DE102018211108A1

DE102018211108A1 - Verfahren zum Modifizieren und anschließendem Ausbilden einer Oberflächenbeschichtung auf einem metallischen Bauteil

Info

Publication number: DE102018211108A1
Application number: DE102018211108.1A
Authority: DE
Inventors: Axel Zwick; Teja Roch
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2018-07-05
Filing date: 2018-07-05
Publication date: 2020-01-09
Anticipated expiration: 2038-07-06
Also published as: DE102018211108B4

Abstract

Bei dem Verfahren zum Modifizieren und anschließendem Ausbilden einer Oberflächenbeschichtung auf einem metallischen Bauteil wird/werden vor der Ausbildung einer Oberflächenbeschichtung in einem vorgeschalteten Schritt die jeweilige Oberfläche des Bauteils (1) mit mindestens einem über die jeweilige Oberfläche auslenkbaren Brennfleck mindestens eines Laserstrahls zumindest nahezu vollflächig beaufschlagt und dabei Anhaftungen und/oder einer Oxidschicht von der Oberfläche entfernt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Modifizieren und anschließendem Ausbilden einer Oberflächenbeschichtung auf einem metallischen Bauteil, bevorzugt einem Bauteil, das mit einem Stahlwerkstoff gebildet ist. Besonders vorteilhaft kann ein Stahlbauteil mit hohem Anteil an enthaltendem Chrom damit modifiziert und anschließend beschichtet werden.
Bauteile, insbesondere metallische Bauteile durchlaufen aktuell lange Reinigungs- und Vorbehandlungszyklen, um für eine anschließende Beschichtung (z.B. mittels PVD) präpariert zu werden. Typischerweise geschieht eine solche Reinigung nasschemisch, gefolgt von einer Trocknung und anschließender Funktionalisierung der Oberfläche z.B. durch Plasmaprozesse. Derartige Prozesszeiten liegen aktuell bei bis zu 2 Std.
Durch die nasschemische Reinigung werden insbesondere Oberflächenkontaminationen (z.B. Öle) entfernt. Hierzu werden üblicherweise Ultraschallbecken befüllt mit unterschiedlichen Reinigungslösungen und hochreinem Wasser verwendet. Die Minimalkonfiguration einer solchen Reinigungsstrecke zur Probenvorbereitung besteht beispielsweise aus 3 Ultraschallbecken (1x alkalischer oder basischer Reiniger, 1x Spülung mit deionisiertem Wasser, 1x Spülung mit hochreinem deionisiertem Wasser). In Abhängigkeit vom verwendeten zu reinigenden Bauteilmaterial wird hierbei alkalischer oder basischer Reiniger eingesetzt und das entsprechende Becken kann beheizt werden. Die verwendeten Flüssigkeiten müssen nach der Verwendung entsorgt oder bei deionisiertem Wasser gefiltert und regeneriert werden. Anschließend erfolgt eine Trocknung.
Vor der PVD-Beschichtung wird mittels Plasmaprozessen (auch Feinreinigung genannt) die Bauteiloberfläche, typischerweise in einer Vakuumkammer, fein gereinigt. Ein solcher Plasmaprozess kann z.B. durch Anlegen einer hohen Spannung an das Bauteil und den parallelen „Beschuss“ von ionisierten Teilchen z.B. Chrom-Atomen erfolgen. In Abhängigkeit von der jeweiligen Teilchenbeschleunigung kommt es auf dem Bauteil zu einem Materialabtrag (Sputtern; Feinreinigung). Eine derartige Funktionalisierung kann auch über ein verwendetes Reaktivgas (z.B. Stickstoff) erfolgen. Damit können Oxide entfernt werden und die Oberfläche wird aktiviert, so dass bessere Schichthaftungen erreicht werden können. Insbesondere die Plasmaprozesse nehmen hierbei erhebliche Zeiten von bis zu 1,5 Std. in Anspruch.
Bei einer solchen Plasmafeinreinigung erwärmt sich das Bauteil, was für Hartstoffschichten, z.B. in Form von diamantartigen Kohlenstoffschichten, zusätzlich nachteilig ist, da das Bauteil vor der Beschichtung abgekühlt sein muss.
Soll durch die Plasmabehandlung zusätzlich eine Nitrierung der Oberfläche erfolgen, die insbesondere für Brennstoffzellen vorteilhaft sein kann, so kommt es aufgrund der notwendigen Diffusion der Stickstoffatome zu Nitrierzeiten von mindestens 15 Minuten - 20 Minuten bei Nitriertiefen von wenigen 100 nm.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine Ausbildung von Beschichtungen auf Bauteiloberflächen aus Stahl, insbesondere chromhaltigem Stahl, anzugeben, bei der die Effektivität der Oberflächenvorbehandlung vor Ausbildung der Beschichtung erhöht werden kann. Es kann auch eine Übertragung auf Bauteiloberflächen, die aus vorwiegend Titan, Kupfer oder Aluminium bestehen, möglich sein.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Modifizieren und anschließendem Ausbilden einer Oberflächenbeschichtung auf einem metallischen Bauteil wird vor der Ausbildung einer Oberflächenbeschichtung in einem vorgeschalteten Schritt die jeweilige zu nutzende Oberfläche des Bauteils mit mindestens einem über die jeweilige Oberfläche auslenkbaren Brennfleck mindestens eines Laserstrahls zumindest nahezu vollflächig beaufschlagt und dabei werden/wird Anhaftungen und/oder einer Oxidschicht von der Oberfläche entfernt.
Unter zumindest nahezu vollflächig kann man verstehen, dass mindestens 80 % der jeweiligen zu nutzende Oberfläche des Bauteils mit einem Laserstrahlbrennfleck direkt bestrahlt werden. Es kann ein Hatch-Abstand von 1 mm bzw. bei interferierenden Strahlen von 0,5 µm - 20 µm eingehalten werden. Unter der zu nutzenden Oberfläche versteht man z.B. bei Bipolarplatten von Brennstoffzellen, die Oberfläche die in Kontakt zur Membraneinheit (oder Gasdiffusioneinheit) steht.
Bei dem vorgeschalteten Schritt kann an der jeweiligen Oberfläche durch einen Werkstoffabtrag oder ein Umschmelzen auch eine ein oder mehrdimensionale Oberflächenstruktur ausgebildet werden.
Bei dem vorgeschalteten Schritt kann ein Laserstrahl in mindestens zwei Teilstrahlen aufgeteilt und die Teilstrahlen können dann so auf die Bauteiloberfläche gerichtet werden, dass sie im Bereich der Bauteiloberfläche miteinander interferieren.
Die Ausbildung der Oberflächenbeschichtung kann mit einem Vakuumbeschichtungsverfahren, insbesondere einem PVD-Verfahren durchgeführt werden.
Eine Oberflächenbeschichtung kann mit diamantähnlichem Kohlenstoff oder mit Chrom oder mit einer auf einer Chromschicht ausgebildeten Schicht, die mit diamantähnlichem Kohlenstoff gebildet ist, ausgebildet werden. Eine derartige Beschichtung ist insbesondere für die Beschichtung von Werkzeugen, Walzen, Zylindern oder anderen tribologisch belasteten Bauteilen geeignet.
Eine Oberflächenbeschichtung für insbesondere elektrochemische Anwendungen kann mit graphitischem Kohlenstoff oder mit Chrom oder mit einer auf einer Chromschicht ausgebildeten Schicht, die mit graphitischem Kohlenstoff gebildet ist, ausgebildet werden. Insbesondere die letztgenannte Oberflächenbeschichtung ist für die Herstellung von Batterieelektroden, elektrischer Kontakte oder Bipolarplatten für elektrochemische Zellen vorteilhaft.
Alternativ kann die Schicht oder das Schichtsystem zwischen dem Kohlenstoff und dem Substrat auch durch eine Titan-, Titannitrit-, Chromnititschicht oder einer Kombination der vorgenannten Schichten gebildet werden.
Die Lösung des Problems besteht in der Verwendung von Laserstrahlung zur Oberflächenvorbehandlung bzw. Oberflächenfunktionalisierung als mögliche Formen für eine Modifizierung. Bei der Verwendung mindestens einer Laserstrahlungsquelle kann, zumindest bei relativ fettfreien (z.B. Edelstahl direkt aus der Kontiglühe) Halbzeugen auf eine nasschemische Vorbehandlung vollkommen verzichtet werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass eine Laseroberflächenbehandlung die Feinreinigung der Oberfläche, bei gleichzeitig kürzeren Prozesszeiten ersetzt. Der Laserprozess kann grundsätzlich sowohl als cw-Prozess als auch gepulster Prozess ausgeführt sein. Zusätzlich können über Prozessgase vorteilhafte Oberflächeneigenschaften eingestellt werden (z.B. Stickstoff(/Wasserstoff) → Nitrierung). Ein zusätzlicher Nebeneffekt ist, dass optimierte Oberflächenstrukturen durch den Laserprozess eingebracht werden können (z.B. cw-Laser: Umschmelzen der Oberfläche und einbringen von Makro-/Mikrostrukturen; gepulster Laser: Texturieren der Oberfläche und einbringen von Mikrostrukturen). Die Oberfläche kann dabei ein oder mehrdimensional strukturiert werden, wobei die eingebrachten Strukturen auch weniger dimensional sein können.
Die Oberfläche kann durch das Umschmelzen auch einer Kornfeinung bzw. einer Homogenisierung der oberflächennahen Randschicht unterzogen werden. Vorteilhaft an einer solchen ist eine Erhöhung des Korrosionswiderstandes der Oberfläche.
Besonders vorteilhaft ist der Prozess in Kombination mit einer nachgeschalteten Atmosphärenplasmabehandlung, z.B. durch einen Plasmafaden (lineare Plasmaquelle). Dazu kann eine Plasmaquelle eingesetzt werden, bei der ein Plasma mit einem elektrischen Lichtbogen, der zwischen einer Kathode, die in einem Abstand zu einer Anode angeordnet ist, ausgebildet wird. Dazu wird ein Plasmagas in den Einflussbereich des elektrischen Lichtbogens und kein reaktives Gas zugeführt. Eine solche Plasmaquelle ist prinzipiell in DE 10 2006 042 328 A1 dort aber zur Ausbildung dünner Schichten beschrieben.
Der Laserreinigungsprozess im vorgelagerten Schritt kann bevorzugt in einer Stickstoff und/oder Wasserstoff enthaltenden und sauerstofffreien Atmosphäre so durchgeführt werden, dass nicht nur die Oberfläche gereinigt wird, sondern eine auf der Oberfläche eines Bauteils vorhandene Chromoxidschicht mit Wasserstoff reduziert wird.
Mit in der Atmosphäre enthaltenem Stickstoff kann eine Nitrierung im oberflächennahen Bereich der jeweiligen Bauteiloberfläche erreicht werden.
Dies kann sowohl mit oder ohne Oberflächenaufschmelzung erfolgen. Es sollte jedoch darauf geachtet werden, dass die Einwirkzeiten der Laserstrahlung so gering sind, dass sich keine großen Anteile von Chromnitriden bilden können. Bei einer Bildung derartiger Nitride kann es zu einer Reduzierung der Korrosionsbeständigkeit bei gleichzeitiger Erhöhung der Oberflächenhärte kommen. Dies kann für tribologische Applikationen auf Werkzeugstählen vorteilhaft sein, da die kritische Last für das System Werkzeugoberfläche, Adhäsionsschicht Kohlenstoffschicht erhöht werden kann.
Bei der nachgeschalteten Plasmabehandlung kann angeregter atomarer Stickstoff auf die Oberfläche zugeführt werden. Die Oberflächentemperatur des Bauteils nach der Laserbehandlung in einer längeren Zone sollte hierbei durch die Plasmaeinwirkung und der Laserstrahlungseinwirkung im Bereich 400 °C - 550 °C gehalten werden. Die maximale Temperatur von 550 °C sollte nicht überschritten werden. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass sich keine größeren Mengen Chromnitride bilden, der Stickstoff sich jedoch in einer oberflächennahen Zone der Bauteiloberfläche anreichert.
Im Falle einer Anwendung bei Rolle zu Rolle Prozessen kann damit entweder eine Anlage bei höheren Bandgeschwindigkeiten betrieben werden und/oder die Länge einer Bandbeschichtungsanlage kann wesentlich verkürzt werden.
Ein solcher Laserprozess kann aufgrund der mittlerweile hohen verfügbaren Laserleistungen im gepulsten als auch CW-Bereich mit hohen Flächengeschwindigkeiten (z.B. cw bis zu 3 m²/min oder ns gepulsten Lasern 0,3 m²/min) durchgeführt werden. Hierbei können ein oder mehrere Laserstrahlen parallel oder überlappend betrieben werden.
Mit der Erfindung kann eine Verkürzung der Prozesszeiten bei einem Reinigen und ggf. gleichzeitigen Nitrieren, eine Reduzierung von Investitionskosten bei Einsatz von Bandanlagen, ein Ausbilden vorteilhafter Oberflächentexturen und eine Reduzierung des Einsatzes von Reinigungsmitteln erreicht werden.
Es können beispielsweise metallische Bipolarplatten für elektrochemische Zellen und dabei in Kombination eine anschließende Kohlenstoffbeschichtung von Edelstahl oder Titan in einer Bandanlage durchgeführt werden.
Es kann auch eine Vorreinigung von metallischem Bandmaterial oder bei Industriebauteilen wie Werkzeugen eine Vorbereitung zur Ausbildung von Hartstoffbeschichtungen mit verbesserter Haftung durchgeführt werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:

1 ein Beispiel einer Anlage zur Modifizierung und Ausbildung einer Oberflächenbeschichtung eines bandförmigen Bauteils;
2 in schematischer Darstellung ein Beispiel eines Modifizierungsmoduls zur Durchführung des vorgelagerten Schrittes;
3 schematische Schnittdarstellungen eines sukzessive an der Oberfläche modifizierten und beschichteten Bauteils;
4 Schnittdarstellungen eines erfindungsgemäß an der Oberfläche modifizierten Bauteils;
5 eine Aufsicht auf eine Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle als ein Beispiel eines erfindungsgemäß hergestellten Bauteils und
6 ein Beispiel bei dem ein Laserstrahl zur Durchführung des vorgeschalteten Schrittes in zwei Teilstrahlen aufgeteilt und die Teilstrahlen interferierend auf eine Bauteiloberfläche gerichtet werden.

Vorteilhaft ist die Anwendung der Erfindung für die Bandbeschichtung von rost- und säurebeständigen Stählen für Brennstoffzellen. Hierfür kann eine Anwendung wie folgt aussehen:
Falls eine Vorreinigung in einem Bandvorreinigungsmodul 2 vor dem Laserprozess im vorgelagerten Schritt notwendig ist, z.B. bei sehr stark öligen Bauteiloberflächen, kann eine Vorreinigung beispielsweise über Eis- oder Schneestrahlen vorteilhaft sein. Alternativ ist auch eine nasschemisch Reinigung denkbar.
Nach diesem Prozess wird das hier bandförmige Bauteil 1 durch eine Schleuse 3.1 in den Modifizierungsmodul 3 in dem die Laserbearbeitung während des vorgelagerten Schritts durchgeführt wird, bei einem Betrieb von Rolle zu Rolle eingebracht. Diese Kammer des Modifizierungsmoduls zeichnet sich dadurch aus, dass Sie unter Stickstoff- bzw. Stickstoff/Wasserstoffatmosphäre oder Argon gehalten wird, so dass nach der Laserbehandlung eine erneute Oxidation der Oberfläche vermieden wird. Hierbei kann es vorteilhaft sein, im Bereich der Laserbearbeitung eine Absaugung anzubringen und die Gaszufuhr im Bereich des Laserfensters 6 (als Schutzgas) zu realisieren. Alternativ kann die Gaszufuhr und Absaugung im Bereich der Laserbearbeitung, d.h. in Bandnähe realisiert werden oder auch ausschließlich durch die nachfolgende Atmosphären-Plasmabehandlung erfolgen. Dadurch wird eine Strömung von abgetragenem Material in die Absaugung begünstigt.
Die auf der Bandoberfläche vorliegende Oxidschicht muss hierbei nicht unbedingt vollständig abgetragen werden, sie kann auch durch die Wasserstoffzugabe während des vorgelagerten Schrittes reduziert werden.
In Vorschubbewegungsrichtung des bandförmigen Bauteils 1 nach dem Modifizierungsmodul 3 kann ein in 1 nicht gezeigtes Plasmabehandlungsmodul für eine Atmosphärenplasmaentladung, wie sie im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert worden ist, angeordnet sein. Im Plasmabehandlungsmodul kann der Stickstoff in atomaren Stickstoff umgewandelt und ggf. zu einem gewissen Prozentsatz ionisiert werden. Die Plasmaquelle wird dabei so angeordnet, dass eine Bandtemperatur von 400-550°C über eine längere Strecke nach der Laserreinigung im vorgelagerten Schritt erhalten bleibt.
Durch den vorhandenen atomaren, zum Teil angeregten Stickstoff im Modifizierungsmodul 3 kann eine Erhöhung der Stickstoffkonzentration an der behandelten Oberfläche des Bauteils 1 erreicht werden. Durch die kurze Einwirkungszeit des Laserstrahlbrennflecks und den Temperaturen im Bereich 400 °C - 550 °C kann eine Bildung von größeren Mengen Chromnitriden vermieden werden. Das Chrom steht weiterhin für den Korrosionsschutz im Verletzungsfall der nachfolgenden Oberflächenbeschichtung zur Verfügung. Weiterhin wird die auf der Bauteiloberfläche vorhandene Oxidschicht entfernt oder umgewandelt und das Bauteil 1 oder Bandmaterial für eine anschließende Beschichtung konditioniert. Der Kammerdruck und der Brechungsindex der Kammeratmosphäre weichen typischerweise vom Umgebungsdruck und Brechungsindex der Umgebung ab.
Ein Laserbearbeitungssystem, das hierfür geeignet ist, kann grundsätzlich in, vorteilhafterweise aber an der Bearbeitungskammer 3.3 des Modifizierungsmoduls 3 angebracht sein. Die Einkopplung des Laserstrahles 5 in die Bearbeitungskammer erfolgt typischerweise über ein Glasfenster 6. Insbesondere bei Bandmaterial ist die Laserstrahlführung mittels eines Scanners mit mindestens einem verschwenkbaren, für einen Laserstrahl 5 reflektierendes Element 7 vorteilhaft.
Wie aus 2 hervorgeht kann der Laserstrahl 5 über eine optische Faser 8 einen Kollimator 9 auf zwei jeweils um eine Achse verschwenkbare reflektierende Elemente 7, mit deren gezielter Verschwenkung die Auslenkbewegung des Laserstrahlbrennflecks über die zu modifizierende Bauteiloberfläche realisiert werden kann, ausgelenkt werden. Der ausgelenkte Laserstrahl 5 wird über eine F-theta-Optik 10 auf einen fest stehenden Umlenkspiegel 7.1 und von dort auf die Bauteiloberfläche gerichtet.
Entsprechend 6 kann auch ein Laserstrahl 5 eines vorzugsweise gepulsten Lasers mittels eines Strahlteilers 25 in zwei Teilstrahlen 5.1 und 5.2 vorzugsweise gleicher Intensität aufgespalten werden und auf ein rotierendes Vieleck 7.2 mit reflektierenden rotierenden Oberflächen, mit dessen gezielter Rotation um eine Rotationsachse die Auslenkbewegung der Teilstrahlen5.1 und 5.2 über die zu modifizierende Bauteiloberfläche realisiert werden kann, ausgelenkt werden. Anstelle eines rotierenden Vielecks 7.2 kann man auch ein um mindestens eine Achse verschwenkbares die Teilstrahlen 5.1 und 5.2 auslenkendes Element, auf dessen reflektierende Oberflächen die Teilstrahlen 5.1 und 5.2 auftreffen, zu ihrer Auslenkungsbewegung und für die Vorschubbewegung ihrer Brennflecken einsetzen.
Ein Strahlteiler kann unterschiedliche optische Elemente, wie z.B. Spiegel, teildurchlässige Spiegel, Prismen, diffraktive optische Elemente beinhalten. Die ausgelenkten Teilstrahlen 5.1 und 5.2 werden über eine F-theta-Optik 10, die auch in Form einer zylindrischen F-theta-Linse ausgeführt sein kann, auf einen fest stehenden Umlenkspiegel 7.1 und von dort auf die Bauteiloberfläche gelenkt werden und sich dort zu mindestens 80 % überlagern. Vorzugsweise befindet sich das Bauteil in einem solchen Abstand zu den Elementen 7.1 und 10, so dass der oder die Laserstrahlen nur in einer Raumrichtung ihre Fokusposition auf oder nahe an der Bauteiloberfläche haben und es dadurch zur Ausprägung eines elliptischen, länglichen, rechteckigen oder linienförmigen Brennflecks auf dem Bauteil kommt. Im Fokusbereich kommt es in Abhängigkeit vom Winkel zwischen den Laserstrahlen, zur Ausprägung von Interferenzeffekten. Die eingebrachten Modifikationen können hierbei eine Interferenzperiode zwischen 0,5 µm - 20 µm aufweisen. Die Interferenzstrukturierung ist besonders vorteilhaft hinsichtlich der hohen erreichbaren Prozessgeschwindigkeiten.
Ein oder mehrere verschwenkbare Element 7 können grundsätzlich auch zusammen mit, in Form von oder anstelle eines rotierenden Vielecks 7.2 aus reflektierenden Elementen 7.1 ausgeführt sein.
Der fest stehende Umlenkspiegel 7.1 in den 2 und 3 kann in allen Ausführungen auch als fokussierendes optisches Element ausgeformt sein und den Laserstrahl in einer Raumdimension fokussieren und so zur Ausprägung von elliptischen, länglichen, rechteckigen oder linienförmigen Teilstrahlen 5.1 und 5.2 oder eines einzelnen Laserstrahles 5 beitragen. Dies kann grundsätzlich auch durch Verwendung einer zylindrischen F-theta-Optik oder einer zusätzlichen zylindrisch fokussierenden Linse im Strahlengang erreicht werden. Die Orientierung eines solchen asymmetrischen Laserstrahles ist vorteilhafterweise so gewählt, dass die längste Diagonale des Brennflecks, bzw. der linienförmige Brennflecks parallel zur Vorschubbewegungsrichtung des Bandes liegt.
In den beiden unteren Darstellungen sind mögliche Vorschubbewegungen des ausgelenkten Laserstrahlbrennflecks auf der Bauteiloberfläche erkennbar. Der Laserstrahlbrennfleck oder die sich überlagernden Teilstrahlen 5.1 und 5.2 können senkrecht zur Vorschubbewegungsrichtung des Bauteils 1 aber auch in Form von „Achten“ bewegt werden, so dass es zu einer möglichst vollflächigen Funktionalisierung des Bandes kommt.

Bei dem vorgelagerten Schritt zur Durchführung der Modifizierung können folgende Parameter eingesetzt werden: Beispiel cw-Laser (z.B. Faserlaser):

Wellenlänge des Lasers:	1064 nm
Laserleistung:	1 kW
Strahlqualität:	single-mode
Strahlauslenkung:	Scanner
Strukturierter Werkstoff:		1.4404
Überlappung der Funktionalisierung:		25 %
Spotgeometrie:		oval (linienförmig) parallel zum
Bandlauf
Prozessgas:	N₂
Umgebungsdruck in der Modifizierungskammer	> 1 bar

Beispiel gepulster Laser (Festkörperlaser):

Wellenlänge des Lasers:		1064 nm
Strahlqualität:	M² < 2
Pulsenergie:	8 mJ
Pulslänge:	4 ns
Pulswiederholrate:	150 kHz
Durchschnittsleistung:		80 W
Optik:	Interferenzoptik + Scanner
Spotgeometrie:		oval (linienförmig) parallel zum
Bandlauf
Periode der Struktur:	10,0 µm
Umgebungsdruck:	> 1 bar

Sowie Parameter, wie sie auch bei einem cw-Betrieb genutzt werden können.
Nach der Bearbeitung des bandförmigen Bauteils 1 wird dieses über eine weitere Schleuse 3.2 in eine erste Beschichtungskammer eines ersten Beschichtungsmoduls 11 überführt. Zwischen dieser Beschichtungskammer (Druck 10^-2 - 10^-6 mbar) und der Modifizierungskammer 3.3 (z.B. Druck 1,5×10³) herrscht ein Druckunterschied. Innerhalb dieser Beschichtungskammer wird eine metallische Beschichtung (Chrom oder Titan) aufgebracht. Anschließend wird eine Kohlenstoffschicht aus diamantähnlichem oder graphitischem Kohlenstoff, mittels Lichtbogenverdampfung, in einem zweiten Beschichtungsmodul 12 auf das Metallband als Bauteil 1 aufgebracht. Eine diamantähnliche oder graphitische Kohlenstoffschicht kann bevorzugt mit dem an sich bekannten Laser-Arc-Verfahren ausgebildet werden. Andere Lichtbogenverfahren gepulst, cw oder einer Mischung aus beidem (cw überlagert mit einem gepulsten Bogen) sind jedoch ebenfalls anwendbar.
Falls es sich zeigt, dass auf die metallische Beschichtung verzichtet werden kann, z.B. wenn die Laservorbehandlung (Nitrierung) im vorgelagerten Schritt bereits einen hinreichenden Korrosionsschutz und/oder Schichthaftung bietet, dann kann die metallische Beschichtung direkt durch eine solche Kohlenstoffbeschichtung ersetzt werden.
Die Oberflächenbeschichtung auf der jeweiligen Oberfläche des Bauteils 1 kann mit zwei übereinander ausgebildeten Schichten, die im ersten Beschichtungsmodul 11 und im zweiten Beschichtungsmodul 12 ausgebildet worden sind, gebildet sein.
Bei dem in 1 gezeigten Aufbau eines Beispiels einer vollständigen Anlage sind die einzelnen Module 2, 3, 11 und 12 jeweils mit Schleusen 3.1, 3.2, 13 und 14 untereinander und gegenüber der Umgebung abgeschlossen. Das bandförmige Bauteil 1 wird von einer Rolle 15 zu einer weiteren Rolle 16 mit Hilfe von Umlenkrollen 17 durch die Module 2, 3, 11 und 12 transportiert.
Die in 3 gezeigten Schnittdarstellungen sollen das Ergebnis der Modifizierung und die ausgebildete Oberflächenbeschichtung erkennbar machen.
Dabei ist der Ausgangszustand eines Bauteils 1 aus Edelstahl im Schnitt gezeigt. Auf der Bauteiloberfläche ist eine Oxidschicht 18 und auf der Oberfläche der Oxidschicht 18 eine Kontaminationen aufweisende Schicht 19 vorhanden.
Der Zustand nach der Modifizierung mit der Laserstrahlung im vorgelagerten Schritt ist in der oberen rechten Darstellung gezeigt. Die Schichten 18 und 19 sind entfernt und an der Bauteiloberfläche ist ein nitrierter oberflächennaher Bereich 20 des Bauteilwerkstoffs erhalten worden.
Die linke untere Darstellung macht den Zustand nach Durchführung einer Beschichtung in einem zweiten Beschichtungsmodul 12 deutlich. Zwischen dem nitrierten oberflächennahen Bereich 20 und einer Schicht 22 aus diamantähnlichem Kohlenstoff ist eine Zwischenschicht 21, die im nitrierten oberflächennahen Bereich mit implantierten Kohlenstoffatomen gebildet. Bei diesem Beispiel ist auf ein erstes Beschichtungsmodul 11 verzichtet worden.
Beim rechts unten dargestellten Schnitt wurde zusätzlich ein erstes Beschichtungsmodul 11 eingesetzt, mit dem auf dem nitrierten oberflächennahen Bereich 20 zuerst eine Chromschicht 23, beispielsweise durch Sputtern ausgebildet ist. Auf der Chromschicht 23 wurden dann die Schichten 21 und 22 im zweiten Beschichtungsmodul 12 ausgebildet.
In 4 ist in der linken Darstellung erkennbar, wie eine Mikrostruktur bei einem vorgelagerten Schritt an einer Oberfläche eines Bauteils 1 und in der rechten Darstellung die Dimensionierung einer nitrierten Spur in einem oberflächennahen Bereich eines Bauteils 1 erhalten werden können.
5 zeigt eine Bipolarplatte als ein Beispiel eines erfindungsgemäß herstellbaren Bauteils 1. Dabei wurden vier Durchbrechungen je zwei Durchbrechungen 23 für eine Medienzufuhr zwei Durchbrechungen 24 für eine Medienabfuhr aus einer elektrochemischen Zelle ausgebildet.
Im Inneren der Fläche der Bipolarplatte sind Vertiefungen 25 zur Ausbildung von Kanälen durch die ein Medium strömen kann, ausgebildet worden. Auf der Oberfläche der Bipolarplatte kann eine Oberflächenbeschichtung mit einem vorgelagerten Schritt für eine Modifizierung und mit mindestens einem Beschichtungsvorgang ausgebildet worden sein, wie er in den beiden unteren Darstellungen von 3 gezeigt ist. Vorteilhaft ist es das Modifizieren und anschließende Ausbilden einer Oberflächenbeschichtung auf Bandmaterial durchzuführen und dieses zu Bipolarhalbschalen umzuformen. Zwei solcher Halbschalen können anschließend zu einer Bipolarplatte für Brennstoffzellen, insbesondere für Polymerelektolytbrennstoffzellen hergestellt werden. Anstelle von Stahlband kann für Brennstoffzellen auch Titanblech verwendet werden.
Andere elektrochemische Anwendungen derart modifizierter und beschichteter Metallfolien sind Elektroenergiespeicherzellen, bei denen Elektroden typischerweise aus Kupfer- und Aluminiumträgerfolien aufgebaut werden, die durch eine beschriebene Modifizierung und Beschichtung verbesserte elektrische Oberflächeneigenschaften aufweisen können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006042328 A1 [0019]

Claims

Verfahren zum Modifizieren und anschließendem Ausbilden einer Oberflächenbeschichtung auf einem metallischen Bauteil, bei dem vor der Ausbildung einer Oberflächenbeschichtung in einem vorgeschalteten Schritt die jeweilige Oberfläche des Bauteils (1) mit mindestens einem über die jeweilige Oberfläche auslenkbaren Brennfleck mindestens eines Laserstrahls (5) zumindest nahezu vollflächig beaufschlagt und dabei Anhaftungen und/oder einer Oxidschicht von der Oberfläche entfernt wird/werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es in einer Wasserstoff und/oder Stickstoff enthaltenden und sauerstofffreien Atmosphäre durchgeführt wird, wobei durch den enthaltenen Stickstoff eine Nitrierung in einem oberflächennahen Bereich des Bauteilwerkstoffs erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es in einer Wasserstoff enthaltenden und sauerstofffreien Atmosphäre durchgeführt wird, wobei durch den enthaltenen Wasserstoff eine Reduzierung vorhandener Oxidschichten in einem oberflächen-nahen Bereich des Bauteilwerkstoffs erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nitrierende oder reduzierende Wirkung einer Wasserstoff und/oder Stickstoff enthaltenden und sauerstofffreien Atmosphäre durch einen nachgeschalteten Plasmafaden durch den Verbleib in einem Temperaturbereich von 400-550°C erhöht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserstoff und/oder Stickstoff durch einen Plasmafaden in ihre atomare form dissoziiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem vorgeschalteten Schritt an der jeweiligen Oberfläche durch einen Werkstoffabtrag oder ein Umschmelzen eine Oberflächenstruktur ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem vorgeschalteten Schritt an der jeweiligen Oberfläche ein Umschmelzen eine Kornfeinung und/oder eine Homogenisierung der Legierungselemente erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung der Oberflächenbeschichtung mit einem Vakuumbeschichtungsverfahren, insbesondere einem PVD-Verfahren durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem vorgeschalteten Schritt und vor der Ausbildung der Oberflächenbeschichtung an der jeweiligen Oberfläche eine Plasmabehandlung unter Einhaltung von Umgebungsatmosphärenbedingungen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberflächenbeschichtung mit diamantähnlichem Kohlenstoff oder mit Chrom oder mit Titan oder einer auf einer Chromschicht oder Titanschicht ausgebildeten Schicht, die mit diamantähnlichem Kohlenstoff gebildet ist, ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorherhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgelagerte Schritt und/oder die Plasmabehandlung unter Umgebungsatmosphärenbedingungen so durchgeführt wird, dass der Bauteilwerkstoff auf maximal 550 °C, bevorzugt maximal 450 °C und besonders bevorzugt auf maximal 400 °C erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkung des Laserstrahlbrennflecks mit mindestens einem, um mindestens eine Achse verschwenkbaren reflektierenden Element (7.1) und/oder rotierenden reflektierenden Vielecks 7.2 über das ein, zwei oder drei Laserstrahlen auf einen Umlenkspiegel gleichzeitig gerichtet sind, erreicht wird .
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Oberflächenhärte eine diamantähnliche Kohlenstoffschicht auf einer Werkzeugoberfläche aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung des elektrischen Widerstands an der Oberfläche des Bauteils (1) eine graphitische Oberflächenschicht auf einem Metallband aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem vorgeschalteten Schritt ein Laserstrahl (5) in mindestens zwei Teilstrahlen (5.1, 5.2) aufgeteilt und die Teilstrahlen (5.1, 5.2) so auf die Bauteiloberfläche gerichtet werden, dass sie im Bereich der Bauteiloberfläche miteinander interferieren.