Untersuchungen an PVD-PECVD-Kombinationsschichtsystemen auf Stahl

Es ist bekannt, dass eine Kombination aus ZEMg-Überzügen und Plasmapolymerschichten gute Korrosionsschutz-eigenschaften aufweist. Die Herstellung eines solchen Schichtsystems besitzt zudem das Potential, in eine kontinuierliche Stahlbandverdelungsanlage integriert zu werden. Ziel der vorliegenden Arbeit war die analytische und anwendungstechnische Charakterisierung des Schichtsystems PP ZEMg, das über zwei unterschiedliche Prozesswege dargestellt wurde. Bei dem konventionellen Prozessweg wurde die benötigte Zink-Magnesium-Legierungsschicht vor der Plasmapolymerenbeschichtung erzeugt, bei dem für den kontinuierlichen Betrieb optimierten Prozessweg erfolgt die Legierungsbildung erst nach der Plasmapolymerapplikation.

Durch analytische Untersuchungen wurde festgestellt, dass der prinzipielle Aufbau des Gesamtschichtsystems bestehend aus Stahl Zn MgZn2 PP nicht abhängig ist von der Reihenfolge der Prozessschritte, die Morphologie des metallischen Überzugs und die chemische Zusammensetzung der Plasmapolymere hingegen schon.

Im Hinblick auf die Temperaturbelastung bei der Endwärmebehandlung und beim Laserschweißen wurde der Einfluss von Temperaturen zwischen 200 °C und 900 °C auf die Plasmapolymere mittels XPS, FT-IR in Transmission und AFM überprüft. Durch die Temperaturbelastung an Umgebungsatmosphäre wandelt sich das ursprüngliche SiCOH-Netzwerk bis 800 °C in eine reine SiO2-Schicht um. Nach einer anfänglichen Volumenzunahme durch den Einbau von Sauerstoff schrumpft die Schicht ab ca. 400 °C aufgrund einer Netzwerkrestrukturierung.

Sowohl in automobilindustrietypischen Korrosionstests als auch in elektrochemischen Untersuchungen zeigte sich, das die zwischenwärmebehandelte Materialvariante einen etwas besseren Korrosionsschutz aufweist als die endwärmebehandelte Variante. Dies wird auf eine Porenvergrößerung in der Schicht durch die Wärmebehandlung zurückgeführt, sodass das korrosive Medium leichter an die metallische Oberfläche gelangt und dort Korrosionsprozesse ablaufen können.

Bei der Untersuchung der Laserschweißeignung hat sich gezeigt, dass sich eine Plasmapolymerschicht, unabhängig von ihrer Dicke, die Zahl der inneren Poren in der Naht vergrößert. In dieser Arbeit werden zwei Erklärungsansätze für diese Phänomen vorgestellt: Zum einen besteht die Möglichkeit, dass die Plasmapolymerschicht die seitlichen Abdampfwege für den entstehenden Zinkdampf blockiert und so zu inneren Poren führt. Zum anderen verändern die Elemente aus dem Plasmapolymer möglicherweise die Strömungsverhältnisse in der Nahtschmelze (Marangoni-Strömung) und es kommt zu kleinen Gaseinschlüssen.