IAK Werkzeugbeschichtungen und Schneidstoffe

Nano-strukturierte Hartstoffschichten für Werkzeuge

Werkzeuge in der industriellen Fertigung  müssen  ständig wachsende Anforderungen erfüllen. Bei Zerspanwerkzeugen können z.B. Temperaturen von 1000°C und mehr auftreten. Jede neue Herausforderung, sei es in der Bearbeitung schwer zu bearbeitender Werkstoffe (z.B. Nickelbasis-Superlegierungen,  hochlegierte Stähle oder speziellen Gusseisensorten) oder auch in modernen Schneid- und Umformoperationen verlangt neue, auf den jeweiligen Einsatz abgestimmte Werkzeugbeschichtungen. Mit dem Trend hin zu höheren Schnitt- und Bearbeitungsgeschwindigkeiten und zur Trockenbearbeitung wird die Verschleißfestigkeit, die Hochtemperatur-und Oxidationsbeständigkeit von Werkzeugen und Beschichtungen immer bedeutender.

Mittels Magnetron-Sputterverfahren hergestellte nano-strukturierte Werkzeugbeschichtungen kombinieren hohe Härte und Verschleißfestigkeit mit einer verbesserten Oxidationsbeständigkeit im Vergleich zu Standardhartstoffschichten und liefern damit einen wertvollen Beitrag, die Herausforderungen der zukünftigen Produktion zu erfüllen. Mit Magnetron-Sputterverfahren können verschiedene Elemente und Phasen flexibel kombiniert und als glatte und „Droplet“-freie Beschichtung abgeschieden werden.

Aktuell  wird diese Technologie am Fraunhofer IST zur Weiterentwicklung von Hartstoffschichten durch Modifikation mit weiteren Elementen genutzt, um z.B. Härte, Zähigkeit oder Hochtemperaturverhalten gezielt zu beeinflussen. Darüber hinaus verfolgt das Fraunhofer IST dabei den Ansatz des strukturellen Schichtdesigns aus Nano- oder Multilagen.

Mit diesem Konzept werden z. B. aktuell bei TiAlN-basierten Schichtsystemen durch Modifikation mit Elementen wie z.B. Cr und Si Schichtsysteme entwickelt, die eine hohe Härte (> HV 4000) und Verschleißbeständigkeit bei gleichzeitig verbesserter Haftfestigkeit aufweisen. Ein weiterer Vorteil dieser nano-strukturierten Schichtsysteme (CrAlTiN und CrAlTiSiN) liegt in einer im Vergleich zu TiAlN deutlich gesteigerten Oxidationsbeständigkeit. Mögliche Einsatztemperaturen über 1000 °C ebnen den Weg für neue Anwendungen unter extremen Bedingungen, zum Beispiel in der Zerspanung schwer spanbarer Materialien. Die Leistungsfähigkeit der entwickelten Beschichtungen konnte bereits in Frästests von Nickelbasislegierungen nachgewiesen werden.

Das Fraunhofer IST bietet eine Vielzahl von Lösungen zur Anpassung von Hartstoffschichtsystemen an spezifische Anwendungen und die Entwicklung von nano-strukturierten Schichtsystemen, um auch zukünftige Anforderung der Produktion erfüllen zu können.

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