Abscheidung hochverschleißfester dotierter Titan-Aluminiumnitrid-Schichten mittels Hochleistungsimpuls-Magnetronsputterns

Die Ziel des Projektes war die Entwicklung eines Titanaluminiumnitrid-basierten (TiAlN) Schichtsystems für Fräswerkzeuge, das die Fräsleistung bzw. die Standzeit der derzeit industriell eingesetzten TiAlN-Schichtsysteme bei der Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe, wie hochwarmfeste Legierungen (u.a. Titan) und rostfreie Stähle, übertrifft. Für die Erreichung dieses Ziels wurden folgende Ansätze verfolgt:

• Änderung der chemischen Zusammensetzung durch Zugabe der Elemente: Chrom, Zirkonium und Silizium (Dotierung).
• Kombination des Hochleistungsimpuls-Magnetronsputterns (HiPIMS) und des Gleichstrom-Magnetronsputterns (DCMS) in einem DCMS-HiPIMS-Hybridprozess.
• Optimierung des Schichtdesigns der dotierten TiAlN-Schichten hinsichtlich der Schichthaftung.

Für einen optimalen Transfer der Ergebnisse in die Industrie erfolgte das experimentelle Vorgehen in enger Kooperation mit dem projektbegleitenden Ausschuss. Die Schichtabscheidung am IWT wurde in einer industriellen Magnetronsputter-Anlage des Typs CemeCon CC800®/9 HiPIMS durchgeführt (Abbildung 1a). Als Substratwerkstoffe dienten der Schnellarbeitsstahl HS6-5-2 (WKN 1.3343) und Wolframcarbid/Cobalt-Hartmetalle (WC/Co) mit Cobaltanteilen von 6 und 12 At.-%. Die Schichtentwicklung und -charakterisierung erfolgte an Scheibenproben. Für die quantitative Bestimmung der Fräsleistung wurden gestrahlte Hartmetall-Wendeschneidplatten (WSP) der Typen HNGJ und XPHT von der Firma Kennametal beschichtet (Abbildung 1b). Durch das Strahlen der WSP mit Aluminiumoxidpartikeln wurde ein WSP-spezifischer Oberflächen-/Kantenzustand zur Schichthaftungsoptimierung eingestellt. Die Frästests wurden bei Kennametal an 42CrMo4 und GGG60 durchgeführt. Als Referenz diente eine von Kennametal industriell eingesetzte TiAlN-Schicht mit einem Ti/Al-Verhältnis von ca. 1:1 und einer Sollschichtdicke von 6 μm.