Design of wear and corrosion resistant PVD‐coatings for magnesium alloys

Although magnesium alloys became popular in the first half of the 20th century, the bad corrosion properties prevented their breakthrough in industrial mass production. Since the technology for the production of high purity alloys was introduced in the 1970s, magnesium alloys became more and more in the focus of industrial attention. Today magnesium alloys are state of the art in structural parts in automotive industry. Despite its outstanding properties like good castability, low density and nearly unlimited availability the negative aspects like weak corrosion and wear behaviour still limit the application of magnesium in industry [1]. So, the only economic solution is the deposition of a coating or a suitable surface treatment which provides both, wear and corrosion resistance. Today, plasma electrolytic anodisations are state of the art [2–5]. They provide acceptable corrosion resistance and protect the magnesium from mechanical damage due to their high hardness. On the other hand, their high porosity limits their use in combination with electrochemically noble materials, leading to galvanic corrosion [6]. In addition, the high surface roughness of the plasma electrolytic anodisations restricts their use in tribological applications, particularly under dry sliding conditions [7]. On the other hand, due to the high life time recommendations the application of magnesium in the automotive industries motion component field is a long term process. Nevertheless, there is a quite high industrial interest to apply magnesium in the motion component field in consumer applications like do-it-yourself or gardenig. Some examples are motor components of lawnmovers, motor saws or drills. Especially for these fields of application there are quite high demands on the corrosion properties due to undefined storage and the conditions during usage. In order to achieve smooth surfaces with high quality, the PVD technology moves into the centre of interest. Since the 1980s PVD coatings are well established and widely used for different industrial applications, mainly for steel and tool coatings. The authors were the first who carried out serious studies on the development of PVD coatings for magnesium alloys since 1999 [6, 7]. The extensive research activities lead to the recent development of a coating system, which provides both, good wear properties as well as good corrosion behaviour. Entwicklung von verschleis- und korrosionsbestandigen PVD-Schichten fur Magnesiumlegierungen Mit der industriellen Beherrschung der Herstellung hochreiner Magnesium-Legierungen ruckt der Konstruktionswerkstoff Magnesium seit etwa 30 Jahren mit steigender Tendenz ins Blickfeld der Fertigungs- und Leichtbauindustrie und ist heute im Bereich statischer Bauteile in der Automobilindustrie nicht mehr wegzudenken. Trotz positiver Eigenschaften wie geringe Dichte, einfache Giessbarkeit und praktisch unbegrenzte Verfugbarkeit stehen der Ausschopfung wirtschaftlich relevanter Anwendungsfelder bis heute negative Eigenschaften wie mangelnde Verschleis- und Korrosionsbestandigkeit – insbesondere im Verbund mit anderen Metallen – und zu teure bzw. umweltfeindliche Verfahren zur Oberflachenvergutung im Wege [1]. Zur Losung dieser Probleme sind Oberflachenbehandlungen von Magnesium unerlasslich, bei denen gegenwartig vorwiegend Verfahren zur anodischen Oxidationen unter Funkenentladung zum Einsatz kommen [2–5]. Diese Oberflachenbehandlungen weisen eine gute Korrosionsbestandigkeit auf und schutzen den Grundwerkstoff durch ihre hohe Harte vor mechanischen Beschadigungen. Die ausgepragte Porositat der Oxidschichten schrankt die Anwendung unter Kontaktkorrosionsbedingungen allerdings stark ein bzw. macht diese unmoglich [6]. Daruber hinaus wirkt sich die hohe Rauheit der Oberflachen auf tribologische Anwendungen unter Gleitbeanspruchung negativ aus [7]. Obwohl das Potenzial von Magnesiumlegierungen aufgrund des gunstigen Massentragheitsmoments gerade im bewegten Bauteilbereich ideal ausgeschopft werden kann, ist ein Einsatz in der Automobilindustrie aufgrund der hohen Lebensdaueranforderungen ein langfristiger Prozess. Dennoch besteht ein hohes Interesse der Industrie, Magnesium-Legierungen im bewegten Bauteilbereich einzusetzen. Als Beispiele sind Heimwerker- oder Gartengerate zu nennen, zum Beispiel Rasenmaher, Motorsagen oder Bohrer. Gerade im Heimwerker- und Gartenbereich sind die Anforderungen an die Korrosionsbestandigkeit auf Grund undefinierter Lager- und Betriebsbedingungen jedoch sehr hoch. Zur Erzielung sehr glatter, qualitativ hochwertiger Oberflachen fur Magnesium-Legierungen ruckte in jungster Vergangenheit die PVD-Technologie immer mehr in den Vordergrund. Bereits seit den achtziger Jahren des 20. Jahrhunderts kommen PVD-Schichten zum Einsatz und finden heute breite Anwendung in zahlreichen Industriezweigen. Seit Ende der neunziger Jahre des 20. Jahrhunderts befassen sich die Autoren mit der Entwicklung von PVD Schichten fur Magnesiumlegierungen [6, 7]. Umfassende Forschungsaktivitaten fuhrten in jungster Zeit zu der Entwicklung eines Schichtsystems, dass sowohl gute Verschleis- als auch gute Korrosionseigenschaften aufweist und im Folgenden beschrieben wird.