Deutsch-tschechisches Forschungsprojekt zu neuartigen Hartstoffschichten gestartet

Aufsätze für Zerspanungswerkzeuge
Gemeinsam mit dem Dresdner Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme und der tschechischen Firma Dormer Pramet entwickeln Werkstoffwissenschaftler der TU Bergakademie Freiberg neuartige Hartstoffschichten zum nachhaltigen Einsatz in Zerspanungswerkzeugen.

In einem EU-Verbundprojekt des Netzwerks „M-era.Net“ wollen die Forscher/innen in den kommenden drei Jahren aus Titancarbonitrid und Aluminiumoxid bestehende Hartstoffschichten so weiterentwickeln, dass sie länger und ohne umweltbelastende Schmierstoffe für Bohrspitzen in der Zerspanung eingesetzt werden können. Die Zerspanungswerkzeuge sind zuerst mit einer Schicht Titancarbonitrid und, optional, einer Schicht Aluminiumoxid in Form von Korund überzogen und kommen in der Hochgeschwindigkeitszerspanung von Metallen bei hohen Temperaturen zum Einsatz. In der industriellen Praxis können die so beschichteten Bohrspitzen jedoch nur zeitlich begrenzt verwendet werden, denn die Haftung zwischen den beiden Schichten lässt mit der Zeit nach. Es entstehen Risse in der Oberfläche der Korund-Deckschicht und diese platzt ab. Da die Deckschicht die Oxidation der Titancarbonitrid-Schicht verhindert, kommt es zur Korrosion der Werkzeugteile und die Bohrspitzen müssen erneuert werden.

Grenzflächendesign auf Nanoebene

Die Mechanismen an den Grenzflächen der beiden Hartstoffschichten will das Team um Prof. Dr. David Rafaja vom Institut für Werkstoffwissenschaft nun auf der Ebene der Nanostrukturen genauer untersuchen: An den Berührungsflächen der Schichten bildet sich eine sogenannte Übergangsphase, in der die Atome der beiden Materialien wie in einem Reißverschluss ineinander fallen, und eine Spannung erzeugt wird. Die Vorgänge in dieser Übergangsphase können die Forscher/innen so verändern, dass sie als Barrieren für die Rissausbreitung und gleichzeitig als Diffusionsbarrieren fungieren. „Konkret werden die Hauptkomponenten durchgemischt sowie Legierungselemente zugegeben. Damit wird das Auseinanderdriften der Schichten blockiert“, erklärt Rafaja. „Die Haftung der beiden Schichten wird verbessert und die Ausbreitung von Rissen begrenzt“, erwartet der Werkstoffexperte. Die mit den neu entwickelten Hartstoffschichten überzogenen Zerspanungswerkzeuge könnten also länger eingesetzt werden und müssten seltener mit den Hartstoffschichten überzogen werden. Im tschechischen Šumperk werden die neuen Hartstoffbeschichtungen von der Firma Dormer Pramet in der Produktion von Schneide- und Zerspanungswerkzeugen auf Ihre Praxistauglichkeit überprüft.

Hintergrund EU-Netzwerk M-era.Net

Das mit insgesamt einer Million Euro geförderte Projekt „Microstructure Design of Innovative Interfaces of CVD Hard Coatings (MiDiCoat)“ gehört zum Netzwerk M-era.Net. M-era.Net ist ein durch die Europäische Union finanziertes Netzwerk, das seit 2012 europäische Forschungs- und Innovationsprogramme – insbesondere auf dem Gebiet der Materialwissenschaft und der Werkstofftechnologie – unterstützt und koordiniert. Das Konsortium M-era.Net trägt zu einer andauernden Restrukturierung des Europäischen Forschungsraumes (ERA) bei. Es fördert die wissenschaftliche Exzellenz und die Übertragung der Ergebnisse der Grundlagenforschung in die Praxis als Basis für industrielle Innovationen. Das M-era.Net bemüht sich um die Entwicklung einer langfristigen Zusammenarbeit zwischen Forschungsförderungsorganisationen in einzelnen Regionen, in Europa und weltweit.

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Ansprechpartner: 
Prof. Dr. David Rafaja, Institut für Werkstoffwissenschaft, rafaja@ww.tu-freiberg.de, +49-3731-39 22