PVD-Beschichtungs- und Vorbehandlungskonzepte für Magnesiumlegierungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Vor- und Nachbehandlung: Mit der Methode des chemischen Polierens von Magnesiumknetlegierungen des Typs AZ31 können subjektiv ansprechende hochglänzende Oberflächen erzeugt werden, die, mit objektiven Messmethoden gemessen, die Zielstellung des Projektes hinsichtlich geringer Rauheitswerte und hohen Reflexionswerten erfüllen. Bei den Magnesiumgusslegierungen können durch elektrochemische Polierprozesse Rauheit und Glanzgrad gegenüber dem Ausgangszustand signifikant verbessert werden. Der Einfluss des Gussgefüges und der oberflächennahen Inhomogenitäten gestatten es jedoch nicht, mit den zur Anwendung gebrachten Parametern metallisch homogen glänzende Oberflächen zu erzeugen. Hier stören die Gussstrukturen auch bei vorhergehendem höherem Materialabtrag. Durch eine nachträglich aufgebrachte APCVD-Beschichtung können dünne, transparente SiOx-Schichten mit hoher Abriebbeständigkeit auf die PVD-Schichten aufgebracht werden. Diese Schichten dienen vor allem als Schutz gegen Fingerabdrücke. PVD-Beschichtung: Sputtermodus und Targetkonfiguration sowie Mg-Gehalt beeinflussen die Schichtmikrostruktur. Es findet eine zunehmende Verdichtung der Schichtmikrostruktur in der Reihenfolge ET→Seg→HiPIMS statt. Höhere Mg-Anteile bewirken eine weitere Verdichtung der Schichtmikrostruktur. Durch die Zulegierung von Mg steigt die Härte der TiMgN-Schichten gegenüber reinem TiN. Der Effekt wird durch einen Hall-Petch Härtungsmechanismus durch Kornfeinung mit zunehmendem Mg-Gehalt sowie eine Mischkristallhärtung durch die Substitution von Mg Gitterplätzen durch Ti erklärt. Durch den Einsatz der Hi- PIMS-Technologie wird die Härte gegenüber den DC-basierten Schichten nahezu verdoppelt. Diese Härtesteigerung wird auf eine erhöhte Kohäsion infolge der sehr dichten und praktisch grenzflächenfreien Schichtstruktur erklärt. Alle mit segmentierten Targets synthetisierten Schichtsysteme zeigen eine Erhöhung der Kontaktwinkel durch Nutzung der HiPIMS-Technologie. Die Erhöhung ist am größten für die reine TiMgN Beschichtung und am kleinsten im Fall der Gd-legierten Schicht. Bei der Gd-legierten Schicht zeigen sowohl die DC als auch die HiPIMS Beschichtung ausgeprägtes hydrophobes Verhalten. Durch die Zulegierung von Mg zu TiN verschiebt sich das freie Korrosionspotenzial kontinuierlich zu negativeren Werten. Damit ist eine Reduktion des freien Korrosionspotenzials gegenüber reinem TiN von mehr als 1000 mV möglich. Somit lässt sich durch die Beilegierung von Mg gezielt das freie Korrosionspotenzial beeinflussen und entsprechend die Anfälligkeit des Schicht-Substratsystems gegenüber Kontaktkorrosion reduzieren. Im Salzsprühtest zeigen TiMgN-DST-Schichten ein sehr schlechtes Korrosionsverhalten. Das Korrosionsverhalten verbessert sich in der Reihenfolge DST→DSeg→HSeg signifikant. Die Beilegierung von Gd führt dagegen zu einer signifikanten Verbesserung der Korrosionseigenschaften. Hier zeigt sogar die reine DC- basierte TiMgGdN-Schicht eine Salzsprühtestbeständigkeit von fast einer Woche. Die HiPIMS-Schicht widersteht der Beanspruchung im Salzsprühtest sogar für mehr als zwei Wochen. Die Korrosionseigenschaften im Salzsprühtest zeigen identische Befunde für mechanisch polierte und chemisch polierte Proben. Dies bedeutet, dass mittels chemischer Oberflächenvorbehandlung unter diesen aggressiven Bedingungen keine Verschlechterung der Korrosionseigenschaften beschichteter Proben erzielt wird. Ein systematischer Einfluss von bereits zu Beginn durchgängigen, prozessinduzierten mikroskopischen Schichtfehlern auf das Korrosionsverhalten konnte nicht verifiziert werden. Im Fall von DC-Sputtern kommt es zum Versagen in der Grenzfläche zwischen Schicht und Substrat infolge Unterkorrosion durch den Elektrolyten, der an Fehlstellen eindringen kann. Im Fall der HiPIMS-Schichten bilden sich ebenfalls Korrosionsprodukte, wobei es nicht zur Unterkorrosion kommt. Die Korrosionsprodukte scheinen den Defekt zu versiegeln und damit die Korrosionskinetik zu verringern oder sogar zu stoppen. Im Allgemeinen ist die elektrochemische Charakterisierung mittels EIS in relativ guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen des Salzsprühtests. Dennoch gibt es gewisse Abweichungen zum Salzsprühtest, die womöglich auf den vergleichsweise milden Elektrolyten bei der EIS-Prüfung zurückgeführt werden können. Aufgrund der guten Übereinstimmung zwischen EIS und Salzsprühtest, können zukünftig die zeitaufwändigen Salzsprühtests durch die deutlich schnelleren EIS-Prüfungen ersetzen werden, wobei die Impedanzwerte als direktes Maß für die Korrosionsbeständigkeit herangezogen werden. Um dieses Ziel zu erreichen, sind jedoch weitere systematische Untersuchungen erforderlich im Hinblick auf eine geeignete Elektrolyt- Konzentration erforderlich.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Development of Decorative and Corrosion Resistant Coatings for the Surface Refinement of Magnesium Alloys by Plasma-based Methodes. Plasma Process. Polym. 2009, 6, S671-S677
H. Hoche, S. Groß, R. Foerster, W. Adamitzki
- PVD coating and Substrate Pretreatment Concepts for Corrosion and Wear Protection of Magnesium Alloys. Poster PO 3068, 12th International Conference on Plasma Surface Engineering 2010, in Garmisch-Partenkirchen, Deutschland
H. Hoche, S. Groß, J. Schmidt, C. Schrader
- PVD coating and substrate pretreatment concepts for corrosion and wear protection of magnesium alloys. Surface & Coatings Technology 205 (2011) S145– S150
H. Hoche, J. Schmidt, S. Groß, T. Troßmann, C. Berger
- Chemische und elektrochemische Methoden zum Polieren von Magnesiumlegierungen – Teil 1: Galvanotechnik 103 (2012) S1332- 1442
Jürgen Schmidt, Anika Nguyen, Christian Schrader, Stefan Groß, Holger Hoche
- PVD Coatings Based on TiMgAlN and AlMgN and Substrate Pretreatment Concepts for AZ31-Magnesium Alloy. Vortrag OR 1902, 13th International Conference on Plasma Surface Engineering 2012, in Garmisch-Partenkirchen, Deutschland, 10.-14.09.2012
H. Hoche, S. Groß, T. Troßmann, J. Schmidt, M. Oechsner
- PVD-Beschichtungskonzepte für Magnesiumlegierungen - Teil 2. Galvanotechnik 103 (2012) S2069-2310
S. Groß, H. Hoche, J. Schmidt, T. Troßmann, C. Schrader, M. Oechsner
- A Mechanism Based Study on the Development of New PVD Coatings for Magensium Alloys With Improved Corrosion Properties. The 9th Asian-European International Conference on Plasma Surface Engineering (AEPSE2013), Jeju, Korea, 25.08 - 30.08.2013
H. Hoche, S. Groß, M. Oechsner
- PVD coating and substrate pretreatment concepts for magnesium alloys by multinary coatings based on Ti(X)N. Surface and Coating Technology 228 (2013) S336-341
H. Hoche, S. Groß, T. Troßmann, J. Schmidt, M. Oechsner
