Vakuumbeschichtung: Anwendungen Teil II Funktionelle und dekorative Schichten auf Glas, Kunststoff, Papier und Metallen — Tribologie — Korrosionsschutz — Informationsspeicherung — CVD-Anwendungen [1. Aufl.] 978-3-540-62277-2;978-3-642-58008-6

Table of contents :
Front Matter ....Pages I-XI
Beschichtung von Architekturglas und Automobilglas (G. Kienel)....Pages 1-28
Tribologie (E. Broszeit, G. Kienel, B. Matthes)....Pages 29-73
Beschichtung von Kunststofformteilen (G. Kienel)....Pages 74-86
Vakuumbeschichtung von Kunststoffolien und Papier (G. Kienel)....Pages 87-113
Dünne Schichten zur Informationsspeicherung (K. Röll)....Pages 114-133
Eigenschaften und Herstellung von optisch transparenten, elektrisch leitfähigen Oxidschichten (A. Dietrich)....Pages 134-145
Dünne Schichten in der Displaytechnik (N. Marschall)....Pages 146-171
Schutzschichten gegen korrosiven Angriff bei hohen Temperaturen (A. Feuerstein, G. Kienel)....Pages 172-182
Dekorative und funktionelle Schichten für Metallbänder, Drähte und Fasern (G. Kienel, H. Lämmermann)....Pages 183-199
CVD-Anwendungen (G. Wahl)....Pages 200-228
Back Matter ....Pages 229-256

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Gerhard Kiene} (Hrsg.) . Vakuumbeschichtung 5

Vakuumbeschichtung 5 Anwendungen Teil 11 II Funktionelle und dekorative Schichten auf Glas, Kunststoff, Papier und Metallen - Tribologie Korrosionsschutz - Informationsspeicherung CVD-Anwendungen Herausgeber: Prof. Dr. Gerhard Kienel Dr.-Ing. Erhard Broszeit Dr. rer. nato nat. Anton Dietrich nat. Albert Feuerstein Dr. rer. nato nat. Gerhard Kienel Prof. Dr. rer. nato Dipl.-Ing. Helmuth Lämmermann Lămmermann Dr. phil. nat. nato N orbert Marschall Dipl.-Ing. Bernd Matthes Prof. Dr. rer. nat. Klaus Roll Röll Prof. Dr. rer. nat. Georg Wahl

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Vakuumbescbichtung / Hrsg.: Gerhard KieneI.- Diisseldorf: VOI-VerI. NE: Kienel, Gerhard [Hrsg.] 5. Anwendungen. - Teil II. Funktionelle und dekorative Schichten auf Glas, Kunststoff, Papier und Metallen Tribologie - Korrosionsschutz - Informationsspeicherung CVD-Anwendungen / Erhard Broszeit ... - 1993 NE: Broszeit, Erhard

©

Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1993 Ursprunglich erschienen bei VDI-Verlag GmbH. DUsseldorf 1993

Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollstăndigen photomechanischen Wiedergabe (Photokopie, Mikrokopie) und das der Obersetzung, vorbehalten.

Herstellung: PROserv, Berlin Satz: Fotosatz-Service Kohler OHG, Wiirzburg ISBN 978-3-642-63432-1 ISBN 978-3-642-58008-6 (eBook) DOI 10.1007/978-3-642-58008-6

Vorwort

Die Vakuumbeschichtung befindet sich in einer Phase starker Ausweitung. Die letzten Jahre sind gekennzeichnet durch viele bedeutende Neuentwicklungen auf den Gebieten der Verfahrenstechnik (plasmagestiitzte CVD- und PVD-Verfahren mit ihren zahlreichen Varianten und Ausfiihrungsformen), der MeB- und Priiftechnik (z. B. Oberflachen- und Diinnschichtanalyse, Rastertunnelmikroskopie, Einsatz von Lasern fiir Messungen an Substraten und diinnen Schichten) und der Vervollkommnung der Anlagentechnik, die besonders durch den Einsatz des Hochleistungszerstaubens wesentliche Impulse erhielt. Mit dem Unbalanced Magnetron sind bessere Targetausnutzungen, hohere Raten und langere ununterbrochene Betriebsdauern moglich als mit dem Magnetron in seiner klassischen Ausfiihrungsform. Wesentlich umfangreicher ist auch die Palette der Anwendungen der Vakuumbeschichtungstechnik geworden. Zu schon seit Langerem bekannten industriellen Anwendungen (z. B. Optik, Elektronik, Kunststoffbeschichtung) kommen weitere, teilweise noch in der Entwicklung oder in der Anfangsphase der technischen Nutzung befindliche Gebiete wie Mikromechanik und Sensoren, Supraleitung, Optoelektronik, Solarzellen und Tribologie hinzu. Die Anzahl der weltweit iiber Diinne Schichten und ihre Anwendungen in mehr als 200 Zeitschriften und Tagungsbanden erscheinenden Veroffentlichungen diirfte iiber 10000 pro Jahr liegen. Dem neuesten Stand entsprechende zusammenfassende Darstellungen dieses umfangreichen Wissensgebietes erleichtern den Einstieg und dienen der allgemeinen Information. So war das 1987 erschienene Werk "Diinnschichttechnologie" als einzige deutschsprachige Monographie zu dieser Zeit kurz nach seinem Erscheinen vergriffen, so daB ein unveranderter Nachdruck erforderlich wurde. Bei der starken Ausweitung des Stoffgebietes ware eine Uberarbeitung und Aktualisierung bei gleichbleibendem Umfang ohne drastische Streichungen wichtiger Teilgebiete nicht moglich gewesen. Um die Ausfiihrlichkeit der Darstellung beibehalten zu konnen, erscheint die "Vakuumbeschichtung" als Nachfolgewerk der "Diinnschichttechnologie" in fiinf Banden, wobei jeder Band fiir sich lesbar ist. In den einzelnen Banden werden folgende Stoffgebiete abgehandelt: Band 1: Band 2: Band 3: Band 4: Band 5:

Plasmaphysik und -Diagnostik Verfahren und Anlagen Anlagenautomatisierung, MeB- und Analysentechnik Anwendungen der Vakuumbeschichtung Teil I Anwendungen der Vakuumbeschichtung Teil II

Der vorliegende Band 5, in dem - wie auch in Band 4 - Anwendungen der Vakuumbeschichtung abgehandelt werden, wendet sich an Naturwissenschaftler, Wissenschaftler

v

in Forsehung und Entwieklung sowie an Ingenieure und Techniker in der Fertigung. Das Werk solI nieht nur Wissen vermitteln, sondem aueh als Naehschlagwerk dienen, DenkanstoBe fiir weitere Entwieklungen geben und Hilfe leisten bei der Losung anwendungstechniseher Probleme. Gerhard Kienel Hanau 1993

VI

Inhalt

1

Beschichtung von Arcbitekturglas und Automobilglas von G. Kienel . . . . . .

1

1.1

Allgemeines

1

1.2 Optische Eigenschaften von Fensterglas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

1.3 Wiirmediimmschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Grundsiitzliches. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Unbeschichtete Einfachverglasungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3 Unbeschichtete Doppelverglasungen (Isolierglas) . . . . . . . . . . . . . 1.3.4 Beschichtete Doppelverglasungen (Isolierglas) . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.5 Leistungsbilanz bei Isoliergliisem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 3 4 5 6 6

1.4 Sonnenschutzschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1 Grundsiitzliches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1.4.2 Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 7 8

1.5 Schichtsysteme und Schichteigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 5.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5.2 Wiirmediimmschichten ohne wesentliche Sonnenschutzwirkung .... 1.5.2.1 Einfachschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1.5.2.2 Schichtsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1.5.3 Schichten mit Wiirmediimm- und Sonnenschutzwirkung . . . . . . . . . . 1.5.4 Sonnenschutzschichten ohne wesentliche Wiirmediimmwirkung ....

9 9 10 10 11 12 12

1.6 Beschichtung von Automobilglas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

1.7 Beschichtungstechnologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7.1 Chemische Beschichtungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7.2 Beschichten durch Aufdampfen im Hochvakuum . . . . . . . . . . . . .. 1.7.3 Beschichten durch Katodenzerstiiubung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7.3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7.3.2 Einkammeranlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7.3.3 Zweikammeranlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7.3.4 Mehrkammerdurchlaufanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19 19 20 21 21 21 24 25

1.8 Zusammenfassende Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 VII

2

Tribologie von E. Broszeit, G. Kienel, B. Matthes . . . . . . . . . . . . . . . ..

2.1

Allgemeines von E. Broszeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29

29

2.2 VerschleiBmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3 VerschleiBpriifung durch direkte und indirekte MeBmethoden . . . . . . . ..

30

2.4 VerschleiBminderung durch Oberfliichenbeschichtung . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.5 Bevorzugte Beschichtungsmethoden fiir tribologisch beanspruchte Schichten 2.5.1 Allgemeines von G. Kiene! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.2 CVD-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2.5.3 PVD-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

33 33 39 42

2.6 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.1 Dekorative abriebfeste Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2.6.2 VerschleiBminderung bei Werkzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2.6.2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2.6.2.2 Anwendung von CVD-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.2.3 Anwendung von PVD-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.3 Reibungsmindemde Schichten unter Gleitbeanspruchung . . . . . . . . . 2.6.3.1 Allgemeines von E. Broszeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2.6.3.2 Weichmetallische Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2.6.3.3 Me-C:H- und a-C:H-Schichten von B. Matthes. . . . . . . . . . . . .. 2.6.4 Reibungsmindemde Schichten bei Wiilzbeanspruchung . . . . . . . . . . 2.6.4.1 Allgemeines von E. Broszeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2.6.4.2 MoS 2 -Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.5 Hartstoffschichten auf Bauteilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2.6.5.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2.6.5.2 Tribologisches Verhalten von TiN-Schichten in Fliigelzellenpumpen

45 45 49 49 52 55 62 62 64 66 70 70 70 71 71 72

3

Beschichtung von KunststotTormteilen von G. Kienel . . . . . . . . . . . . . . .

74

3.1

Allgemeines.........................................

74

3.2 Arbeitsgiinge vor und nach dem Metallisieren von Kunststofformteilen . .. 3.2.1 Grundlackierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Schutzlackierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.2.3 Haftfestigkeit .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

74 74 75 75

3.3 Anlagen zum Metallisieren von Kunststofformteilen . . . . . . . . . . . . . ..

76

3.4 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Kunststoffteile mit hohem Reflexionsvermogen im sichtbaren Spektralbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.4.2 Erzeugung verschiedener Goldtone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82

VIII

82 83

3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6

Erzeugung verschiedener Farbtone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Iriseffekte (Regenbogeneffekte) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Abschirmschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Beschichten von CD-Plattenspeichern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

84 84 84 85

4

Vakuumbeschichtung von Kunststoffolien und Papier von G. Kienel . . . . ..

87

4.1

Problemstellungen bei der Folienbeschichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

87

4.2 Autbau und Wirkungsweise von Folienbeschichtungsanlagen . . . . . . . . . 4.2.1 Vakuumtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4.2.2 Wickelsystem ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4.2.3 Beschichtungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4 Zum ProzeBablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

88 88 91 93 98

4.3

Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Kondensatorfolie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4.3.2 Verpackungsfolie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4.3.3 Folien fUr Architekturglas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4.3.4 Photoleitende Schichten fUr die Herstellung von photographischen Filmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.5 Einige zukunftige Anwendungen von beschichteten Folien . . . . . . . 4.3.5.1 Speicherschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.5.2 Transparente leitende Schichten ..... . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4.3.5.3 Interferenzschichten auf Kunststoffolien . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4.3.6 Beschichten von Folien in Luft-zu-Luft-Anlagen . . . . . . . . . . . . ..

102 102 102 106 109 111 111 111 112 112

5

Dunne Schichten zur Informationsspeicherung von K. Roll

5.1

EinfUhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

5.2

Magnetische Aufzeichnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Aufzeichnungs- und Wiedergabetechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5.2.2 Longitudinale und vertikale Aufzeichnung in dunnen Schichten . . .. 5.2.3 Schichtsysteme fUr die magnetische Aufzeichnung . . . . . . . . . . . .. 5.2.4 Schreib-Lese-Kopfe in Dunnschichttechnik . . . . . . . . . . . . . . . ..

114 114 117 118 124

5.3

Optische und magnetooptische Informationsspeicherung 5.3.1 Prinzipien der optischen Speicherung . . . . . . . . . 5.3.2 Magnetooptische Schichtsysteme . . . . . . . . . . . . 5.3.3 Herstellungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

125 125 128 130

6

Eigenschaften und Herstellung von optisch transparenten, elektrisch leitfahigen Oxidschichten von A. Dietrich . . . . . . . . . . . . . . . 134

6.1

Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 134

. . . . . . . . . . . 114

............ . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . ..

6.2 Schichteigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 IX

6.3 Herstellungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.1 Pyrolyseverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.2 Aufdampfverfahren ........ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 6.3.3 Zerstiiubungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

137 137 137 138

6.4 Anwendungsspezifische Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.1 Displayanwendungen .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 6.4.2 Antistatik- und Abschirmschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.3 Solarzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 6.4.4 Elektrisch beheizbare Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.5 Wiirmereflektierende Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

142 142 144 144 144 145

7

DUnne Schichten in der Displaytechnik von N. Marschall . . . . . . . . . . . . 146

7.1

Einfiihrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 7.1.1 Aufgabe und Anforderungen .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 146 7.1.2 Entwicklungstrends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

7.2 Funktionsbereiche fUr Diinnschichten in der Displaytechnik . . . . . . . . . 7.2.1 Uberblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.2 Spezielle Funktionsschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.2.1 Leiterbahnschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7.2.2.2 Aktive optische Funktionsschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7.2.2.3 Halbleiter- und Isolator-Steuerschichten . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7.2.2.4 Passive optische Funktionsschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

147 147 148 148 151 158 169

Schutzschichten gegen korrosiven Aogriff von A. Feuerstein, G. Kienel ... 172

8.1 Aufgabenstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 8.2 Beschichtung von Turbinenschaufeln durch Elektronenstrahlverdampfung. 173 8.2.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 173 8.2.2 ProzeBablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 8.3 Beschichtung von Turbinenschaufeln durch NiederdruckPlasmaspritzen (LPPS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 180 8.3.1 Bemerkungen zum Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 180 8.3.2 ProzeBablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 8.4 Weitere Entwicklungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 182 9

Dekorative und funktionelle Schichten fiir Metallbiinder, Driihte und Fasern von G. Kienel, H. Liimmermann . . . . . . . . . . . . . .. 183

9.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 183 9.2 Beschichten von Stahlbiindern ...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 187

x

9.2.1 Vakuumtechnische Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 187 9.2.2 Bandreinigung und Bandheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . " 189 9.2.3 BeschichtungsprozeB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 9.3

Beschichten von Driihten und Fasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

10

CVD-Anwendungen von G. Wahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

10.1 EinfUhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 10.2 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.1 Vollmaterialherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.2 Beschichtung von Fasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10.2.3 Chemische Infiltrationsmethoden (CVI = chemical vapor infiltration) 10.2.4 ECVD-Verfahren zur Herstellung von Elektrolytschichten . . . . . .. 10.2.5 CVD-Schichten bei der Herstellung optischer Fasern . . . . . . . . .. 10.2.6 MOCVD von III-V-Verbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10.2.7 Schichten in der Si-Technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10.2.7.1 Si-Epitaxie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10.2.7.2 Isolierende Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.7.3 Leitermaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10.2.8 Produkte fUr die Halbleitertechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10.2.9 Harte Schichten fUr tribologische Anwendungen . . . . . . . . . . . .. 10.2.9.1 TiC-, TiN- und Al 20 3 -Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10.2.9.2 Boridschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.9.3 Superharte Schichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.9.4 Tribologische Schichten, die bei tiefen Temperaturen abgeschieden werden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.10 Korrosionsfeste Schichten in Gasturbinen . . . . . . . . . . . . . . ..

203 203 204 206 209 211 212 213 213 214 216 217 218 218 220 221 223 224

10.3 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 226

Literator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 AutorenIiste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256

XI

1 Beschichtung von Architekturglas und Automobilglas G.KIENEL

1.1 AUgemeines Wegen besserer Raumausleuchtung und besserer Sichtmoglichkeiten zur AuBenumgebung hat in den letzten Jahrzehnten bei bewohnten Gebiiuden der Anteil von Fenstem an den Fassadenfliichen erheblich zugenommen. Damit verbunden ist ein vermehrter EinfluB der Fenster auf den Energiehaushalt von Gebiiuden. Bei energetischen Berechnungen miissen eine ganze Reihe von Faktoren beriicksichtigt werden, von denen meist nur Mittelwerte oder auch nur Richtwerte bekannt sind. Neben Intensitiit und zeitlichem Verlauf der Sonneneinstrahlung spielen z. B. die Temperaturverhiiltnisse und die Wiirmespeicherfiihigkeit der Riiume eine wesentliche Rolle. Ganz allgemein kann aber folgendes gesagt werden: Durch Sonneneinstrahlung erhoht sich die Temperatur in Riiumen. Das fUhrt in den wiirmeren Zeiten des Jahres und besonders in sonnenreichen Zonen zu einem erhohten Energiebedarf fUr die Raumklimatisierung, wiihrend der Heizperiode dagegen zu einer Energieeinsparung. Bei energetischen Betrachtungen ist auBerdem zu beriicksichtigen, daB es zu Energieverlusten durch Abstrahlung aus Riiumen durch die Fenster hindurch kommt. Diese Verluste konnen wiihrend der Heizperiode sehr betriichtlich sein. Ein Fenster dient somit gleichzeitig als Wiirmesenke und als Sonnenkollektor, und in die Energiebilanz gehen sowohl der Wiirmedurchgangskoefftzient als auch der GesamtenergiedurchlaB ein [1-1 bis 1-8]. Die Meinung, daB die Energieeinsparung mit abnehmendem Fensterfliichenanteil zunehme, ist nicht zutreffend. Durch Verwendung von Isolierglas und Beschichten von mindestens einer Innenfliiche mit diinnen Schichten bestimmter Eigenschaften konnen die Energieverluste so niedrig gehalten werden, daB der Fliichenanteil von Glas auch im "Haus der Zukunft" nicht eingeschriinkt zu werden braucht. Einfach verglaste Scheiben sind in der Bundesrepublik Deutschland und auch vielen anderen Liindem bei Neubauten nicht mehr zuliissig. Der sogenannte k-Wert, der Wiirmedurchgangskoefftzient, der ein MaB fUr die Raumstrahlungsverluste darstellt, liegt mit 5,8 W m - 2 K -1 viel zu hoch im Vergleich zu einem auch nur miiBig isolierenden Mauerwerk. Es gibt verschiedene Moglichkeiten, die Energieverluste bei unterschiedlichsten klimatischen Bedingungen drastisch zu reduzieren. Bei Isolierglas mit einem Luftzwischenraum von 10 bis 16 mm betriigt der k- Wert 3 W m - 2 K -1, bei Isolierglas mit zwei Luftzwischenriiumen vonje 10 bis 16 mm 2,1 W m - 2 K -1 und bei Isoliergliisem mit drei Luftzwischenriiumen etwa 1,3 W m - 2 K - 1. Nachteile von Mehrfachscheiben sind das erhohte Gewicht und die Mehrfachreflexionen. An jeder Glasoberfliiche werden etwa 4 % des einfallenden Lichtes reflektiert. In zunehmendem MaBe werden heute aus zwei Scheiben bestehende Isoliergliiser verwendet. Energieverluste sind zu etwa 1/3 aufWiirmeleitung und zu etwa 2/3 auf Raumstrahlung zuriickzufiihren. Wiihrend die Wiirmeleitung durch Optimierung des Scheibenabstandes 1

und durch die Art des Fiillgases minimiert werden kann, ist eine Verminderung des Energieaustausches durch Strahlung iiber eine Herabsetzung des Emissionsvermogens moglich. Dies erreicht man durch diinne Schichten, die im Wellenlangenbereich der Raumstrahlung iiber ein hohes Reflexionsvermogen Rs und dernzufolge wegen e = 1 - Rs iiber ein geringes Emissionsvermogen e verfiigen. Mit aus zwei Scheiben bestehendem Isolierglas mit beschichteter Innenflache sind die gleichen k-Werte erreichbar wie mit aus drei oder vier Scheiben bestehendem Isolierglas ohne Beschichtung. Die Eigenschaften der diinnen Schichten konnen durch Materialauswahl, Aufbau des Schichtsystems und Schichtdicke den jeweiligen Erfordernissen angepaBt werden. Durch Warmedammschichten wird der Energietransport yom Gebaudeinnern zur AuBenatmosphare verringert. Die Schichten miissen daher im Infrarotbereich ein moglichst hohes Reflexionsvermogen haben. In der Praxis sind Werte zwischen 0,9 und 0,96 iiblich, wahrend ihre Eigenschaften im sichtbaren Spektralbereich keinen EinfluB auf de Warmedammung ausiiben, wohl aber auf die Gesamtenergiebilanz. llei den Sonnenschutzschichten vermindern die Schichten durch Reflexion und Absorpion die Lichteinstrahlung und damit den Energietransport von auBen nach innen.

I

DaB auch bei groBerem Fensterflachenanteil eine drastische Einsparung an Heizkosten moglich ist, bestatigt das folgende Beispiel. Mauern haben heute k- Werte unter 0,5 W m - 2 K -1, dreifachverglaste Fenster ohne Beschichtung dagegen 1,5 W m - 2 K -1. Fenster bilden daher in der kalten Jahreszeit und besonders nachts eine Warmesenke. Es gibt verschiedene Moglichkeiten, die Energieverluste zu reduzieren. Bei zweckentsprechender Ausfiihrung der Fensterrahmen verringert sich selbst bei einer Doppelverglasung der k- Wert drastisch, wenn zwischen den beiden Glasscheiben, die einen Abstand von 10 mm haben, zwei diinne Polyesterfolien aufgespannt werden. Diese beiden Folien, einseitig belegt mit einer die Infrarotstrahlung reflektierenden Silberschicht, vermindern die Raumabstrahlung und die Luftzirkulation. Wie Versuche in einem mehrgeschossigen Biirogebaude mit groBem Fensterflachenanteil ergeben haben, geniigt fiir den Ausgleich des Energiedefizits allein die Energieabgabe von der Beleuchtung, den Biiromaschinen und dem Biiropersonal. Eine konventionelle Heizung eriibrigt sich, das Schlagwort "Haus ohne Heizung" ist also berechtigt [1-9]. Wenn man auBerdem noch beriicksichtigt, daB Fenster bei Lichteinstrahlung eine Energiequelle darstellen, so bestatigt dieses Beispiel nicht nur, daB im "Haus der Zukunft" der Fensterflachenanteil beliebig groB sein darf, sondern daB er zur Energieeinsparung sogar eine von den klimatischen Verhaltnissen abhangige MindestgroBe haben sollte. Grundsatzlich ist es moglich, Architekturglaser so zu beschichten, daB der Energietransport in beide Richtungen vermindert wird, wobei nach den jeweils herrschenden Lichtund Klimaverhaltnissen der Energieaustausch mehr in der einen oder anderen Richtung verringert werden kann.

1.2 Optische Eigenschaften von Fensterglas Die optischen Eigenschaften von Fensterglas hangen von der Glasart, der Glasdicke und yom Einfallswinkel des Lichtes abo Reflexion und Transmission von 3 mm dickem Floatglas im Wellenlangenbereich von 200 nm bis 15 Jlm sind in Bild 1-1 dargestellt. 98 % der auf der Erde ankommenden Lichtenergie entfallen auf den Wellenlangenbereich

2

100 %

,..--.

80 le

a 60

'ii

.~

e

e

40

I-

Bild 1-1. Transmission von Fensterglas in Abhiingigkeit von der eingestrablten Wellenlange.

20

i.-J\

\

5

Wel\enliinge A

10

15

von 200 nm bis 2,5 11m. In diesem Bereich ist die Transmission von Fensterglas am groBten. Als Durchschnittswerte im sichtbaren Bereich kann man zu Grunde legen: Transmission Reflexion Absorption

= 87% rs = 8% as = 5%. Is

Bei idealen Verhiiltnissen und senkrechtem Lichteinfall betriigt die maximale Strahlungsleistung S = 800 W m - 2. Fur die Raumstrahlung liegt nach dem Wienschen Verschiebungsgesetz fUr T = 293 K das Energiemaximum bei 10 11m. 98 % der Energie werden im Bereich zwischen 3 und 30 11m abgestrahlt. U nter Beriicksichtigung der relativ geringen Durchliissigkeit von Fensterglas fUr Wellenliingen groBer als 10,5 11m ergeben sich fiir die Raumstrahlung folgende Mittelwerte: Transmission Reflexion Absorption

Ir

rr

= 3% = 8%

ar = 89%.

Die Raumstrahlung eines schwarzen Korpers bei T = 293 K betriigt 418 W m - 2, ist also halb so groB wie die maximale einfallende Sonneneinstrahlung. H6here Sonneneinstrahlung als Raumabstrahlung fUhrt zum sog. Treibhauseffekt.

1.3 Wiirmediimmschichten 1.3.1 Grundsiitzliches Der WiirmedurchlaBwiderstand 1/A eines Bauteiles dient zur Beurteilung der Wiirmediimmung und der WiirmedurchgangskoefflZient k zur Beurteilung des Transmissions-

3

warmeverlustes von Bauteilen. Entsprechend DIN 4108, Teil2 [1-10], gilt fUr mehrschichtige Bauteile (1-1) worln

s die Dicke des Bauteiles und A. die Warmeleitfahigkeit ist. Der Warmedurchgangskoeffizient k (in W m - 2 K - 1) wird aus dem WarmedurchlaBwiderstand 1/A unter Beriicksichtigung der WarmeiibergangswidersHinde oc j , . auf der Innen- bzw. AuBenseite berechnet nach

1 1

k= 1

(1-2)

1

-+-+OC A oc. j

Fiir Mehrscheibenglaser gilt 1

-

k

= -

1

k1

1 1 ++ ... +-.

k2

(1-3)

kn

Als RechengroBen sind in DIN 4108, Teil4 und DIN 67507 [1-11] festgelegt: WarmeleitHihigkeit Warmeiibergangskoeffizient Warmeiibergangskoeffizient

A.

0,8 W m - 1 K -1 OCj = 8 W m - 2 K - 1 oc. = 23 W m - 2 K - 1 . =

1.3.2 1Jnbescbichtete Einfachverglasungen Fiir Einfachverglasungen mit einer Glasdicke von 3 mm gilt nach Gl. (1-2) k =

1

'8 +

1 3· 10- 3 8 ·10 1

+

1 23

= 5,8 Wm- 2 K- 1 .

Je nach Fensterlage und Klimabedingungen sieht die Leistungsbilanz unterschiedlich aus. Legt man z. B. einen Temperaturunterschied zwischen Innenraum und AuBenraum von 20 K zu Grunde, so ergibt sich ein Leistungsverlust von 5,8 . 20 = 116 W m - 2. Wiirde dem eine Einstrahlungsleistung von 460 W m - 2 - dies entspricht etwa der Balfte des maximal moglichen Wertes - gegeniiberstehen, so ergabe sich eine Leistungsdifferenz von 344 W m - 2. Durch diesen OberschuB konnte theoretisch durch eine Stunde Sonnenschein der Leistungsverlust, der in etwa drei Stunden ohne Sonneneinstrahlung entsteht, ausgeglichen werden. Schon dieses einfache Beispiel zeigt, daB fUr die Leistungsbilanz der Warmedurchgangskoeffizient (k- Wert) und der GesamtenergiedurchlaBgrad (g- Wert)

4

von ausschlaggebender Bedeutung sind. Die theoretischen Werte werden jedoch in der Praxis nicht erreicht, da ein sehr groBer LeistungsiiberschuB eine Oberhitzung der Riiume zur Folge haben wiirde, die i. a. durch 6ffnen der Fenster oder andere geeignete MaBnahmen abgebaut werden miiBte.

1.3.3 Unbescbichtete Doppelverglasungen (Isolierglas) Fiir aus zwei Scheiben bestehendes Isolierglas lassen sich die Raumstrahlungsverluste wie folgt berechnen: 11111111 - = - + - = - + - + - - + - + -. k kl k2 Ot: i Al Ot:l-Z Az Ot:a

(1-4)

Die nur sehr geringe Durchliissigkeit von Gliisern oberhalb etwa 10,5 J.lffi wird dabei nicht beriicksichtigt. Wiihrend die Wiirmeiibergangskoeffizienten Ot:i und Ot:a und auch Al und A z als RechengroBen festliegen, muB Ot: 1 - z berechnet werden. Dieser Obergang von Scheibe 1 zu Scheibe 2 enthiilt einen Strahlungs-, einen Wiirmeleitungs- und einen Konvektionsanteil Ot: konv ' Es gilt (1-5) In der Gleichung bedeutet 81 8z

Tl Tz (1

Emissionsgrad der Scheibe 1, Emissionsgrad der Scheibe 2, Temperatur der Scheibe 1, Temperatur der Scheibe 2, 5,67'10- 8 Wm- 2 K- 4 ,

,tGBS Wiirmeleitfahigkeit des Gases zwischen den beiden Scheiben, d1 - z Scheibenabstand. Das erste Glied stellt den Strahlungsanteil, das zweite Glied den Wiirmeleitungsanteil und das dritte Glied den Konvektionsanteil dar. Mit d 1 - Z=16mm, T1 =283K, Tz =293K, ergibt sich nach Gl. (1-5)

81

=8Z = 0,89 und ,tLurt=0,026Wm- 1 K- 1

(1-6) Da aufgrund von Messungen ein k-Wert von 3 W m - z K - 1 ermittelt wurde, so ergibt sich nach Einsetzung aller Werte in Gl. (1-4) fUr Ot: 1 -2 = 6,3 Wm- z K -1 und nach Gl. (1-6) ein Konvektionsanteil von 0,32 W m - z K -1. Damit geschieht der Energieaustausch zwischen den beiden Scheiben zu 70 % durch Strahlung, zu 25 % durch Wiirmeleitung und 5% durch Konvektion [1-12].

5

1.3.4 Beschichtete Doppelverglasungen (Isolierglas) In die Energiebilanz gehen vor allem die Strahlungsverluste ein, die schon durch Beschichten einer Scheibe im Zwischenraum bedeutend herabgesetzt werden konnen. Mit 82 = 0,1 ergibt sich nach Gl. (1-5) ein Strahlungsanteil von 0,52 W m - 2 K -1. Gegenuber der unbeschichteten Scheibe verringem sich die Strahlungsverluste auf etwa 12 % und sind damit niedriger als die Warmeleitungsverluste, vgl. Gl. (1-6). Mit 82 = 0,05, ein Wert, der auch unter Berucksichtigung von Nebenbedingungen mit den heutigen Beschichtungsverfahren durchaus realisierbar ist, verringem sich die Strahlungsverluste auf etwa 6%. Fur den k-Wert ergibt sich mit LuftfUllung 1,72 bzw. 1,66 Wm- 2 K -1. Bei Innenbeschichtung beider Scheiben wird mit 81 = 82 = 0,1 der Energieaustausch durch Strahlung zwischen den beiden Scheiben 0,28 W m - 2 K -1 und mit 8 1 = 82 = 0,05 nur 0,14 Wm- 2 K- 1 und k = 1,6 bzw. 1,53 Wm- 2 K- 1 . Die Strahlungsverluste betragen dann gegenuber denen einer unbeschichteten Doppelscheibe nur noch 6,4 bzw. 3,2%. Eine weitere Verbesserung der Warmedammung ist durch Fullung des Zwischenraumes mit Gasen geringer Warmeleitung und Konvektionsneigung moglich [1-13]. Bei ArgonfUllung mit AAr = 0,018 W m - 2 K -1 und einem Scheibenabstand von 2 = 16 mm ergibt sich fUr den Warmeleitungsanteil

dl -

(XAr

AAr

= - d = 1,13Wm 1-2

-2

K

-1

.

Unter der vereinfachenden Annahme, daB der Konvektionsanteil bei Argon- und LuftfUllung gleich ist, ergibt sich bei einem auf beiden Innenseiten beschichteten Zweifachisolierglas mit 8 1 = 82 = 0,05 und ArgonfUllung bei einem Scheibenabstand von 16 mm k = 1,24 W m - 2 K -1. U nter diesen Verhaltnissen entstehen die Energieverluste zu 71 % durch Warmeleitung, 20% durch Konvektion und 9% durch Strahlung.

1.3.5 Leistungsbilanz bei Isoliergliisern Bei einer unbeschichteten Zweifachisolierglasscheibe mit einem k- Wert von 3 W m - 2 K -1 und einer Temperaturdifferenz yom Innenraum zur AuBenatmosphare von 20 K treten Leistungsverluste auf·von

Stehen diesen Verlusten Einstrahlungsleistungen von z. B. 420 W m - 2 gegenuber, so entsteht ein UberschuB von 360 W m - 2, d. h., eine Stunde Sonnenschein gleicht unter den angegebenen Verhaltnissen die Abstrahlungsverluste von sechs Stunden ohne Sonneneinstrahlung aus. Bei beschichteten Isolierglasem hangt die Leistungsbilanz auBer yom k-Wert von den Transmissionsverhaltnissen im Wellenlangenbereich zwischen 200 nm und 2,51lm abo 1m Idealfall sollten Warmedammschichten in diesem Bereich die Sonneneinstrahlung weder durch Reflexion noch durch Absorption mindem. Andemfalls werden die durch kleine k-Werte verminderten Transmissionswarmeverluste durch eine Verringerung des EnergiedurchlaBgrades teilweise wieder kompensiert. Ein moglichst groBer GesamtenergiedurchlaBgrad ist daher besonders in den Ubergangszeiten zu 6

27,----,----,----,----,-----,----,

...

26~--~----+----+--~1-----r---~

~

B

'"~25~--~----+_--r+----~----r_--_1 a.

E

Q)

Bild 1-2. Zeitverlauf der Raumlufttemperatur in einem nach Siiden orientierten Raum mit verschieden groBem Fensterfliichenanteil. Zu Grunde liegende Daten: Strahlungsreicher Wintertag, Raum in schwerer Bauart inmitten eines gr6Beren Biirogebiiudes.

.E

~24~--~----+_-r_+----1r----r_--_1

E

:J

a: '"

23~--~----+_+-~--~4-~~r_--_1

Tageszeit

Beginn und bei Auslauf einer Heizperiode erwiinscht. Andererseits konnen an strahlungsreichen Wintertagen bei zu groBem Fensterfliichenanteil sogar Raumiiberhitzungen auftreten [1-2]. Wiihrend in einem nach Siiden orientierten Raum (Bild 1-2) mit 50% Fensterfliichenanteil an einem idealen Wintertag (ohne Wolkenbildung) in der Mittagszeit die Raumtemperatur urn etwa 1,5°C ansteigt, steigt sie bei Vollverglasung (Fensterfliichenanteil 100 %) urn 5°C, was Uberheizung bedeutet. Das zu reiche Angebot an Sonnenenergie miiBte dann auch im Winter durch Fenster- oder TiirOffnen, durch eine Klimaanlage oder durch Schichten, die das einfallende Sonnenlicht durch Reflexion oder Absorption abschwiichen, ausgeglichen werden.

1.4 Sonnenschutzschichten 1.4.1 Grundsatzliches In Liindern mit langer und intensiver Sonneneinstrahlung muB zur Reduzierung des Klimatisierungsaufwandes der Energietransport von auBen in das Raurninnere verringert werden. Neben der Lichttransmission Is ist der GesamtenergiedurchlaB g die zweite wesentliche GroBe eines Sonnenschutzglases. Er gibt an, welcher Energieanteil der auf ein Fenster auftreffenden Strahlung in das Rauminnere gelangt. Er setzt sich zusammen aus dem Energietransport durch direkte Strahlung SIs und dem Anteil, der iiber die Temperaturerhohung des Glases durch Absorption in den Innenraum weiter gegeben wird (Ofeneffekt). Die insgesamt in den Innenraum weitergegebene Energie W ergibt sich demnach zu (1-7)

wobei Ts die Temperatur der Scheibe und Ii die Temperatur im Raurninnern ist. Berucksichtigt man, daB die von der Fensterscheibe absorbierte Energie S as mit dem Anteil lXa (Ts - TJ an die AuBenatmosphiire mit der Temperatur T. abgegeben wird, 7

so gilt fiir Einfachscheiben, wenn 18 auf Innen- und AuBenseite naherungsweise gleich sind: (1-8) Lost man Gl. (1-8) nach

1& auf und setzt Ts in Gl. (1-7) ein, so erhalt man: (1-9)

Die Wirksamkeit einer Sonnenschutzschicht ist durch den sog. Shading-KoeflIzienten b definiert: (1-10) mit

Wss

relativer Energietransport durch die Scheibe mit Sonnenschutzschicht,

Ws = S ts relativer Energietransport durch eine 3 mm Klarglasscheibe (t s = 87 %). Fur b ergibt sich somit:

b

=

ts

+ OC

as

OCa

+ S (7;. -

1[)

j ------

W/S = _ _ _ _--'ocj'---+_oc-=-a_ _ 0,87 0,87

(1-11)

Eine Verringerung des Energietransportes in Innenraume ist durch eine Verringerung der Lichttransmission ts durch VergroBerung der Reflexion oder Absorption as moglich. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daB eine Drosselung der Raumaufheizung weder nur durch Absorption noch nur durch Reflexion durchfiihrbar ist. Ein zu hoher Reflexionsanteil erzeugt storende Blendwirkung, die sich besonders fiir den Flugzeug- und StraBenverkehr nachteilig bemerkbar machen kann. Aber auch eine zu hohe Absorption muG vermieden werden, da dies zu hohen Scheibentemperaturen fiihrt. Es entsteht der nicht gewiinschte "OfenefTekt", und bei groBeren Scheiben besteht infolge ungleichmaBiger Erwarmung, vorzugsweise an Licht-Schatten-Grenzen, erhohte Bruchgefahr.

1.4.2 Beispiele Massegefarbtes Glas unter folgenden Bedingungen: S =600Wm- 2 OC j

=

OCa

=

7;.

8Wm- 2 K- 1 23 Wm- 2 K- 1

1[ ts

= 310 K = 295 K = 0,2

as =

0,70

Nach Gl. (1-11) wird

b 8

= _1_ [ 0,87 0,2

+8

.0,7

+

:~O (310 8 + 23

295)] _ - 0,61

und

+ 8·295 + 23·310 K = 320 K = 470C

T. = 600·0,7

8+D

s

.

Bei einer beschichteten Scheibe wird bei gleicher Transmission, jedoch mit as nach Gl. (1-11)

__1_ [ b - 0,87 0,2

+8

. 0,35

=

0,35,

+ ::0 (310 - 295)] _ 8 + 23 - 0,5

und

T. = 600·0,35 s

+ 8 ·295 + 23 . 310 K = 313 K = 400C 8 + 23 .

Je niedriger der Absorptionsanteil as ist, urn so kleiner sind unter sonst gleichen Verhaltnissen die Scheibentemperatur und damit der Ofeneffekt. Beim Erstellen der Energiebilanz bewohnter Raume ist eine Anzahl von verschiedenen Parametem wie FenstergroBe, Fensterart, Himmelsrichtung, Sonnenschutz, Warmedammung, Baumasse usw. zu beriicksichtigen.

1.5 Schichtsysteme

UDd

Schichteigenschaften

1.5.1 Allgemeines Die an Glas im Bauwesen gestellten Anforderungen sind unter Beriicksichtigung aller EinfluBgroBen und der jeweils herrschenden Bedingungen teils gegensatzlich: a) moglichst groBer GesamtenergiedurchlaBgrad g zur optimalen Ausnutzung der einfallenden Sonnenstrahlung zum Einsparen von Heizenergie, b) kleiner k-Wert und damit moglichst kleine Transmissionswarmeverluste, c) wirksamer Sonnenschutz bei klimatisierten Gebiiuden zur Kuhlkosteneinsparung, d) ausreichende Tageslichtbeleuchtung und e) Farbneutralitat. Bei der Suche nach einer optimalen Problemlosung mussen Kompromisse gefunden werden, die fUr einen vorgegebenen Anwendungsfall die beste Losung darstellen. Fiir die Vielfalt der Anforderungen in optischer, mechanischer, thermischer und chemischer Hinsicht und auch unter Beriicksichtigung der Kosten stehen eine Reihe von Schichtmaterialien und Schichtkombinationen zur VerfUgung, mit denen die heute an Architekturglas gestellten Anforderungen realisierbar sind. 9

100

% I- 80 c: 0

'Bi

'~ c: 60 ~

t:::. Q:: c:

0

'x 'iii a:

40 d

Q)

= 300 nm

20

0

0

5

0,5

10

Ilm

15

Wellenliinge A

Bild 1-3. Optische Eigenschaften einer aufgestiiubten In 20 Dicke: 300 nm.

3

(95%)-Sn02 (5%)-Schicht.

1.5.2 Warmedammschichten ohne wesentliche Sonnenschutzwirkung 1.5.2.1 Einfachschichten In nahezu idealer Weise erfiillen In203/Sn02-Verbindungen mit einem Sn02-Anteil von etwa 5 bis 20 Atomprozent die an eine Wiirmedammschicht gestellten Forderungen. Sie sind absorptionsfrei, hart, haftfest, temperaturbestandig, chemisch resistent und relativ einfach herstellbar. Vnter Einbeziehung der vom Substrat herriihrenden Reflexionsverluste betragt bei 300 nm dicken Schichten die Transmission im sichtbaren Bereich im Mittel fast 80%, die Reflexion bei 10 !lm fast 90%, Bild 1-3. Der Ubergang vom Bereich hoher Transmission zu dem hoher Reflexion erfolgt bei etwa 2 !lm. Lage und Steilheit der Kante konnen durch Schichtdicke und Herstellbedingungen beeinfluBt werden [1-14 bis 1-20; 1-28]. Somit erhiilt man einen hohen g-Wert, weil die Schichten bis zu rd. 2!lm absorptionsfrei sind und noch einen betrachtlichen Anteil des langwelligen Sonnenlichtes hindurchlassen. Andererseits entstehen wegen des niedrigen k- Wertes geringe Transmissionswarmeverluste. Nachteilig bei diesen Schichten ist allerdings, daB sich bei Schichtdickenschwankungen Transmissions- und Reflexionseigenschaften andern. Maxima und Minima verschieben sich, z. B. sieht eine Schicht mit den in Bild 1-3 gezeigten optischen Eigenschaften in der Durchsicht griin aus. Schon eine relativ geringfiigige Verschiebung des Reflexionsminimums bei 550 nm fiihrt zu deutlichen Veranderungen der Reflexionsfarben. Die Farben andern sich auch mit dem Einfallswinkel. Wiinschenswert sind "graue" Schichten, weil sowohl dem Beschauer der AuBenfassade als auch dem Bewohner beim Beobachten der AuBenumgebung ein farbneutraler Eindruck vermittelt werden solI. Dies ist bei In 20 3/Sn0 2-Schichten ohne Anderung des g- und k-Wertes einfach realisierbar. Man geht dabei zu groBeren Schichtdicken iiber, wodurch die Extremwerte von Transmission bzw. Reflexion so nahe zusammenriicken, daB dem menschlichen Auge die Schicht - unabhangig vom Einfallswinkel - grau und damit farbneutral erscheint. Bei In 20 3/Sn0 2 ist dies bereits bei Schichtdicken ab etwa 800 nm der Fall, Bild 1-4. Obwohl diese Schichten allen Anforderungen gerecht werden, haben sie bisher noch keine breite Anwendung gefunden. Materialkosten, Reproduzier10

100 % fc:

80

0

.~

.~

c:

60

~

t:: tc:

c: 0

·x., ;;= .,

40 d=800nm

a: 20

0

10

0

fJm

15

Wellenliinge A

Bild 1-4. Optische Eigenschaften einer aufgestiiubten In 20 3 (95%)-Sn02 (5%)-Schicht. Dicke: 800 run.

barkeitsprobleme bei diinneren, farbempfindlichen Schichten und Fertigungskosten bei dickeren, farbunempfindlichen Schichten sind die Hauptursachen dafiir, daB anderen Schichtsystemen mit iihnlicher Wirksamkeit der Vorzug gegeben wird. Ahnliche Eigenschaften erhiilt man u. a. auch durch mit Antimon dotiertes Zinnoxid und mit Kadmiumstannat. 1.5.2.2 Schichtsysteme Systeme, die metallische Schichten enthalten, haben neben einer Wiirmediimm- auch eine Sonnenschutzwirkung. Dies trifft auch fUr Metalle mit stark selektiver Wirkung wie Gold und Kupfer zu, die zwar im Bereich um 500 bis 550 nm ein ausgepriigtes Transmissionsmaximum haben, die aber durch Absorption den GesamtenergiedurchiaB erheblich herabsetzen. Die einzige Ausnahme unter allen Metallen bilden diinne Silberschichten, mit denen eine gute Wiirmediimmung ohne nennenswerte Sonnenschutzwirkung machbar ist. Silberschichten von 20 nm Dicke haben im Wellenliingenbereich der auf der Erde ankommenden Sonnenstrahlung nur eine geringe Absorption [1-21 bis 1-23], wiihrend Kupfer- und Goldschichten unterhalb 0,5 J.1m etwa 50 % der einfallenden Strahiung absorbieren, Bild 1-5. Durch Einbetten der Silberschichten in transparente hochbrechende Schichten kann die Reflexion drastisch gesenkt werden. Ais Materialien kommen z. B. TiO z , Bi z0 3 oder In z0 3 /SnO z in Frage. Die Dicke dieser Schichten ist < Aj4, der bei Metalloberfliichen von der Dicke abhiingige Phasensprung ist zu beriicksichtigen [1-24 bis 1-27]. Transmissionen im sichtbaren Spektralbereich von ~ 80 % und Reflexionen im infraroten Spektralbereich von ~ 95% sind so realisierbar [1-28 bis 1-35]. Diese Interferenzschichten erfiillen verschiedene Funktionen: a) Die zuerst aufgebrachte Schicht iibt eine optische Wirkung aus, dient zur Haftverbesserung auf der Unterlage und bietet der Silberschicht einen Schutz gegeniiber moglichen Einfliissen von der Substratoberfliiche. 11

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0,8 1,0 Wellen lange A

- 2,0

j.lm

3,0

Bild 1-5. Berechnete Absorption von 20 run dicken Ag-, Au- und Cu-Schichten in Abhangigkeit von der Wellenlange.

b) Die zuletzt aufgebrachte dielektrische Schicht erfiillt nicht nur einen optischen Zweck, sondem schiitzt die darunterliegende Silberschicht auch vor Umgebungseinfliissen zwischen ihrer Herstellung und der evtl. viel spiiter erfolgenden Weiterverarbeitung zu Isolierglas. Bestiindigkeitstests haben ergeben, daB bei Temperaturen von 150°C an Luft nach 48 Stunden keine und bei Temperaturen von 200°C nach 16 Stunden nur geringfiigige Anderungen der optischen Eigenschaften auftraten. c) Die Transparenz von Silberschichten mit Interferenzschichten ist hoch. Durch Optimierung entsteht im sichtbaren Spektralbereich ein breit ausgebildetes Transmissionsmaximum bzw. Reflexionsminimum und fast ideale Farbneutralitiit.

1.5.3 Scbichten mit Warmedamm- und Sonnenschutzwirkung 1m wesentlichen kommen Gold, Silber und Kupfer dafiir in Frage, da sie im Vergleich zu anderen Metallen im sichtbaren Spektralbereich iiber ein relativ hohes Transmissionsvermogen und im Infrarotbereich iiber ein groBes Reflexionsvermogen verfiigen. Zur Verbesserung der Haftfestigkeit sind Unterlageschichten aus Chrom, Chrom-Nickel oder einem Metalloxid erforderlich. Hiiufig wird die Doppelschicht 5 nm Bi203/8-10 nm Au eingesetzt, deren optische Eigenschaften in Bild 1-5 dargestellt sind. Auch zwischen zwei dielektrischen Schichten eingebettete Goldschichten werden gelegentlich verwendet, wobei jedoch hinsichtlich Farbneutralitiit und Transparenz im Sichtbaren bei weitem nicht die Werte wie mit Silber enthaltenden Schichtsystemen erreicht werden [1-36]. Das gleiche gilt auch fiir Schichtsysteme mit Cu als Mittelschicht. Ahnliche, aber nicht ganz so gute optische Eigenschaften sind mit HfN, TiN oder ZrN als Einzelschichten oder auch eingebettet in dielektrische Schichten erreichbar.

1.5.4 Sonnenschutzscbichten ohne wesentliche Warmedammwirkung Eine Diimpfung des einfallenden Sonnenlichtes ist durch Beschichten mit absorptionsfreien, moglichst hochbrechenden Materialien wie z. B. Ti0 2 , Bi 20 3 und In 20 3/Sn0 2 12

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Bild 1-6. Optische Eigenschaften einer DoppeJschicht aus Bi 2 0 3-Au.

moglich. Durch Interferenzwirkung erhoht sich das Reflexions- und verringert sich das Transmissionsvermogen (vgl. Bild 4-1, Band 4). Die Wirksamkeit solcher Schichten hiingt von der Brechzahl des Beschichtungsmaterials ab und ist nicht sehr groB. Sie werden daher nur bei nicht allzu starker Sonneneinstrahlung eingesetzt. Eine weitere Moglichkeit zur Verringerung des Energietransportes von auGen nach innen bieten teildurchliissige Metallschichten, z. B. aus Aluminium, Chrom, Nickel, Titan oder Edelstahl. Die Abschwiichung kommt durch Absorption und Reflexion zustande, wobei jedoch das Verhiiltnis dieser beiden Anteile nur von der Schichtdicke abhiingt. Dies ist besonders bei kleinen Transmissionsgraden von Nachteil, weil dann der Reflexionsanteil zu hoch ist und Blendwirkung zur Folge hat. Besser geeignet fiir den gleichen Zweck sind Schichten, mit denen ebenfalls jeder gewiinschte Transmissionsgrad herstellbar ist, bei denen aber fiir eine vorgegebene Transmission das Verhiiltnis von Reflexion zu Absorption in gewissen Grenzen variabel bleibt. Solche Schichten erhiilt man aus einem absorptionsfreien (z. B. Metalloxid) und einem absorbierenden Material (Metall, Legierung), die in einem frei wiihlbaren Verhiiltnis gemischt werden konnen. Der Einfachheit halber geht man von einem einzigen Grundmaterial aus, das teiloxidiert wird, wobei der Transmissionsgrad yom Oxidationsgrad und der Schichtdicke abhiingig ist. Man hat grundsiitzlich die Wahl zwischen einem hohen metallischen Anteil und damit geringer Schichtdicke und sehr kleinen Konzentrationen der metallischen Komponente, was relativ dicke Schichten zur F olge hat. Bei einem yorgegebenen Transmissionsgrad kann so auch das Verhiiltnis von Absorption zu Reflexion in wei ten Grenzen verschoben werden. In der Praxis sind demjedoch Grenzen gesetzt, und zwar aus folgenden Grunden [1-36]: Mit zunehmender Konzentration des metallischen Anteils werden die mechanischen Eigenschaften schlechter, und die Schichten sind dann weniger gut fUr Einfachverglasungen geeignet. Bei zu kleiner Konzentration sind dicke Schichten erforderlich, die man allein schon aus Kostengriinden vermeiden sollte. Bei der Feststellung des Verhiiltnisses von Reflexion zu Absorption muB auch Riicksicht auf die chemischen und mechanischen Schichteigenschaften genommen werden. Selbst13

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Bild 1-7, Optische Eigenschaften einer kratzfesten teiloxidierten Chromschicht.

verstandlich ist auch die Wahl des Beschichtungsmaterials von ausschlaggebender Bedeutung. Als Ausgangsmaterial konnen z. B. Chrom, Nickel, Chrom-Nickel, Molybdan, Aluminium, Kobalt und Edelstahl benutzt werden. Die erzielten Schichteigenschaften sind von Material zu Material erwartungsgemaB unterschiedlich. In gleicher Weise und mit ahnlichem Effekt konnen statt Sauerstoff auch Stickstoff oder andere Gase oder Gasgemische eingebaut werden. Typische Beispiele sind teildurchlassige TiN- und TiCSchichten mit Ti-UberschuB. Bild 1-7 zeigt die optischen Eigenschaften einer kratzfesten teiloxidierten Chromschicht [1-36].

1.6 Beschichtung von Automobilglas Die Problemstellungen beim Beschichten von Automobilglas sind ahnlich denen beim Architekturglas. Moderne Personenkraftwagen enthalten ca. 3 m 2 Glasflache. Der Trend zu noch groBeren Glasflachen halt an, weil zur Einsparung von Treibstoff immer aerodynamisch giinstigere Karosserieformen verlangt werden, die flachere Neigungswinkel erfordern. GroBe Glasscheiben bieten auBerdem dem Fahrzeuglenker gute Sichtverhaltnisse und damit eine hohe Fahrsicherheit [1-37 bis 1-39]. Die Vorteile groBerer Autoscheiben sind aber auch mit zwei Nachteilen verbunden: - Durch vermehrte Sonnenenergieeinstrahlung kommt es zu einer hoheren und kaum ertraglichen Aufheizung des Fahrzeuginnenraumes. Die durch Glasscheiben in den Fahrzeuginnenraum gelangende Strahlungsenergie tragt mit mehr als 70 % zu dessen Aufheizung bei (Bild 1-8) [1-40]. - 1m Winter wird es mit zunehmendem Glasanteil immer schwieriger, durch Warmluft die Glasflachen moglichst schnell und gleichmaBig eis- und beschlagfrei zu machen und auch wahrend der Fahrt unter ungiinstigen Witterungsbedingungen beschlagfrei zu halten. Zur Verminderung der Sonneneinstrahlung bieten sich mehrere Moglichkeiten an. In jedem Fall aber muB die europaische und auch in einigen anderen Landern giiltige Norm 14

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Anteil der Verglasung 71,7%

Bild 1-8. Quellen fUr das Autbeizen des Innenraumes eines Personenkraftwagens.

erfiillt sein, daB im sichtbaren Spektralbereich die Lichtdurchliissigkeit einer Verbundglasscheibe mindestens 75 % betragen muB. Eine Venninderung der Strahlungsenergie durch Reflexionserhohung bis zur zuliissigen Grenze ist wegen verstiirkter Spiegelwirkung unvorteilhaft. Aber auch eine Losung des Problems durch Absorptionserhohung ist ebenfalls ungiinstig, weil iiber die durch Absorption erwiirmte Scheibe ein Teil der Energie als Sekundiirstrahlung ins Wageninnere gdangt (Ofeneffekt). Bei Kiihlung durch den Fahrtwind tritt der Ofeneffekt nur abgeschwiicht auf, aber trotzdem stellen eingefarbte Scheiben, deren Wirkung auf Absorption beruht, keinesfalls eine Ideallosung dar. Eine deutliche Verbesserung der Verhiiltnisse erzielt man mit einem auf einer Innenseite einer Verbundglasscheibe aufgebrachten Schichtsystem, durch das im sichtbaren Spektralbereich weder Reflexion noch Absorption der unbeschichteten Scheibe nennenswert veriindert werden, das aber im nahen Infrarotbereich zwischen 780 nm und 2500 nm ein moglichst hohes Reflexionsvennogen besitzt. Die Energieeinstrahlung durch die Scheibe wird dann im Vergleich zur unbeschichteten Scheibe urn bis zu 40 % vermindert [1-37,1-38]. 1m Prinzip sind Wiirmediimmschichten fiir Architekturglas auch fiir Autoscheiben geeignet, nur muB hier der Ubergang von hoher Transmission zu hoher Reflexion bei kiirzeren Wellenliingen liegen. Versuche in einer Klimakammer haben ergeben, daB erwartungsgemiiB die Wirksamkeit> beschichteter Scheiben deutllch groBer ist als die von eingefarbten Scheiben (Bild 1-9). Bei Versuchsbeginn betrug die Temperatur in der Kammer und im Fahrzeug 40 o e, die eingestrahlte Leistung betrug 980 W m - 2. Die beschichtete Frontscheibe besaB ein Transmissionsvermogen von 76%, Heckscheibe und Seitenscheiben ein Transmissionsvermogen von 70% [1-38, 1-40]. Eine weitere denkbare Losung zur Verminderung der Sonneneinstrahlung ins Innere eines Automobils sind elektrochrome Schichten [1-41 bis 1-47], deren Anwendung z. B. auch flir Sonnenschutzbrillen, Autoriickspiegel und Architekturglas im Gespriich ist. Die Frage, ob diese Methode, mit der auch modischen Forderungen (Farbgebung) entsprochen werden kann, auch auf groBen Fliichen mit akzeptablen Herstellkosten anwendbar ist, liiBt sich zur Zeit nicht beantworten. Diinne Schichten mit den beschriebenen optischen Eigenschaften verfiigen iiber noch weitere Vorteile. Sie verhindem die Bildung von Eisschichten und vorhandene Eisschich-

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Bild 1-10. Abhangigkeit der Abtaugeschwindigkeit von der spezifischen elektrischen Leistung. Umgebungstemperatur: - 20°C Eisschichtdicke 0,5 mm.

ten lassen sich schnell und problemlos abtauen. Auch wiihrend der Fahrt kann Beschlagbildung vermieden werden. Zur Eisbildung auf Autoscheiben kommt es besonders in klaren Winterniichten. Glasscheiben verhalten sich fast wie schwarze Strahler, die ihre Energie in den Weltraum abstrahlen. Bei Abkiihlung unter die Umgebungstemperatur kann es zur Eisbildung kommen [1-48,1-49]. Ein Schichtsystem, das die Mindesttransmission der Autoscheiben gewiihrleistet und das im Infrarotbereich die Emission der unbeschichteten Scheibe von etwa 0,9 auf 0,1 oder noch weniger herabsetzt, verhindert eine Eisbildung. In Schweden durchgefiihrte vergleichende Versuche mit nicht beschichteten und beschichteten Autoscheiben haben dies bestiitigt. Wiihrend sich in kalten Winterniichten auf nicht beschichteten Scheiben dicke Eisschich16

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105 sec

Bild 1- 11. Abtauvorgang an einer beschichteten Verbundglasscheibe.

ten bildeten, blieben die auf ihrer AuBenseite mit einer Sn0 2 -Schicht Scheiben eisfrei [1-50].

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Besitzt das Schichtsystem neben den beschriebenen optischen Eigenschaften einen niedrigen Fliichenwiderstand, lassen sich vorhandene Eisschichten durch direkten Stromdurchgang in kurzer Zeit abtauen. Bei Abkiihlung durch den Fahrtwind kann schon bei verminderter Heizleistung Beschlag verhindert werden. Der Fliichenwiderstand des Schichtsystems sollte tunlichst niedrig sein, damit bei vorgegebener Spannung moglichst hohe Strome flieBen und somit kurze Abtauzeiten erreichbar sind. Bild 1-10 zeigt die Abhiingigkeit der Abtaudauer von der spezifischen elektrischen Leistung [1- 38], Bild 1-11 den zeitlichen Verlauf eines Abtauversuches [1-37]. 17

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Bild 1-13. Transmission verschiedener Glaser in Abhangigkeit von der eingestrahiten Wellenliinge.

Schichtsysteme, die sowohl die Sonneneinstrahlung ins Wageninnere vermindem als auch zum Abtauen von Eisschichten geeignet sind, bestehen im allgemeinen aus vier Einzelschichten: Oxidschicht - Silberschicht - Blockerschicht - Oxidschicht. Aufgestaubt werden solche Schichtsysteme vorzugsweise in sogenannten Multi-pass-Anlagen. Auf einem in der ProzeBkammer hin- und herfahrenden Trager befinden sich mehrere bereits gebogene Autoscheiben. Beim ersten Vorwartslauf wird in reaktiver Gasatmosphare die Oxidschicht, nach Gas- und Katodenwechsel beim Riickwartslauf die Silberschicht aufgestaubt usw. Die Erfahrungen werden zeigen, ob man in Zukunft zu einer kostengiinstigeren Losung iibergeht, indem man die Beschichtung auf groBen ebenen Glasscheiben durchftihrt, die 18

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Wellen lange

Bild 1-14. Reflexion verschiedener Gliiser in Abhiingigkeit von der eingestrahlten Wellenliinge.

anschlieBend geschnitten und mit der Schicht im Biegeofen bei Temperaturen urn 640°C gebogen werden. Dieser HerstellungsprozeB stellt also noch zusatzliche Anforderungen an das Schichtsystem. Es muB der Biegetemperatur standhalten, es muB biegbar sein und die Schichteigenschaften diirfen sich durch die Temperaturbelastung nicht verschlechtem. Das bei Warmedammschichten iibliche, aus vier Schichten bestehende System widersteht den Biegetemperaturen nicht, es ist eine zusatzliche Blockerschicht erforderlich. Die Silberschicht wird somit, wie aus Bild 1-12 ersichtlich, beidseitig durch Blockerschichten geschiitzt. Versuche haben ergeben, daB sich fiir Blockerschichten besonders W, Ta, Fe und Ni eignen [1-51]. Die optischen Eigenschaften eines solchen aus fiinfEinzelschichten bestehenden ~ystems sind in den Bildem 1-13 und 1-14 dargestellt [1-37], aus denen ebenfalls die Uberlegenheit beschichteter Scheiben gegeniiber einger!irbten hervorgeht.

1.7 Bescbichtungstechnologien 1.7.1 Chemische Beschichtungsverfahren Durch Hydrolyse von Metallchloriden nach der Reaktionsgleichung

konnen z. B. dotierte Sn0 2 - und In 2 0 3 -Schichten hergestellt werden, wobei jedoch Substrattemperaturen zwischen 400 und 800°C erforderlich sind. Die Schichten werden 19

entweder im Spruh- oder im Tauchverfahren hergestellt. Nachteilig sind hoher Energieverbrauch und hohe Temperaturen. Bei der Pyrolyse findet eine thermische Zersetzung von Metallsalzen oder organometallischen Verbindungen in Gegenwart von Sauerstoff auf dem erhitzten Substrat statt. Ein Tdigergas, z. B. Argon, wird zur Regulierung der Kondensationsrate benutzt. Die Substrattemperaturen sind materialabhiingig und liegen z. B. bei Sn0 2 zwischen 400 und 600°C und bei In203 zwischen 300 und 650°C, wiihrend fUr Ti0 2 schon 260 bis 370°C ausreichen. Die Anwendung des Verfahrens wird durch die hohen Preise der organometallischen Ausgangssubstanzen eingeschriinkt. AuBerdem reagieren pyrolytische Prozesse empfindlich auf hohe Alkaligehalte des Glases. Ein allgemein bei Spriihverfahren auftretendes und bis heute noch nicht befriedigend gelostes Problem ist das Herstellen sehr gleichmiiBiger Schichten auf groBen Fliichen. Bei Tauchverfahren bestehen diese Schwierigkeiten nicht; es ist sogar moglich, absorptionsfreie Interferenzschichtsysteme herzustellen, wie z. B. reflexionsmindernde Schichten, Linienfilter, Kantenfilter usw. Fur das Beschichten von Architekturglas kommen Interferenzschichten, hauptsiichlich aber oxidische Schichten (z. B. Ti0 2 , Si0 2) als Matrixmaterial in Frage, in das zur Erhohung der Absorption Metalle eingelagert werden. Diese Schichten dienen hauptsiichlich als Sonnenschutz und sind so hart, daB sie auch fUr Einfachverglasungen geeignet sind. Der Anteil von Architekturglas, das durch chemische Verfahren beschichtet wird, ist gering [1-52 bis 1-56].

1.7.2 Beschichten durch Aufdampfen im Hochvakuum Das Beschichten von Architekturglas durch Aufdampfen im Hochvakuum [1-36; 1-57] wurde erstmals gegen Ende der fUnfziger Jahre praktiziert und wird heute noch, wenn auch nur vereinzelt, angewendet. Das Verfahren ist von der physikalischen und technischen Seite aus gesehen einfach, jedoch sehr lohnintensiv. Die Anwendung beschriinkt sich nur aufSchichtmaterialien, die problemlos verdampfbar sind. Zu den mit dieser Methode mit gutem Erfolg hergestellten Schichtkombinationen ziihlen CrN-Au, Al 20 3-Au und ZnS-Au-ZnS. Eine Anzahl von Verdampfungsquellen ist dabei auf einem Verdampferrahmen gitterartig angeordnet. Es wird quantitativ verdampft, d. h., in jeder Verdampfungsquelle ist eine genau berechnete Menge Beschichtungsmaterial untergebracht, die man bei jedem BeschichtungsprozeB vollstiindig verdampft. Auf diese Weise kann auch auf groBen Fliichen eine sehr gute SchichtdickengleichmiiBigkeit erreicht werden. Bei genauer Berechnung der Einwaagemengen, sorgfaltigem Verdampfen und konstantem Restgasdruck zwischen Verdampferfeld und Fensterscheiben konnen, z. B. bei Goldschichten auch in der Produktion auf jeder Fensterscheibe und auch von Fensterscheibe zu Fensterscheibe Transmissionsschwankungen von nur ± 1 % eingehalten werden. Das Verdampferfeld befindet sich zwischen zwei parallel angeordneten Fensterscheiben, die gleichzeitig bedampft werden, Bild 1-15. Je nach Schichtsystem liegen die Chargendauern zwischen etwa 35 und 45 Minuten [1-58]. Durch Ineinanderschachteln von mehreren Verdampfungsquellensystemen ist das Aufdampfen von Mehrfachschichtsystemen moglich. Je Schicht sind bei 10 m 2 groBen Fensterscheiben mehr als 100 Verdampfungsquellen erforderlich, die je nach Beschichtungsmaterial nachjedem oder nach mehreren Verdampfungsvorgiingen erneuert werden 20

Bild 1-15. Beschichten groBer Glasscheiben durch quantitatives Verdampfen. Technische Daten der Anlagentype A 3200 H, Hersteller: Leybold-Heraeus, Hanau Glasscheiben: 2500 mm x 3500 mm. Kessel-Durchmesser: 3200 mm; Lange: 5000 mm. Verdampferrahmen: 3100 mm x 4530 mm. Je Schicht: 118 Verdampfungsquellen. Abstand Verdampferrahmen - Glasscheiben: 630 mm. Evakuierung durch vier Gldiffusionspumpen mit je 50000 1s - 1 Saugvermogen und Tiefkiihlfallen. a Verdampferrahmen b Glasscheiben.

mussen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist das umstiindliche Beschicken und Austauschen der Verdampfer und die dabei entstehenden Kosten und der wegen des relativ groBen Abstandes zwischen Verdampfungsquellen und Fensterscheibe geringe Nutzungsfaktor des Beschichtungsmaterials. Bevor sich die Katodenzerstiiubung durchsetzte, bedampfte man Architekturglas auch in Schleusenanlagen [1-59]. Gewisse Nachteile des Verfahrens konnen durch Einsatz von Elektronenstrahlkanonen vermieden werden. Der technische und finanzielle Aufwand ist jedoch enorm. Eine Ende der sechziger Jahre in den USA gebaute Schleusenanlage war mit 12 Diffusionspumpen mit einem Saugvermogen von je 95000 Is -1 und 72 Elektronenstrahlkanonen mit einer GesamtanschluBleistung von 3,6 MW ausgeriistet. Trotz dieses Aufwandes konnten die heute an Beschichtungen fUr Architekturglas gestellten Anforderungen nicht erfUllt werden [1-60; 1-61].

1.7.3 Beschichten durch Katodenzerstaubung 1.7.3.1

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Bei der Katodenzerstiiubung gibt es die mit thermischen Verdampfern verbundenen Nachteile nicht. Dariiber hinaus bestehen fast keine Einschriinkungen bei der Materialauswahl, und es bieten sich mehrere Verfahrensvarianten an. Fiir Metalle oder Legierungen wendet man bei groBen Targetfliichen i. a. das Gleichspannungszerstiiuben an. Bei Legierungen haben Targetmaterial und Schichtmaterial die gleiche Zusammensetzung. Je nach Schichtkombination und gewiinschter Beschichtungsdauer kommen sowohl konventionelles Zerstiiuben als auch Hochleistungszerstiiuben zur Anwendung.

1.7.3.2 Einkanuneranlagen Einkammeranlagen kommen hauptsiichlich fUr kleinere Produktionszahlen in Frage. Sie stellen keine groBen Anforderungen an das Bedienungspersonal, haben einen gut uberschaubaren Autbau, sind leicht umriistbar und hinsichtlich der Anwendungsmoglichkeiten sehr flexibel. Weiterhin besteht die Moglichkeit, sowohl konventionelles Zerstiiuben als auch Hochleistungszerstiiuben oder beides kombiniert einzusetzen, und es 21

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Bild 1-16. Schema einer Einkammeranlage zum Bestiiuben von Architekturglas. a Stromversorgung, b Katodengrundstellung, c Katoden, d Glasscheiben auf Beschichtungsrahmen, e Pumpstiinde, f Chargierwagen.

konnen sowohl Metall- als auch Oxid-, Karbid- oder Nitridschichten hergestellt werden. Bestauben kann man entweder von metallischen Targets aus reaktiv oder direkt von Targets aus, die die gleiche Zusammensetzung wie die Schicht haben. Voraussetzung beim Zerstiiuben von Verbindungen ist allerdings eine ausreichende elektrische LeiWihigkeit der Targets. Dies ist z. B. durch Dotieren eines nicht leitenden Targetmaterials moglich, sofem die gewiinschten Schichteigenschaften dadurch nicht negativ beeinfluBt werden. In solchen Anlagen werden mehrere Glasscheiben im Rahmen parallel zueinander und feststehend angeordnet. Zu jeder Scheibe gehort ein Katodenwagen mit einer oder mehreren Einzelkatoden; sie werden mit konstanter Geschwindigkeit an den Glasscheiben vorbeigefahren. Bei heute iiblichen Produktionsanlagen bestaubt man vier bis acht Glasscheiben gleichzeitig. Beim Beschichten sind verschiedene Varianten gebrauchlich: Eine Einzelschicht kann in einem oder auch mehreren Durchgangen aufgestaubt werden, ebenfa1ls eine metallische Doppelschicht, wobei die gewiinschte Dicke jeder Einzelschicht iiber die Vorschubgeschwindigkeit, die fUr alle Katoden gleich ist, und durch die Entladungsleistung, die bei jeder Einzelkatode unterschiedlich sein kann, realisierbar ist. Bei aus Metallen und Dielektrika bestehenden Wechselschichten macht sich fUr jede Schicht mindestens ein Durchgang erforderlich, da von Schicht zu Schicht die Gasatmosphare unterschiedlich ist. Schema und Ausfiihrungsform einer Anlage, in der gleichzeitig vier Scheiben bestaubt werden konnen, sind in den Bildern 1-16 und 1-17 dargestellt [1-36]. Bemerkenswert ist, daB zum Evakuieren kein Hochvakuumpumpstand benutzt wird, sondern eine Vakuumpumpenkombination, bestehend aus Walzkolben- und Sperrschiebervakuumpumpen.

22

Bild 1-17. Einkammeranlage zum Bestiiuben von Fensterscheiben mit zwei oder drei Schichten.

Wiihrend des Evakuierens fiihrt man eine intensive Spiilung durch EinlaB eines Inertgases durch, wodurch beim Einhalten gewisser Bedingungen auf ein Glimmen und ein Evakuieren auf Hochvakuum vor Zerstiiubungsbeginn verzichtet werden kann [1-62]. Eine erzeugbare Schichtkombination besteht z. B. aus einer nur etwa 5 bis 10 nm dicken Bi 20 3- und einer etwa 10 nm dicken Goldschicht. Wie aus Bild 1-6 hervorgeht, besitzt eine solche Schichtkombination eine gute Wiirmediimmflihigkeit, wiihrend die Sonnenschutzwirkung je nach Dicke der Goldschicht varia bel gehalten werden kann. Zur VergroBerung der Sonnenschutzwirkung braucht nur die Goldschicht dicker gemacht zu werden, wobei gleichzeitig die Wiirmediimmwirkung noch etwas verbessert wird. Will man dagegen die Sonnenschutzwirkung noch weiter verringern, so kann man die Goldschicht diinner halten, was jedoch zwangsliiufig mit einer Verringerung der Wiirmediimmung verbunden ist. Statt dessen ist es in solchen Fiillen giinstiger, die Metallschicht in zwei nichtabsorbierende hochbrechende Schichten entsprechender Dicke einzubetten, was zu einer deutlichen Reflexionsminderung im sichtbaren Spektralbereich fiihrt, ohne daB sich die Wiirmediimmung verschlechtert. Auch Schichtsysteme wie z. B. In203/Sn02-Ag-In203 /Sn02 konnen in den beschriebenen Einkammeranlagen durch konventionelles Zerstiiuben mit gro.Ber Reproduzierbarkeit hergestellt werden. Weniger gut geeignet sind solche Anlagen fiir das Aufstiiuben von stark reaktiven Metallen wie z. B. Chrom oder Titan, da sich - durch die Beliiftungen in kiirzeren 23

ZeitabsHinden und wegen der aus wirtschaftlichen Grunden nur kurzen Evakuierungszeiten - auf den TargetoberfHichen Oxidschichten bilden, die reproduzierbare Bedingungen beim AbstaubprozeB verhindern. 1.7.3.3 Zweikammeranlagen Mehrkammeranlagen sind dann zwingend erforderlich, wenn der ZerstaubungsprozeB kritisch von der Restgaszusammensetzung abhangt. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn durch Gleichspannungszerstaubung Metalle zerstaubt werden sollen, die bei Anwesenheit von Wasserdampf oder Sauerstoff reagieren und auf der Targetoberflache eine Oxidhaut bilden. Die einfachste Form einer Mehrkammeranlage, eine Zweikammeranlage, besteht aus einer Schleusenkammer und einer Beschichtungskammer. Wahrend in der Beschichtungskammer die Rahmen mit den Fensterscheiben an den feststehenden Katoden mit konstanter Geschwindigkeit vorbeigefahren werden, findet in der Schleusenkammer eine Beglimmung statt. Vor dem Umchargieren der beschichteten und der zu beschichtenden Scheiben evakuiert man beide Kammern auf Hochvakuum, um die Verschleppung von Wasserdampf weitgehend zu verhindern. Wie in Einkammeranlagen k6nnen Einfach- oder Mehrfachschichten in einem oder in mehreren Arbeitsgangen hergestellt werden. Eine Ideall6sung stellen solche Zweikammeranlagen allerdings nicht dar, weil beim Umchargieren Totzeiten entstehen, beim Offnen des die beiden Kammern trennenden Ventils ein gewisser Austausch an schadlichen Gasen oder Dampfen nicht v6llig vermeidbar ist und u. U. die Targets vor jedem Beschichtungsvorgang neu konditioniert werden mussen [1-63]. Das Schema einer kombinierten Aufdampf- und Katodenzerstaubungsanlage zeigt Bild 1-18. Eine etwa 10 m2 groBe Fensterscheibe wird, nach dem Beglimmen in einer

Bild'1-18. Schema eiher kombinierten Aufdampf- und Zerstaubungsanlage. a Elektronenstrahlkanone b Glasscheiben c CrNi d Au, Ag, Cu oder andere Metalle e zur Schleuse.

24

Einschleuskammer, an fiinfTargets vorbeigefiihrt, wobei die erste und letzte Schicht aus CrN zur Haftvermittlung dienen, wiihrend die mittlere, optisch wirksame Schicht aus Au, Ag oder Cu besteht. Durch entsprechende Einstellung der Vorschubgeschwindigkeit und der Verfahrensparameter werden in einem Arbeitsgang gleichzeitig drei Schichten gewiinschter Dicke aufgestiiubt und beim Zuriickfahren der Scheibe durch acht Elektronenstrahlkanonen etwa 2 bis 3 J.1m dicke Schutzschichten aus Borsilikatglas aufgedampft, die so hart sind, daB das Schichtsystem auch bei Einfachverglasungen eingesetzt werden kann. Der Betrieb solcher Anlagen, bei denen in einer Kammer abwechselnd Schichten aufgedampft und aufgestiiubt werden, ist nicht unproblematisch [1-64]. 1.7.3.4 Mebrkammerdurchlaufaniagen 1m Vergleich zu Zweikammeranlagen kann bei Mehrkammerdurchlaufanlagen [1-36] das Verschleppen von unerwiinschten Restgasen in die Bestiiubungskammer wesentlich verringert werden. Dazu wird zwischen der Einschleus- und der Beschichtungskammer, Bild 1-19, eine sog. Einlaufkammer angeordnet, und zwar so, daB sie zur Einschleuskammer hin durch ein Ventil abgetrennt und mit der Bestiiubungskammer iiber einen Schlitz verbunden ist, durch den die Glasscheiben hindurchgleiten. Die Schlitze sollten so klein sein, daB der Gasaustausch zwischen der Einlaufkammer und der Beschichtungskammer vemachliissigbar bleibt. Unterstiitzt wird diese Wirkung weiterhin dadurch, daB in der Beschichtungskammer ein groBerer Druck herrscht als in der Einlaufkammer. Gleichartig sind die Verhiiltnisse auf der Ausschleusseite. Die Katoden werden wiihrend der gesamten Betriebsdauer durchgehend unter Arbeitsbedingungen betrieben, auf Zwischenkonditionierung der Targets kann daher verzichtet werden. In der Praxis basieren die Mehrkammerdurchlaufanlagen auf Modulbauweise und sind damit sehr flexibel hinsichtlich der Beschichtungsmaterialien und Schichtsysteme. Wiihrend das Aufstiiuben von Gold - auch in Verbindung mit Interferenzschichten - mit keinen besonderen Problemen verbunden ist, muB bei Silber- oder Kupferschichten auf die Vertraglichkeit mit den Einbettungsschichten geachtet werden. Insbesondere muB beim reaktiven Aufstiiuben der dritten Schicht eine Reaktion mit der darunterliegenden Silberschicht vermieden werden. Durch geeignete Zwischenschichten ist dies moglich und ein gutes Langzeitverhalten des Schichtsystems gewiihrleistet. In der in Bild 1-19 gezeigten Anlage konnen alle heute gefragten, aus mehreren Schichten bestehenden Systeme aufgestiiubt werden, wobeije nach Schichtsystem und Ausstattung der Anlage bei Benutzung von Hochleistungszerstiiubem und bei ScheibengroBen von a

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Bild 1-19. Schema einer Durchlaufschleusenanlage zum Bestiiuben von Architekturglas mit Mehrfachschichten. a Einschieuskammer, b Glimmkammer, c Einlaufkammer, d Hochleistungszerstiiuber, e Sputterkammer, f Auslaufkammer, g Ausschleuskammer, I bis IV Vakuumpumpstiinde.

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o

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T (Unbtchichtet)

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0,5

~-----

1,0

1,5

2,0

I'm

.2,5

Wellen lange A

Bild 1-20. Optische

In 20 3/Sn0 2 °

Eigenschaften eines aufgestiiubten

Schichtsystems

In203/Sn02-Ag-

318 em x 600 em die Taktzeiten zwischen 1 und 6 min liegen. Ais Beispiele fUr Schichten mit Warmedammwirkung seien die Systeme Indium-/Zinnoxid-Silber-Trennschicht-Indium-/Zinnoxid, Bild 1-20, Zinnoxid-Kupfer-Zinnoxid und das besonders kostengiinstig herstellbare Schichtsystem Zinnoxid-Silber-Trennschieht-Zinnoxid genannt. Sonnenschutzschichten werden haufig bei Einfachverglasungen eingesetzt. Sie miissen daher nieht nur die eingestrahlte Sonnenenergie vermindern, sondern auch hohen mechanischen Anforderungen geniigen. Aber auch gestalterische Gesichtspunkte spielen eine nieht zu untersehatzende Rolle. Neben einer neutralen Durchsicht wiinseht man sich bei Bauvorhaben jeweils einheitliche, von Fall zu Fall aber unterschiedliche und das gesamte siehtbare Spektrum umfassende Farbtone. Bestandigkeit gegeniiber Reinigungsmitteln und Umwelteinfliissen zahlen ebenso zu den zu erfiillenden Voraussetzungen. Man verwendet Schichtsysteme, bestehend aus einer absorbierenden Schicht, durch die im wesentlichen der Transmissionsgrad und der Farbton in Durehsieht festgelegt wird, und aus einer oder aueh mehreren Interferenzschichten, durch deren Brechzahl und Dicke sich der Farbton in Reflexion variieren laBt. CrN 1-x mit einer SnOz-Schicht [1-63] geniigt allen Forderungen. Der Stickstoffanteil darfwegen der in 1.5.4 genannten Griinde nur in bestimmten Grenzen variiert werden. Bei aus drei Schichten bestehenden Systemen, z. B. SnOz/CrNi1_x/SnOz, beeinfluBt die Deckschicht ebenfalls die Reflexionsfarbe und dient auBerdem als Sehutzschicht. Die in Bild 1-21 gezeigten optischen Eigenschaften liegen einer der typischen Anwendungsvarianten zu Grunde. Die Transmission ist unabhangig von der Wellenlange, d. h. man sieht die AuBenumgebung farbneutral. Weiterhin sei erwahnt, daB in diesen Mehrkammerdurchlaufanlagen auch die Herstellung von absorptionsfreien Einfachschichten, z. B. aus In z0 3 /SnO z , oder von hochreflektierenden Spiegelschichten moglich ist. Eine andere Version einer Mehrkammerdurchlaufanlage ist schematisch in Bild 1-22 dargestellt. Sie unterseheidet sich im wesentlichen von der vorhergehend besehriebenen Anlage dadureh, daB Einfach- oder Mehrfachsehichten nur in einheitlicher Gasatmo-

26

60

--r---

1-- ~ .../'

°

V

R,

Rg

r-

T

/

0,35

0,45

0,55 0,65 Wellenliinge A

0,75

jJ.m

0,85

Bild 1-21. Optische Eigenschaften einer Schichtkombination SnOz-CrN•. R. Reflexion von der Schichtseite Rg Reflexion von der unbeschichteten Seite T Transmission.

a

b

c

d

e

c

Bild 1-22. Schema einer Durchlaufschleusenanlage zum Beschichten von Architekturgias mit teiloxidierten Schichten. a Einschleuskammer b Glimmkammer c Pufferkammer d Hochleistungszerstauber e Sputterkammer f Ausschleuskammer I bis VI Vakuumpumpstande.

sphare aufstiiubbar sind. Da iibliche Schleusenventile verwendet werden, lassen sich auch nicht ebene Substrate bestiiuben [1-36]. Das Verfahren liiuft wie folgt ab: Eine Fensterscheibe wird in die Einschleuskammer eingefiihrt und nach der Evakuierung in die Glimmkammer weitertransportiert. In der Pufferkammer findet ein Angleich an Druck und Gaszusammensetzung zur Bestiiubungskammer statt. In der Bestiiubungskammer befinden sich nebeneinander mehrere Katoden in der gleichen Gasatmosphiire. Es lassen sich Einfachschichten und auch Schichtsysteme herstellen. Das Ausschleusen erfolgt ebenfalls iiber eine Pufferkammer. Bild 1-23 zeigt die Teilansicht einer Produktionsanlage, die eine Gesamtliinge von 66 m hat. In ihr werden auf 213 em x 366 em = 7,8 m 2 groBe Scheiben durch mehrere hintereinander angeordnete Hochleistungszerstiiuber in einer Taktzeit von 90 s teiloxidierte Schichten fUr Sonnenschutz aufgestiiubt.

27

Bild 1-23. Teilansicht einer Produktionsanlage zum Beschichten von Architekturglas.

1.8 Zusammenfassende Bemerkungen Beim Beschichten von Architekturglas ist die Anwendung der Katodenzerstaubung vorteilhaft, weil die Reproduzierbarkeit der Schichteigenschaften und der SchichtdickengleichmaBigkeit im Vergleich zu anderen Verfahren am besten ist und weil hinsichtlich der Wahl von Beschichtungsmaterialien keine Grenzen gesetzt sind. Durch den Einsatz von Hochleistungszerstaubern in Durchlaufanlagen ist neben der Flexibilitat beim Verfahrensablaufund bei der Auswahl des Schichtsystems eine gute Wirtschaftlichkeit des Beschichtungsverfahrens gewahrleistet.

28

2 Trihologie E.

BROSZEIT,

G.

KIENEL, B. MATTHES

2.1 AUgemeines Der Begriff "Tribologie" (griech. tribein: reiben) wurde vor rd. 20 lahren eingefiihrt und ist definiert als die Lehre von der Reibung und ihren Folgen. Unter Tribologie liiBt sich damit das Wissen und die technische Anwendung aus dem Bereich VerschleiB- ReibungSchmierung zusammenfassen. Der Begriff "VerschleiB" ist in der Norm DIN 50320 definiert [2-1]: "VerschleiB ist der fortschreitende Materialverlust aus der Oberfliiche eines festen K6rpers, hervorgerufen durch mechanische Ursachen, d. h. Kontakt und Relativbewegung eines festen, fliissigen oder gasformigen Gegenkorpers". Da die tribologische Beanspruchung an der Oberfliiche eines Bauteiles angreift, ist es naheliegend, die Oberfliicheneigenschaften an die jeweilige tribologische Beanspruchung und den zu erwartenden VerschleiBmechanismus anzupassen und somit zwischen Oberfliicheneigenschaften und Grundwerkstoffeigenschaften zu unterscheiden. Die Anforderungen an den Grundwerkstoff beschriinken sich daher auf die Volumeneigenschaften. Er ist nur noch tragendes, formgebendes Element mit der notwendigen Festigkeit und Steifigkeit. Das Bemiihen, die Oberfliichen besser an spezifische Anforderungen anzupassen, resultierte im Laufe der technischen Entwicklung in der Entwicklung einer groBen Anzahl von Oberfliichenbehandlungs- und Beschichtungsverfahren, die zu betriichtlichen Steigerungen der Lebensdauer und Standzeiterh6hungen behandelter oder beschichteter Bauteile und Werkzeuge gefUhrt haben. Die technische Weiterentwicklung fordert jedoch stetige Verbesserungen der tribologischen Eigenschaften, wobei in der Regel Reibungs- und VerschleiBminderung im Vordergrund stehen. VerschleiB gehort zusammen mit Korrosion und Bruch zu den drei groBen Schadensarten, die allein in der Bundesrepublik jiihrliche Verluste in der Hohe eines zweistelligen DM-Milliardenbetrages verursachen. Dies zeigt die wirtschaftliche Bedeutung und N otwendigkeit eines verbesserten VerschleiBschutzes.

2.2 Verschlei8mechanismen Wesentliche Voraussetzung fUr eine erfolgreiche Anwendung von Oberfliichenbehandlungs- und Beschichtungsverfahren ist die Anpassung der Schichteigenschaften an den VerschleiBmechanismus, der bei einer gegebenen tribologischen Beanspruchung an einem Bauteil zu erwarten ist. Einen Hinweis hierauf ergibt eine Analyse des Tribosystems (Reibpartner, Schmierstoff, Umgebungsmedium) im Hinblick auf Struktur und Beanspruchungskollektiv (vgl. DIN 50320) bzw. die Untersuchung von Schiiden an verschlis-

29

IVerschleiB einer Bauteilpaarung a, bl tribologische Beanspruchung:

~

1MeBgroBen 1

Beanspruchung der Oberfliiche eines festen Korpers a durch Kontakt und Relativbewegung eines festen, fliissigen oder gasformigen Gegenkorpers b

&--IV~hl."m""'"'~~1

VerschleiBbetrag W

1Begriff "VerschleiB" (DIN 50320)1

-Adhiision - Abrasion - Oberfliichenermiidung - Tribooxidation

Bild 2-1. VerschleiB, Begriffe und KenngraBen.

senen Bauteilen. Nach Bild 2-1 treten folgende Hauptmechanismen beijedem VerschleiBvorgang einzeln, meist jedoch in iiberlagerter Form auf: -

Adhasion, Abrasion, Oberflachenermiidung, Tribooxidation.

Die grundlegenden Vorgange, die zu den vier HauptverschleiBmechanismen fiihren, sind zusammen mit dem heutigen Kenntnisstand iiber die Berechnungs- und Beeinflussungsmoglichkeiten in verschiedenen Fachbiichern [2-2 bis 2-6] ausfiihrlich behandelt. In knapper Form wird daher nur die Definition in der bereits erwahnten DIN 50320 wiedergegehen. Beziiglich der einzelnen Mechanismen hat die Beschichtung im wesentlichen die folgenden Aufgaben zu iibernehmen: Adhasion - Trennung der metallischen Reibpartner durch eine Schicht mit geringerer Adhasionsneigung, Abrasion - Verminderung des Hartegefalles zwischen dem beanspruchten Bauteil und dem abrasiv wirkenden Korper durch Hartstoffschichten, Oberflachenermiidung - Steigerung der Dauerwalzfestigkeit z. B. durch giinstigen Eigenspannungszustand, Tribooxidation (tribochemische Reaktion) - Verminderung der Reaktionsrahigkeit zwischen den heiden tribologisch beanspruchten Reibpartnern und den urngebenden Medien (z. B. Gasatmosphare, Schmierstoffe und Zusatze).

2.3 Verschlei8priifung durch direkte und indirekte Me8methoden So zahlreich wie die Tribosysteme in der Technik sind auch die Priifeinrichtungen, die entwickelt wurden, urn das tribologische Verhalten von Werkstoff- oder Bauteilpaarungen zu untersuchen [2-7; 2-8]. 1m wesentlichen lassen sich zwei Untersuchungsmethoden unterscheiden: - Betriebsversuche, - Modellversuche.

30

Kategorien Bezeichn ung

I

Betriebsversuch ( Feldversuch)

n

Prlifstandversuch

IU

Aggregatversuch Einzelaggregat unter Prlifstandbedi ngungen

TV V VI

Bauteilversuch c .. Versuch an verkleinertem ~OOr~ Aggregat LS"'I.: _ _!JLJ

§

~

Q;

c ~ ~

Versuch mit einfachen Bauteilen bzw. bauteil · iihnlichen Proben Modellversuch mit einfachen Probekorpern

1 I

00

elFU

Bild 2-2. Tribologische Priifkategorien am Beispiel eines Kfz-Getriebes.

In Bild 2-2 sind diese beiden Kategorien mit I bzw. VI bezeichnet. Dabei ist der Betriebsversuch aussagefcihig fUr die Praxis, ohne daB MeBwerte uber den VerschleiBZeit-Verlauf vorliegen mussen, was bei betriichtlichem meBtechnischen Aufwand, z. B. durch radioaktive VerschleiBmessung unter Praxisbedingungen, moglich ist. DafUr ist es erforderlich, ein breites Spektrum von Betriebszustiinden aufzunehmen, um Aussagen uber den Zusammenhang zwischen VerschleiB und Beanspruchungskollektiv (Last, Geschwindigkeit, Temperatur usw.) zu erhalten. Der weitgehend abstrahierte Modellversuch (Kategorie VI) ist dagegen meBtechnisch weitgehend zugiinglich. Hier lassen sich Belastung, Reibung, Temperatur, VerschleiB usw. kontinuierlich messen und registrieren. Die grundlegenden tribologischen Eigenschaften von Schichten lassen sich damit vergleichend bewerten. Allerdings gilt die Aussage dann nur fUr die Bedingungen im Modellsystem, die Ubertragbarkeit auf andere Systeme oder gar auf die Praxis ist dagegen auBerordentlich schwierig. Die beschriinkten Aussagemoglichkeiten dieser Tests sollten in Modellversuchen der Stufen V und IV konkretisiert werden. Unter definierten, reproduzierbaren Bedingungen sind dort die verschleiBbestimmenden Beanspruchungsmerkmale des realen Tribosystems zunehmend exakter simulierbar und genauere Aussagen uber das spiitere Betriebsverhalten beschichteter Bauteile moglich. Bedingt durch den hohen Kosten- und Zeitaufwand fUr die Prufstandversuche der Stufen II und III werden diese in der Regel auf solche Schicht-Gegenkorper-Paarungen beschriinkt bleiben, die sich in den vorgenannten tribologischen Prufkategorien am besten bewiihrt haben. Trotz dieser Einschriinkungen sind Modellversuche - auch wegen der geringeren Kosten - fUr grundlegende und vergleichende Untersuchungen sinnvoll und erforderlich.

31

a b

C.Jn 2

Bild 2-3. VerschleiBtopfverfahren zur Simulation der Vorgiinge bei AbrasivgleitverschleiB (Tei1chenfurchung). a Probe, b Abrasivgut, c Topf

Fiir die VerschleiBmechanismen sind jeweils zahlreiche Priifverfahren entwickelt worden, die den unterschiedlichen physikalisch-chemischen Grundprozessen Rechnung tragen: Adhiision - Priifung z. B. durch Stift-Scheibe-Prinzip an Luft, im Vakuum, geschmiert oder ungeschmiert, Abrasion - Priifung durch Probestift auf Schleifpapierteller oder Abrieb im VerschleiBtopf, Bild 2-3. Oberfliichenermiidung - Priifung z. B. durch zwei Scheiben mit unterschiedlichem Schlupf, meist mit Schmierung, Tribooxidation - Priifung z. B. durch Stift-Scheibe-Maschine an Luft, in korrosiven Fliissigkeiten, Gasen oder Schmierstoffen mit oder ohne Zusiitze. Als Beurteilungskriterien fUr das tribologische Verhalten der Schicht wird entweder das VerschleiB-Zeit-Verhalten durch gravimetrische oder geometrische Messungen an den VerschleiBpartnern herangezogen und/oder die Reibung bzw. das Versagen der Schicht (Abplatzen, Durchbrechen) ermittelt.

2.4 Verschlei8minderung durch Oberflachenbeschichtung VerschleiBpaarungen sind hiiufig dadurch gekennzeichnet, daB metallische Reibpartner miteinander in Kontakt stehen und daB eine Relativbewegung zwischen den beiden Korpern stattfindet. Vnter systembedingten kritischen Bedingungen kann es zu VerschleiBvorgiingen kommen, die in der Regel zum allmiihlichen Funktionsausfall, gelegentlich auch zum plotzlichen Totalversagen einer oder mehrerer Komponenten des Tribosystems fUhren k6nnen. Sowohl gegen Korrosion als auch gegen VerschleiB sind Oberfliichenbeschichtungen bzw. -behandlungen mit groBem Erfolg zur Reduzierung bzw. Verhinderung der genannten Schadensarten eingesetzt worden. Wichtig bei der Erzeugung derartiger Verbundsysteme ist einerseits die Auswahl der Oberfliichenbehandlung bzw. -beschichtung unter Beriicksichtigung des zu erwartenden Schadensmechanismus und andererseits eine moglichst geringe Beeinflussung der Volumeneigenschaften, Festigkeit und Ziihigkeit des Grundwerkstoffs durch den Behandlungs- bzw. Beschichtungsvorgang. Hieraus konnen sich erhebliche Einschriinkungen fUr die Anwendbarkeit eines Verfahrens bzw. auch des Grundwerkstoffes ergeben. Gerade die 32

Kombination eines einfachen und billigen Grundwerkstoffes mit einer guten VerschleiBoder Korrosionsschutzschicht ist wirtschaftlich besonders reizvoll, aus verfahrenstechnischen Griindenjedoch nicht mitjeder Beschichtungsmethode realisierbar. Die Verfahren der Oberfliichenbeschichtung und -behandlung lassen sich in die folgenden Hauptgruppen einordnen: - chemische und elektrochemische Abscheidung (wiiBrige Losungen) [2-9] - Plattieren (fester Zustand) [2-10] - thermisches Spritzen und Aufsintem (teigiger Zustand) [2-11; 2-12] - Emaillieren (teigiger Zustand) [2-13] - AuftragschweiBen und Schmelztauchen (fliissiger Zustand) [2-14] - Diffusionsverfahren, chemisch thermisch (gasfOrmiger Zustand) [2-15] - Plasmagestiitzte Vakuumverfahren (Abscheidung aus der gasfOrmigen Phase) [2-16 bis 2-19]. Ein besonders breites Anwendungsgebiet haben die mit plasmagestiitzten Vakuumtechniken herstellbaren Schichten; ihr Einsatzbereich reicht von der Optik und Elektronik iiber Bautechnik, Energietechnik bis hin zum VerschleiB- und Korrosionsschutz. Die Stoffpalette beim VerschleiBschutz ist ebenfalls breit und reicht von der weichmetallischen Schicht iiber die Festschmierstoffschicht bis hin zur Hartstoffschicht. In jedem Falle unterliegen die zum VerschleiBschutz eingesetzten Schichten einer mechanisch-thermisch-chemischen Komplexbeanspruchung. Die tribologische Beanspruchung des Schichtverbundsystems verlangt daher von der Schicht gute Haftung, Duktilitiit, ausreichende Schichtdicke nach dem Einlaufen und fiir die jeweilige Anwendung giinstige tribologische Eigenschaften. In Tabelle 2-1 sind wichtige physikalische Eigenschaften einer groBeren Anzahl von Hartstoffen zusammengestellt.

2.5 Bevorzugte Beschichtungsmethoden fdr tribologisch beanspruchte Schichten 2.5.1

~gemmeines

Die Forderungen, die an tribologisch beanspruchte Schichten gestellt werden, sind vielfaltig und anspruchsvoll. So diirfen sich z. B. die Eigenschaften des Grundmaterials beim Beschichten nicht nachteilig iindem, der Verzug des beschichteten Korpers muB entsprechend den zuliissigen Toleranzen gering sein, da eine Nachbearbeitung i.a. nicht moglich ist, die Schichten miissen homogen sein und auch bei komplizierteren F ormteilen auf der gesamten Funktionsfliiche eine gleichmiiBige Schichtdicke aufweisen. AuBergewohnlich gute Haftfestigkeit der Schicht auf dem Grundkorper ist eine Grundvoraussetzung fiir die Anwendbarkeit der Schichten und schlieBlich werden hinsichtlich Hiirte, Reibung, Korrosionsverhalten usw. von Anwendungsfall zu Anwendungsfall unterschiedliche Anforderungen gestellt, Bild 2-4. AIle diese Forderungen sind bei Schichten erfiillbar, die durch CVD- oder PVD-Verfahren aufgebracht werden. Die Anwendungsschwerpunkte jeder dieser beiden Beschichtungsmethoden ergeben sich im wesentlichen aus den unterschiedlichen ProzeBtemperaturen beim Beschichten. 33

~

w

2800[4] 2560 [1] 2900[4] 1800 [4] 1550[4]

0,43 [1] 0,47 [1] 0,42 [1]

0,45 [1] 0,44 [1]

kfz[l] kfz[l] kfz[1]

kfz[l] kfz[l]

hex [1]

kub[l] hex [1]

hex [2]

hex [2]

hex

kfz[l] kfz[l] kfz[l]

NbC TaC

Ta 2C

Cr 23 C6 Cr 7C 3

Mo 2C

WC

B4 C SiC

TiN ZrN VN

2450 [1] 1600 [4] 1560[4]

3700[1] 2600[4]

2350 [4]

1660 [4]

1650 [1] 2200 [1]

1700 [1]

590[4] 510[4] 460[4]

441 [4] 480[4]

720[4]

540[4]

580[4] 560[4]

470[4] 400[4] 430[4]

kN/mm2

E-Modul

15,0 [1]

70,3[6]

0,276[1] 0,155 [1] 0,293 [1] 0,167 [1] 0,084[6)

4,5[4] 5,3[4] 9,35 [1] 7,2[4] 9,2[4]

2450 [1] 2760[4]

336,6[1] 365,5 [1] 217,3(6)

35,2 [1]

11,7[5]

7,8-9,3 [4] 1,214 [1]

84,7 [1] 190,5 [1]

309,8 [6) 334,9 [1] 191,3 (6)

36,0[6]

70,3[3]

7,78[1] 14,5 [1]

139,8 (6) 54,4[3]

141,1 [6] 161,2 [1] /150,7 [6] 71,2[1]

0,142[1] 0,222[1]

5,4[4] 7,32[4] 6,11 [4]

2,52[4] 3,22[4]

15,72 [4]

9,18[4]

7,0[1] 6,9[1]

4,93 [4] 6,63 [4] 5,41 [4]

75,4 [3] 174,6 [6] 100,5 [3]

183,8 [1] 184,6[6] 117,2[1]

g/cm- 3

Dichte

0,209 [1] 0,209 [1] 0,042[6]

3,8-3,9[4]

2950 [1] 2982[4] 2177[4]

-AGo

kJ/mol

Freie Bildungsenthalpie

kJ/mol

2776[4]

2517[4]

1520 [1] 1780 [1]

A.

-AH 298

Enthalpie

J/(cmsK)

Wiirmeleitrahigkeit

10,1 [1] 10,6 [1]

7,2[4] 7,1 [4]

3613 [4] 3985 [4] 3400 [1]

8-8,6[4] 7-7,4[4]

Wiirmeausdehnungskoeff. (I. 1O- 6 K- 1

3067[4] 3445[4] 2648[4]

DC

Schmelzpunkt

lOS [4]

25[4] 21 [4] 85[4]

0,5*10 6 [4]

17[4]

57[4]

19[4] 15[4]

52[4] 42[4] 59[4]

spez. elektr. Widerstand J,lilcm

Literaturangaben: [1] Kiefer, R., u. F. Benesovsky: Hartstoffe. Wien: Springer-VerI. 1968. [2] Holleck, H.: Biniire und terniire Carbide und Nitride der Obergangsmetalle und ihre Phasenbeziehungen. Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH KfK 30878. [3] Van Peteghem: Physikalische Chemie der Metalle und Legierungen. Vorlesung Universitiit Hannover. [4] Holleck, H.: Moglichkeiten und Grenzen einer gezie1ten Stoffauswahl fUr verschleiBfeste Hartstoffschichten, Z. Werkstofftechn.17 (1986), 334-341. [5] Ruhle, M.: Zum technischen Stand der Dispersionshiirtung - Tei11. Metall 36 (1982) Nr.12. [6] Gmelin: Handbuch der anorganischen Chemie. Weinheim: Verlag Chemie 1960.

0,42[1] 0,46 [1] 0,41 [1]

0,311 [1] /0,495 1,06 [1] 1,4 [1] /0,45 0,29[2] /0,284 0,291 [2] /0,284

HV

Harte

TiC ZrC VC

nrn

a/e

Gitterkonstante

Struktur

Hartstoff

Tabelle 2-1. Wichtige physikalische Eigenschaften von Hartstoffschichten.

Vl

w

kfz[l] hex [1]

hdp[l]

hex [2]

kfz[l] hex [6]

hex [1]

hex [6]

NbN Nb 2N

TaN

Ta 2N

CrN AIN

BN

Si3N4

hex [1]

tet [1]

hex [1]

kfz[l] kub[l] hex [1]

hex [1]

tet[l]

tet [1]

TiB2

Ti2B

ZrB2

ZrB ZrB12 VB 2

NbB 2

TalB

Ta 3Bl

SiB 6

Struktur

Hartstoff

0,3 [1] /0,32 0,61 [1] 10,46 0,32 10,35 0,47 [1] 0,74[1] 0,3 [1] 10,31 0,31 [1] 10,33 0,58 [1] 10,48 0,62 [1] 10,33

0,44[1] 0,31 [1] 10,496 0,52 [1] 10,29 0,30[2] 10,493 0,415[1] 0,311 [6] 10,498 0,251 [6] 0,669

run

ale

Gitterkonstante

3,6[6]

2204[4] 2450[2] 3000[1] 3000[2]

480[4]

3240[1] 3000 [1]

2770 [1]

2200[1]

630[4]

510[4]

3600[1] 2500[1] 2120[4] 2600 [1]

3245[4]

540[4]

2300[4]

2120 [1]

1920 [1]

3036[4]

3000[6] 2700[1] 2747[4]

2200 [1]

8,0[4]

7,6[4]

5,9[4]

0,168 [1]

0,23 [1]

0,259 [1]

1900[1] 1900[4] 3225[4]

2,5 [4] 8,3 [1] 7,8[4]

3000 [1]

660[4] 210 [4] 330 [4] 560[4]

2,847 [1]

1050 [2] 2250[4]

2,25 [1] 114,7[6]

15,2 [1]

6,98[4]

12[4]

13[4]

6,5 [1] 3,65 [1] 5,05 [4] 165,3 [1] 502,4[1] 150,7 [1]

6[4]

6,11 [4]

10 18 [4] 10 7 [4] 7[4]

640[4] 1015 [4]

58[4]

spez. elektr. Widerstand J.1ilcm

326,6 [1]

150,7 [1]

3,19[4] 2,43 [1] 4,5[1]

6,12[4] 3,26[4] 96,3[3]

123,5 [6] 288,9 [5] 119,3 [6]

15,8 [1]

8,43 [4] 8,3 [1]

g/cm- 3

270,9[1]

237,8 [1] 255,8 [1]

0,038 [6]

).

14,0[1]

209,6[1]

kJ/mol

J/(cmsK)

Dichte

243,3[6]

Freie Bildungsenthalpie -L1Go kJ/mol

Enthalpie -L1H 298

Winneleitfiihigkei t

400[4] 350 [4]

2500 [1]

1720[4] 2300[4] 3000[4]

1100[4] 1230 [4]

1400 [6] 2120 [1]

HV

2,3[4] 5,7[4]

10,1 [6]

°C

kN/rnm2

E-Modul

Winneausdehnungskoeff. lX 10- 6 K- 1

Hirte

Schmelzpunkt

Tabelle 2-1. Wichtige physikalische Eigenschaften von Hartstoffschichten (Fortsetzung).

t.H

0\

Struktur

hex [1]

tet [1]

hex [1]

tet [1]

tet [1]

hex [1]

hex [1]

tet [1]

tet [1]

hex [1]

hex [1]

tet[l]

kub [1] hex [1]

hex [1]

Hartstoff

TaB2

CrsBa

CrB2

Mo 2B

MOaB2

MoB2

M02 B S

W2B

WB

W2 B S

Ti sSi3

Zr 2Si

V3Si VSi 2

NbSi 2

0,31 [1] /0,33 0,55 [1] /1,06 0,279 [1] /0,307 0,55 [1] /0,47 0,60 [1] /0,31 0,3 [1] /0,31 0,3 [1] /2,1 0,56 [1] /0,47 0,31 [1] /1,7 0,3 [1] /1,39 0,75 [1] /0,52 0,66 [1] /0,54 0,47 [1] 0,46 [1] /0,64 0,48 [1] /0,66

nm

a/e

Gitterkonstante

700 [1]

1500 [1] 960 [1]

1230 [1]

986 [1]

2700 [1]

3750 [1]

2350 [1]

2350 [4]

2300 [1]

2500 [1]

2250

2100 [4]

HV

Harte

770 [4]

670 [4]

540 [1]

680 [4]

kN/mm2

E-Modul

1950 [1]

2060 [1] 1650 [1]

2110 [1]

2120 [1]

2365 [4]

2860 [1]

2770 [1]

2140 [4]

2100 [1]

2240 [1]

2140 [1]

2188 [4]

1900 [1]

3037 [4]

°C

Schmelzpunkt

7,8 [4]

8,6 [4]

10,5 [4]

8,2 [4]

Warmeausdehnungskoeff. IX 1O- 6 K- 1

A.

0,214 [6]

J/(cmsK)

Warmeleitfahigkeit

50,2 [1]

154,9 [1] 95,0 [1]

309,8 [1]

577,8 [1]

209,3 [1]

96,3 [1]

175,9 [1]

106,8 [1]

129,8 [1]

125,6 [1]

193,9 [6]

kJ/mol

-AH 298

Enthalpie

Tabelle 2-1. Wichtige physikalische Eigenschaften von Hartstoffschichten (Fortsetzung).

-AGo

kJ/mol

Freie Bildungsenthalpie

12,58 [4]

5,5 [1]

5,5 [1] 4,5[1]

6,0 [1]

4,3 [1]

13,03 [4]

15,5[1]

16,5 [1]

7,45 [4]

7,8 [1]

9,0[1]

9,2 [1]

5,58 [4]

19 [4]

18 [4]

18 [4]

14[4]

g/cm- 3

6,1 [1]

spez. elektr. Widerstand /lUcm

Dichte

W

-.J

Struktur

hex [1]

tet [1]

kub[l] tet[l]

kub[l] hex [1]

kub[l] tet [1]

tet [1]

tet[1]

tet [1]

Hartstoff

Nb 4 Si

TazSi

Cr 3Si CrsSi

CrSi CrSi z

Mo 3Si MosSi 3

MoSi z

WSSi3

WSi z

a/e

0,36 [1] /0,50 0,61 [1] /0,50 0,455 [1] 0,919 [1] /0,465 0,462 [1] 0,442 [1] /0,655 0,489 [1] 0,964[1] /0,49 0,32 [1] /0,786 0,561 [1] /0,496 0,321 [1] /0,788

run

Gitterkonstante

1090 [1]

770[1]

1290 [1]

1310 [1] 1170[1]

1000 [1] 1100 [1]

950 [6] 1280 [1]

1500 [1]

550 [1]

HV

Harte

384 [1]

kN/mmz

E-Modul

2165[1]

2320[1]

2050 [1]

2150[1] 2100[1]

1550 [1] 1630 [6]

1710 [1] 1560[1]

2450[1]

1950[1]

°C

Schmelzpunkt

8,4[1]

Warmeausdehnungskoeff. a 1O- 6 K- 1

A

2,219 [1]

J/(cmsK)

Warmeleitrahigkeit

92,1 [1]

125,6[1]

108,9 [1]

100,5 [1] 280,5 [1]

100,5 [1]

105,5 [1]

83,7

kJ/mol

-LlH z98

Enthalpie

Tabelle 2-1. Wichtige physikalische Eigenschaften von Hartstoffschichten (Fortsetzung).

-LlGo

kJ/mol

Freie Bildungsenthalpie

9,5 [1]

14,56 [1]

6,3 [1]

8,8 [1] 7,8[1]

5,38 [6] 4,91 [6]

6,52 [6] 5,6[1]

13,5 [1]

7,8 [1]

g/cm- 3

Dichte

J,Illcm

spez. elektr. Widerstand

VerschleiBschutz Korrosionsschutz

U

Festigkeitsanforderungen statisch oder dynamisch, kurz· oder langzeitig, Ermiidung

I

Schichtfunktionen

~

optische Aufgaben zB. Reflexion, Absorption thermische Anforderungen

'.B.O,;d.",=h"", Hochtemperaturkorrosionsschutz elektrotechnische Aufgaben z.B. Kontakteigenschaften elektronische Aufgaben z.B. dGnnste Schichten mit beson· deren Anforderungen an die Leit· fiihigkeit (integrierte Schaltkreise)

IJ

tt

Komplex· beanspruchungen

~

~

-

L----

Bild 2-4. Ubersicht iiber die wichtigsten Schichtfunktionen.

Wie kaum auf anderen Anwendungsgebieten der Diinnschichttechnik kam es bei den Hartstoffschichten in den beiden letzten Jahrzehnten zu sehr intensiven Entwicklungsarbeiten, die sich auch heute noch in vollem Gange befinden und die in einer Vielzahl von Veroffentlichungen wissenschaftlichen und technischen Charakters ihren Niederschlag . gefunden haben. Die Fortschritte bei der Verbesserung der Schichteigenschaften kamen wechselseitig durch chemische und physikalische Beschichtungsverfahren zustande und trieben die regen Entwicklungsarbeiten zusiitzlich an. Die beim CVD-Verfahren erforderlichen hohen Temperaturen schriinken seine Anwendung auf Substrate mit einer entsprechend hohen Temperaturbestiindigkeit ein. Da die Mehrzahl aller Anwendungen wesentlich niedrigere Substrattemperaturen zur Voraussetzung hat, versuchte man Ende der siebziger Jahre das Problem durch physikalische Beschichtungsverfahren zu losen. Anfangsversuche mit nicht immer befriedigendem Ergebnis fiihrten zu der Erkenntnis, daB bei Substrattemperaturen von z. B. 500°C die Energie von Aufdampfteilchen beim Kondensieren zu niedrig ist und daB sich hochwertige Schichten mit groBer Hiirte, niedrigem Reibwert und guter Haftfestigkeit nur durch plasmagestiitzte PVD-Verfahren, von denen es zahlreiche Varianten gibt, herstellen lassen. Nach dieser SchluBfolgerung lag es nahe, auch das CVD-Verfahren als plasmagestiitzten ProzeB zu betreiben (PA-CVD), urn darnit bei gleichen Ausgangsmaterialien, aber bei wesentlich niedrigeren Substrattemperaturen Hartstoffschichten aufbringen zu konnen. Der Hauptunterschied zwischen CVD und PA-CVD besteht darin, daB die hohe Aktivierungsenergie fiir die Reaktion zwischen Stickstoffmolekiilen und TiCl 4 hohe Temperaturen und im Verhiiltnis zur Menge der entstehenden Reaktionsprodukte einen verhiiltnismiiBig groBen Anteil an Stickstoffmolekiilen erfordert, wiihrend beim PACVD-Verfahren Stickstoff, Wasserstoff oder andere Reaktionsgase im angeregten oder dissoziierten Zustand vorliegen und damit einen Reaktionsablauf bei niedrigeren Substrattemperaturen ermoglichen [2-20]. Es bestehen zwar grundsiitzliche Unterschiede, aber auch viele Parallelen apparativer und verfahrenstechnischer Art zwischen der Katodenzerstiiubung und dem PA-CVD; auch Bias-Betrieb bietet sich bei beiden 38

Beschichtungsmethoden an. Die gegenwiirtigen Entwicklungen haben eine Optimierung der Plasmabedingungen und damit einhergehend eine Erhohung der Abscheiderate und Verbesserung der Schichteigenschaften zum Ziel. Aber auch neue Schichtsysteme und Materialkombinationen werden intensiv untersucht [2-21 bis 2-43].

2.5.2 CVD-Verfabren Die Eigenschaften der mit CVD-Verfahren hergestellten Schichten hiingen von den ProzeBparametem abo Beim Herstellen von Schichten fiir tribologische Anwendungen, bei denen es jeweils auf ganz bestimmte Schichteigenschaften ankommt, ist es daher von groBter Bedeutung, in Vorversuchen die optimalen ProzeBparameter zu ermitteln. Ais Beispiel ist in Bild 2-5 der EinfluB des Kohlenstoffgehaltes auf die Gitterkonstante und die Hiirte von Titankarbid und in Bild 2-6 der EinfluB des Arbeitsdruckes auf die Kondensationsrate von Wolframkarbid dargestellt [2-44; 2-45]. 1m Prinzip konnten CVD-Verfahren sehr breitgefacherte Anwendungen erfahren, denn es stehen viele chemische Substanzen zur Verfiigung, mit denen es moglich ist, Schichten aus Metallen oder chemischen Verbindungen, wie Karbiden, Nitriden, Boriden, Siliziden, Oxiden und entsprechenden Mischverbindungen oder gar organischen Verbindungen wie PTFE (Polytetrafluorethylen) herzustellen. Da aber die chemischen Reaktionen fUr die Schichtbildung nur bei relativ hohen Substrattemperaturen zu Stande kommen - sie betragen z. B. heim Herstellen von TiN- oder TiC-Schichten etwa 1000 °C - beschriinkt sich die industrielle Anwendung der CVD-Verfahren nur auf Substrate mit ausreichender Temperaturbestiindigkeit. Die Einschriinkungen sind also hauptsiichlich nicht auf das Verfahren selbst, sondem vielmehr auf eine Beeintriichtigung der Substrateigenschaften durch zu hohe, aber notwendige Reaktionstemperaturen zuruckzufiihren [2-46; 2-47]. Aber auch stark korrodierende Reaktionsprodukte konnen die Herstellung bestimmter Schichten verhindem. Tabelle 2-2 verdeutlicht die vielen sich bietenden Moglichkeiten, aber auch die sich aus den erwiihnten Grunden ergebenden Einschriinkungen [2-48]. Das fiir eine breitere Anwendung des CVD-Verfahrens zu losende Kardinalproblem besteht darin, Mittel und Wege zu finden, die es ermoglichen, den ProzeBablauf auch bei 32000 N/mm2

28000

>

:r: ~

,ca

24000

:r:

20000

16000

V /

a.,.. /

V

--

~

~

......

r---

-;

/v "

./

~

0,4330 nm

0,4325 0,4320

~

ll!c:

~

0,4315 .~ 0,4310

t?

0,4305

Bild 2-5. EinfluB des KohlenstofTgehaltes im TiC-Gitter auf Gitterkonstante und Hiirte. a Gitterkonstante b Hiirte HV

39

10 Il m/min

8

...:;: cu

I:

6

•

0 .;::;

~ cu

I:

'0 I:

0

4

~

2

Bild 2-6. EinfluB des Arbeitsdruckes auf die Kondensationsrate bei der Herstellung von Wolframkarbid.

°O~~~2700~~-4~0~0--~~60=0~m~ba-r~800 Druck

niedrigeren Temperaturen ablaufen lassen zu konnen. Drei Altemativen bieten sich an: a) Bei Erhitzung der Substratoberfliiche durch einen gepulsten Laserstrahl kann das Substrat "kalt" bleiben. Eine Anwendung bei komplizierteren Formteilen ist jedoch mit Schwierigkeiten verbunden, und sie setzt auch voraus, daB der Laserstrahl absorbiert wird, eine Bedingung, die nicht bei jedem Material erfiillbar ist [2-49]. Eine gleichartige Wirkung kann auch mit Elektronenstrahlen erzielt werden. b) Eine Losung des Problems wird auch dadurch erreicht, neue Reaktionsmaterialien zu tinden, deren Reaktionstemperaturen niedriger als die der bisher verwendeten Materialien liegen. Erfahrungen mit metallorganischen Verbindungen liegen bereits vor und Schichten aus GaAs, CdxHg 1- xTe und Al werden bei relativ niedrigen Temperaturen hergestellt [2-50 bis 2-52]. Es ist jedoch bisher noch nicht gelungen, chemische Substanzen zu tinden, mit denen abriebfeste Schichten bei iihnlich niedrigen Reaktionstemperaturen herstellbar wiiren. Eine Ausnahme bilden Wolframkarbidschichten mit Abscheidetemperaturen zwischen 300 und 550°C. Diese Schichten sind allerdings verhiiltnismiiBig sprode und benotigen zur Verbesserung der Haftfestigkeit Nickelzwischenschichten [2-53]. c) Mit plasmagestiitzten CVD-Verfahren konnen die Substrattemperaturen ebenfalls herabgesetzt werden. Hierbei sind die Substrate - iihnlich wie bei der Katodenzerstiiubung - einem Bombardement angeregter oder ionisierter Teilchen ausgesetzt. Wegen des nicht vermeidbaren Zerstiiubungseffektes darf die Entladungsspannung nicht zu hoch gewiihlt werden. Bei diesem Verfahren wird die zum Reaktionsablauf erforderliche Mindestenergie hauptsiichlich durch StoBprozesse aufgenommen. Die hoherenergetischen Teilchen benotigen zur Reaktion auf der Substratoberfliiche weniger hohe Temperaturen. Auf diese Weise ist es gelungen, im LabormaBstab TiC bei 450°C, TiN bei 250°C und TiCxN 1-x bei 300°C herzustellen. Es hat sich allerdings gezeigt, daB die Haftfestigkeit nicht ausreichend war und befriedigende Ergebnisse nur oberhalb 400°C und bei TiC nur oberhalb 500°C erreicht werden konnten [2-54; 2-55].

40

.j::>.

....

aJ

x

x

•

0

2

ISi0 /Quarz

Si

o entwickelt

0

x teilweise entwickelt

0

x

0

x

0

0

0

x

0

0

0

•

x

0

0

• •

x

x

x

x

• •

• •

x 0

0

~

x

0

0

x

x

x

•

0

0

•

0

Z Z Z z Z aJ'" (:Q ~ :> ~ iZi'" ~

x 0

0

U 01 E-
0,1 11m wiichst diese Schicht parabolisch gemiiB dem Gesetz

s=fo·

t

= Betriebszeit

GemiiB dieser Formel sollten Schichten mit moglichst kleinem Wert von k verwendet werden, urn einen zu starken Materialverbrauch zu vermeiden. A1 20 3 , Cr 203 und Si0 2 haben solche kleinen Wachstumskonstanten. Diese Schichten konnen nicht direkt als Schichtmaterial aufgetragen werden, weil sie wegen ihrer hohen Sprodigkeit den dynamischen Belastungen in einer Turbine nicht standhalten wiirden. Es muB also eine Schicht aufgetragen werden, die einerseits diese Oxidschicht bildet bzw. nachbildet und die andererseits aber auch eine hinreichende Duktilitiit, eine hinreichende Haftung besitzt und keine zu starke Abdiffusion des Schichtmaterials in den Grundwerkstoff aufweist. Schichten, die Si0 2 selektiv ausbilden, sind zu sprode [10-48], so daB sie heute nicht eingesetzt werden. Urn die Nachbildung der passivierenden Oxide zu gewiihrleisten, muB die Schicht einen hohen Gehalt an oxydbildenden Elementen haben. Dies fUhrt dazu, daB entweder intermetallische Phasen (z. B. Ni-Aluminide) oder aber inhomogene Schichten mit AIbzw. Cr-reichen Einlagerungen in einer metallischen Matrix verwendet werden. Die inhomogenen Schichten haben den Vorteil, daB das Matrixmaterial dem Grundwerkstoff angepaBt werden kann, ohne daB das selektive Oxidationsverhalten geiindert wird. Zusiitzlich konnen noch weitere Komponenten - Z. B. Y - in der Matrix gelost werden, die 224

Tabelle 10-9. Schutzschichten fiir Gasturbinenschaufeln [10-46]. Methode

Typ

Dicke der Schicht

Material

in Gebrauch

CVD

A+D

variabel

Nein (AI: ja)

CVD

D

100 11m

Spritzschichten

A+D

variabel

PVD

A

galvanisch

A

Ni-Cr, Si, SiB, TiSi AI, AlPt, Cr, Si, SiAl CoNiCrAIY NiCoCrAlY NiCrAIY CoCrAIY FeCrAIY Ni-Cr-Si NiCoCrAIY NiCrAIY CoCrAIY FeCrAlY Zr0 2 (Y2 0 3 ) CrFe

(150-400 Ilffi)

variabel

(75-100 11m)

variabel

(-100m)

ja ja

ja

ja

A = Auftragsschicht D = Diffusionsschicht die mechanische Verkrallung der sich ausbildenden Oxidschichten z. B. durch Ausbildung von zerkliifteten Grenzflachen zwischen Oxidschichten und Grundwerkstoff verbessem. Diese Verkrallung fiihrt dann zu einem weniger hiiufigen Abplatzen der Schicht und dadurch zu einer langeren Lebensdauer der Schieht. Tabelle 10-9 [10-46] zeigt die heute vorwiegendverwendeten Beschichtungsverfahren, wobei das Plasmaspritzen im Vordergrund steht. GroBe Bedeutung hat aber auch das Aluminieren, mit dem wegen seiner groBen Streukraft auch Kiihlkanale beschichtet werden konnen, was mit Plasmaspritzen nieht moglich ist. Bei dem Aluminieren handelt es sich um ein thermochemisches Verfahren, bei dem die Schaufeln entweder in ein aluminiumhaltiges Pulver eingebettet und dann warmebehandelt werden oder aber iiber die Gasphase beschichtet werden. In beiden Fallen ist der Trager des AI ein Chlorid. Bei den Packverfahren wird dem Pulver NH 4 CI- der sog. Aktivator - zugemischt, das mit dem Aluminium, welches meist in Form von Ferroaluminium vorliegt, reagiert und AI-Chloride bildet, die dann an der Werkstoffoberflache AI freisetzen, welches dann in den Werkstoff eindiffundiert. Je nach Aluminiumaktivitat in der Spenderphase herrschen verschiedene Bildungsmechanismen vor. Dies sei am Beispiel von Ni-Basislegierungen erklart. Bei geringen AIAktivitaten und Temperaturen von 1000-1100 °C wird die Schieht durch eine Auswartsdiffusion des Ni erzeugt. Es entstehen dadurch sehr reine NiAI-Schichten. An der Grenzflache zum Grundwerkstoff reichem sich die Komponenten an, die in NiAI wenig loslich sind (z. B. Cr, Ta, Mo, W). Wird bei hohen AI-Aktivitaten und Temperaturen von 700-950 °C beschichtet, dann diffundiert Al in den Grundwerkstoff ein und es entstehen Al-reiche Phasen (Ni2AI3) die durch nachtragliches Tempem bei Temperaturen von 1050 bis 1200°C in das gewiinschte NiAI umgewandelt werden konnen. 225

Um die Oxidationsfestigkeit der Schichten weiter zu verbessem, wurden die Aluminierungsverfahren durch eine vorausgehende Warmebehandlung und durch eine Vorbeschichtung modiftziert. Als ein Beispiel des letzten Schichttyps seien bier die mit Platin modiftzierten Schichten genannt. Bei ihnen wird vor der eigentlichen Aluminierung das Werkstiick galvanisch mit einer 5 bis 10 J.1m dicken Pt-Scbicht versehen. Der AluminierungsprozeB bildet dann oberfliichlich Pt-Aluminide, die den Korrosionsschutz verbessem.

10.3 Ausblick Wie schon mehrfach erwahnt, konnen einphasige Scbichten Mufig nicht alle geforderten Eigenschaften befriedigen. Deshalb wird vermutet, daB sich die Schichtentwicklung von Verbundstrukturen in Zukunft verstarken wird. Die damit verbundenen Moglichkeiten sollen bier kurz skizziert werden. Von der Gruppe urn Hirai [10-49] wurde gezeigt, daB durch gemeinsame Abscheidung aus Gasgemischen (Tabelle 10-10) eine Reihe von Schichtstrukturen hergestellt werden Tabelle 10-10. CVD-Systeme zur Herstellung von KeramikVerbundstrukturen. Die Buchstaben in Spalte 4 beziehen sich auf Bild 10-15 [10-49]. Matrix

Einlagerung

Reaktionsgas

Typ

C

B4 C SiC TiC zrC HfC BeO C Si3N 4 TiN C AlN AlN BN BN TiN

C.Hy-BCI 3 C3H s -SiCI4 CH 4 -TiCI4 C.Hy-ZrCI4 C.Hy-HfCI4 C.Hy-Be(C sH 7 0 4) BCI3- NH 3-C zH z BCI3-NH 3-SiCI4 BCI3-NH 3- TiCl4 SiClcNH3-C3Hs SiH 4 -NH 3-AICI3 SiCI4 -NH 3-AICI3-O z SiClc NH 3-B zH 6 SiCI4 -NH 3-BCI 3 SiCI4 -NH 3- TiCl4 SiHcNH3-0Z BCI3-C 3H s SiCI4 -C 3H s SiCl4 - BCl3-C 3H S SiCI4 - TiCI4 -C 3H s Si(CH 3)4- NH3 ZrCI4 -CH 4 TiCl4 -SiCI4 -CCI4 TiClc BCI 3-N z

a b a a

BN Si3N 4

SiOz

B4 C SiC

ZrC Ti 3 SiC z Ti-B-N

226

C C B4 C TiC Si3N 4 C TiC TiB z

a a a e

a,d

a

C

a

o

o

I

0

I

a)

o

0

b)

c)

d)

Bild 10-15. Typische Verbundstrukturen, abscheidbar durch CVD. a) sphiirisch, b) flache Partikel, c) schichtartig, d) faserartig, e) laminar.

e)

konnen (Bild 10-15), Tabelle 10-11 [10-50] zeigt die mit diesen Schichten erreichten Verbesserungen und Tabelle 10-12 die Schichtsysteme, die bis jetzt untersucht worden sind [10-51]. Neben den Multilayerschichten haben die in Bild 10-15 a gezeigten Dispersionsschichten die groBte Bedeutung. Folgende Anwendungsgebiete sind gegeben: 227

Tabelle 10-11. Verbesserung der Eigenschaften durch Verbundstrukturen [10-50]. Matrix

Einschliisse

Struktur

Verb. Eigenschaften

C

SiC

b

C SiC BN

TiC C TiN TiN

a a a a

Oxidationsverrnogen, Erhohung d. Biegefestigkeit Erhohung d. Elastizitat als Modus, Erhohung d. Harte, bessere Diffusionssperre f. Spaltprodukte Resistenz gegen Strahlung Reibverhalten Warrneisolation Verringerung d. Warrneleitfiihigkeit

Si3N4

Tabelle 10-12. Durch CVD herstestellte Dispersionskeramiken [10-51]. Matrix

Dispersion

Carbon Si3N4 SiC Ti-Si-C Ti-Ge-C A1 2 0 3

SiC, TiC, B4C, BeO C, TiN, BN, AIN oder SiC TiSi 2 Ti-Si-C Ti-Ge-C Zr0 2

1) Schutzschichten gegen Oxidation bei hohen Temperaturen (etwa 1000 DC) sollten Reservoirteilchen besitzen, in denen das Element vorhanden ist, welches die Passivschicht bilden solI [10-52, 10-53], also Al oder Cr. 2) Duktilisierung von keramischem Material durch EinschluB von Partikeln [10-54]. 3) VerschleiBschutzschichten, wobei harte Partikel in eine weiche Matrix eingelagert werden [10-55]. Zur Herstellung solcher Schichten gibt es auBer dem erwahnten Abscheideverfahren aus der Gasphase noch eine weitere M6glichkeit, die sich an die bei der Abscheidung aus Fliissigkeiten iiblichen Verfahren anlehnt, wobei z. B. harte Partikel (SiC, Diamant) in einem Elektrolyten dispergiert und dann gemeinsam mit dem Metall aufgebracht werden. Eine solche Art der Abscheidung sollte auch bei CVD m6glich sein, zumal hier die Partikelabscheidung durch Thermodiffusionseffekte [10-56] unterstiitzt werden kann. Dieses Verfahren ist bisher jedoch zur Herstellung von Verbundschichten nicht verwendet worden. Es ist auch denkbar, daB das CVD einmal verstarkt zur Herstellung von Vollmaterial verwendet wird, weil hohe Beschichtungsgeschwindigkeiten erreicht werden k6nnen. Bei den erwahnten Keramiken sind Werte bis 20 Ilm/min und bei Wolfram bis 150 Ilm/min gemessen worden [10-50].

228

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Sachverzeichnis

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Aufzeichnungsmedien 114 AufzeichnungsprozeB, magnetischer 114 Aufzeichnungsverfahren,optische 114 Ausdehnungskoeffizient 53 Ausnutzungsgrad 191 Ausschleuskammer 62, 79 Automobilglas 14-19 Automobilscheinwerfer 82 Autoriickspiegel 15 Autoscheiben 16 Backenschleuse 187, 188 Badoberflache 173 Bandbedampfungsanlage 92,93,119 Bandbeschichtung 191 Bandbeschichtungsanlage 98, 102, 120 Bandgeschwindigkeit 89,91,94,99, 101, 103, 104, 106, 113 Bandtemperatur 189 Barriereeigenschaft 105 Barriereschicht 109 Barrierewirkung 104, 106 Bauelemente, elektronische 84 Bedeckungsgrad 89 Beglimmen 76 Bereich, magnetisierter 116 beschichtbare Kunststoffe 85 Beschichtungsgeschwindigkeit 201,202,223 Beschichtungskammer 25, 90 Beschichtungsmaterial 79, 93, 96 Beschichtungsparameter 83 Beschichtungsprofll 207 Beschichtungsrate 57,96, 121, 196 Beschichtungstechnologien 19-27 Beschichtungstemperatur 43, 44, 55, 223 Beschichtungsverfahren 28, 183, 184,225 Beschichtungsvorgang, reaktiver 47 Bestandigkeit, chemische 49 Bestiiubungskammer 25, 27 Bias 110 Bildpunktansteuerung 165, 167 Bildschirm, Computer 134 Bildtelefon 146 Bitdichte 117

Blockerschicht 18,19 Bogenentladung 223 Bohrer 71 Borieren 222 Borierrnittel 221 Borierverfahren 221 Borsilikatglas 25 Brechzahl 105, 143, 144 Brennstoffzelle 210 Carburieren 218 CD-Metallisierungsanlhge 85 Chemical Vapor Deposition siehe CVD chemische Infiltration 207 Compact Disc 125,127,130,131 Computer-Bildschirrn 134 CVD (Chemical Vapor Deposition) 154, 200-228 - Verfahren 39,173,207,211 - - plasmagestiitzte 40 Damptblasenbildung 173 Dampfkeule 112 Dampfzusammensetzung 176 Datenspeicher 130, 131 - optische 85, 127 Datenspeicherung, magnetooptische 125, 129 dekorative Schicht 45, 52, 75 Desorption 88 Desorptionsgasstrom 89 Diamantschicht 221 Dichte 42, 195 - optische 104 dielektrische Schicht 12, 216 Dielektrizitatskonstante 102 DiffusionsprozeB 215 Diffusionssperre 129 Display-Technik 147,167 Displays 146 Doppelkatode 48,59, 198 Doppelschicht 12 Doppelverglasung - beschichtete 6 - unbeschichtete 5 Drahtbedampfung 199 Drehkorb 79,81 Drehstahl 71 Drei-Zonen-Modell 174 Dreikammerschleusenanlage 62 Druckgradient 209 Diinnfilm-Diode 161 Diinnfilm-Elektrolumineszenzdisplay (TFELDs) 147 DiinnfiImtransistor 165 Durchgiinge, mehrere 22

Durchlaufanlagen 28 Durchlaufreaktor 203 Durchlaufschleusenanlage 27 Duroplaste 74 Eigenschaft - magnetische 130 - optische 10, 11,26,27,47 - tribologische 33, 66, 72 Einbettungsschicht 25 Einebnungsschicht 50 Einfachscheibe 8 Einfachverglasung 4, 20, 26 Einfallswinkel 119,120 Einkammeranlage 21-23 Einlaufkammer 25 Einschleuskammer 27, 62 Eisbildung 16 Eisschicht 15,17, 18 elektrisch beheizbare Schicht 134 elektrische Leitfiihigkeit 88, 93, 135, 137 elektrischer Schichtwiderstand 92 Elektro-Migration 216 elektrochrome - Schicht 15, 152, 156 - Schutzbrille 157 Elektrolumineszenz 154 - Anzeige 159 - Emission 153 - Schichten 152 Elektrolyse 184-186 elektromechanische Anzeigen 146 Elektronenkonzentration 135 Elektronenstrahl - Leistungsdichte 190 - Verdampferquellen 154 - Verdampfungseinrichtung 192 Elektronenstrahlkanone 87,96,104, Il2, 179, 192-194, 199 Elektronenstrahlverdampfer 119, 199 Elektronenstrahlverdampfung 104, 106, 191, 198 elektronische Bauelemente 84 elektrophotographische - Filme 109, 110 - Schicht 111 elektrostatische Aufladung 134 Emissionsverrnogen 2 Energieaustausch 2,5,6 Energiebilanz 1, 6 Energieeinsparung 1 Energiehaushalt 1 Energietransport 2, 8, 13 Energieverlust 2 Entgasung 88, 113 Entgasungsdauer 89

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Epitaxie 214 Epitaxieschicht 213 Evakuierung 77,88 Evakuierungsdauer 77,101 Evakuierungsvorgang 76 Fahrzeuginnenraum, Aufheizung 14 Farbdiagramm 156 Farben, irisierende 84 Farbfilter 155 Farbfilterschicht 171 Farbneutralitat 9, 12 Farbton 45, 84 Faserbeschichtung 205-207 Faserverbundwerkstoff 206 Fensterflachenanteil 7 Fensterglas, optische Eigenschaften 2, 3 ferromagnetisches - Material 123 - Target 123 feststoffgeschmierte Lager 71 Feststoffschmierung 70 Film, elektrophotographischer 109, 110 Flache, tiefgekiihlte 77 Flachenwiderstand 17,109,111,139,141-144 Flachschleuse 187,188 Fliigelzellenpumpe 72, 73 Fliissigkeitskristallanzeige 134 Fliissigkristalldisplays 111 FliissigkristaUmaterial 159 Fliissigkristallschicht 169 FluBwechsel 117, 118 Folienbeschichtung 103 Folienbeschichtungsanlage 87, 88, 98, 108 Folientemperatur 99 Foto s. auch Photo Fotoleiter 169, 170 Fotoleiterschicht 167 FreiflachenverschleiB 52, 53 Fiillgas 2 Funktionsschicht 49-51 Galvanisieren 82 Gasabgabe 76,79,81 Gasaustausch 25 Gasdruck 43 Gase, kondensierende 78 Gasphasenbeschichtungsverfahren 201 Gasturbinenschaufel 225 Gasverteilung 132 Gaszusammensetzung 208 Gefiigestruktur 44, 174, 177, 178 GesamtenergiedurchlaB 1,6,7, 11 Gitterschnittest 75 Glanz 75

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- hochstmoglicher 74 Glas, massegeflirbtes 8 Gleitreibung 65 Glimmeinrichtung 82 Glimmen 23 Glimmentladung 119 Glimmkatode 108 Glimmparameter 76 Goldt6ne 83 Grundlack 75 Grundlackierung 75,82 Haftfestigkeit 12,40,53,55,56,74-76,81,93, 195 Haftrninderung 25 Harte 33,45,52,144 Hartstoffschicht 38,45,46, 52, 56, 58, 59, 68, 178 - physikalische Eigenschaften 34-37 HeiBgaskorrosion 172 HeiBtauchverfahren 184, 185 Heizperiode 7 Helligkeit 47 Hochfrequenzzerstaubung 110 Hochleistungszerstauben 21, 107 Hochleistungszerstauber 25,27,81 Hochtemperatur-Supraleitung 197 Hochtemperaturoxidation 172 Hochvakuumpumpstand 22, 79 Hydrolyse 19 Hysteresekurve 119-121 induktiv beheizte Verdampfungsquelle 95 Infiltration, chemische 207 Informationsdichte 114, 117 Informationsspeicherung, magnetische 125 Infrarot 16 Infrarotbereich 15 Infrarotstrahlung 2 Ionendichte 57 ionengestiitztes Verfahren 83 Ionenimplantation 167,214 Ionisierung 196 Ionisierungsgrad 44, 45 irisierende Farben 84 Isolatorschicht 161 Isolierglas 1, 5, 6 Isolierschicht 214 ITO-Schicht 107,135,138,139,142,143,151 ITO-Target 141 k-Wert 1,2,6,9 Kabel, supraleitende 205 Kaltemaschine 77 KaltverschleiB 49

Kantenfilter 112 Katalysatoren 185 Katode 131 Katodenautbau 132 Katodenzerstaubung 21, 87, 97, 104, 111-113, 138, 173, 194, 196 Kerrdrehung 129, 130, 132 Klebebandtest 75 Knudsenzahl 200,201 Koerzitivfeldstarke 116-119, 122, 129 Kohlenstoffpolymerschicht, amorphe 66, 68 Kohlenstoffschicht, metallhaltige 67 KolkverschleiB 53 kompakter Schichtautbau 175 Kondensationsrate 20,40,58,59, 112, 178, 196 Kondensationswarme 175, 189 Kondensatorfolie 102 kondensierende Gase 78 Kontamination 131 Konvektion 5, 6 konventionelles Zerstauben 21 Koronaentladung 110 Korrosion 33, 82 Korrosionsbestandigkeit 45,49,197 Korrosionsschutz 38, 185 Korrosionsschutzschicht 174,179,182 Kristallstruktur 118 Kiihlfalle 78 Kiihlkosteneinsparung 9 Kunststoff(e) 74-76,87,88 - beschichtbare 85 - leitfahige 85 Kunststoftbeschichtungsanlage 78,80,81,83 Kunststoffolie(n) 89,99, 104, 107, Ill, 112, 142, 187 Kunststofforrnteile 74,79-81 Kunststoffsubstrat 79 Lacke, angefarbte 83 Lager, feststoffgeschmierte 71 Langzeitstabilitat 48 Langzeitverhalten 49 Lebensdauer verschiedener Schichten 220 Legierung(en) 86 - Aufstauben von 97 - Verdampfen von 79 Legierungsschicht 193, 194 Legierungszusammensetzung 122, 176 Leistungsdichte 140 - des Elektronenstrahls 190 Leistungskondensatoren 102 leitfahige Kunststoffe 85 Leitfahigkeit, elektrische 88,93, 135, 137 Leitlack 85 Leitungsmechanismus 135

Lichtbogen 57 Lichtbogenverdampfer 59 Lichteinstrahlung 2 Lichtleitfaser 211 longitudinale Aufzeichnung 117 liischbare Speicherplatte 125 Luft-zu-Luft-Anlage 187, 188 Luft-zu-Luft-Beschichtungsanlage 197 Luftzirkulation 2 ~agnetbander 114 magnetische - Eigenschaften 130 - Inforrnationsspeicherung 125 - ~etallschicht 117 magnetischer - AufzeichnungsprozeB 114, 115 - FluB 123 magnetisierter Bereich 116 ~agnetisierung 118, 129 Magnetkopf 125 magnetooptische - Aufzeichnung 128 - Datenspeicherung 125, 129 - Schicht 127, 130 - Speicherplatte 132, 133 ~agnetplatte 114, 118-123, 125 ~agnetron 194, 195 Magnetronkatode 123, 140 Magnetronsputtem 123 Makromolekiile 74 massegefarbtes Glas 8 Material, ferromagnetisches 123 ~aterialausbeute 97 ~aterialausnutzung 176 Materialnachfuhr 194 Materialnachschub 94 Me-C: H-Schicht 68,69 Mehrfachscheiben 1 Mehrfachschichten 25 Mehrkammeranlage 90,91 Mehrkammerdurchlaufanlage 25,26 Mehrkammerprinzip 87 Mehrscheibenglaser 4 Messingtargets 83 ~etallchlorid 19 metallhaltige Kohlenstoffschicht 67 metallische Schicht 75 metallischer Spiegel 83 Metallisieren 74,75,79,80 metallorganische Verbindung 40,223 Metalloxid 12 Metallschicht, magnetische 117 Mikroelektronik 131 Mikroharte 42

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Modeschmuck 84 Modulbauweise 25 Monitorschirm 146 Morphologie 83, 189 Multi-pass-Anlage 18 Niederdruck-Plasma 181 Niederdruck-Plasmaspritzen 180, 182 Nitrieren 218 Oberflacheneigenschaft 29 Oberflachenermlidung 30,32 Oberflachenrauheit 173 Oberflachenveredelung, Kunststoff-Formteile 74 Ofeneffekt 7,8, 15 optische - Aufzeichnungsverfahren 114 - Datenspeicher 85 - Dichte 104 - Eigenschaft 10, 11, 15,26,27,47 - Speicher,lOschbare 126,127 - Speicherplatte 130 organische Schicht 82 organometallische Verbindung 20 Oxid-Targets 140 Oxidationsbestandigkeit 52, 219 Packungsdichte 116,213 Permeation 103 Phasensprung 11 Photo s. auch Foto Photo-CVD 223 Physical Vapor Deposition siehe PVD physikalische Eigenschaften, Hartstoffschichten 34-37 pin-Diode 162, 163 Plasma-CVD 212,223 - Anlage 215 Plasma-Emissions-Spektroskopie 142 plasmaaktivierter ProzeB 200 Plasmadisplay 134, 146 Plasmafrequenz 135 plasmagestlitztes - CVD-Verfahren 40 - PVD-Verfahren 44 - Vakuumverfahren 33 - Verfahren 55 Plasmapolymerisation 82 Plasmaspritzen 173, 225 Platte, magnetooptische 127, 130 Polyester 102,106, 109, 119, 142 polykristallines Silizium 217 Polymerschicht 116, 126 Polypropylen 102 Porositlit 173

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ProzeB - plasmaaktivierter 200 - thermisch aktivierter 200 ProzeBparameter 83 Pufferkammer 27 PVD (Physical Vapor Deposition) 200 PVD-Verfahren 42,111,173,183 - plasmagestlitztes 44 Pyrolyse 20, 137 quantitatives Verdampfen 21 Quarzschicht 82 Quetschschleuse 187, 188 Randeffekt 191 Rauheit 47,49,75,83,99 Raumabstrahlung 2 Raumaufheizung 8 Raumausleuchtung 1 Raumstrahlung 1- 3 Raumstrahlungsverluste 1,5 Reaktionsgas 208, 209 Reaktionstemperatur 39,40, 53 reaktiver SputterprozeB 131 reaktives - Aufstauben 25 - Zerstauben 142 Reflektor 82 Reflexion 10,11,13,19,83,88,99,105,107, 135, 142 Reflexionsfarben 107 Reflexionsvermogen 76, 82, 83 Reflexiosminderung 23 Reibkoeffizient 66, 67, 69 Reibpaarung 64, 65 Reibung 33, 49 Reibungsverhalten 65 Reibwert 52, 64 Reinheit 173 Reinigung von Stahlbandem 190 Reinraum 131 Restfeuchtegehalt 103 Restgas 25 Restgasdruck 76,81,88,110,121 Restgaszusammensetzung 24,81, 110 Rlickleuchte 82 Sattigungsmagnetisierung 117 Sattigungspolarisation 116, 118 Sauerstoffpermeation 104, 105 Saugvermogen 77,78,87,89 Saulenstruktur 119 Scheibenenteisung 144 Schicht - dekorative 45,52,75

- dielektrische 12,216 - elektrisch beheizbare 134 - elektrochrome 15, 152, 156 - elektrophotographische 111 - magnetooptische 127, 130 - metallische 75 - organische 82 - superharte 221 - verschleiBmindemde 55 - weichmetallische 62, 64 Schichtaufbau, kompakter 175 Schichtdicke 111,132,178,224 SchichtdickengleichmiiBigkeit 20, 28, 54, 87, 93-96,99,103,104,107,112,191,196 Schichtdickenmessung 97 SchichtdickenmeBgerat 100 Schichtdickenverteilung 100, 191 Schichteigenschaft 9-14,43,88,128 - Reproduzierbarkeit 28 Schichteigenspannung 42, 43 Schichten, Lebensdauer 220 Schichthomogenitiit 130 Schichtrnaterial 219 Schichtspannung 53 Schichtstruktur 43,65, 135,211 - amorphe 139 Schichtsysteme 9 -14 - Langzeitverhaltens 25 Schichtwachstum 55 Schichtwiderstand, elektrischer 92 Schichtzusammensetzung 176, 192, 194 Schleusenanlage 21,79,80 - semikontinuierliche 198 Schmelzbad 191 Schmelzbadhohe 173 Schmelzbadniveau 175 Schmelzbadoberflache 175 Schmelztemperatur 43 Schneidgeschwindigkeit 220 Schnellarbeitsstahl 71 Schnittgeschwindigkeit 61 Schutzbrille, elektrochrome 158 Schutzlack 75 Schutzlackierung 82, 83 Schutzschicht 25, 82, 86, 122, 172, 224, 225, 228 SelbstheilungsprozeB 102 semikontinuierliche - Anlage 112, 113, 187 - Schleusenanlage 198 Shading-Koeffizient 8 Si-Epitaxie 213 Siebdruckverfahren 86 Silizium, polykristallines 217 Simultanverdampfung 193 Solarzelle 134, 144, 185

Sonnenemstrahlung 1,3,4,7,14,15,18 Sonnenkollektor 1 Sonnenschutz 9, 27 Sonnenschutzbrille 15 Sonnenschutzglas 7 Sonnenschutzschicht 2,7-14,106,107,112 Sonnenschutzwirkung 23 Sonnenstrahlung 11 SpanflachenverschleiB 52 Spannung,innere 49,195 Speicher - optischer 126 - - loschbar 126, 127 Speicherdichte 111, 125 Speicherkapazitiit 128 Speicherplatte - loschbare 125 - magnetooptische 132 - optische 130 Sperrwirkung 103 spezifischer Widerstand 139 Spiegel 82 - metallischer 83 Springstrahlverfahren 192, 193 Spriihverfahren 20 Sputteranlage 131, 132 Sputtem 131 SputterprozeB, reaktiver 131 Sputterverfahren 154 Stabilitat, thermische 173 Stahlbandbedampfungsanlage 196 Stahlbiinder, Reinigung von 190 Standzeit 60,61 Standzeiterhohung 29 Standzeitverliingerung 60 Stickstoff, fliissiger 78 Sttirstrahlung 84 Strahlenbelastung 84 Strahlteilerschicht 170 Strahlung 6, 175 strahlungsbeheizte Verdampfungsquelle 95,97 Strahlungsleistung 3 Strahlungsverluste 6 StraBenbegrenzungszeichen 82 Streuelektronen 191 Streulicht 137 Struktur 44, 45 Strukturmodell 43,61,83 Substrat 131 Substratabstand 132 Substraterwiirmung 55 Substratoberflache, Reinigung 55 Substrattemperatur 20,40,42,43,47,48,53,55, 56,58,83,129,137,139,142,147,154,175 Substratvorspannung 43, 47

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superharte Schicht 221 supraleitende Kabel 205 Supraleiterrnaterialien 205 Taktzeit 27 Tantalschicht - Dichte 43 - Schichteigenspannung 43 Target, ferromagnetisches 123 Targetoberfliiche 24, 141 - Reinigung 141 Targetzusammensetzung 194 Taschenfemseher 146 Tauchverfahren 20 Teilchenenergie 178, 195 Temperatur 76 therrnisch aktivierter ProzeB 200 therrnische - Stabilitiit 173 - Verdampfer 195 therrnisches Verdampfen 21 Therrnoplaste 74,75 tiefgekiihlte Fliiche 77 Tiefkiihlfallen 87 Triigergas 137 Transmission 10, 13, 105, 107, 135, 141, 143 Transmissionsmessung 92 Treibhauseffekt 3 Trennmittel 75 Tribologie 29-73 tribologische - Anwendung 39 - Eigenschaft 33, 66, 72 Tribooxidation 30, 32 Trocknungsdauer 75 Trocknungstemperatur 75 Tropfenbildung 79 Turbinenschaufel 174-180, 182 Ultraschallbonden 216 Umrollgeschwindigkeit 87,89 UmwelteinfluB 26 Vakuumbeschichtungsverfahren 137 Vakuumschleuse 191 Vakuumverfahren, plasmagestiitzte 33 Verarmungseffekt 89 Verbindung - metallorganische 20, 40, 223 Verbundglasscheibe 15 Verbundstruktur 228 Verbundsystem 32 Verbundwerkstoff 185,206,208 Verbundwerkstoffherstellung 204 Verdampfen

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- von Legierungen 79 - quantitatives 21 - therrnisches 21 Verdarnpfer 87 - therrnische 195 Verdampferfeld 20 Verdampferrahmen 20 Verdampfungsgeschwindigkeit 99,106,173 Verdampfungsmaterial 95 Verdampfungsquelle 79,87,93,94,96, 112 - induktiv beheizte 95 - strahlungsbeheizte 95, 97 - widerstandsbeheizte 95,96, 104, 193 Verdarnpfungstemperatur 79,95, 190, 191 VerdichtungsprozeB 208 Verfahren - ionengestiitztes 83 - plasmagestiitztes 55 Verlustwinkel 102 Verpackungsfolie 102 VerschleiB 29,30,49,219 VerschleiBmechanismuns 32 VerschleiBmessung 31 verschleiBmindemde Schicht 55 VerschleiBpartner 72 VerschleiBschutz 33,38 VerschleiBschutzschicht 228 VerschleiBverhalten 66,72,73 VerschluBmechanismus 29 vertikale Aufzeichnung 117 Videoband 119,120 Vierkarnmeranlage 90 Vorschubgeschwindigkeit 22,25 Vorspannung 47 Walzensystem 87 Wiilzlager 70,71 Wiirrnebehandlung 226 Wiirrnediimmschicht 2,6, 10, 15, 19, 106, 107, 137,179,182 Warrnediimmung 3, 6 Warrnediimmwirkung 23 Warrnedurchgangskoeffizient 1, 3, 4 WarrnedurchlaBwiderstand 3, 4 Warrnefilter 135 Wiirrneleitung 1, 5, 6, 179 Warrnereflektor 134, 137 Warrnereflexionsschicht 145 Warrneschutzglas 16 Warrnesenke I, 2 Warrneiibergangskoeffizient 4, 99 Warrneiibergangswiderstand 4 Wasserdampfgehalt 76 weichmetallische Schicht 62 Wendeschneideplatte 52,71,218,220

Wickeleinrichtung 91 Widerstand, spezifischer 139 widerstandsbeheizte Verdampfungsquelle 95,96, 104, 193 Zerstauben - konventionelles 21

- reaktives 142 Zerstaubungsgas 142 Zweikammeranlage 24, 88, 90 Zweikammerbedampfungsanlage 10 1 Zweikomponentenlack 75 Zweiweg-Diode 163

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Autorenliste

Dr.-Ing. Erhard Broszeit, lnstitut fUr Werkstoffkunde, Darmstadt Dr. rer. nat. Anton Dietrich, Balzers AG, Balzers, Lichtenstein Dr. rer. nat. Albert Feuerstein, LeyboJd AG, Hanau Prof. Dr. Gerhard Kienel, Fachbereich Physik, Universitiit Kaiserslautern, vormals Leybold AG, Hanau Dipl.-Ing. Helmuth Liimmermann, Leybold AG, Hanau Dr. Norbert Marschall, Daimler Benz AG, Frankfurt Dipl.-Ing. Bernd Matthes, lnstitut fur Werkstoffkunde, Darmstadt Prof. Dr. Klaus Roll, Gesamthochschule Kassel, Fachbereich Physik, Kassel Prof. Dr. Georg Wahl, lnstitut fUr Oberfliichentechnik und plasmatechnische Werkstoffentwicklung, Braunschweig

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