Oberflächentechnik Diamantfieber

Große Fortschritte bei Diamantschichten führen zu Leistungssprüngen bei Zerspanwerkzeugen. Was gestern noch als unzerspanbar galt, wird heute in Großserie bearbeitet. Diamantbeschichtung...

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Was gestern noch als unzerspanbar galt, wird heute in Großserie bearbeitet. Diamantbeschichtung macht’s möglich: Zum Zerspanen sehr abrasiver Werkstoffe ist eine mit dem CVD-Verfahren (Chemical Vapour Deposition) hergestellte Diamantbeschichtung die erste Wahl. Kein anderer Werkstoff kann hohem Verschleiß so gut widerstehen wie Diamant und hat einen so geringen Reibwert. Aus diesem Grund wird beispielsweise bei Zerspanwerkzeugen mit glatten Diamantschichten ein Verkleben mit dem Werkstückmaterial vermieden. Im Gegensatz zum teuren Naturdiamanten und zum weniger flexiblen polykristallinen Diamant (PKD) lassen sich gleichmäßig dicke Diamantschichten auf nahezu alle Oberflächengeometrien auftragen. Außerdem ist eine CVD-Beschichtung eine preisgünstigste Alternative zu Naturdiamant und PKD. Reiner Diamant ist bekanntermaßen der härteste Werkstoff. Bei niedrigen und mittleren Gebrauchstemperaturen ist er chemisch fast vollständig resistent. Im Vergleich zu den meisten Schichtwerkstoffen hat er eine extrem geringe Klebeneigung und verfügt über die höchste bekannte Temperaturleitfähigkeit.Verbesserte Vorbehandlung erhöht SubstratvielfaltCeme-Con ist ein Pionier auf dem Gebiet der Diamantbeschichtung. Mit neuen Entwicklungen wurden immer wieder Akzente gesetzt. Inzwischen ist man Weltmarktführer. Im weltgrößten Zentrum für Diamantbeschichtungen in Würselen bei Aachen werden in komplexen, exakt gesteuerten und ständig kontrollierten Prozessen verschiedenste Arten von Diamantschichten auf Werkzeuge fast jeglicher Geometrie aufgetragen – seien es nun Wendeschneidplatten oder Schaftwerkzeuge. Bahnbrechende Entwicklungen gab es auch bei der Vorbehandlung der zu beschichtenden Substrate. In der Vergangenheit hatten Hersteller von Hartmetallwerkzeugen ein Problem: Nur eine begrenzte Anzahl an Werkstoffen ließ sich erfolgreich mit Diamant beschichten. Dabei kam dem Kobaltgehalt eine entscheidende Bedeutung zu. 6% Kobalt im Substrat – so die Erfahrung – waren die Grenze, wenn es um Diamantschichten ging. Mit innovativen Vorbehandlungsmethoden ist es Ceme-Con gelungen, auch Hartmetalle mit bis zu 12% Kobalt und einem größeren Anteil an Zusatzkarbiden erfolgreich zu beschichten. Dies hat die Bandbreite der verwendbaren Hartmetallsorten enorm erhöht.Mit den nanokristallinen „glatten“ Diamantschichten – Kristallgrößen im Nanometerbereich (10 bis 20 nm), im Gegensatz zu vorher 1 bis 5 µm – gelang Ceme-Con um die Jahrtausendwende ein revolutionärer Durchbruch: Die glatten Schichten erschlossen ein bis dahin ungeahntes Bearbeitungspotenzial: 100fache Standzeiterhöhung beim Zerspanen von Hightech-Werkstoffen im Vergleich zu Werkzeugen mit herkömmlichen Diamantschichten versetzen den Zerspaner heute in die Lage, die Haupt- und Nebenzeiten und damit die eigene Fertigung deutlich kostengünstiger gestalten zu können. Problematische Werkstoffe lassen sich bearbeitenMit den weltweit ersten Multilayer-Diamantschichten CC-Dia-Tiger setzt der Würselener Schichtexperte weitere Maßstäbe (Bild 1): Mehrlagig vereinen sie die Vorteile von nanokristallinem und kristallinem Diamant. Verbesserte Spannungsverhältnisse und ein exzellentes Rissverhalten sowie hervorragende Schichthaftung machen die Multilayer-Schichten zu einem einzigartigen Produkt. Sie kombinieren die Glätte und Zähigkeit der nanokristallinen Schichten mit der erhöhten Oxidationsresistenz und Härte des mikrokristallinen Diamants. Die Multilayer-Schichten eröffnen völlig neue Möglichkeiten in der Bearbeitung anspruchsvoller NE-Werkstoffe wie CFK, GFK, CFC, Titan, MMC und, Aluminium-Silizium-Legierungen. Weitere Anwendungen ergeben sich in der Trockenbearbeitung und der Zerspanung bei Minimalmengenschmierung. Auch dort zeigen sich die wirtschaftlichen Vorteile der Multilayer-Schichten, denn durch den besonderen Schichtaufbau werden gerade in diesen Sparten die Standzeiten der Werkzeuge deutlich erhöht.Das große Anwendungspotenzial der Diamantschichten lässt sich experimentell bestätigen. Wie Versuche zeigen, steigern die zum Teil mehrlagigen Schichten (zum Beispiel CC-Dia Tiger, CC-Dia 08 und CC-Dia HiCo) die Leistungsfähigkeit der damit beschichteten Werkzeuge enorm: etwa bei der Bearbeitung von AlSi- und TiAl-Legierungen, MMC-Werkstoffen, Hartmetallen, Graphit, Mineral gefüllten Kunststoffen und Keramikgrünlingen enorm und ein Ende dieser Entwicklung ist nicht absehbar. Beim Zerspanen von Kunststoffen mit Faserverstärkung sowie von Verbund- und Sandwichwerkstoffen (zum Beispiel Al-Ti und Ti-CFK) wird eine Standzeiterhöhung von mehreren hundert Prozent erreicht ).Ein wahres „Diamantfieber“ setzt in der Leiterplattenfertigung ein: Die bisher verwendeten Werkzeuge gehen beim Zerspanen des abrasiven Harzwerkstoffs mit Gewebeverstärkung beziehungsweise des Epoxids mit Glasfaserverstärkung schnell in die Knie. Mit der Schicht CC-Dia Microspeed von Ceme-Con erhalten Fräser eine Standzeit, die um ein Vielfaches im Vergleich zu herkömmlich beschichteten Werkzeugen gesteigert wurde. Zerspaner, die mit den optimierten Fräsern arbeiten, berichten sogar von einer Steigerung um Faktor 12. Kantenverrundung ist endlich passéJüngste Impulse für den Siegeszug von Diamantschichten kommen vom Produkt CC-Dia Top-Sharp. Es ermöglicht die Feinzerspanung von AlSi- und TiAl-Legierungen, MMC-Werkstoffen und Mineral gefüllten Kunststoffen. Diese „geschärfte“ Diamantschicht erschließt somit Anwendungen, die bisher den teu-ren PKD-Werkzeugen vorbehalten waren. Weil bei der CVD-Beschichtung üblicherweise relativ „dicke“ Diamantschichten (im Mikrometerbereich) abgeschieden werden, war praktisch ein Verrunden der Werkzeugkanten bislang nicht zu vermeiden. Aus diesem Grund setzten sich nanokristalline Diamantschichten beim Feinzerspanen im Vergleich zu PKD in der Vergangenheit nicht durch.In Zusammenarbeit mit der Gesellschaft für Diamantprodukte mbH (GFD), Ulm, entwickelte Ceme-Con die neue Diamantschicht, die - auf den ersten Blick erkennbar - wesentlich glatter ist und ganz ohne Kantenverrundung der Schneide auskommt. Mittels eines patentierten Verfahrens, das sich zum Beschichten aller planaren Geometrien eignet, kann die Schneidkantenverrundung eingestellt werden - und bei Bedarf sogar deutlich geringer als beim unbeschichteten Werkzeug sein. Je nach Schichtdicke ist statt bisher 10 bis 15 µm eine scharfe Kante von unter 1 µm Verrundung einstellbar (Bild 5). Diese harte und glatte Fläche aus 100% Diamant - also ohne Bindermatrix - vermindert die Klebeneigung im Vergleich zu ungeschärften Diamantschichten noch einmal deutlich. Deshalb fließen die Späne mit Leichtigkeit ab. Solch scharfe Schneidkanten eignen sich hervorragend für Zerspanprozesse mit hoher Schnittgeschwindigkeit, etwa beim Schlichten. Ganz gleich ob beim Drehen, Fräsen, Bohren oder bei der Gewindebearbeitung, ob bei der Trocken-zerspanung oder der Bearbeitung mit Minimalmengenschmierung (MMS) - es gibt keine Anwendung, in denen die neuen Diamantschichten nicht für eine noch bessere Leistungsfähigkeit der Werkzeuge sorgen können. Dabei reicht die Auswahl der Werkstoffe von NE-Metallen über Verbund- und hoch abrasiven Werkstoffen bis hin zur Klasse der schwer zerspanbaren Materialien: Glas- und Kohlenfaser verstärkte Kunststoffe gehören ebenso dazu wie Al-Si-Legierungen, Metal-Matrix-Composits (MMC) und Mineral-gefüllte Kunststoffe.Ähnliche Fortschritte wie bei PVD erwartetDie Entwicklung im Diamantbereich schreitet mit großen Schritten voran. Innovative Verfahren und Beschichtungen erweitern den Anwendungsbereich Diamant-beschichteter Werkzeuge enorm. So können mit neuen Verfahren viele verschiedene Hartmetallsorten bis hin zu einem Kobalt-Gehalt von 12% mit Diamant beschichtet werden. Auch andere Restriktionen, wie die Rauigkeit - bedingt durch eine grob kristalline Struktur - und die vergleichsweise hohe Sprödigkeit des harten Schichtwerkstoffs, wurden mit der Entwicklung nanokristalliner Diamantschichten und der Markteinführung von Multilayer-Schichten aufgehoben. Mit dem Durchbruch in Richtung scharfer CVD-Beschichtungen ohne Kantenverrundung steht das Tor auch in der Feinzerspanung weit offen. Nur mit der Verwendung von Diamantschichten in der Stahlzerspanung kann aufgrund der hohen Affinität von Kohlenstoff zu Eisen vorerst nicht gerechnet werden.Mittelfristig kann davon ausgegangen werden, dass sich eine ähnliche Produktivitätssteigerung und Kostenreduktion bei der Herstellung der Schichten erzieleb lassen wie bei einer PVD-Beschichtung. Dadurch wird der Anwendungsbereich für Diamantschichten auch auf weniger extreme Operationen ausgedehnt - ein Siegeszug ohne erkennbare Hindernisse.