Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST
Komplexe Werkzeuggeometrien, beschichtet mit einer Zwischenschicht.
CVD-Diamantschichten für die Zerspanung
Erforschung von diamantbasierten Beschichtungstechnologien und Anwendungen
CVD-diamantbeschichtete Werkzeuge werden insbesondere in der Zerspanung von hochfesten und stark abrasiven Werkstoffen eingesetzt. Entscheidend für die Standzeit der Werkzeuge ist die Haftfestigkeit der Diamantschicht auf dem Werkzeug, das in der Regel aus WC-Co-Hartmetall besteht. Für kobalthaltige Hartmetalle stellen Zwischenschichten einen vielversprechenden Ansatz dar, um aktuellen Herausforderungen zu begegnen.
Zwischenschichten als Alternative zur ätztechnischen Vorbehandlung
Die CVD-Diamantbeschichtung von kobalthaltigen WC-Co-Hartmetallen ist u.a. aufgrund von Diffusionsprozessen anspruchsvoll. Eine ätztechnische Vorbereitung der Werkzeugrandzone führt zwar zu einer Reduzierung des Kobaltgehalts, kann diese aber auch schwächen. Eine Alternative stellen Zwischenschichten dar, die als Diffusionsbarriere wirken und ohne Vorbehandlung abgeschieden werden können.
Entwicklung haftfester Schichtsysteme
Ein Schwerpunkt aktueller Arbeiten am Fraunhofer IST sind die Entwicklung und Optimierung von aufeinander abgestimmten und damit haftfesten Schichtsystemen, die aus einer Zwischenschicht und einer CVD-Diamantschicht bestehen. In einem abgeschlossenen Verbundvorhaben wurden hierzu umfangreiche Schichtsystemscreenings auf Probekörpern mit unterschiedlichen Kobaltgehalten durchgeführt. Auf Basis dieser Untersuchungen konnten vielversprechende Schichtsysteme identifiziert und auf Werkzeuge mit komplexen Geometrien übertragen werden.
Erprobung in Zerspanungsversuchen
Zur Bewertung der Schichthaftung der neu entwickelten Schichtsysteme wurden neben standardisierten Sandstrahltests auch Zerspanungsversuche durchgeführt. Dabei kamen die beschichteten Werkzeuge sowohl beim Bohren in einer Aluminium-Silizium-Legierung als auch beim Fräsen von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) zum Einsatz. Die erarbeiteten Schichtsysteme zeigten nach definierten Standwegen sehr gute Ergebnisse, die in vielen Fällen bereits das Niveau der ätztechnisch vorbehandelten Referenzwerkzeuge erreichten. Besonders hervorzuheben ist das Verschleißverhalten: Die beschichteten Werkzeuge wiesen einen kontinuierlichen Verschleiß auf; großflächiges Schichtversagen trat nicht auf.
Ausblick: Anwendung auf Hartmetalle mit hohem Kobaltgehalt
Ein spannender nächster Schritt ist die Übertragung der Erkenntnisse auf WC-Co-Hartmetalle mit höheren Kobalt-gehalten (>12 %). Die bisherigen Untersuchungen zeigen, dass sich die ätztechnische Vorbereitung umgehen lässt und dass CVD-Diamantbeschichtungen haftfest aufgebracht werden können. Zukünftige Untersuchungen von Werkzeugen mit Kobaltgehalten >12 % könnten die Einsatzgrenzen weiter verschieben und das Potenzial für Anwendungen über die Zerspanung hinaus aufzeigen.
Einblick ins Projekt
Werkzeug beschichtet mit einer Zwischenschicht und einer CVD-Diamantschicht.
Werkzeug beschichtet mit einer Zwischenschicht und einer CVD-Diamantschicht.
REM-Aufnahme einer CVD-diamantbeschichteten Zwischenschicht.