(openPR) TERAspeed ist die erste nanostrukturierte Aluminiumtitannitrid-Hartstoffschicht (AlTiN) die serienmäßig im CVD-Verfahren auf Hartmetallwendeschneidplatten aufgebracht wird. Schon der Markenname, den die Schneidstoffspezialisten bei Boehlerit ambitioniert von der Maßeinheit 'tera' (1012) ableiten, verspricht revolutionäre Zerspanungsleistungen. Immerhin ermöglichen gesteigerte Schichthärten und Oxidationsbeständigkeiten Standzeitsteigerungen um bis zu 200% und/oder enorm höhere Schnittgeschwindigkeiten.
TiAlN-, respektive AlTiN-Beschichtungen für Zerspanungswerkzeuge haben sich in den letzten zwei Jahrzehnten als Standardschichten etabliert. Das nitridische Schichtsystem hat sich auf Grund seines Eigenschaftsspektrums als ideal für die Zerspanung von Stahl und Guss erwiesen. Da es sich dabei jedoch um ein metastabiles Material handelt, konnte es bisher nur mit Beschichtungsverfahren erzeugt werden, die bei relativ niedrigen Temperaturen arbeiten. Aus diesem Grund war TiAlN ausschließlich mit PVD-Verfahren (Physikalische Gasphasenabscheidung) herzustellen. Während ursprünglich nur TI/Al-Verhältnisse von 50:50 möglich waren, liegen heute die Standardverhältnisse bei 30:70, weshalb aus den TiAlN-Schichten sogenannte AlTiN-Schichten wurden. Die Erhöhung des Aluminiumanteils führte zu Leistungssteigerungen durch höhere Schichthärte und Oxidationsbeständigkeit. Weitere Erhöhungen des Aluminiumanteils und damit noch weiter verbesserte Leistungsfähigkeiten sind jedoch verfahrensbedingt nicht möglich. Allerdings fordert die Branche immer leistungsfähigere Beschichtungen, weil Hochgeschwindigkeits- und Trockenbearbeitungen sowie die Verwendung hochfester und schwer zerspanbarer Materialien zunehmen. Dabei werden bei hohen Schnittgeschwindigkeiten an der Schneidkante und vor allem auf der Spanfläche Temperaturen von über 1000°C erreicht. Hohe Härten und gute Oxidationsbeständigkeiten stehen deshalb im Focus der Werkzeugentwickler.
Neben den PVD-Beschichtungen in unterschiedlichen Kombinationen werden seit über 40 Jahren auch CVD-Beschichtungen (chemische Gasphasenabscheidung) verwendet. Eine besondere Eigenschaft des Verfahrens ist die konforme Schichtabscheidung. Im Unterschied zu physikalischen Verfahren ermöglicht die chemische Gasphasenabscheidung auch die Beschichtung von komplex dreidimensional geformten Oberflächen, was homogene Schichtdickenverteilungen an Span- und Freiformflächen ermöglicht. Außerdem haben CVD-Schichten eine extrem hohe Haftfestigkeit. Bereits die ersten Titancarbid-Schichten (TiC) setzten Maßstäbe bei der Metallzerspanung mit Wendeschneidplatten aus Hartmetall. Weitere Verbesserungen brachten Titannitrid- (TiN) und Titancarbonirid-Schichten (TiCN). Die Entwicklung erster CVD-Aluminiumoxid (Al203) Beschichtungen in den 80er Jahren brachte weitere entscheidende Fortschritte, mit Schnittgeschwindigkeiten bis an die Grenze der Maschinenleistungen Aus dem Labor zur Serienreife
Ein neuer CVD-Prozess ermöglicht es nun TiAlN-Schichten herzustellen, deren Aluminiumgehalt im Vergleich zu den oben genannten PVD-Schichten deutlich höher liegt. Der im Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS entwickelte CVD-Prozess arbeitet im sogenannten Mitteltemperaturbereich zwischen 800 und 850°C und bei Prozessdrücken unter 10 kPa. Mit aufwendigen apparativen Anpassungen ist es bei Boehlerit gelungen, die im Labormaßstab zukunftsweisenden Ergebnisse zur Serienreife zu bringen. Das Ergebnis ist, beflügelt durch die revolutionären Leistungsverbesserungen, unter der Markenbezeichnung TERAspeed auf Werkzeugen der LMT-Gruppe zu haben. „Exakt definiert ist TERAspeed eine Schichtfolge aus einer dünnen Lage Titannitrid (TiN) und darüber eine Mitteltemperatur-Titancarbonitrid (MT-TiCN)Schicht mit letztlich der neuen Titanaluminiumnitrid (TiAlN) Schicht“, erklärt Dr. Reinhard Pitonak, der zuständige Projektleiter bei Boehlerit. „Das Besondere an unserer CVD-Schicht ist im Vergleich zu der in der Grundlagenforschung hergestellten Schicht, dass wir ein Gemisch aus kubischen und hexagonalen Anteilen haben, die sich in ihren Mikrostrukturen als Fischgrät- oder federartige Muster zeigen“, ergänzt Pitonak. Während die hier nun vorhandenen hexagonalen Anteile eher auf weichere Eigenschaften schließen lassen ist es jedoch so, dass auf Grund der dünnlagigen, alternierenden Struktur letztlich eine sehr harte Schicht entsteht. Immerhin zeichnen sich die abgeschiedenen TERAspeed AlTiN-Schichten durch eine hohe Härte im Bereich von >3.000 HV und auf Grund ihres hohen Aluminium-Gehaltes von >90% durch eine hohe thermische Beständigkeit von bis zu 1.100°C Einsatztemperatur aus. Das bedeutet: Es können deutlich höhere Schnittparameter verwendet werden, als bei den am Markt erhältlichen PVD-AlTiN-Schichten.
Die Vorteile für den Anwender von Werkzeugen mit der neuen TERAspeed-Beschichtung sind viel schnellere Bearbeitungen und eine erhöhte Produktivität sowie extrem längere Standzeiten mit nachweislich bis zu 200%. „Dabei ist das 'terastische' Potential der TERAspeed-Schichten noch längst nicht ausgereizt“, ergänzt Pitonak, der mit Weiterentwicklungen im Bereich der Schneidkörper-Geometrien die nächsten Innovationsschritte sieht. Außerdem verrät er mit Parametervariationen im Abscheideprozess, wie Druck, Gasfluss etc., weitere Stellschrauben um die Eigenschaften der revolutionären TERAspeed künftig noch weiter zu verbessern bzw. für spezielle Anforderungen zu optimieren.
