Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen bei der Aufnahme einer Probe am Transmissionselektronenmikroskop.
TU Bergakademie Freiberg/D. Müller
Forscher und Forscherinnen der TU Bergakademie Freiberg entwickeln gemeinsam mit dem Dresdner Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) und der tschechischen Niederlassung der Firma Dormer Pramet neuartige Hartstoffschichten zum nachhaltigen Einsatz in Zerspanungswerkzeugen. Werden die Bohrspitzen mit den Beschichtungen überzogen, verlängert sich die Standzeit der Werkzeuge zum Bohren, Drehen oder Fräsen um bis zu 30 %. Die untersuchten Bohrspitzen bestehen aus Stapeln zweier extrem dünner Hartstoffschichten. Die Deckschicht besteht aus Aluminiumoxid; die darunterliegende Schicht aus Titancarbonitrid. Als Beschichtung von Bohrspitzen in Zerspanungswerkzeugen sorgen die Dünnschichtstapel für weniger Verschleiß und längere Standzeiten. "Die Schwachstelle der Dünnschichtstapel ist die innere Grenzfläche zwischen den beiden Schichten – dort fügen sich die Materialien aufgrund ihrer unterschiedlichen Kristallstrukturen nicht ideal ineinander ein“, erklärt Werkstoffwissenschaftler Prof. David Rafaja von der TU Bergakademie Freiberg. Beim Bohren entstehen Risse in der Oberfläche der Deckschicht aus Aluminiumoxid und diese platzt ab. Da die Deckschicht die Oxidation der Titancarbonitrid-Schicht verhindert, kommt es zur Korrosion der Werkzeugteile und die Schneide- und Bohreinsätze müssen erneuert werden. "Wer dafür sorgen möchte, dass die Werkzeuge länger im Einsatz bleiben können, muss also zunächst verstehen, wie die beiden Schichten, die jeweils wenige Mikrometer dick sind, an ihrer Grenzfläche beschaffen sind und warum sie noch nicht ideal angebunden sind“, ergänzt Prof. David Rafaja.
Grenzflächen auf Nanoebene untersuchen
Die Bildung dieser Zwischenschicht an der Grenzfläche der beiden Hartstoffschichten hat das Team um Prof. David Rafaja nun erstmals auf der nanoskopischen Ebene genauer unter die Lupe genommen. An den Berührungsflächen der beiden Schichten bilden sich Übergangsphasen und nanoskalige Strukturen, in denen auf der atomaren Ebene die beiden Materialien, wie in einem Reißverschluss, ineinander fallen. Die Bildung dieser Übergangsphasen konnte das Forschungsteam durch chemische Reaktionen verändern: Durch die Anpassung von Druck und Temperatur im Reaktor sowie der Zusammensetzung der Ausgangsstoffe erreicht das Team, dass die Kristallstrukturen an den Grenzflächen besser ineinanderpassen. Die modifizierte Zwischenschicht, die unter Laborbedingungen am IKTS hergestellt wird, fungiert dann als Barriere für die Rissausbreitung und gleichzeitig als Diffusionsbarriere.