Diamantbeschichtete Zerspanwerkzeuge Verbesserte Haftung von Diamant auf Hartmetall

Fraunhofer-Forscher haben eine neue Vorbehandlungsroutine für diamantbeschichtete Zerspanwerkzeuge entwickelt. Durch die Bündelung verschiedener Verfahrensansätze sollen damit sämtliche Einflussfaktoren der Schichthaftung berücksichtigt und diese dadurch grundlegend verbessert werden können.

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Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik

Zerspanwerkzeuge aus Hartmetall werden zunehmend mit Diamant beschichtet, um ihren Verschleißwiderstand nochmals zu steigern. Jedoch stellt sich die Schichthaftung bisher noch als problematisch dar – insbesondere bei der Bearbeitung von Verbund- und Leichtbauwerkstoffen. Dr. Manuel Mee, Wissenschaftler der Gruppe Tribologische Schichtsysteme am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, ist es nun gelungen, eine neue Routine zur Vorbehandlung der Werkzeuge zu entwickeln, die die Haftung von CVD-Diamant auf Hartmetall nachhaltig verbessern soll. Durch die Bündelung verschiedener Verfahrensansätze soll es nun möglich sein, sämtliche Einflussfaktoren der Schichthaftung zu berücksichtigen und diese zu verbessern.

Verhindern, dass die Diamantschicht abplatzt

Hartmetall verdankt seine Härte dem Wolframkarbid. Für die für viele Anwendungen notwendige Zähigkeit sorgt Cobalt, das die Wolframkarbidkörner zusammenhält. Und hier liegt die Herausforderung: „Das Cobalt bewirkt während des Beschichtungsprozesses, dass die Diamantstruktur nicht stabilisiert werden kann. Stattdessen wird graphitartiger Kohlenstoff gebildet“, erklärt Mee. Um zu verhindern, dass Cobalt mit dem entstehenden oder bereits synthetisierten Diamant interagiert, wird die Cobaltphase an der Oberfläche des Hartmetallwerkzeugs gegenwärtig mit einem nasschemischen Verfahren entfernt. Eine derartige Vorbehandlung bewirkt allerdings, dass die Randzone des Hartmetalls porös wird und ihre Zähigkeit einbüßt. Insbesondere die ungleichmäßige Belastung beim Schneiden inhomogener Werkstoffe – zum Beispiel kohlefaserverstärkte Kunststoffe – fördert die Zerrüttung der nun anfälligeren Randzone. In Folge dessen platzt die Diamantschicht ab.

„Mit dem neuen Verfahren können wir die Stabilität der Randzone aufrechterhalten und sogar leicht steigern“, erläutert Mee. Weil er sämtliche Verfahrensschritte mit einem Mikrowellenplasma umsetzt, muss die Prozesskette nicht unterbrochen werden. Dies spart zusätzliche Arbeitsschritte und damit wertvolle Zeit. Ein weiterer wichtiger Aspekt: Das in dieser Weise hergestellte Werkzeug lässt sich nach seinem Verschleiß rezyklieren, indem die Beschichtung entfernt und die Verfahrensroutine erneut angewandt wird. Der Materialbedarf sinkt, was vor allem mit Blick auf das im Verfahren genutzte Wolfram vorteilhaft ist, da dieser Rohstoff hauptsächlich in China gewonnen wird und auf dem Weltmarkt nicht verlässlich zu beschaffen ist.

Mehrere Verfahren in einem Prozess vereint

Um die Haftung von Diamant auf Hartmetall zu gewährleisten, sind alternativ zum bislang nahezu ausschließlich angewandten nasschemischen Verfahren weitere Ansätze zur Oberflächenbehandlung möglich, die Mee in einem einzigen durchgängigen Prozess zur Werkstofffunktionalisierung gebündelt hat: „Durch die Kombination unterschiedlicher Verfahrensansätze habe ich mir die jeweiligen Vorteile der Ansätze auf die Einflussfaktoren der Haftung zunutze machen und gleichzeitig deren Nachteile kompensieren können“, erklärt der Physiker.

Zunächst wird der Oberfläche des Hartmetalls bei hohen Temperaturen Kohlenstoff entzogen, wodurch es zur Bildung der sogenannten eta-Phase kommt. Eine erneute Anreicherung mit Kohlenstoff führt dazu, dass das unerwünschte Cobalt in der Randzone des Werkstoffs größtenteils verdampft. Gleichzeitig lässt sich die Oberfläche hinsichtlich Struktur, Härte und Risszähigkeit positiv beeinflussen. Der Prozess kann dabei so gesteuert werden, dass die zuvor erzeugte eta-Phase weiterhin in den Korngrenzen unterhalb der Oberfläche verbleibt, um im anschließenden Behandlungsschritt eine Umwandlung zu Cobaltwolframat zu bewirken. Dieses hat sich als geeignet erwiesen, um das Cobalt an Ort und Stelle zu stabilisieren und seine nachträgliche Diffusion zu hemmen. Dennoch lässt sich eine Benetzung der Oberfläche mit einem hauchdünnen Cobaltfilm nicht verhindern. Mee ergänzte darum das Verfahren um einen weiteren Prozessschritt, bei dem eine siliziumbasierte Zwischenschicht aufgebracht wird, die das Cobalt endgültig von der Diamantschicht fernhält.

Verfahren zum Patent angemeldet

Das Verfahren, das im Rahmen des Projekts Dia-Werk von der Baden-Württemberg Stiftung gefördert wird, ist inzwischen zum Patent angemeldet und von Mee in seiner Dissertation „Mikrowellenplasmagestützte Prozessentwicklung zur Herstellung von Funktionsgradientenhartmetallen für die CVD-Diamantbeschichtung“ ausführlich dargelegt. Für diese Dissertation erhielt Dr. Manuel Mee den mit 3000 Euro dotierten Werkstoffmechanikpreis 2017 des Automobilzulieferers KSPG. Die Auszeichnung verleiht das Preiskomitee des Kuratoriums des Fraunhofer-IWM jährlich als Nachwuchspreis für hervorragende wissenschaftliche Leistungen auf dem Gebiet der Werkstoffmechanik.

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