Wunschzettel für die Beschichtung

Werkstoffe

Beschichtung - Eine neue Technologie eröffnet die Tür zu höheren Zerspanungsleistungen beim Drehen und Fräsen.

26. Februar 2009

Mit der neuen P3e-Technologie, die abgekürzt für Pulse enhanced electron emission steht, ist dem Beschichtungsexperten Oerlikon Balzers ein technologischer Meilenstein gelungen. Denn mit P3e ist es nun erstmals möglich, harte Metalloxidschichten bei Beschichtungstemperaturen von deutlich unter 600 Grad Celsius im Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) aufzubringen. Der Vorteil liegt auf der Hand: Während früher der Anwender hochtemperaturtauglicher Hartmetallsorten für die Verarbeitung Temperaturen von 800 bis 900 Grad Celsius verwenden musste, kann er jetzt alle Hartmetallschichten mit harten Metalloxiden beliebig kombinieren und die Eigenschaften der Schichten – wie Eigenspannungen und Härte – in einem bisher nicht gekannten Ausmaß einstellen. Die Abscheidung der Schicht bei unter 600 Grad Celsius eröffnet damit viele neue Möglichkeiten: Feinstkorn- und Ultrafeinstkorn-Hartmetalle lassen sich nun auch für Drehanwendungen einsetzen.

Optimierte Zähigkeit

Und mit P3e sind stabile Aluminiumoxid-basierte Schichten mit Korundstruktur auch im PVD-Verfahren herstellbar. Bisher war das Abscheiden von harten, thermisch und chemisch stabilen Aluminiumoxiden eine Domäne der chemischen Gasphasenabscheideverfahren (CVD). Mit der technischen Neuerung sind hohe Schnittgeschwindigkeiten und großer Vorschub in der Metallbearbeitung kein Widerspruch mehr. Das neue Verfahren optimiert die Zähigkeit und deckt erstmals den gesamten Bereich der PVD-Nitridschichten ab. Die anwendungsspezifische Kombination der P3e-Technologie mit den Hochleistungsschichten Aluminium-Chromnitrid, Titan-Aluminiumnitrid oder Aluminium-Titannitrid garantiert besonders hohe Lebensdauer und exakte Reproduzierbarkeit.

Einstellbare Eigenspannung

Mit der Einstellbarkeit der Druckeigenspannungen lässt sich die Ausbreitung von Rissen, die durch mechanische und thermische Beanspruchung während der Bearbeitung entsteht, verhindern oder minimieren. Dabei fußt die P3e-Technologie, mit der sich nun sämtliche Aluminiumoxidschichten herstellen lassen, auf der Lichtbogenverdampfung mittels Pulstechnologie: Durch einen kontrollierten Pulsstrom werden die Elektronenemission und die Plasmadichte erhöht. Der Prozess wird in einer reinen Sauerstoff-Atmosphäre gefahren.

Oerlikon Balzers übertrug die neue Technologie auf die jüngste Generation von PVD-Produktionsanlagen und schuf die Beschichtungsanlage Innova. Mit einer Alpha-Aluminiumoxidschicht, bisher eine Domäne von CVD-Verfahren, wurde die erste Schichtentwicklung daraus vorgestellt: Unter dem Projektnamen X3turn – sprich »X-Triple-turn« – wurden erste Tests mit Drehanwendungen durchgeführt. Alpha-Aluminiumoxid ist das härteste Material im Einsatz bei hohen Temperaturen und sowohl thermisch als auch chemisch hoch beständig. Dessen industrielle Herstellung gelang bisher jedoch nur mittels CVD-Verfahren, das einige Nachteile hat: Durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Hartmetall und Beschichtung kommt es beim Abkühlen nach dem Beschichtungsprozess zur Ausbildung von thermischen sowie zu Zugeigenspannungen in der Schicht. Außerdem ist die Schichtauswahl im CVD-Verfahren eingeschränkt auf die Kombinationen mit Titannitrid, Titancarbonnitrid und Aluminiumoxid.

Mit der Markteinführung der Beschichtungstechnologie P3e und der Aluminiumoxid-basierten PVD-Schicht, die auf Grundlage der neuen Technologie entwickelt wurde, überraschte Oerlikon Balzers viele Kunden. Ebenso wie mit der Beschichtungsanlage Innova. Dass sich damit ganz neue Möglichkeiten für das Design von Hochleistungswerkzeugen eröffnen sollen, wurde nur anfangs mit Skepsis betrachtet.

Die Zweifel an der Haftfestigkeit der Oxidschichten, an weiteren Anwendungsbereichen und an der Reproduzierbarkeit der dicken PVD-Beschichtung konnten die Fachleute von Oerlikon Balzers mithilfe von Testbeschichtungen und Laborversuchen schnell zerstreuen und beweisen, dass die neue Technologie auf Anhieb mit den lange etablierten CVD-Schichten mithalten kann. Allerdings zeigten sich die wahren Vorteile erst im unterbrochenen Schnitt: Leistungssteigerungen um den Faktor 2 oder 3 waren keine Seltenheit. »Die Werkzeughersteller können den Blick jetzt direkt auf die Anforderungen der Anwendung richten und fast so etwas wie einen Wunschzettel für die Beschichtung erstellen«, sagt Dr. Kurapov, Projektleiter F & E bei Oerlikon Balzers. Dem entsprachen die Reaktionen auf Kundenseite: Führende Unternehmen in der Zerspanungstechnik investierten in die Beschichtungsanlage Innova, um mit eigenen Schichtentwicklungen vorn dabei zu sein.

Die nächsten Ziele im Visier

Die Entwickler von Oerlikon Balzers arbeiten nun intensiv an neuen Schichten. Dabei stehen vor allem Drehen und Fräsen von Stahl im Fokus. Derweil zeigen die Kunden ohne eigene Schichtentwicklung ein großes Interesse an P3e. Als Anbieter von Lohnbeschichtungen sieht sich Oerlikon Balzers in der Rolle des Trendsetters: Für das Unternehmen ist die Entwicklung einer Lösung für die Lohnbeschichtung und für Spezialanwendungen die Stoßrichtung. Dazu gehört auch die Grundlagenforschung in der Materialtechnologie. Insbesondere bei Kombination von Schichten, Substrat und Werkzeuggeometrie gibt es noch Entwicklungspotenzial.

Dr. Wolfgang Kalss, Oerlikon Balzers/aru

Erschienen in Ausgabe: 01/2009