Rund 95 Prozent der Hartmetall-Werkzeugschneiden werden heute beschichtet. Die Steigerung der Oberflächenhärte erhöht die Verschleißfestigkeit des Werkzeuges, die Reduktion des Gleitwiderstandes bei der Spanabfuhr durch ultraglatte Oberflächen verringert die Aufschweißneigung sowie Aufbauschneidenbildung und die Isolierwirkung der Schicht steigert die Warmhärte. Im Ergebnis sind deutlich höhere Standzeiten zu erzielen.
Zur Beschichtung dienen im Wesentlichen zwei Verfahren: die PVD-Beschichtung (Physical Vapour Deposition) und die CVD-Beschichtung (Chemical Vapour Deposition).
Die chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition = CVD) ist eine Methode zur Herstellung von eigenspannungsarmen Beschichtungen mittels thermisch herbeigeführten chemischen Reaktionen.
Die Ausgangsstoffe für die Beschichtung werden verdampft und im Gaszustand der Beschichtungszone zugeführt. Das Gas wird dann entweder zersetzt oder reagiert mit weiteren Ausgangsstoffen und lagert sich anschließend als Dünnschicht auf dem Substrat ab. Dies kann im Vakuum oder unter Atmosphärendruck geschehen.
Um die Oberflächenreaktionen zu ermöglichen, werden Substrattemperaturen von bis zu 1000 Grad Celsius benötigt. Diese Prozesse können durch ein Plasma unterstützt werden, das die Reaktionsrate erhöht, wodurch die Beschichtungstemperatur gesenkt werden kann.
Der CVD Prozess wird genutzt, um Beschichtungen mit einer Dicke von 5 bis 12 µm, in manchen Fällen bis zu 20 µm, abzuscheiden. Verwendete Materialien sind TiC, TiCN, TiN und Aluminumoxide (Al203). Die Beschichtungen können als Einzel- oder Mehrfachschichten aufgebracht werden.
Die Beschichtung mit Diamant ist eine spezielle Form der CVD-Beschichtung: Dafür wird das eingebrachte Wasserstoffgas entweder durch hohe Temperaturen (2000 Grad Celsius) oder Plasmazündungen in Wasserstoffradikale aufgespalten. Diese Radikale reagieren dann zusammen mit dem ebenfalls eingebrachten kohlenstoffhaltigen Gas (meist Methan, CH4), was zu einer Anlagerung von Kohlenstoff auf der Substratoberfläche führt. Werden die richtigen Prozessparameter eingehalten, scheidet sich dieser Kohlenstoff in der Kristallform des Diamanten ab. Diamantbeschichtungen eignen sich sehr gut für die Bearbeitung von stark abrasiven Materialien, wie Graphite oder CFK-Bauteile.
CVD-Beschichtungen sind die erste Wahl, wenn es auf die Verschleißfestigkeit ankommt, wie bei allgemeinen Drehbearbeitungen von rostfreien Stählen und dem Bohren in Stahl, wo die dicken CVD-Beschichtungen die Widerstandsfähigkeit gegen Kolkverschleiß ermöglichen. Ebenso bei Frässorten in ISO P, ISO M und ISO K. Beim Bohren werden CVD-Sorten normalerweise in der Außenschneide eingesetzt.
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PVD-Verfahren beruhen im Gegensatz zu CVD-Verfahren auf rein physikalischen Wirkungsverfahren. Es handelt sich dabei um einen Materialdampf, der an der Substratoberfläche kondensiert. Damit die Dampfteilchen die Bauteile erreichen und nicht durch Streuung an den Gasteilchen verlorengehen, wird dabei im Unterdruck gearbeitet. Weil der PVD-Herstellungsprozess bei geringeren Temperaturen von 400 bis 600 Grad Celsius abläuft, werden die Eigenschaften des Grundwerkstoffs weniger stark beeinträchtigt als beim CVD-Verfahren. Deshalb bleibt die Zähigkeit spezieller, feinkörniger Hartmetalle weitgehend erhalten.
Bei der PVD-Beschichtung unterscheidet man hauptsächlich vier Beschichtungsvarianten: Aufdampfen, Kathodenzerstäuben (Sputtern), Lichtbogenverdampfen und Ionenplattieren. Die größte Bedeutung hat das Sputtern. Mit den verschiedenen PVD-Varianten können fast alle Metalle und auch Kohlenstoff in sehr reiner Form abgeschieden werden. Führt man dem Prozess Reaktivgase wie Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlenwasserstoffe zu, lassen sich auch Oxide, Nitride oder Carbonide abscheiden.
PVD-beschichtete Sorten werden aufgrund ihrer zähen, aber trotzdem scharfen Schneidkanten für adhäsive Werkstoffe empfohlen. Die Anwendungsbereiche schließen alle Vollhartmetallfräser und -bohrer sowie die Mehrzahl der Sorten für das Einstechen, Gewindeschneiden und Fräsen ein. PVD-beschichtete Sorten werden außerdem in großem Umfang bei Schlichtvorgängen sowie als Zentrumschneidensorte beim Bohren eingesetzt.
Wenn eine hohe Zähigkeit verlangt wird, bietet sich eine Multilayer-Beschichtung an. Dabei werden bis zu 2000 Einzelschichten aufgebracht, die jeweils nur wenige Nanometer dick sind. Der mehrlagige Schichtaufbau verhindert, dass sich beim Zerspanen entstehende Risse nach innen fortpflanzen. Abgetragenes Material kann nicht so schnell in die Schneide eindringen, um sie aufzusprengen. Mit Viel-Lagen-Beschichtungen erreicht man deshalb höhere Standzeiten. Außer dem Schichtaufbau ist die oberste Schicht (der Toplayer) wichtig. So neigen vor allem NE-Metalle zur Bildung von Aufbauschneiden, die die Schnittkräfte und Temperaturen und damit den Werkzeugverschleiß erhöhen. Mit reibarmen Toplayern wird dieses Problem minimiert.
Bei der CVD-Beschichtung sind die verwendeten Materialien in der Regel TiC, TiCN, TiN und Aluminumoxide (Al203). Mit den verschiedenen PVD-Varianten können fast alle Metalle und auch Kohlenstoff abgeschieden werden. Zur Orientierung finden Sie hier eine Übersicht der Eigenschaften der gebräuchlichsten Verbindungen: