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maschine+werkzeug 03/2009

Entscheidend ist die richtige Haftung

Beschichtungstechnik seit 30 Jahren erfolgreich

Werkzeuge ohne Beschichtung sind heute kaum noch denkbar. Seit über 30 Jahren revolutionieren Beschichtungen den Werkzeugmarkt. Höhere Produktivität und längere Standzeiten machen beschichtete Werkzeuge zu einem absoluten Muss in der Produktion. In Verbindung mit der Bearbeitung neuer Werkstoffe ist die Beschichtungstechnik für Walter das zentrale Thema in Forschung und Entwicklung.

Begonnen hat alles bereits vor etwas mehr als 40 Jahren, doch der Durchbruch der keramischen CVD-Schichten im Werkzeugbereich kommt erst Mitte der Siebzigerjahre. TiN, TiCN und Al2 O3 erobern in einem atemberaubendenden Tempo den Markt. Mit dem Aufkommen der Multilayer- und PVD-Schichten wird das Einsatzspektrum der harten Helfer noch einmal erweitert. Heute sind über 90 Prozent aller Wendeschneidplatten beschichtet. In der Beschichtungstechnik immer vorne zu finden: die Walter AG. Ihr 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 Al2 O3 -Schichten. Erstaunlich, wenn man die hohe Innovationsrate in diesem Bereich in Betracht zieht. 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 Al2 O3 als der ideale Schichtwerkstoff ergeben. Das hat seinen Grund: Mit einer Härte von 2 600 HV bei 20 Grad Celsius und immerhin noch 900-1 200 HV bei einer Temperatur von 800 Grad Celsius hat Aluminiumoxid nicht nur die höchste Warmhärte, sondern bietet zudem eine hervorragende chemische Stabilität.

Allerdings kann Al2 O3 seine Stärken nur in Verbindung mit MT-TiCN (MT: Mitteltemperatur) ausspielen. Dieses ist notwendig als Schutz gegen den Freiflächenverschleiß. Wie gut das Werkzeug letztendlich geschützt ist, hängt 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.

Das Al2 O3 hat noch eine weitere wichtige Eigenschaft: Es leitet Wärme nur schlecht. Das heißt, in der Bearbeitung wird das Substrat-Hartmetall besser vor Temperatureintrag geschützt. Dies ist im glatten wie im unterbrochenen Schnitt entscheidend. Während im glatten Schnitt der Widerstand gegen plastische Verformung erhöht wird, können im unterbrochenen Schnitt hohe Temperaturschwankungen im Substrat reduziert werden.

Grundsätzlich sind beim Beschichten drei verschiedene Al2 O3 -Phasen im Einsatz, die sich von ihren Eigenschaften unterscheiden. Am gebräuchlichsten im CVD-Bereich ist die ?-Phase des Aluminiumoxids. In dieser Modifikation ist der Stoff thermisch und chemisch am stabilsten. Damit das Al2 O3 seine Stärken voll ausspielen kann, ist eine exzellente Schichthaftung nötig. Dies wird durch die Bindungsschicht erreicht, die sich mit dem Al2 O3 mechanisch verzahnt. Zudem ist sie neben der Haftung zusätzlich für die Modifikation sowie die Textur, die geometrische Ausprägung der Kristalle – bekannt als Vorzugsorientierung – des Al2 O3 zuständig. Um reines a-Al2 O3 herzustellen, wird eine isomorphe Kristallstruktur als Unterlage benötigt. Das heißt, dass die Bindungsschicht eine ähnliche Struktur wie das a-Al2 O3 besitzen muss. In der Regel werden im CVD-Bereich mit seinen hohen Temperaturen deshalb Titanoxide als Bindungsschicht verwendet. Walter setzt jedoch auf eine Bindungsschicht bestehend aus einer Mischphase aus TiCN und Al2 TiO5 . Vorteil dieser Lösung: Diese Mischphase führt zu einem reinen a-Al2 O3 -Wachstum und ermöglicht eine sehr hohe 001-Textur.

Warum ist dies entscheidend? Wärmeleitfähigkeit und Härte zeigen eine Richtungsabhängigkeit im Kristallgitter und erreichen ihre besten Werte in einer ausgeprägten 001-Vorzugsorientierung. Damit können in bestimmten Anwendungsfällen, zum Beispiel beim Stahldrehen, durchaus Standzeitvorteile von 30 Prozent erzielt werden. Genau hier ist ein Grund für den Erfolg des Tigers zu finden. Ein spezielles Verfahren sorgt in der Vermessung der Texturen für ungewöhnlich genaue Ergebnisse, was die Möglichkeit einer weiteren Optimierung bietet. Während andere Verfahren nur eindimensional messen, geht Walter in die dritte Dimension und erhält so wesentlich genauere Werte.

Neben allen genannten Vorteilen hat das CVD-Verfahren einen gravierenden Nachteil: Die hohen Abscheidungstemperaturen (800° - 1 050 Grad Celsius) führen zu einem Zähigkeitsverlust im Substrathartmetall 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 zudem 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 signifikante Zähigkeitssteigerung und Erhöhung der Oberflächenhärte ist die Folge. Der Anwendungsbereich der CVD-Beschichtungen wird deutlich größer.

  • Moderne Fertigungsverfahren garantieren die exzellente Qualität der Walter-Beschichtungen.

    Moderne Fertigungsverfahren garantieren die exzellente Qualität der Walter-Beschichtungen.

  • Entscheidend für die Bindung von Beschichtungs- und Trägermaterial: Die Bindungsschicht.

    Entscheidend für die Bindung von Beschichtungs- und Trägermaterial: Die Bindungsschicht.

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