Die TiN-Schichten

TiN ist eine goldfarbene Hartstoffschicht.
Diese Schichten werden seit mehr als 30 Jahren zur Verbesserung des Verschleißschutzes von Werkzeugen eingesetzt. Mit Schichtstärken von einigen Mikrometern wird TiN auch für Anwendungen in der Medizintechnik genutzt.
Die Biokompatibilität der TiN-Schicht ist in vielfältigen Untersuchungen nachgewiesen. Werkstoffseitig zählt TiN zu den leitfähigen Keramiken. Die Eigenschaft der Biokompatibilität ergibt sich aus dem keramischen Charakter der TiN-Bindung bzw. aus den starken Bindungskräften zwischen Titan und Stickstoff. TiN ist hart und kann chemisch nur schwer angelöst werden.
Daher sind die Haftung und Dichtheit der Schicht um so entscheidender für Anwendungen in der Medizintechnik. Nur eine dichte Schicht kann den Korrosionsschutz des Untergrundes gewährleisten oder als Sperrschicht wirken.

Anwendungsbeispiele:

  • Implantate
  • Schrauben
  • Nägel
  • Führungsstangen

Beschichtungsverfahren:

Es gibt zahlreiche Verfahren, die zur Abscheidung von TiN-Schichten eingesetzt werden können.MAT nutzt die Hohlkathoden-Vedampfung, da hierbei die glattesten und dichtesten Schichten abgeschieden werden können, vorausgesetzt die Implantatoberfläche ist ausreichend eben.

Prüfmethoden:

Die Parameter Schichtdicke, Mikrohärte und Reibungszahl werden an geeigneten Testkörpern geprüft, von denen jeweils einer pro Charge mitbeschichtet wird.

Schichtdicke:        Kalottenschleifverfahren (DIN V ENV 1071 Teil 2), Kugelkalottenschleifgerät (IFW Dresden)

Mikrohärte:          Mikrohärtebestimmung unter Prüfkraft, Mikrohärtemeßgerät Shimadsu DUH-200, Last 2 gf

Reibungszahl:      Reibung einer WC-Hartmetall­kugel unter vorgegebener Last gegen die Schicht, Oszillierendes Tribometer (Fh-AIS Erlangen)

Die Schichthärte ist bei diesen Dicken stets eine Systemeigenschaft. Ist das Substrat zu weich, bricht die Schicht unter bestimmten Belastungen ein.

Die TiN-Beschichtungen bei MAT erfolgen nach der VDI-Richtlinie 3824.

Literatur zur Biokompatibilität der TiN-Schichten:

  • R. A. Poggie, A. K. Mishra, J. A. Davidson, Three-body abrasive wear behaviour of orthopaedic implant bearing surfaces from titanium debris, Journal of Materials Science: Materials in Medicine 5 (1994) 387-392
  • J. J. A. M. van Raay, P. M. Rozing, C. A. van Blitterswijk, R. M. van Haastert, H. K. Koerten, Biocompatibility of wear-resistant coatings in orthopaedic surgery in vitro testing with human fibroplast cell cultures, Journal of Materials Science: Materials in Medicine 6 (1995) 80-84

Der Beschichtungsprozess

Schichten aus TiN können durch Verdampfen von hochreinem Titan im Vakuum unter gleichzeitigem Einlaß von Stickstoff hergestellt werden.
Bei der von MAT genutzten Hohlkathoden-Beschichtung wird ein Plasma in der Beschichtungskammer durch einen Plasmastrahl aus einer Hohlkathode erzeugt. Der Plasmastrahl besteht aus Argonionen und Elektronen. Während die Elektronen zum Aufschmelzen und Verdampfen des Titans aus einem Tiegel genutzt werden, werden die Ionen durch Anlegen einer Vorspannung an die Implantate zur Reinigung der Oberflächen durch Ionenätzen eingesetzt. Das Plasma in der Kammer umschließt die am Halterungssystem befestigten Implantate und verbessert die Beschichtungsbedingungen. Es dient zum Aufheizen der Metallimplantate und zur Aktivierung des eingelassenen Stickstoffs.

Bei der Hohlkathoden-Verdampfung entstehen immer einzelne Atome im angeregten oder ionisierten Zustand. Das ist die Voraussetzung dafür, daß bei Kondensation dieser Teilchen auf den Implantatoberflächen eine dichte und glatte TiN-Schicht entsteht.

Der Beschichtungsprozeß selbst ist mehrstufig:

  • In einem naßchemischen Reinigungsprozeß der Metallimplantate werden die Rückstände von der Herstellung und vom Schleifen und Polieren entfernt.
  • Die gereinigten Implantate werden auf Halterungen am Drehkorb der Beschichtungsanlage befestigt. Dadurch können die Teile um mehrere Achsen rotieren, wodurch die gleichmäßige Beschichtung verbessert wird.
  • Nach dem Abpumpen der Beschichtungskammer erfolgt ein Reinigungsprozeß unter Vakuumbedingungen. Durch Aufheizen und Ionenbeschuß (Ionenätzen) werden Kohlenwasserstoffschichten auf den Implantatoberflächen, die an Luft nicht entfernt werden können, abgelöst und die unmittelbare Metalloberfläche freigelegt. Gleichzeitig wird dadurch die Metalloberfläche aktiviert.
  • Danach wird die Titanverdampfung gestartet, um auf diese Oberfläche eine sehr dünne Titanschicht aufzubringen. Durch die hohe Oberflächentemperatur der Metallimplantate und die Energie der verdampften Titanatome entstehen ähnlich feste Bindungsverhältnissen, wie in metallischen Festkörpern. Die Metall-Metallbindung ist bei Implantaten aus einer Titanlegierung am besten. Diese sehr dünne Zwischenschicht ist die Voraussetzung für die gute Haftung der TiN-Beschichtung.
  • Anschließend wird dem Verdampfungsprozeß allmählich Stickstoff zugegeben, so daß sich Titannitrid bilden kann. Unter konstanten Prozeßbedingungen wird die Schichtdicke durch die Beschichtungszeit bestimmt.
  • Durch die hohen Beschichtungstemperaturen muß eine Abkühlungszeit eingehalten werden, bevor die Beschichtungskammer belüftet und die fertig beschichteten Implantate entnommen werden können.
  • verbesserte Oberflächen

Die Schichteigenschaften

  • verbesserte tribologische Eigenschaften
TiN-Schichten-Oberflächenhärte
Bestimmung der Schichthärte durch registrierende Härtemessung unter Last

Die TiN-Beschichtung erhöht die Oberflächennhärte der Implantate und verbessert dadurch das Verschleißverhalten und die Handhabungssicherheit (Kratzfestigkeit).

  • Verbessertes Verschleißverhalten im Gelenkimplantat
TiN-Schichten-tribologische Eigenschaften
trockene Reibung einer starren Kugel aus Wolframkarbid gegen TiN

Der verbesserte Reibungskoeffizient auf Gelenkimplantaten führt zu geringeren Grenzkräften und wesentlich geringeren Abrieben.

  • Verbessertes Verschleißverhalten im Gelenkimplantat
TiN-Schichten-Verschleißverhalten
Verschleißverhalten eines CoCr-Hüftkopfes (32 mm) gegen UHMWPE

Durch die TiN-Beschichtung von Gelenkimplantaten wird der Abrieb deutlich reduziert.