Veredelung von Dichtflächen mit ... - ISGATEC GmbH

Berger/Kiefer (Hrsg.)
DICHTUNGS
TECHNIK
JAHRBUCH 2013

Veredelung von Dichtflächen mit Plasmatechnologie
Veredelung von Dichtflächen mit
Plasmatechnologie
Bei der Auswahl eines Dichtwerkstoffes für einen spezifischen Anwendungsfall
sind nicht nur die Volumeneigenschaften wie Dichte, Festigkeit, Elastizität
oder auch thermische Stabilität, sondern auch die Oberflächeneigenschaften
von entscheidender Bedeutung. Es kann nun vorkommen, dass nicht alle Anforderungen
gleichzeitig durch geeignete Wahl eines Volumenwerkstoffes erfüllt
werden können. Hinzu kommt, dass durch die Wahl eines hochwertigen
Volumenwerkstoffes häufig der Preis des Bauteils unverhältnismäßig in die
Höhe getrieben wird, bestimmte Eigenschaften aber nur an der Oberfläche benötigt
werden. An dieser Stelle greifen die Oberflächentechnologien an.
Es gibt nun viele Methoden, Oberflächen mit definierten Eigenschaften zu
versehen. Eine davon ist die Niederdruck-Plasmatechnik. Diese wird schon
seit längerer Zeit mit Erfolg in der Feinstreinigung, Kunststoffaktivierung und
Beschichtungstechnik eingesetzt. Vor allem Letzteres soll nachfolgend näher
beleuchtet werden.
Plasma – der „heiß-kalte“ Aggregatzustand
In einem konventionellen Gas nimmt die Anzahl der reaktiven Spezies
(Ionen, Elektronen, angeregte Moleküle, Molekülfragmente etc.) mit der
Temperatur zu. Diese Eigenschaft wird nutzbringend in der CVD (Chemical
Vapour Deposition) zur Abscheidung dünner Schichten eingesetzt. Dabei
wird reaktives Gas über eine heiße zu beschichtende Fläche geleitet. Durch
thermisch angeregte Reaktionen an der Oberfläche bildet sich aus den Prozessgasen
eine Beschichtung. Bei geeigneter Wahl der Gase können dabei
Schichten unterschiedlichster Zusammensetzung und Eigenschaften hergestellt
werden. Die Einsatzmöglichkeiten dieser klassischen CVD sind allerdings
durch die benötigten hohen Bauteiltemperaturen, die i.d.R. mehrere
Hundert °C übersteigen, stark eingeschränkt. So bleibt dieser Technologie
die Beschichtung von Kunststoffen und Elastomeren verschlossen. Was
tun? Die Physik der Gasentladungen (Niederdruck-Plasmen) weist in die-
Plasma Electronic GmbH, www.plasma-electronic.de
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sem Fall den Weg [1]. In elektrisch
getriebenen Plasmen wird ein Teil
des Gases ionisiert, d.h. von den
Gas atomen oder Molekülen werden
Elektronen abgespalten. Elektronen
sind im Vergleich zu Ionen, Atomen
oder Molekülen sehr viel leichter
und beweglicher, wodurch sie deutlich
mehr elektrische Energie aufnehmen
können. Im Vakuum ist die
freie Weglänge der Ladungsträger
>>1: Schematische Darstellung der nun derart erhöht, dass die Elektro-
Elektronentemperatur (T ) und der Ionentemnen ihre Energie nur noch in gerin-
e
peratur (T ) im Plasma als Funktion des gem Maße mit den Ionen oder Mole-
i
Prozessdrucks
külen austauschen. Dies führt zu
einem Nichtgleichgewichtszustand,
in dem die Elektronen „heißer“ (mehrere Tausend °C) sind als der Rest des
sonst „kalten“ Gases >>1.
Die Elektronen sind nun aber genau diejenige Spezies, die chemische Reaktionen
antreiben können. Die Temperatur des Werkstückes dagegen wird
durch Stöße mit den schweren Gasmolekülen oder Ionen bestimmt. Diesem
Umstand ist es zu verdanken, dass bei der PECVD (Plasma Enhanced CVD)
Abscheidungsprozesse auf „kalten“ Werkstücken möglich werden, die der
herkömmlichen CVD gar nicht oder nur bei mehreren Hundert °C zugänglich
sind. Des Weiteren werden die Werkstücke im Plasma je nach zugeführter
Leistung und Position in der Beschichtungskammer mehr oder weniger
stark mit Ionen beschossen, wodurch sich die Schichteigenschaften
gezielt beeinflussen lassen. Einen weiteren Vorteil bietet die Plasmatechnik
dadurch, dass die der Beschichtung vorgeschaltete Feinstreinigung ebenfalls
durch Plasma im selben Zyklus durchgeführt werden kann.
Die technische Realisierung
Ausgedehnte Nichtgleichgewichts-Plasmen bilden sich typischerweise in
einem Druckbereich von 0,1 bis 100 Pa. Dadurch wird der Einsatz von Vakuumtechnik
erforderlich. Über einen oder mehrere Gaskanäle werden
während des Prozesses kontinuierlich frische Prozessgase in die Kammer
geleitet und gleichzeitig mit Hilfe eines Vakuumpumpsystems verbrauchte

2: Prinzipieller Aufbau einer Plasma-Anlage
Veredelung von Dichtflächen mit Plasmatechnologie
Gase abgesaugt. Die Gasentladung wird gezündet und mit elektrischer
Energie versorgt >>2men
als DC-, Hochfrequenz- oder Mikrowellenplasmen bezeichnet. Sie unterscheiden
sich vornehmlich durch Dichte und Temperatur der Elektronen
im Plasma. Kammer- und Elektrodenkonfigurationen sind unter Berücksichtigung
der physikalischen Gesetze in einem weiten Bereich wählbar. Zur
Plasma-Aktivierung (kurzzeitige Erhöhung der Oberflächenenergie) oder
Plasma-Reinigung werden Sauerstoff, Stickstoff oder auch Edelgase und
Gasgemische verwendet. Leitet man nun aber weitere Gase in die Vakuumkammer,
so können unter gezielter Steuerung der Prozessparameter stabile
Plasmaschichten mit definierten Eigenschaften abgeschieden werden. Die
Härte und Elastizität dieser Schichten sind in einem weiten Bereich von silikonartig
bis diamantartig durch die Wahl geeigneter Prozessparameter frei
wählbar [2]. Die in der Dichtungstechnik seit langer Zeit eingesetzte
Lipocer © -Schicht weist eine hydrophobe, schmutzabweisende Oberfläche
mit niedrigem Gleitreibungskoeffizienten auf. Das Pendant dazu bietet das
Schichtsystem Aquacer © , welches für hydrophile Anwendungen geeignet
ist.
Plasma-Polymerschichten auf Elastomer-Dichtelementen
Elastomere wie NBR, EPDM oder TPEs werden in der Dichtungstechnik vornehmlich
wegen ihrer hohen Flexibilität eingesetzt. Diese Volumeneigenschaft
führt zu den sehr guten Dichtungsergebnissen. Leider haben fast alle
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Elastomere eine hohe Klebeneigung und einen hohen Reibungskoeffizienten
zu Metallen, Kunststoffen und Keramiken. Dies führt zu vielerlei Problemen:
Die klassische Lösung dieser Probleme ist wohlbekannt und steckt in der
Verwendung sich verbrauchender Schmier- bzw. Trennmittel, wobei diese
sowohl als Beimischung im Elastomer Verwendung finden, als auch nachträglich
aufgebracht werden. Schmiermittel sind i.d.R. kostengünstig und
lösen das Problem zuverlässig. Allerdings haben Schmiermittel auch Nachteile.
Sie durchlaufen häufig eine zeitabhängige Zersetzung/Umwandlung
(Alterung), das zu dichtende Medium wird verunreinigt (Kontamination) und
sie sind meist weniger temperaturstabil als der Dichtwerkstoff selbst.
Eine weitere Alternative bilden Gleitlacke, die haftfest auf das Polymer aufgebracht
werden. Für eine dauerhafte Verbindung ist oftmals eine Plasma-
Aktivierung unerlässlich, da sowohl die Elastomere als auch die Gleitlacke
stark hydrophob sind und sich deshalb nicht benetzen. Die Gleitlacke sind
i.d.R. einige Mikrometer dick und verbrauchen sich während der Anwendung.
Für Verschleißanwendungen sind diese meist sehr gut geeignet, beeinträchtigen
allerdings durch ihre Dicke die Dichtungseigenschaften.
Eine dritte Möglichkeit bieten nun dünne Lipocer © -Plasmaschichten, die
durch ihre geringe Dicke von nur einigen hundert Nanometern weniger Einfluss
auf die Dichtungseigenschaften haben als Gleitlacke. Dotierte Kohlenwasserstoffschichten
sind dabei in den meisten Fällen deutlich temperaturstabiler
als der Grundwerkstoff und weisen eine hervorragende Haftung auf.
Dabei ist der Gesamtprozess in drei Teilschritte untergliedert:
Die Einzelschritte erfolgen in einer Anlage durch automatische Änderung
der Prozessparameter (Gase, Leistung etc.).

Veredelung von Dichtflächen mit Plasmatechnologie
>>3: Unbeschichtete (links) und beschichtete (rechts) Elastomerdichtung eines Schnellschaltventils
(Durchmesser ca. 2 mm)
Selbstverständlich ist die Plasma-Beschichtung kein Allheilmittel und ein
Großteil der Oberflächenproblematik wird auch in Zukunft noch mit Schmiermitteln
oder Gleitlacken gelöst werden. Allerdings zeigen sich u.a. folgende
Anwendungen, bei denen die Plasma-Beschichtungen eindeutig Vorteile
haben:
Zwei dieser Anwendungen zeigen >>3/4. Prinzipiell kann die Beschichtung
auf Fertigteilen oder auf Halbzeugen erfolgen. Kleinere Teile wie O-Ringe
können in einer Trommel und Flachdichtungen können einseitig auf der
Elektrode beschichtet werden. Dabei ist es unerheblich, ob die schon ausgestanzten
Dichtelemente oder die Ausgangsmembranen verwendet werden,
aus denen dann die eigentlichen Bauteile ausgestanzt werden. Allgemein
muss man auf die „freie Sicht“ des Plasmas auf die zu beschichtende
Fläche achten.
Hart-Kohlenstoffschichten auf Keramik- und Metallteilen
Metalle und Keramiken werden vornehmlich bei Dichtflächen eingesetzt,
die korrosionsfest, verschleiß- und hitzebeständig sein müssen. Stähle haben
dabei gerade in der chemischen Technik den Nachteil, dass sie dennoch
relativ schnell angegriffen werden. Sowohl Stähle als auch Keramiken
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402 Be- und Verarbeitung
>>4: Plasma-beschichtete Elemente von
Sicherheitsventilen für Dampfanwendungen
unterliegen einer relativ hohen Reibung und verschmutzen schnell. Hochwertige
Keramiken wie SiC, die bei diesen Anforderungen besser abschneiden,
verursachen hohe Kosten.
Diamantartige Kohlenstoffschichten (DLC – Diamond Like Carbon) sind geeignet,
solche Dichtflächen zu veredeln. Sie sind extrem korrosionsfest, inert
gegenüber praktisch allen bekannten Säuren, Laugen und Organika, hart
und zeigen unter bestimmten Bedingungen extrem niedrige Reibwerte [3].
Diese Eigenschaften machen sie zum idealen Werkzeug für Ventilelemente,
die Verschleiß und chemischem Angriff ausgesetzt sind. Durch ihre Härte
und antiadhäsive Wirkung finden sie Anwendung in Lack fördernden Pumpen
und Spritzpistolen, Rohöl führenden Elementen, Dichtungsscheiben für
Einhandmischer und Gleitringdichtungen >>5.
Literatur
>>5: Diverse DLC-beschichtete Dichtflächen
– Kupplungshülsen, Keramikscheiben,
Auswerfer (Bilder: Plasma Electronic GmbH)
[1] Chapman, B.N.: Glow Discharge Processes: Sputtering and Plasma Etching, JOHN WILEY &
SONS, New York (1989)
[2] d’Agostino, R. (Editor): Plasma Deposition, Treatment, and Etching of Polymers Academic
Press, Inc., San Diego (1990)
[3] Robertson, J. (Editor): Diamond-like Amorphous Carbon Materials Science and Engineering
R 37, 129 (2002)