Ziel

In diesem Projekt soll über die Charakterisierung von
zur Verfügung gestelltem aluminiumbeschichtetem
Probenmaterial die MOCVD-Beschichtungstechnik auf
einer Bandbeschichtungsanlage entwickelt werden.
Insgesamt soll so das MOCVD-Bandbeschichtungsverfahren
zur Aluminierung von Bandmaterial industriell
zur Verfügung gestellt werden. Dazu werden in
der Prototypenbeschichtungsanlage unlegierte Stahlbänder
unterschiedlicher Kohlenstoffgehalte und Festigkeiten
im Umlauf mit Aluminium beschichtet. Diese
Beschichtungsmuster gilt es hinsichtlich Schichtdicke,
Schichtausbildung, Schichtqualität und Haftung zu
charakterisieren. Die Beschichtungsmuster haben eine
Länge von ca. 4m, eine Breite von 300-400mm und
eine Stärke von 0,1-0,5mm.

Durchführung

Beschreibung des Prinzips des Aluminium-
MOCVD-Verfahrens

In der CVD-Technik ist die MOCVD-Abscheidung eine
besondere Ausgestaltung, wobei hier metallorganische
Verbindungen als Trägermedium für das
Beschichtungselement Aluminium dienen. MOCVD
steht für Metall Organic Chemical Vapour Deposition.
Die Metalle werden also direkt aus der Gasphase auf
das metallische Substrat abgeschieden. Das Bauteil
bzw. Bandmaterial wird in einer inertisierten Beschichtungskammer
auf Temperaturen zwischen 200-370°C
aufgeheizt. Anschließend wird das Beschichtungsgas,
der Precursor, eingebracht (siehe Abb. 1). Wie die Reaktion
an der Oberfläche im Detail abläuft zeigt Abbildung
2. Nach der Bereitstellung des Precursors durch
den vorliegenden Gasstrom diffundiert das metallorganische
Molekül durch die Grenzschicht zur Substratoberfläche
und adsorbiert. An der Oberfläche kommt
es durch die vorhandene Substrattemperatur zum
thermischen Zerlegen der Verbindung, so dass das
Beschichtungsmetall an der Oberfläche verbleibt. Der
organische Rest wird durch Diffusion und anschließend
durch den Gasstrom abtransportiert.
In Abhängigkeit der Temperaturführung bzw. der Haltezeit
auf Temperatur und der eingebrachten Menge
Precursor entstehen unterschiedlich starke Auflageschichten,
hier Aluminiumschichten. [1]

Herstellung von Probenmaterial in der Prototypenbeschichtungsanlage

Alle Bandbeschichtungen erfolgen auf dem Pilotplant,
der schematisch in Abbildung 3 dargestellt ist. Nach
der chemischen Vorbehandlung, vergleichbar der
Vorbehandlung vor einer galvanischen Beschichtung,
wird das Band in die Fuzebox, die Beschichtungsanlage,
eingelegt. Das Band ist im Gegensatz zu einem
späteren Serienbeschichtungsprozess an den Enden
zusammengeschweißt, so dass bei der Beschichtung
das Band mehrfach durch die separat gekapselte
MOCVD-Beschichtungskammer fährt. Es erfolgt so ein
sukzessiver Aufbau der Aluminiumschicht bis hin zur
geplanten Aluminiumschichtdicke. Das Band wird hier
über eine Induktionsheizung auf die gewünschte Beschichtungstemperatur
gebracht und der Precursormit
Hilfe des Trägergases Stickstoff eingeblasen. Die verbrauchten
Beschichtungsgase werden anschließend
aufgefangen und soweit möglich rezykliert. Anschließend
wird das Band entnommen und ein Streifen in
vorliegender Bandbreite analysiert. Das Band wird zunächst
makroskopisch an der Oberfläche untersucht.
Ferner werden über die Breite des Bandes 5 Proben
entnommen, an denen neben der Gitterschnittprüfung
nach DIN EN ISO 2409 verschärft durch einen Tapetest
noch eine Dornbiegeprüfung nach DIN EN ISO
1519 durchgeführt wird.
Diese Prüfungen werden vorgenommen, um die Haftung
sowohl auf der Bandinnen- als auch auf der
Bandaußenseite zu evaluieren. Darüber hinaus wird
Probenmaterial dieser fünf Stellen metallographisch
untersucht. Außerdem werden Untersuchungen zur
Bestimmung der Schichtstruktur und Schichtzusammensetzung
mit Hilfe von REM und EDX durchgeführt.
Diese sollen Aufschluss über die Anbindung der
Schicht an das Substrat und die Kristallinität geben.
Die Ergebnisse werden im Folgenden exemplarisch an
einem Band dargestellt.

Ergebnisse und Fazit

Das aluminierte Band weist ein makroskopisch gleichmäßiges
Erscheinungsbild der Oberfläche auf (Abbildung
4a). Es lassen sich keine Fehlstellen erkennen.
Die vorausgehend genannten Haftfestigkeitsprüfungen
werden alle bestanden. Die Biegeprüfung hat
ferner gezeigt, dass die Aluminiumschicht im Gegensatz
zu anderen Beschichtungen gut mit dem Substrat
umgeformt werden kann. Auch die Schliffbilder belegen
eine gute Haftung der Aluminiumschicht auf dem
Stahlsubstrat. Es werden keine Oxidreste am Interface
zwischen Substrat und Schicht gefunden. Ferner zeigt
sich im Querschliff (Abbildung 4b) ein sehr gleichmäßiger
Aluminiumschichtaufbau mit einer Dicke von ca.
8μm. Einzig an den äußeren Stellen lässt sich eine
leichte Abnahme der Aluminiumschichtdicke nachweisen,
die auf eine noch nicht ganz optimal homogene
Temperaturverteilung über die Bandbreite hindeutet.
In den rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen
mit Hilfe von EDX zeigt sich im Linescan
(Abbildung 4c), dass die Aluminiumauflage (blaue
Linie) bei optimaler Vorbehandlung mit dem Substrat
(rote Linie) durch die leicht erhöhten Prozesstemperaturen
am Interface Substrat-Auflage diffusionsbedingt
verwächst. Dies bringt eine weitere Steigerung der
Haftung mit sich. Die SE-Aufnahme der Oberfläche
zeigt einen polykristallinen Aufbau mit einer durchschnittlichen
Kristallitgröße von 2μm (Abbildung 4d).
Auslagerung von Probestücken in VE-Wasser haben
eine gute Schichtgeschlossenheit bei 8μm Schichtdicke
nachgewiesen. Bei diesem Test wird der kathodische
Korrosionsschutz, zumeist bekannt von Zinkauflageschichten
auf Eisenwerkstoffen, umgangen.
Schwachstellen und Ungänzen der Beschichtung
werden so offenkundig, da die anodische Opferbereitschaft
des Aluminiums für Eisen bedingt durch seine
Passivität in VE-Wasser nicht wirken kann.

Solche aluminiumbeschichtete Bänder eröffnen die
Möglichkeit zum Einsatz in verschiedensten Anwendungsbereichen
wie Automotive und Luftfahrt vor
allem als Nasskorrosionsschutz in neutralen Medien
mit Chloridionen oder auch als Schutz gegen Oxidation
bei hohen Temperaturen. Die Aluminiumoberfläche
ist auch nach der Beschichtung weiter modifizierbar.
Es können Passivierungen aufgebracht werden, um
die natürlich wachsende Oxidhaut des Aluminiums
vor allem für korrosionsbeaufschlagte Anwendungen
zu verstärken. Die Oberfläche kann anodisiert werden,
um höhere Oberflächenhärten oder auch eine
Einfärbung der Oberfläche zu erzielen. Es können
aber auch thermisch aktivierte Diffusionsprozesse mit
beschichteten Substraten durchgeführt werden, um z.
B. eine stark verbesserte Oxidationsbeständigkeit bei
Temperaturen über 500°C zu erreichen.
Insgesamt muss für die weiteren Untersuchungen
noch eine höhere Gleichmäßigkeit in der Schichtdicke
über den kompletten Bandquerschnitt erreicht werden.
Außerdem müssen weitere Beschichtungsversuche
mit anderen Substraten durchgeführt werden,
um auch für diese Substrate neben der optimalen
Vorbehandlung das Aufheizverhalten erarbeiten zu
können. Diese Daten sind notwendig, um so schlussendlich
eine Serienbeschichtungsanlage optimal auslegen
zu können.

Literaturverzeichnis

[1] Deavenport, D. L., J. L. Thronton, N. H. Tran und
S. S. Newberg: Metallization of substrate(s) by a liquid/
vapor deposition process. US Patent Nr. :
US020050064211A1, März 2005.

[2] Oberhauser, S., Ch. Strobl und J. Heller: The Benefit
of Nickel in Aluminium - Containing Protective Diffusion
Layers on Steel. Presentation on Material Science and
Engineering Congress, September 2008, Nürnberg.

[3] Kodas, T. T. und M. J. Hampden-Smith: The Chemistry
of Metal CVD, VCH Verlagsgesellschaft mbH,
1994

[4] Hitchman, M.L. und K.F. Jensen: Chemical Vapor
Deposition - Principles and Applications, Academic
Press, 1993

[5] Andritz AG, Wien