80 Prozent aller Beschichtungen auf Wendeschneidplatten für Drehanwendungen und 50 Prozent aller Schichten auf diesen Werkzeugen zum Fräsen enthalten "-Aluminiumoxid. Die Gründe dafür sind vielfältig: Diese Form des

Aluminiumoxids, auch als Korund bezeichnet, ist das härteste Material im Einsatz bei hohen Temperaturen. Zudem ist es thermisch und chemisch hoch beständig. Das gilt allerdings nicht für alle Modifikationen: Zum Beispiel wandelt sich (-Aluminiumoxid, erzeugt mittels Sputter-Verfahren, bei hohen Einsatztemperaturen um. Die Folge sind Volumenänderungen und unerwünschte Spannungen in der Beschichtung, die dadurch instabil wird. Forscher haben nachgewiesen, dass dies beim Drehen von Stahl schon nach wenigen Minuten der Fall ist. Schlussendlich hat die für hochproduktive Zerspanungslösungen nötigen hervorragenden Eigenschaften einzig "-Aluminiumoxid.

Dessen industrielle Herstellung gelang bisher jedoch nur mittels CVD (Chemical Vapor Deposition). Dieses Verfahren hat einige Nachteile: Die hohen Beschichtungstemperaturen von über 1.000 Grad Celsius führen zur Versprödung in den verwendeten Hartmetallsubstraten. Darum eignen sich nur spezielle, hochtemperaturstabile Hartmetalle für die CVD-Beschichtung. Durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Hartmetall und Beschichtung kommt es zudem beim Abkühlen nach dem Beschichtungsprozess zur Ausbildung von thermischen Rissen sowie zu Zugeigenspannungen in der Schicht. Auch ist die Schichtauswahl im CVD-Verfahren eingeschränkt – es kommen nur Kombinationen mit TiN, TiCN und Al2O3 in Frage.

Neue Horizonte für das Werkzeug-Design

P3eTM dagegen vereint die überragenden Eigenschaften von "-Aluminiumoxid mit den bekannten Vorteilen der PVD-Technologie und befreit damit Werkzeughersteller und Endanwender von bisherigen Beschränkungen. Auf die Quelle dieser Vorzüge verweist schon der Name: X3turn – sprich „X-Triple-turn“ – ist die erste Schichtentwicklung mit dem von Oerlikon Balzers entwickelten Verfahren P3eTM („P-Triple-e“ / Pulse Enhanced Electron Emission). Herkömmliche Hartstoffschichten lassen sich damit fast beliebig mit harten, auf Aluminiumoxid basierenden Schichten kombinieren. Mit diesem Verfahren können erstmals thermodynamisch stabile "-Aluminiumoxid-Beschichtungen bei unter 600 Grad Celsius hergestellt werden. „Mit den von anderen Anbietern verwendeten Sputtertechnologien ist dies nicht möglich“, sagt Dr. Wolfgang Kalss, Segmentleiter Cutting Tools bei Oerlikon Balzers in Liechtenstein. Nach seinen Angaben lassen sich die Schichteigenschaften wie etwa die Schichthärte nun in einem bisher nicht gekannten Ausmaß festlegen. „Dies eröffnet dem Design von Hochleistungswerkzeugen völlig neue Horizonte“, so Kalss.

Durch die niedrigen Abscheidetemperaturen lassen sich alle Hartmetallsorten ohne Einschränkung als Substrate zur Beschichtung verwenden. Dies gilt auch für Feinstkorn- und Ultrafeinstkornsorten mit optimaler Härte und

besten Zähigkeitseigenschaften. Mit der Einstellbarkeit der Druckeigenspannungen lässt sich auch die Ausbreitung von Rissen, die durch die mechanische und thermische Beanspruchung während der Bearbeitung entstehen, verhindern oder minimieren. Dies führt auch zu Vorteilen beim Werkzeugeinsatz unter Kühlung, also bei wechselnder thermischer Beanspruchung. Nicht zuletzt erlaubt das Verfahren eine beliebige Kombination mit Hochleistungsnitridschichten wie AlCrN, TiAlN oder AlTiN, so dass sich für jede spezifische Anwendung eine optimale Leistung erzielen lässt. Möglich ist ein breites Schichtdickenspektrum, von dünnen Schichten für scharfe Schneiden bis zu hohen Schichtdicken.

Erste Tests mit X3Turn sind möglich

Das Potenzial der Technologie P3eTM zeigte sich rasch an der ersten Schichtentwicklung X3turn: „Wir konnten schon nach kürzester Entwicklungszeit die hohe Leistungsfähigkeit der CVD-Schichtkombination von TiCN mit Al2O3 erreichen“, erzählt Dr. Kurapov, Projektleiter F&E bei Oerlikon Balzers. Wie das Beispiel einer typischen Drehanwendung zeigt, bewähren sich die neuen Kombinationen aus TiAlN mit Aluminiumchromoxid – (Al,Cr)2O3 – auch unter typischen Testbedingungen, wie sie für herkömmliche CVD-beschichtete Wendeschneidplatten gelten. Der Endanwender und Werkzeughersteller kann die Vorteile aber nicht nur im kontinuierlichen Schnitt ausschöpfen. Vor allem beim unterbrochenen Schnitt und bei der Bearbeitung unter Kühlung kommen die Druckeigenspannungen von X3turn vorteilhaft zum Tragen. „Die Werkzeughersteller müssen die Hartmetallauswahl jetzt nicht mehr den CVD-Beschichtungstemperaturen anpassen. Sie können den Blick jetzt direkt auf die Anforderungen der Anwendung richten und fast so etwas wie einen Wunschzettel für die Beschichtung erstellen. Das bedeutet einen Sprung in der Produktivität und Standzeit von Drehanwendungen“, versichert Kalss. Erste Beschichtungstests für Kunden sind bereits möglich.

Artikel erschienen in WT 102 auf Seite 84.