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CVD-Beschichtung von Oberflächen: Korrosionsschutz und verbesserte Eigenschaften

Die Beschichtung von Oberflächen besitzt für heutige Werkstoffe eine überragende Bedeutung, da sich dadurch für einen Werkstoff völlig neue Anwendungsbereiche erschließen. Die von Restek entwickelten Oberflächenmodifizierungen Silcosteel(R), Siltek(TM) und Sulfinert(R) werden vor allem für Stähle und Glas, jedoch auch für eine Vielzahl anderer Werkstoffe, wie z.B. Keramiken oder Legierungen, eingesetzt. Die Oberflächenbeschichtung basiert im Wesentlichen auf einem CVD-Prozess (chemical vapor deposition), der die Werkstoffoberfläche schichtweise mit amorphem Silizium bedeckt. Die Schichten können hierbei individuell in Dicken zwischen 30 und 30.000 nm aufgetragen werden. Der CVD-Prozess findet in der Regel bei Temperaturen oberhalb von 400°C und abwechselnd unter Vakuum und Reaktionsgas statt. Je nach Reaktionsbedingungen ergeben sich unterschiedliche Anwendungen der Beschichtung:

Passivierung von Stählen und Edelstählen für allgemeine Anwendungen (Silcosteel(R), U.S. patent 6,511,760). Signifikante Reduzierung der Ablagerung von Kohlenstoff auf (Edel-)stählen (Silcosteel(R)-AC, U.S. patent 6,444,326). Erhöhung der Lebensdauer von Systemkomponenten, die saurem Milieu (wie Salz-, Salpeter- oder Schwefelsäure oder Meerwasser) ausgesetzt sind, durch eine korrosionsresistente Schicht (Silcosteel(R)-CR, Patent angemeldet). Reduzierung des Ausgasens in Ultra-Hochvakuum-Systemen (Silcosteel(R)-CR, Patent angemeldet).

Verkokung um den Faktor 8 reduziert

Ein häufiges Problem bei der Prozessierung von Kohlenwasserstoffen ist die Ablagerung von Kohlenstoff auf Metalloberflächen, die Verkokung. Verkokung wird häufig durch Nickel oder andere Zusätze in Metallen hervorgerufen. Resteks Chemiker haben gemeinsam mit der PennState University im „Fuel Science Program“ eine achtfache Reduktion der Verkokung erreicht. Anwendungen findet Silcosteel(R)-AC in:

• Injektionsdüsen für Treibstoffe
• Ventile in Motoren
• Zylinder in Motoren
• Treibstoffleitungen in Düsenflugzeugen

Ein wirtschaftlicher Korrosionsschutz

Korrosion verursacht allein in den USA Kosten von jährlich über 250 Mrd. Euro und wird häufig durch die Verwendung von Hochleistungsstählen verhindert. Diese sind jedoch zum Teil sehr teuer und schwierig zu be- oder verarbeiten. Nach der Beschichtung mit Silcosteel(R)-CR können stattdessen einfache Stähle verwendet werden, die so über einen wirtschaftlichen Korrosionsschutz verfügen.

Reduktion von Ausgasung und rascher Aufbau eines Hochvakuums

Ultrahoch-Vakuum wird durch Drücke unterhalb von 10^-9 Torr charakterisiert. Bei diesen Drücken gasen zum Teil erhebliche Mengen an Wasser und anderen Molekülen aus den Werkstoffen aus, wodurch wiederum ein enormer Pumpaufwand benötigt wird, um das notwendige Vakuum aufzubauen und aufrechtzuerhalten. Mit Silcosteel(R)-UHV kann ein Ultrahoch-Vakuum nicht nur wesentlich rascher aufgebaut werden, sondern auch mit wesentlich weniger Pumpaufwand aufrechterhalten werden.

Chemische Modifikationen

Darüber hinaus kann die Silcosteel-Oberfläche chemisch modifiziert werden. Grundsätzlich werden die Oberflächen durch diese Modifizierung extrem hydrophob. Außerdem resultieren neue Eigenschaften:

• Ultimative Passivierung schafft eine extrem inerte Oberfläche auf Werkstoffen von Glas bis zu Edelstählen mit hohem Nickelanteil (Siltek(TM), U.S. patent 6,444,326).

• Passivierung ist notwendige Voraussetzung, wenn Organoschwefelverbindungen während der Analytik im Spurenbereich (ppb) mit Metalloberflächen in Berührung kommen (Sulfinert(R), U.S. patent 6,444,326).

Durch den CVD-Prozess können auch extrem komplexe Oberflächen komplett beschichtet werden. Die Beschichtung von Metallsieben, Rührern, Ventilen etc. stellt kein Problem dar. Weiterhin interagiert die Oberfläche aus amorphem Silizium mit der darunter liegenden Metalloberfläche, so dass eine extrem feste Bindung entsteht. Werkstücke können deshalb nach der Beschichtung gebogen werden, ohne dass die Oberfläche verletzt wird.