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Eine durch und durch harte Angelegenheit

Neue Hartstoffschichten für Zerspanwerkzeuge durch Hochleistungsimpuls-Magnetronsputtern
Eine durch und durch harte Angelegenheit

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Für anspruchsvolle Zerspan-Aufgaben werden Werkzeuge seit einigen Jahren mittels Physical Vapour Deposition (PVD) beschichtet. Doch für schwer zerspanbare Materialien reichen diese Hartstoffbeschichtungen nicht aus. Das so genannte HiPIMS-Verfahren verspricht hier Abhilfe.

Das Fräsen in Titanlegierungen oder das Drehen von Inconel, also korrosionsbeständigen Nickelbasislegierungen, stellt Zerspaner vor große Herausforderungen – vor allem, wenn mit scharfen Schneiden im unterbrochenen Schnitt gearbeitet wird. PVD-Beschichtungen machen Zerspanwerkzeuge der anspruchsvollen Hart-, Hochgeschwindigkeits- und Trockenzerspanung zwar fit hinsichtlich Härte, Zähigkeit und Haftung. Doch besonders harte, schwer zerspanbare oder zur Kaltverfestigung neigende Werkstoffe erfordern weit mehr, nämlich eine hohe thermische sowie eine hohe Oxidationsbeständigkeit der Schichten.

Um dies zu erreichen, steht seit kurzem nun das so genante HiPIMS-Verfahren für den industriellen Einsatz zur Verfügung. Die Abkürzung steht für High Impact Power Impulse Magnetron Sputtering. Entwickelt von einem russischen Wissenschaftler, haben das Verfahren mittlerweile mehrere Hersteller zur Serienreife gebracht, so dass Beschichtungsanlagen dafür zur Verfügung stehen beziehungsweise bestehende PVD-Anlagen mit entsprechenden Pulseinheiten nachgerüstet werden können. Dazu gehören die Cemecon AG, Würselen, die APVV Coating Technologies GmbH & Co. KG, Dinslaken, Hauzer Techno Coating BV im niederländischen Venlo sowie die zur Trumpf-Holding gehörende Hüttinger Elektronik GmbH + Co. KG mit Sitz in Freiburg. Maßgeblich unterstützt wurde die Entwicklung von verschiedenen deutschen Forschungsinstituten wie dem Fraunhofer Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST) in Braunschweig, der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus und der RWTH Aachen.
Professor Kirsten Bobzin, Leiterin des Instituts für Oberflächentechnik (IOT) der RWTH Aachen, ist sich sicher: „Dank HiPIMS können wir völlig neue Werkstoffkombinationen herstellen und jede beliebige Kontur gleichmäßig beschichten. Dies war bisher nur mit sehr großem Aufwand oder gar nicht möglich.“ Und auch Manfred Weigand, Marketingleiter bei Cemecon, prognostiziert: „Langfristig wird HIPIMS wahrscheinlich viele bestehende PVD-Technologien im Bereich der Zerspanungswerkzeuge ablösen.“
Normalerweise werden bei den PVD-Verfahren die zu beschichtenden Teile zusammen mit der Beschichtungsquelle im Vakuum platziert. Dabei wird die Beschichtung entweder durch Magnetronsputtern oder verschiedene Formen des Arc- oder Elektronenstrahl-Verdampfens durchgeführt. „Durch Verdampfung lässt sich im Allgemeinen ein höherer Produktionsertrag als durch Sputtern erzielen, aber die Beschichtungsenergie ist niedriger. Sputtern wiederum ist ein wenig langsamer, ermöglicht aber eine bessere Schichtkonsistenz und günstigere Beschichtungseigenschaften“, heißt es bei Hüttinger.
Bei HiPIMS handelt es sich um die jüngste Entwicklung gepulster Sputter-PVD-Prozesse – mit deutlichen Vorteilen gegenüber der Arc-Verdampfung. Bei der Arc-Verdampfung wird dem Beschichtungsfluss durch Ionisierung des Beschichtungsmaterials Energie zugeführt, wenn dieses durch das dichte Plasma des Lichtbogens (Arcs) geführt wird. Dadurch verbessern sich die Beschichtungseigenschaften. Allerdings neigt der Prozess häufig dazu, geschmolzenes Material aus dem Schmelzbad an der Basis des Arcs zu „verspritzen“. Die verspritzten Stellen führen in der Endbeschichtung zu mikroskopisch kleinen Klumpen, die sich nachteilig auf die Schichtqualität auswirken.
Beim herkömmlichen Direct-Current-Sputterverfahren wird die Kathodenleistung zur Erhöhung der Ionisation des abgeschiedenen Spendermaterials angehoben. Doch ist dies durch die höhere thermische Belastung der Kathoden und der zu beschichtenden Substrate nicht uneingeschränkt möglich.
Anders beim HiPIMS-Verfahren: Hier wird die Plasmaleistung in sehr kurzen Hochleistungsimpulsen bereitgestellt. Durch die Einspeisung hoch energetischer Leistungspulse im Megawatt-Bereich in das Target bildet sich ein Plasma mit hoher Ladungsträgerdichte vor dem Target. Diese liegt deutlich höher als beim traditionellen Direct-Current-Sputterverfahren. „Die hohe Ionisation des zerstäubten Spendermaterials führt zu einer Verbesserung von Schichtstruktur und -eigenschaften im Vergleich zu den herkömmlichen Verfahren. Das liegt darin begründet, dass Energie und Bewegungsrichtung der auf das Substrat auftreffenden positiv geladenen Teilchen durch eine an das Substrat angelegte negative Spannung günstig beeinflusst werden“, erklärt Stephan Bolz, PVD-Entwicklungsleiter bei Cemecon.
Bei HiPIMS werde mit sehr hohen Leistungsimpulsen gearbeitet, die nur für eine kurze Zeit auf das Targetmaterial aufschlagen. Eine sich daran anschließende relativ lange „Aus-Zeit“ sorgt laut Cemecon für niedrige durchschnittliche Kathodenleistungen und somit für ein Abkühlen des Spendermaterials sowie eine hohe Prozessstabilität.
Die Vorteile der HiPIMS-Schichten im Vergleich zu herkömmlichen PVD-Schichten liegen nach Darstellung von Bolz daher vor allem in einer dichteren Schichtmorphologie sowie einem erhöhten Verhältnis von Härte zum Elastizitätsmodul der Schicht. Dieses Verhältnis ist ein Maß für die Zähigkeitseigenschaften der Schicht. Günstig ist eine hohe Härte bei relativ kleinem Elastizitätsmodul, so wie es bei der HiPIMS-Schicht der Fall ist. Cemecon nennt ein Beispiel: Während etwa herkömmliche PVD-Schichten aus Titaniumaluminiumnitrid über eine Härte von 25 GPa und ein Elastizitätsmodul von 460 GPa verfügen, liegt die Härte der neuen HiPIMS-Schicht bei über 30 GPa bei einem Elastizitätsmodul von 368 GPa.
Einen weiteren Vorteil gegenüber herkömmlichen PVD-Verfahren hat Professor Bobzin bereits benannt: das Aufbringen der dünnen Schichten ist mit HiPIMS auch auf geometrisch komplexen Bauteilen möglich. Forschungen dazu hat in den vergangenen Jahren vor allem der Lehrstuhl Metallkunde und Werkstofftechnik an der TU Cottbus betrieben.
Allerdings geht die Entwicklung schon weiter. So hat Hauzer Techno Coating mit der sogenannten HiPIMS+ Technologie in seinen Geräten die Beschichtungsgeschwindigkeit deutlich erhöht, so dass industriell wirtschaftliche Beschichtungsraten möglich sind. Erreicht haben dies die Niederländer durch die Veränderung der verwendeten Stromversorgung. Während bei HiPIMS kurze Impulse (bis zu 200 µs) mit Megawatt-Leistungsspitzen an die Kathode abgegeben werden, nutzt HiPIMS+ längere Impulse von bis zu 3,0 ms mit Impulsen von mehreren 100 kW an der Kathode.
Daneben entsteht derzeit für Zerspanwerkzeuge eine neue Generation von HiPIMSSchichtwerkstoffen, wie etwa die „Powernitride“ von Cemecon. Der erste dieser Werkstoffe ist seit dem Herbst für Testreihen auf Fräsern, Bohrern und Wendeschneidplatten aus Hartmetall verfügbar. In Tests wurde er speziell in schwerzerspanbaren Materialien wie rostfreiem Stahl oder Inconel eingesetzt. Mit Erfolg: Beim Drehen von Inconel wurde eine Performancesteigerung um 400 % erreicht.
Sabine Koll Journalistin in Böblingen

HiPIMS-Konferenz

Wer sich über aktuelle Forschungsergebnisse im Bereich der HiPIMS Plasma-Oberflächentechnik informieren will, sollte die „2nd International Conference on High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS)“ vom 28. bis 29. Juni 2011 in der Stadthalle Braunschweig besuchen. Zudem steht der Austausch über neue industrielle Anwendungsfelder der HIPIMS-Technologie im Mittelpunkt der Veranstaltung, die vom Kompetenznetz Industrielle Plasma-Oberflächentechnik e. V. (Inplas) am Fraunhofer IST veranstaltet wird. Ziel der Konferenz ist es zudem, die Brücke zwischen akademischer Forschung und Industrie zu schlagen.
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