfen wird die Beschichtung im bearbeiteten Schneidenbereich entfernt. Soll das Werkzeug seine beschichteten Eigenschaften behalten, muss es anschließend fachgerecht neu beschichtet werden.

Ist DLC für Aluminium geeignet?

Geeignete DLC-Systeme können bei Aluminium die Reibung und Materialanhaftung reduzieren. Werkzeuggeometrie, Legierung und Schnittwerte müssen dennoch zur Bearbeitungsaufgabe passen.

Fazit

Die DLC Beschichtung verbindet eine hohe Oberflächenhärte mit geringer Reibung und guter Verschleißfestigkeit. Bei geeigneten Werkzeugen und Bauteilen kann sie Materialanhaftungen reduzieren, den Spanablauf unterstützen und die Standzeit verlängern.

Für ein zuverlässiges Ergebnis müssen Schichtsystem, Grundmaterial, Oberflächenvorbereitung und Einsatzbedingungen aufeinander abgestimmt werden. DLC ist deshalb keine universelle Beschichtung, sondern eine gezielt auszuwählende technische Lösung für reibungs- und verschleißbeanspruchte Oberflächen.