19.10.2021

Länger bohren, drehen, fräsen

Mikrostruktur von Hartstoffschichten in Bohrspitzen analysiert.

Forschende der TU Bergakademie Freiberg entwickeln gemeinsam mit dem Dresdner Fraunhofer-Institut für Keramische Techno­logien und Systeme (IKTS) und der tschechischen Nieder­lassung der Firma Dormer Pramet neuartige Hartstoff­schichten zum nachhaltigen Einsatz in Zerspanungs­werkzeugen. Indem sie die Grenzflächen zwischen den hauchdünnen Werkstoff-Schichten auf der Nanoskala untersuchen und gezielt modifizieren, sorgen sie dafür, dass die Schichten besser aneinander haften. Werden die Bohrspitzen mit den innovativen Beschichtungen überzogen, verlängert sich die Standzeit der Werkzeuge zum Bohren, Drehen oder Fräsen um bis zu dreißig Prozent.

Abb.: Die Aufsätze für Zerspanungs­werkzeuge sind mit einer Schicht...
Abb.: Die Aufsätze für Zerspanungs­werkzeuge sind mit einer Schicht Titan­carbonitrid und einer Schicht Korund (schwarz) bezogen. (Bild: TU BA Freiberg)

Die unter­suchten Bohrspitzen bestehen aus Stapeln zweier extrem dünner Hartstoff­schichten, die in einem Hochtemperatur­reaktor hergestellt werden. Die Deckschicht besteht aus Aluminiumoxid; die darunter liegende Schicht aus Titan­carbonitrid. Als Beschichtung von Bohrspitzen in Zerspanungs­werkzeugen sorgen die Dünnschichtstapel für weniger Verschleiß und längere Standzeiten. Verwendet werden sie deshalb insbesondere bei der Hoch­geschwindigkeits­zerspanung von Metallen, bei denen hohe Temperaturen an den Schneid­werkzeugen entstehen. “Die Schwachstelle der Dünnschicht­stapel ist die innere Grenzfläche zwischen den beiden Schichten – dort fügen sich die Materialien aufgrund ihrer unter­schiedlichen Kristall­strukturen nicht ideal ineinander ein“, erklärt Werkstoff­wissenschaftler David Rafaja.

Beim Bohren entstehen Risse in der Oberfläche der Deckschicht aus Aluminiumoxid und diese platzt ab. Da die Deckschicht die Oxidation der Titan­carbonitrid-Schicht verhindert, kommt es zur Korrosion der Werkzeug­teile und die Schneide- und Bohr­einsätze müssen erneuert werden. „Wer dafür sorgen möchte, dass die Werkzeuge länger im Einsatz bleiben können, muss also zunächst verstehen, wie die beiden Schichten, die jeweils wenige Mikrometer dick sind, an ihrer Grenzfläche beschaffen sind und warum sie noch nicht ideal angebunden sind“, ergänzt Rafaja.

Die Bildung dieser Zwischen­schicht an der Grenzfläche der beiden Hartstoffschichten hat das Team nun erstmals auf der nano­skopischen Ebene genauer unter die Lupe genommen. An den Berührungs­flächen der beiden Schichten bilden sich Übergangs­phasen und nanoskalige Strukturen, in denen auf der atomaren Ebene die beiden Materialien, wie in einem Reiß­verschluss, ineinander fallen. Die Bildung dieser Übergangs­phasen können die Forschenden durch chemische Reaktionen verändern: Durch die Anpassung von Druck und Temperatur im Reaktor sowie der Zusammensetzung der Ausgangs­stoffe erreicht das Team, dass die Kristall­strukturen an den Grenzflächen besser ineinander­passen. Außerdem erzeugen die Forschenden gezielt eine leichte Verspannung des Kristall­gitters.

Die modifizierte Zwischenschicht, die unter Labor­bedingungen am IKTS hergestellt wird, fungiert dann als Barriere für die Riss­ausbreitung und gleichzeitig als Diffusions­barriere. „Damit wird das Abtrennen der Schichten blockiert“, erklärt Christina Wüstefeld, Leiterin der Arbeitsgruppe „Dünne Schichten“ am Institut für Werkstoff­wissenschaft. „Die größte Heraus­forderung ist es, eine Zwischenschicht mit einer Dicke von maximal einem Mikrometer herzustellen, die aber gleichzeitig in der Lage ist, große Unterschiede in den Kristall­strukturen des Titan­carbonitrids und des Aluminium­oxids auszu­gleichen“, sagt Wüstefeld. 

Um die Grenzflächen gezielt zu analysieren, bereitet Christiane Ullrich die Proben in einem aufwendigen Verfahren vor. „Von der Oberfläche der Hartstoff­probe wird mit einem fokussierten Ionenstrahl eine Lamelle mit der Dicke von weniger als hundert Nanometern heraus­geschnitten und dann mithilfe eines Ionenpolier­prozesses hauchdünn in die finale Form präpariert“, sagt sie. Mit einem hoch­auflösenden analytischen Transmissions­elektronen­mikroskop untersucht und vergleicht das Team die Proben. Dabei wird die Abbildung bei atomarer Auflösung mit lokalen spektro­skopischen Methoden kombiniert.

Im tschechischen Šumperk werden die neuen Hartstoff­beschichtungen bei der Firma Dormer Pramet auf ihre Praxis­tauglichkeit geprüft. „Die ersten Ergebnisse zeigen, wie die einzelnen Parameter des Herstellungs­prozesses die Beschaffenheit der Zwischenschicht beein­flussen und wie wir die Eigenschaften der Hartstoff­schichten im Beschichtungs­prozess maßgeschneidert einstellen können“, freut sich Teilprojekt­leiter Michal Šíma über den Transfer der Forschungs­ergebnisse aus dem Labor in die Produktion.

TU Freiberg / JOL

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