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Entscheidend ist die richtige Haftung Werkzeuge ohne Beschichtung sind heute kaum noch denkbar
Begonnen
hat alles bereits vor etwas mehr als 40 Jahren,
doch der Durchbruch der keramischen CVD-Schichten
im Werkzeugbereich kommt erst Mitte der siebziger
Jahre. TiN, TiCN und Al2O3 erobern in einem
atemberaubendenden Tempo den Markt. Mit dem
Aufkommen der Multilayer- und PVD-Schichten wird
das Einsatzspektrum der harten Helfer noch einmal
erweitert. Die Folge: Ohne Schicht läuft fast
nichts mehr. Heute sind über 90 Prozent aller
Wendeschneidplatten beschichtet. Immer vorne
mit dabei, wenn es um die Entwicklung neuer
Schichten ging: die europäischen
Werkzeughersteller und Beschichtungsspezialisten.
Einem davon, der Walter AG, gelingt mit den
Tiger.tec-Beschichtungen 2001 der große Wurf.
Heute, sieben Jahre nach der Einführung sind die
verschiedenen Varianten des „Tigers“ nach wie vor
Benchmark im Bereich Al2O3-Schichten. Erstaunlich,
wenn man die hohe Innovationsrate in diesem
Bereich in Betracht zieht – oder vielleicht doch
nicht? Auswahl ist begrenzt Die Auswahl an
geeigneten Stoffen und Verbindungen für eine
leistungsfähige Werkzeugbeschichtung ist begrenzt.
Die Grundvoraussetzungen, die sie erfüllen müssen
sind vor allem: – hohe Warmhärte –
Verschleißfestigkeit – niedrige
Wärmeleitfähigkeit – hohe Diffusions- und
Oxidations-Beständigkeit – niedrige
Adhäsionsneigung. Insgesamt sind es nur wenige
Verbindungen, die als Carbide, Boride, Nitride,
Oxide oder ihre Mischung verwendet werden können.
Für viele Bearbeitungsfälle hat sich Al2O3 als der
ideale Schichtwerkstoff herauskristallisiert. Das
hat seinen Grund: Mit einer Härte von 2600 HV bei
20 Grad Celsius und immerhin noch 900-1200 HV
bei einer Temperatur von 800 Grad Celsius hat
Aluminiumoxid nicht nur die höchste Warmhärte,
sondern bietet auch eine hervorragende chemische
Stabilität. Allerdings kann Al2O3 seine Stärken
nur in Verbindung mit MT-TiCN (MT:
Mitteltemperatur) ausspielen. Dieses ist notwendig
als Schutz gegen den Frei-flächenverschleiß. Wie
gut das Werkzeug letztendlich geschützt ist, hängt
dabei entscheidend von der Mikrostruktur des TiCN
ab: Gelingt es durch die Prozessführung die für
das MT-TiCN typische kolumnare Struktur sehr
feinkörnig auszubilden, kann eine signifikante
Verbesserung der Abrasionsfestigkeit erreicht
werden. (Abbildung MT fein grob siehe
Anlage) Zurück zum Aluminiumoxid. Diese
Verbindung hat noch eine weitere wichtige
Eigenschaft: Sie leitet Wärme nur schlecht. Das
heißt, bei der Bearbeitung wird das
Substrat-Hartmetall besser vor Temperatureintrag
geschützt. Dies ist sowohl im glatten als auch
unterbrochenen Schnitt entscheidend. Während im
glatten Schnitt der Widerstand gegen plastische
Verformung erhöht wird, können im unterbrochenen
Schnitt hohe Temperaturschwankungen im Substrat
Hartmetall reduziert werden. Dies führt zu einer
hohen Prozesssicherheit. Bindungsschicht ist
entscheidend Grundsätzlich sind beim
Beschichten drei verschiedene Al2O3-Phasen – a, k
und g – im Einsatz, die sich von ihren
Eigenschaften und damit auch vom Anwendungsgebiet
her unterscheiden. Am gebräuchlichsten im
CVD-Bereich ist die a-Phase des Aluminiumoxids. In
dieser Modifikation ist der Stoff thermisch und
chemisch am stabilsten. Damit das Al2O3 seine
Stärken voll ausspielen kann, ist eine exzellente
Schichthaftung auf dem TiCN unabdingbar. Dies wird
durch die Bindungsschicht erreicht, die sich mit
dem Al2O3 mechanisch verzahnt. Doch dieser Schicht
kommen noch weitere wichtige Aufgaben zu: Sie ist
neben der Haftung auch für die Modifikation und
die Textur, d.h. die geometrische Ausprägung der
Kristalle auch bekannt als Vorzugsorientierung,
des Al2O3 zuständig. Um reines a-Al2O3
herzustellen, wird eine isomorphe Kristallstruktur
als Unterlage benötigt. Konkret bedeutet dies,
dass die Bindungsschicht eine ähnliche Struktur
wie das a-Al2O3 besitzen muss. In der Regel werden
im CVD-Bereich mit seinen hohen Temperaturen
deshalb Titanoxide als Bindungsschicht verwendet.
Bei Walter setzt man jedoch auf eine
Bindungsschicht bestehend aus einer Mischphase aus
TiCN und Al2TiO5. Vorteil dieser Lösung: Diese
Mischphase führt zu einem reinen a-Al2O3-Wachstum
und ermöglicht eine sehr hohe 001-Textur.
Warum ist dies entscheidend? Die Antwort ist
nicht ganz einfach: Die Wärmeleitfähigkeit und die
Härte zeigen eine Richtungsabhängigkeit im
Kristallgitter und erreichen ihre besten Werte bei
einer ausgeprägten 001-Vorzugsorientierung. Damit
können alleine durch dieses eine Detail in
bestimmten Anwendungsfällen, zum Beispiel beim
Stahldrehen mit hohen Schnittgeschwindigkeiten,
durchaus Standzeitvorteile von 30 Prozent erzielt
werden. Genau an diesem Punkt ist ein Grund für
den Erfolg des Tigers zu finden. Ein spezielles
Verfahren sorgt bei der Vermessung der Texturen
für ungewöhnlich genaue Ergebnisse und so auch für
die Möglichkeit einer weiteren Optimierung.
Während andere Verfahren nur eindimensional
messen, geht Walter auch in die dritte Dimension
und erhält so wesentlich genauere Werte. Dieses
Messverfahren ist also eine entscheidende
Voraussetzung für die exakte Einstellung der
gewünschten Textur. Nachbehandlung verändert
Eigenschaften Neben allen genannten Vorteilen
hat das CVD-Verfahren auch einen gravierenden
Nachteil: Die hohen Abscheidungstemperaturen (800°
- 1050°C) führen zu einem Zähigkeitsverlust im
Substrat Hartmetall und zu Zugeigenspannungen in
der Beschichtung, die sich negativ auf den
Risswiderstand des Schneidstoffes auswirken. Hier
jedoch beißt der Tiger: Dieses ursprünglich für
die Gussbearbeitung entwickelte Verfahren entfernt
das in dieser Anwendung tribologisch negative TiN
durch einen Strahlprozess von der Spanfläche.
Durch das Verbleiben des TiN auf der Freifläche
bleibt die Verschleißerkennung erhalten. Durch
diesen Prozeß wird jedoch auch ein weiterer
signifikanter Vorteil erzielt. Durch das
Einbringen mechanischer Energie werden, neben
einer Erhöhung der Oberflächenhärte der
Beschichtung, die negativen Zugeigenspannungen in
der Beschichtung in Druckeigenspannungen
umgewandelt. Eine erstaunliche
Zähigkeitssteigerung ist die Folge. Seither waren
Maßnahmen zur Steigerung der
Hochtemperatur-Verschleißfestigkeit, wie z. B. der
Einsatz eines Substrates mit geringerem
Kobaltgehalt oder die Anhebung der Schichtdicke,
stets mit einem gleichzeitigen Zähigkeitsverlust
verbunden, der die Prozesssicherheit im Einsatz
verringerte. Durch das Tiger-Strahlen ist es nun
möglich, diesen Zähigkeitsverlust zu unterbinden
und die Prozesssicherheit zu steigern. Der Traum
des Schneidstoffentwicklers,
Verschleißfestigkeit und Zähigkeit gleichzeitig
steigern zu können, wurde dadurch Wirklichkeit,
der Anwendungsbereich der CVD-Beschichtungen wurde
deutlich größer. So konnte sich der Tiger als
allgemeiner Standard sowohl im Guss- als auch im
Stahlbereich durchsetzen. Im Übrigen gibt es auf
dem Gebiet der PVD-Beschichtungen ebenfalls eine
revolutionäre Entwicklung mit ähnlichen
Auswirkungen. PVD-beschichtete WSP zeichnen sich
bekanntermaßen durch ihre exzellente Zähigkeit
aus, haben aber, da seither keine oxidische
Schichten abgeschieden werden konnten, im
Vergleich zum CVD eingeschränkte
Hochtemperatur-Verschleißeigenschaften. 2005
stellte die Walter AG den „PVD-Tiger“ vor, die
weltweit ersten PVD-Al2O3-beschichteten WSP. Damit
ist es gelungen, auch den Anwendungsbereich der
PVD-Beschichtungen zu steigern, in diesem Fall in
Richtung höhere Schnittgeschwindigkeiten bei
gleicher Zähigkeit. Fazit Noch immer bilden
a-Al2O3-Schichten in vielen Bereichen das Maß
aller Dinge. Das wird vorerst auch so bleiben.
Zwar wird auch mit anderen Verbindungen
experimentiert, doch bislang sind die Ergebnisse
noch nicht serienreif. Eines steht aber fest: Die
gezielte Einstellung der Eigenspannung auf den
jeweiligen Anwendungsfall wird in Zukunft ein
entscheidender Vorteil sein, da er die
Einsatzgebiete der CVD-Beschichtungen deutlich
erhöht. Autoren: Dr. Helga Holzschuh,
Leiterin R&D CVD Beschichtungstechnologie. Jörg
Drobniewski, Leiter Schneidstoffe und
Versuch.
Artikel erschienen in WT 105B auf Seite 27.
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