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Innovative Vorbehandlung optimiert Standzeit von CVD-diamantbeschichteten Hartmetallwerkzeugen

Kurzfassung

In einem von der Baden-Württemberg Stiftung gGmbH geförderten Projekt konnte am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM ein verbessertes Vorbehandlungsverfahren für diamantbeschichtete Hartmetallwerkzeuge entwickelt werden. Eine Diffusionsbarriere für Cobalt sorgt für eine verbesserte Adhäsion der Diamantschicht. Das Verfahren lässt sich auf unterschiedliche Hartmetalle anwenden und ermöglicht bisher unerreichte Standzeiten der Werkzeuge in Verbindung mit einer hohen Bruchfestigkeit.

Hintergrund

Zunehmend werden diamantbeschichtete Zerspanwerkzeuge aus Hartmetall eingesetzt, um Prozesskosten bei der industriellen Bauteilfertigung zu senken und die Qualität zu steigern. Problematisch ist bislang die mangelnde Schichthaftung, insbesondere bei der Bearbeitung der zunehmend an Bedeutung gewinnenden Verbund- und Leichtbauwerkstoffe (z. B. CFK oder Metall-Matrix-Komposite). Eine geeignete Vorbehandlung ist daher essentiell.
Vor diesem Hintergrund wurde am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM nun in einem von der Baden-Württemberg Stiftung gGmbH geförderten Projekt ein innovatives Verfahren entwickelt, um die bislang gängige Vorbehandlungsroutine zu ersetzen. Gerade bei Anwendungen mit starker Werkzeugbeanspruchung stößt die herkömmliche Methode schnell an ihre Grenzen und wirkt sich restriktiv auf die Standzeit von diamantbeschichteten Hartmetallwerkzeugen aus. Hier kann das neue Vorbehandlungsverfahren punkten.

Problemstellung

Bei Hartmetall handelt es sich um einen Verbund aus dem sehr harten Wolframkarbid in Kombination mit einer metallischen Matrix (z. B. aus Cobalt). Beim Beschichten mit Diamant beeinträchtigt jedoch Letztere die Adhäsion der Schicht auf dem Werkzeug. Bislang behilft man sich mit einer nasschemischen Vorbehandlung, um das Cobalt in einem oberflächennahen Bereich zu entfernen. Dieser Ansatz wirkt sich allerdings negativ auf die Bruchzähigkeit aus und führt insbesondere bei dynamischen Belastungen zur  Zerrüttung der Werkzeug-Oberfläche und einem frühzeitigen Ausfall. Trotz umfangreicher Bemühungen, die Problematik der Schichthaftung und Grenzflächenstabilität zu überwinden, haben bisherige Ansätze und Verfahrensanpassungen die Anforderungen an die Standzeiten noch immer nicht zufriedenstellend erfüllt.

Lösung

Durch einen thermochemischen Prozess in Verbindung mit einem Plasma wird in sequentieller Abfolge eine Stabilisierung und Strukturierung der Werkzeug-Oberfläche durch Rekristallisation der Substratrandzone erreicht. Gleichzeitig wird die Nachdiffusion von Cobalt durch eine intergranular implementierte CoWO4-Diffusionsbarriere verhindert und die spezifische Adhäsion einer nachfolgenden Diamantbeschichtung über eine Siliziumoxikarbonitrid-Beschichtung (a-SiOCN) vermittelt.

(A) Unbehandelter Fräser (links), behandelter Fräser (rechts); (B/C) Detailaufnahmen der Werkzeugoberfläche nach der Vorbehandlung; © Fraunhofer IWM.
(A) Unbehandelter Fräser (links), behandelter Fräser (rechts); (B/C) Detailaufnahmen der Werkzeugoberfläche nach der Vorbehandlung; © Fraunhofer IWM.

Vorteile

    • Höhere Standzeit
    • Gesteigerte Bruchzähigkeit an Schneidkante und Interface
    • Übertragbar auf unterschiedliche Hartmetallsorten
    • Sehr kurze Prozesszyklen
    • Alle Verfahrensschritte in einem einzigen zusammenhängenden Prozess möglich
    • Insbesondere geeignet für Werkzeuge zur Bearbeitung von schwer zerspanbaren Werkstoffen
    • Weitere Anwendungen sind Umformwerkzeuge oder Ziehsteine für die Drahtindustrie
    • Demonstrationsexemplare sind vorhanden

    Anwendungsbereiche

    Beschichtungsverfahren für diamantbeschichtete Hartmetallwerkzeuge.

    Exposé
    Kontakt
    Dr. Frank Schlotter
    TLB GmbH
    Ettlinger Straße 25
    76137 Karlsruhe | Germany
    Telefon +49 721-79004-0
    schlotter(at)tlb.de | www.tlb.de
    Entwicklungsstand
    Validierung / TRL4
    Patentsituation
    DE 102017200543 A1 anhängig
    PCT /EP/2018/050706 anhängig
    Referenznummer
    16/098TLB
    Service
    Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwertung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.