Innovative Vorbehandlung optimiert Standzeit von CVD-diamantbeschichteten Hartmetallwerkzeugen

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.

• 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

Beschichtungsverfahren für diamantbeschichtete Hartmetallwerkzeuge.

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.

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.

Durch einen thermochemischen Prozess in Verbindung mit einem Plasma oder durch Induktion 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.