Diamantbeschichtung

Zwischenschichten für die Diamantbeschichtung

Diamantbeschichtete Hartmetallwerkzeuge eignen sich hervorragend für die Zerspanung von Graphit, faserverstärkten Kunststoffen und Aluminiumlegierungen. Am Fraunhofer IST werden Zwischenschichten als Alternative für die bis heute notwendige Ätzvorbehandlung des Hartmetallgrundkörpers entwickelt. Dadurch lässt sich die Schwächung der Randzone der Hartmetallgrundkörper vermeiden.

Heißdraht-CVD-Diamantbeschichtungen von Werkzeugen und Bauteilen aus Hartmetall sind heute nur auf wenigen Hart­metallsorten möglich und erfordern zudem eine aufwändige Ätzvorbehandlung des Hartmetalls. Ohne eine solche chemische Vorbehandlung, die den Cobaltbinder aus der Oberfläche des Hartmetallsubstrats entfernt, würden die Diamantschichten nicht auf der Oberfläche haften. Gleichzeitig werden dadurch jedoch die Biegebruchfestigkeit und die Kantenstabilität des Grundkörpers geschwächt. Zwischenschichten sollen eine solche Vorbehandlung ersetzen, dazu müssen sie jedoch folgende Anforderungen erfüllen:

  • Eignung als Barriere gegen Cobaltdiffusion
  • Gute Haftung auf verschiedenen Hartmetallsorten
  • Gewährleistung einer stabilen Anbindung der CVD-Diamantschicht
  • Thermische Stabilität bis ca. 900 °C

Heißdraht-CVD-Zwischenschichten auf Siliziumbasis

Die Abscheidung von Zwischenschichten mit dem Heißdraht-CVD-Verfahren hat den Vorteil, dass kein Prozesswechsel für die anschließende Diamantbeschichtung erforderlich ist. Vor allem Zwischenschichten aus Siliziumcarbid (SiC) wurden in den letzten Jahren am Fraunhofer IST grundlegend untersucht und auf Haftfestigkeit geprüft. In nachfolgenden Tests am Institut für Werkstoffmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der TU Berlin konnten sowohl bei der Zerspanung von abrasiven Aluminium-Silizium-Legierungen als auch beim Fräsen von CFK-Platten Standzeiten erreicht werden, die sich mit diamantbeschichteten Werkzeugen mit Ätzvorbehandlung vergleichen lassen.

Detaillierte thermische Untersuchungen zeigten jedoch, dass die SiC-Zwischenschicht unter den üblichen Beschichtungstemperaturen für die Diamantabscheidung mit Cobalt reagiert und dadurch nicht ausreichend stabil ist. Notwendig ist eine Absenkung der Substrattemperatur auf maximal 700 °C, um die thermisch aktivierte Reaktion des Siliziumcarbids mit Cobalt aus dem Hartmetallsubstrat zu vermeiden.

Neben den SiC-Zwischenschichten wurden am Fraunhofer IST auch Siliziumnitrid-Zwischenschichten untersucht. Diese sind bei industriell üblichen CVD-Diamant-Abscheidetemperaturen von 800 bis 900 °C chemisch stabil. Bisher wurden solche SiNx-Zwischenschichten nicht auf Werkzeugen getestet, erreichen jedoch im Partikelstrahl-Haftungstest vergleichbare Haltezeiten wie geätzte diamantbeschichtete Referenzen.

Gesputterte Wolfram-Zwischenschichten

Eine weitere Alternative zur Ätzvorbehandlung sind Wolfram-Zwischenschichten, die mittels Magnetronsputtern abgeschieden werden. Wolfram eignet sich hervorragend als stabile Cobaltbarriere. Voraussetzung bei geschliffenen Hartmetalloberflächen ist jedoch eine vorausgehende Aufrauung des Werkstücks durch Sandstrahlen, die eine mechanische stabile Anbindung der Diamantschicht an die Zwischenschicht ermöglicht. Wichtig bei der Vorbehandlung von Werkzeugen mit definierter Schneide ist, die Schneidkantengeometrie durch die Aufrauung nicht zu stark zu verändern. Durch geeignete Wahl der Vorbehandlungsparameter und anschließender Wolframbeschichtung ist es inzwischen gelungen, Fräser mit 10 Prozent Co-Anteil im Hartmetall ohne Ätzvorbehandlung mit CVD-Diamant zu beschichten und erfolgreich in der Graphitzerspanung einzusetzen.

Ausblick

Ziel der weiterführenden Entwicklungen ist es, die Diamant­beschichtung auf einer Vielzahl von Hartmetallsorten, Werkzeug- und Bauteilgeometrien zu ermöglichen. Hierfür stehen am Fraunhofer IST heute drei vielversprechende Zwischenschichten zur Verfügung. Die Herausforderung besteht in der individuellen Anpassung der Prozessparameter an die zu beschichtenden Werkzeuge und dem Nachweis der Wirtschaftlichkeit.

 

Weitere Beiträge aus dem Bereich Maschinenbau, Werkzeuge und Fahrzeugtechnik finden Sie hier