Neue Ära in der Beschichtungstechnik

Die Werkstoffentwicklung schreitet unaufhörlich voran. In immer kürzeren Abständen werden neue Composites oder optimierte Varianten etablierter Materialien wie Stahl, Aluminium oder Titan vorgestellt. Das Resultat sind meistens besonders harte oder schwer zerspanbare Werkstoffe. Dies stellt die Zerspaner ständig vor neue Herausforderungen, denen wirtschaftlich, effizient und hochqualitativ nur mit entsprechenden Beschichtungen für Zerspanwerkzeuge entgegen zu treten ist.

Gerade PVD-(Physical-Vapour-Deposition-)Beschichtungen haben sich aufgrund ihrer zahlreichen Verschleissschutzeigenschaften in der anspruchsvollen Hart-, Hochgeschwindigkeits- und Trockenzerspanung fest etabliert. Sie beweisen Härte, Zähigkeit, Haftung sowie eine hohe Beständigkeit gegen thermische Einflüsse und Oxidation. Noch einen Schritt weiter im Leistungsniveau gehen Beschichtungen, die mit der HiPIMS-(High Power Impulse Magnetron Sputtering-)Technologie abgeschieden werden. Damit beschichtete Werkzeuge bearbeiten schwer zerspanbare Materialien wie Nickelbasislegierungen und Titan noch wirtschaftlicher und erreichen signifikant erhöhte Zerspanungsleistungen bei einem weitaus geringeren Verschleiss.

 

Höchste Pulse für dichteres Plasma

Erzielt wird beim HiPIMS-Verfahren eine hohe Ionisation des abgesputterten Targetmaterials (Spendermaterial). Hoch energetische Leistungspulse im Megawatt-Bereich werden in das Target eingebracht, wodurch sich ein Plasma mit hoher Ladungsträgerdichte (1019 m-3) vor dem Target bildet. Diese liegt deutlich über dem herkömmlicher DC-(Direct Current-)Sputterverfahren.

Die hohe Ionisation des zerstäubten Spendermaterials führt zu verbesserten Schichtstrukturen und -eigenschaften. Dies liegt daran, dass Energie und Bewegungsrichtung der auf das Substrat auftreffenden positiv geladenen Teilchen durch eine an das Substrat angelegte negative Spannung (Bias-Spannung) günstig beeinflusst werden.

Beim herkömmlichen DC-Sputterverfahren wird die höhere Ionisation des abgeschiedenen Spendermaterials durch das Anheben der Kathodenleistung erzielt. Durch die stärkere thermische Belastung der Kathoden und der zu beschichtenden Substrate ergeben sich allerdings Grenzen. Anders verläuft es bei HiPIMS: Da die Pulse nur für eine sehr kurze Zeit auf das Targetmaterial aufschlagen und sich daran eine relativ lange «Aus-Zeit» anschliesst, wird lediglich eine niedrige durchschnittliche Kathodenleistungen (1 bis 10 kW) benötigt. So kann das Spendermaterial abkühlen, und gleichzeitig erhöht sich die Prozessstabilität.

 

Härter, zäher und bessere Haftung

Vorteile von HiPIMS-Schichten sind vor allem die dichtere Schichtmorphologie sowie eine extreme thermische Stabilität. Verantwortlich dafür sind neben der dichteren Schichtstruktur auch völlig neuartige Materialzusammensetzungen. Zudem ermöglicht das innovative Verfahren, die Schicht regelrecht im Substrat zu «verankern», was die Haftung im Vergleich zu bisherigen Schichten mehr als verdoppelt. Dies ist vor allem von Nutzen, wenn mit scharfen Schneiden im unterbrochenen Schnitt gearbeitet wird, etwa bei Superlegierungen. Beispiele dafür sind ein Performancegewinn von 80% beim Fräsen in Titanlegierungen und von sogar 400% beim Drehen von Inconel.

Die HiPIMS-Technologie kann für jede CemeCon-Beschichtungsanlage des Typs CC800/9ML nachgerüstet werden. Dies macht den Anwender und seine Anlage fit für künftige Herausforderungen. In Anlehnung an die hochenergetischen Leistungspulse während des Prozesses erhält die neue Schichtgeneration den Namen «Powernitride». Wie bei den Supernitriden können unter diesem Oberbegriff künftig stetig neue Schichtwerkstoffe, aber auch bewährte Schichten hergestellt werden. Langfristig hat HiPIMS das Potenzial, bestehende PVD-Technologien abzulösen.

 

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