Diamant-Siliciumcarbid-Schichtsysteme für Zerspanungswerkzeuge
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des bearbeiteten Forschungsvorhabens ist ein Beschichtungssystem für Wendeschneidplatten aus Hartmetall bestehend aus einer SiC-Zwischenschicht und einer Diamantschicht für die Zerspanung von AlSi17 weiterentwickelt und erprobt worden. Im Rahmen der Arbeiten wurden in einer auch industriell eingesetzten HFCVD-Großflächenbeschichtungsanlage Niedertemperaturprozesse für die Herstellung von Diamantschichten entwickelt. Ziel dabei war es, die Substrattemperaturen auf Werte Tsub < 700 °C abzusenken, bei denen es noch zu keiner reaktiven Umwandlung der SiC-Zwischenschichten zu porösen Cobaltsiliziden und damit zum Versagen des Schichtsystems kommt. Die Prozessentwicklung stellte sich als besonders schwierig heraus, da die zu beschichtenden Wendeschneidplatten im Ausgangsprozess Temperaturwerte von annähernd Tsub = 1000 °C erreichten. Durch die Reduzierung des Durchmessers der Aktivierungsdrähte von dDraht,A = 0,53 mm bis hinab zu dDraht,E = 0,165 mm konnte die Heizleistung von PA = 80 kW auf PE = 25 kW verringert werden. Dadurch wurden die Substrattemperaturen um annähernd ΔTsub 350 °C auf Werte von Tsub = 650 °C gesenkt. Unter diesen Bedingungen hergestellte SiC-Diamant-Schichtsysteme erwiesen sich als sehr standfest im Sandstrahltest und erreichten auch in Zerspantests vergleichbare und zum Teil sogar höhere Standzeiten wie konventionell vorbehandelte Hartmetalle ohne SiC-Zwischenschicht. Besonders hervorzuheben ist, dass durch das SiC-Diamant-Zwischenschichtkonzept erstmalig auch Hartmetallproben aus EMT612 mit einem hohen Cobaltanteil von wCo = 12 % haftfest beschichtet werden konnten, was mit chemischen Ätzverfahren bis dato nicht möglich ist. Im Mittel erreichten die SiC-diamantbeschichteten Wendeschneidplatten mit einem Cobaltanteil von wCo = 12 % aus dem Niedertemperaturprozess dasselbe Niveau in Zerspanungsuntersuchungen als konventionell geätzte und diamantbeschichtete Hartmetallwerkzeuge mit einem Cobaltgehalt von wCo = 6 %. Einzelne mit SiC-diamantbeschichtete Wendeschneidplatten aus EMT612 übertrafen im Zerspantest sogar deutlich die von geätzten Werkzeugen mit nur wCo = 6 %. Bei dynamisch beanspruchten Schneiden scheint ein hoher Cobaltgehalt vorteilhaft. Die entwickelten SiC-Diamant-Schichtsysteme ermöglichen erstmalig den Einsatz von hoch-Cobalt-haltigen Hartmetallen mit wCo = 12 % Cobalt. Auch wenn die Ergebnisse noch eine zu hohe Streubreite aufweisen, um bereits in industriellen Bearbeitungsprozessen einsetzbar zu sein, belegen sie dennoch die Sinnhaftigkeit des verfolgten Forschungsansatzes und führen den Nachweis für die außergewöhnlich hohe Performance von SiC-Diamant-Zwischenschichtsystemen. Nachteilig an den Niedertemperaturprozessen, bei denen die Reduktion der Substrattemperatur allein durch die Verringerung des Drahtdurchmessers realisiert wurde, war, dass die Beschichtungsrate auf unwirtschaftlich niedrige Werte um w = 0,04 µm/h abnahm. Da die Verwendung noch dünnerer Drähte aufgrund der begrenzten Maximalspannung des vorhandenen Netzteils nicht möglich war, wurde zur Ratensteigerung ein Substrattisch mit aktiver Kühlung entwickelt und untersucht. Tatsächlich konnten mit dem Kühlsystem die Beschichtungsraten auf Werte von immerhin w = 0,16 µm/h vervierfacht werden. Allerdings scheiterte die weitere Optimierung daran, dass der Wärmekontakt zwischen Substrathalter und Kühlreservoir durch Materialverzug nicht stabil war, wodurch die Substrattemperaturen nicht über die gesamte Beschichtungsdauer gehalten werden konnten. Dies ist aber kein grundsätzliches Problem, sondern muss in anschließenden Arbeiten technisch gelöst werden. Das Projektziel, ein stabiles und leistungsfähiges Verfahren für die Herstellung von Hartmetallwerkzeugen mit mindestens 10 % Massenanteil an Cobalt, CVD-SiC-Zwischenschicht und CVD-Diamantschicht, mit einem hohen Niveau der Schichthaftung, wurde damit erreicht. Eine Fortsetzung der Arbeiten, zum Beispiel in einem AiF-IGF-Projekt, ist angedacht.
