AlTiN-Saturn – die Hochleistungsbeschichtung mit der optimalen Kombination von H

Die Arc-Technologie ist die weit verbreitetste industrielle PVD-Technologie zur Abscheidung von verschleißschützenden Hartstoffschichten.

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Vor allem in der universitären Grundlagenforschung wird dagegen verstärkt die Sputtertechnologie eingesetzt. Dies erklärt sich insbesondere durch die dort eingesetzten Analyseverfahren für die Dünnschichttechnik. Häufig werden beispielsweise Verfahren der Elektronenspektroskopie mit einer Tiefenauflösung von nur wenigen Atomlagen bzw. wenigen Nanometern und einer lateralen Auflösung von wenigen Mikrometern eingesetzt. Hier können die bei Arc-Schichten typischerweise auf der Oberfläche liegenden sogenannten Droplets die Analyse erschweren. Durch geänderte Prozeßparameter sind diese winzigen, µm großen Metalltröpfchen heute allerdings soweit minimiert, daß sie die funktionellen Eigenschaften der Hartstoffschichten für den Verschleißschutz von Werkzeugen nicht beeinträchtigen. Bei den PVD Sputterschichten treten Droplets nicht auf, weshalb diese Schichten einfacher zu analysieren sind. In der industriellen Anwendung kommt es aber nicht darauf an, analysefreundliche Schichten abzuscheiden, sondern vielmehr Schichten zu applizieren, die erhebliche funktionelle Vorteile aufweisen.

Der wesentliche Vorteil des Arc-Verfahrens gegenüber dem Sputtern ist die erheblich höhere Energiedichte des Plasmas während des Abscheideprozesses. Ionisationsgrade von bis zu 100 % stellen beim Arc-Verfahren die deutlich höhere Härte und Dichte sowie wesentlich bessere Haftung der Verschleißschutzschichten gegenüber dem Sputterverfahren sicher. Dies sind wesentliche Parameter für die Verbesserung der operativen Eigenschaften beispielsweise von Zerspanwerkzeugen. Während die Ionisationsgrade typischer Sputterverfahren nur bei 10-15 % liegen, können auch mit den modernsten Sputterverfahren, die immerhin Ionisationsgrade von bis zu 40 % aufweisen, prinzipbedingt die Eigenschaften von Arc-Schichten nicht erreicht werden.

Die wohl wichtigsten PVD-Schichten für die Anwendung in der Zerspanung sind die Titanaluminiumnitride TixAl1-xN. METAPLAS IONON ist es gelungen, die Oxidationsbeständigkeit dieser Schichten mit der Entwicklung von MAXIT® AlTiN-Saturn gegenüber anderen TiAlN Schichten deutlich zu erhöhen, was besonders für den Einsatz in der trockenen oder minimalmengengeschmierten Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungszerspanung erforderlich ist. Die Schichten werden mit dem Arc-Verfahren mit sehr hohen Aluminiumgehalten abgeschieden. Der hohe Aluminiumgehalt bewirkt während des Einsatzes die Ausbildung einer dünnen oxidationsschützenden Al2O3 Schicht an der Oberfläche des beschichteten Werkzeuges, die sich im Betrieb ständig erneuert. Dies führt insbesondere in Verbindung mit der hohen Dichte der Arc-Schichten zu der erhöhten Oxidationsbeständigkeit der AlTiN-Saturn Schichten gegenüber herkömmlichen TiAlN Schichten. Wichtig ist dabei, den Aluminiumgehalt der in kubischer Kristallstruktur vorliegenden Schichten nicht zu weit zu erhöhen, da dies zur Ausbildung einer hexagonalen Phase führt, die für die Anwendung in der Zerspanung ungeeignet ist. Auch hier bietet die hohe Energie des Arc-Verfahrens gegenüber dem Sputtern den Vorteil, höhere Aluminiumgehalte ohne diesen unerwünschten Phasenübergang zuzulassen. Weiterhin sind die AlTiN-Saturn Schichten durch den hohen Aluminiumgehalt stark elektrisch und wärmeisolierend. Letzteres dient damit zum Schutz der Werkzeuge gegen zu starke Erwärmung im Einsatz. Die AlTiN-Saturn Schichten erlauben Einsatztemperaturen von bis zu 900 °C.

Eine weitere wesentliche Eigenschaft der AlTiN-Saturn Schichten ist die nanokristalline Struktur. Durch optimierte Prozeßparameter des Arc-Verfahrens ist es gelungen, eine sehr hohe Härte der Schichten bei gleichzeitig hoher Zähigkeit zu erreichen. Wie aus der Werkstoffkunde auch anderer Materialien wie z.B. Stahl oder Hartmetall bekannt ist, ist die Kornfeinung die einzige Methode der Festigkeitssteigerung, die gleichzeitig auch die Zähigkeit eines Werkstoffs erhöht. Bei den AlTiN-Saturn Schichten wird dieser Effekt ebenfalls ausgenutzt, die Schichten werden in nanokristalliner globulitischer Struktur abgeschieden, im Gegensatz zu der für PVD Schichten sonst üblichen kolumnaren gröber kristallinen Morphologie. Dies ist mittels der hohen Energie des Arc-Verfahrens ebenfalls möglich, ohne entweder teure kornfeinende Legierungselemente zuzusetzen oder den Al-Gehalt bis zur Ausbildung unerwünschter aber feinkristalliner hexagonaler Phasen zu erhöhen. Bedingt durch die dichte nanokristalline Struktur wird zusätzlich die Einwärtsdiffusion von Sauerstoff verhindert und somit die Oxidationsbeständigkeit extrem erhöht.

Für die exzellente Haftung der AlTiN-Saturn Schichten ist neben der hohen Energie des Arc-Verfahrens der unmittelbar vor der PVD-Abscheidung durchgeführte Plasmaätzprozeß der Werkzeuge maßgeblich. METAPLAS IONON setzt hierfür den patentierten AEGD-Prozeß ein (Arc Enhanced Glow Discharge), dessen Effektivität unerreicht ist.

Die herausragenden Eigenschaften der AlTiN-Saturn Arc-Schichten:
Bei der Trockenzerspanung von Kaltarbeitsstahl 1.2379 und Warmarbeitsstahl 1.2344 mit Hartmetall-Kugelkopffräsern liegt der Verschleiß an den Schneidkanten AlTiN-Saturn beschichteter Werkzeuge weit unter dem aller TiAlN Wettbewerberschichten. Weitere typische Anwendungen, in denen die AlTiN-Saturn Schichten klare Vorteile aufweisen, sind die Zerspanung von Vergütungsstählen, Edelstählen, höherfesten AFP-Stählen, Grauguß, Inconel und Titanlegierungen. Die AlTiN-Saturn Beschichtung wird heute auf allen gängigen Schaftwerkzeugen aus Hartmetall oder HSS sowie Wendeschneidplatten appliziert.

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