Beschichtete Werkzeuge erhöhen Produktivität und Standzeit

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Allerdings kann Al2O3 seine Stärken nur in Verbindung mit MT-TiCN (MT: Mitteltemperatur) ausspielen. Dieses ist notwendig als Schutz gegen den Freiflächenverschleiß. Wie gut das Werkzeug letztendlich geschützt ist, hängt dabei entscheidend von der Mikrostruktur des TiCN ab: Gelingt es, durch die Prozessführung die für das MT-TiCN typische kolumnare Struktur sehr feinkörnig auszubilden, kann eine signifikante Verbesserung der Abrasionsfestigkeit erreicht werden (Bilder 2 und 3).

Zurück zum Aluminiumoxid. Diese Verbindung hat noch eine weitere wichtige Eigenschaft: Sie leitet Wärme nur schlecht. Das heißt, bei der Bearbeitung wird das Substrat-Hartmetall besser vor Temperatureintrag geschützt. Dies ist sowohl im glatten als auch unterbrochenen Schnitt entscheidend. Während im glatten Schnitt der Widerstand gegen plastische Verformung erhöht wird, können im unterbrochenen Schnitt hohe Temperaturschwankungen im Substrat-Hartmetall reduziert werden. Dies führt zu einer hohen Prozesssicherheit.

Bindungsschicht ist entscheidend

Grundsätzlich sind beim Beschichten drei verschiedene Al2O3-Phasen – α, κ und γ – im Einsatz, die sich von ihren Eigenschaften und damit auch vom Anwendungsgebiet her unterscheiden. Am gebräuchlichsten im CVD-Bereich ist die α-Phase des Aluminiumoxids. In dieser Modifikation ist der Stoff thermisch und chemisch am stabilsten.

Damit das Al2O3 seine Stärken voll ausspielen kann, ist eine exzellente Schichthaftung auf dem TiCN unabdingbar. Dies wird durch die Bindungsschicht erreicht, die sich mit dem Al2O3 mechanisch verzahnt. Doch dieser Schicht kommen noch weitere wichtige Aufgaben zu: Sie ist außer für die Haftung auch für die Modifikation und die Textur, das heißt die geometrische Ausprägung der Kristalle — auch bekannt als Vorzugsorientierung — des Al2O3 zuständig.

Um reines α-Al2O3 herzustellen, wird eine isomorphe Kristallstruktur als Unterlage benötigt. Konkret bedeutet dies, dass die Bindungsschicht eine ähnliche Struktur wie das α-Al2O3 besitzen muss. In der Regel werden im CVD-Bereich mit seinen hohen Temperaturen deshalb Titanoxide als Bindungsschicht verwendet. Bei Walter setzt man jedoch auf eine Bindungsschicht bestehend aus einer Mischphase aus TiCN und Al2TiO5. Vorteil dieser Lösung: Diese Mischphase führt zu einem reinen α-Al2O3-Wachstum und ermöglicht eine sehr hohe 001-Textur.

Warum ist dies entscheidend? Die Antwort ist nicht einfach: Die Wärmeleitfähigkeit und die Härte zeigen eine Richtungsabhängigkeit im Kristallgitter und erreichen ihre besten Werte bei einer ausgeprägten 001-Vorzugsorientierung. Damit können durch dieses eine Detail in bestimmten Anwendungsfällen, zum Beispiel beim Stahldrehen mit hohen Schnittgeschwindigkeiten, durchaus Standzeitvorteile von 30% erzielt werden.

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