Bei spanenden Werkzeugen bieten oxidische PVD-Schichten eine interessante Alternative zu nitridischen Schichten. Ihr geringer Verschleiß verlängert Einsatzzeiten und Wechselintervalle.
Oxidische Schichtsysteme besitzen viele günstige Eigenschaften für die Zerspantechnik. Hierzu zählen eine hohe Oxidationsbeständigkeit, chemische Stabilität, geringe Wärmeleitfähigkeit, ein hoher Widerstand gegen Abrasionsverschleiß und eine geringe Adhäsionsneigung.
Aufgrund der genannten Vorzüge werden Schichtsysteme auf der Basis von Aluminiumoxid (Al2O3) auf Wendeschneidplatten für das Drehen und Fräsen abgeschieden. Wegen seiner hohen Sprödigkeit wird das Al2O3 dabei in der Regel nicht als Einzelschicht, sondern nur in Kombination mit anderen Hartstoffen in Mehrlagenschichten aufgebracht. Aus anlagetechnischen Gründen konnten die elektrisch nicht leitenden Oxidschichten bislang nicht mit dem PVD-Prozess hergestellt werden.
Mit Hilfe der Pulstechnologie ist es nun gelungen, Zerspanwerkzeuge für das Drehen, Fräsen und Bohren mit kristallinen oxidischen PVD-Schichten bei Substrattemperaturen von 500 bis 650 °C zu beschichten. Die Oxidschichten lassen sich hierbei als Mono- oder als Multilayerschicht in Kombination mit nitridischen Zwischenschichten aufbringen. Die Kombination unterschiedlicher Elemente als binäre oder ternäre oxidische Schichtsysteme und deren Abscheidung als Multi- oder Nanolayer eröffnen zahlreiche Möglichkeiten und hohe Potenziale, um das Leistungsvermögen von Zerspanwerkzeugen zu steigern.
Das Potenzial oxidischer PVD-Schichtsysteme lässt sich am Beispiel von kristallinem g-Al2O3 demonstrieren. Beim Fräsen des Vergütungsstahls 42CrMo4+QT mit TiAlN/g-Al2O3-beschichteten Schneidplatten im Trockenschnitt zeigten sich nach einem Fräsweg von 12 m noch keine lichtmikroskopisch nachweisbaren Kammrisse innerhalb der Kontaktzone auf der Spanfläche. Bei den als Referenz mit eingesetzten Schneidplatten mit nitridischen Schichtsystemen waren bereits nach Fräswegen von 3 bis 5 m erste Kammrisse in der Schicht nachweisbar. Ferner kam es bei diesen Schneidplatten, begünstigt durch die Kammrissbildung, zum partiellen bis vollständigen Schichtverschleiß auf Span- und Freifläche. Bei den mit kristallinem g-Al2O3 beschichteten Fräsplatten waren dagegen die Kontaktzonen zu Versuchsende noch vollständig beschichtet und der Verschleiß an der Freifläche extrem gering.
Der beim Fräsen mit dem untersuchten oxidischen Schichtsystem beobachtete geringere Schichtverschleiß ermöglicht längere Einsatzzeiten und damit längere Werkzeugwechselintervalle. Er erlaubt aber auch höherer Schnittgeschwindigkeiten, woraus kürzere Bearbeitungszeiten resultieren. Eine geringere Neigung zur Kammrissbildung, wie sie bei dem untersuchten oxidischen Schichtsystem zu verzeichnen war, kann die Gefahr von Werkzeugbrüchen reduzieren.
Oxidische Schichtsysteme eigenen sich nicht nur für Fräs-, sondern auch für Dreh- und Bohranwendungen. Sie stellen eine interessante Alternative zu den konventionellen nitridischen Schichtsystemen dar.
Dr.-Ing. Klaus Gerschwiler Gruppenleiter Zerspanung am WZL der RWTH Aachen
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