22.11.2023

Entwicklung von Diamantschichten nach Maß

Mit seinem fundierten Know-how im Bereich der Beschichtungstechnologie entwickelt MAPAL auch extrem harte und verschleißbeständige Diamantschichten zur Zerspanung von Materialien wie CFK, Keramik, Graphit und Aluminiumlegierungen. Vor allem für Anwendungen in der Automobil- und Luftfahrtindustrie, im Werkzeug- und Formenbau und in der Medizintechnik erreichen die Zerspanungslösungen von MAPAL damit höhere Standzeiten und mehr Prozesssicherheit.

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Innenansicht eines Reaktors während des HF-CVD Beschichtungsprozesses.
  • Innenansicht eines Reaktors während des HF-CVD Beschichtungsprozesses.
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    Innenansicht eines Reaktors während des HF-CVD Beschichtungsprozesses. ©MAPAL 

  • REM-Aufnahme der Bruchkante eines diamantbeschichteten Vollhartmetallwerkzeugs, Vergrößerung: 3.000-fach.
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    REM-Aufnahme der Bruchkante eines diamantbeschichteten Vollhartmetallwerkzeugs, Vergrößerung: 3.000-fach. ©MAPAL 

  • Es ist der OptiMill-Composite-Speed-Plus Vollhartmetallfräser während der Zerspanung eines CFK-Werkstoffes zu sehen.
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    Die homogene CVD-Diamantbeschichtung von MAPAL sorgt für lange Standzeiten und hohe Prozesssicherheit, zum Beispiel beim OptiMill-Composite-Speed-Plus Vollhartmetallfräser für CFK-Werkstoffe. ©MAPAL 

Der Werkzeughersteller verfügt an seinem Standort in Aalen sowie in seinen Kompetenzzentren über Beschichtungstechnologien, um Wendeschneidplatten und Vollhartmetallwerkzeuge mittels PVD- oder CVD-Verfahren zu beschichten. Die Auswahl des Verfahrens richtet sich nach den jeweiligen Anwendungsparametern. Für die Trockenbearbeitung und hohe Schnittgeschwindigkeiten wird in der Regel CVD gewählt, bei instabilen Bearbeitungssituationen oder schwierigen Zerspanungsbedingungen kommen die zäheren PVD-Schichten zum Einsatz. 

Kommt es beim Bearbeiten von Werkstoffen vermehrt zu adhäsiven Verschleißvorgängen, ist der Einsatz von diamantähnlichen Kohlenstoffschichten (DLC) sinnvoll. DLC-Schichten werden ebenfalls mit PVD oder einem plasmaunterstützten CVD-Verfahren abgeschieden. Diese Schichten werden von einer Mischung aus sp2-hybridisierten Kohlenstoffatombindungen (Graphit) und solchen mit sp3-Hybridisierung (Diamant) gebildet. Das Mischungsverhältnis bestimmt dabei die physikalisch-mechanischen Eigenschaften der Schichten. Je mehr sp3-Atombindungen enthalten sind, desto härter ist die Schicht.
 

REM-Aufnahme der Bruchkante eines diamantbeschichteten Vollhartmetallwerkzeugs, Vergrößerung: 3.000-fach.
REM-Aufnahme der Bruchkante eines diamantbeschichteten Vollhartmetallwerkzeugs, Vergrößerung: 3.000-fach.   ©MAPAL

Neue Beschichtungsverfahren dank CVD-Diamant-Reaktoren

Zum Fräsen oder Bohren stark abrasiver Materialien sind reine Diamantschichten erforderlich. Das in der MAPAL Gruppe eingesetzte Verfahren zur Synthese von Diamantschichten ist eine Abwandlung des rein thermischen CVD und nennt sich Hot‐Filament‐CVD, kurz HF-CVD. Für die Beschichtung von Schaftwerkzeugen sind herkömmliche CVD-Schichten ungeeignet, weil es aufgrund der Werkzeuglängen und der hohen Beschichtungstemperaturen meist zu einem Längenverzug kommt. Bei HF-CVD erhitzen Drähte aus Refraktärmetallen ein Gemisch aus Wasserstoff und Methan auf Temperaturen bis zu 2.500 Grad. Dabei bilden sich sehr reaktive Methylradikale, die sich nach und nach auf der bekeimten Hartmetalloberfläche als Diamantschicht abscheiden. MAPAL stehen dafür eigene CVD-Diamant-Reaktoren zur Verfügung.
The OptiMill-Composite-Speed-Plus solid carbide milling cutter can be seen during the machining of a CFRP material.
The homogeneous CVD diamond coating from MAPAL ensures long tool lives and a high level or process reliability, for example with the OptiMill-Composite-Speed-Plus solid carbide milling cutter for CFRP workpiece materials.   ©MAPAL

“In recent years, we have worked extensively on improving the diamond coating process and have created new possibilities for MAPAL in tool production”, explains Dr Martin Kommer, Team Leader R&D Cutting Material / Coating at MAPAL. The tool manufacturer now has the complete tool design under its own control, from the appropriate geometry to the selection of a suitable carbide to the coating. This means that tools can be designed even more precisely to meet customers’ requirements. The development department in Aalen has its own centre for machining, which tests new tools for tool life and wear behaviour, among other things.

Since the coating process functions via a chemical reaction combined with mechanical clamping, defined etching of the carbide surface and seeding are important during pre-treatment. As not every carbide is suitable for this, MAPAL evaluates appropriate substrates. Whether fine-grained microcrystalline or nanocrystalline layers are produced during coating is determined by the temperature, pressure and flow of the respective reactive gases during the process. Theoretically, layers up to a thickness of 50 µm can be produced by HF-CVD. For coating its tools, MAPAL currently focuses on the range between 3 µm and 15 µm, depending on the respective application.
 

The optimised HF CVD process produces layers with almost uniform thickness, which MAPAL used when developing its OptiMill-Composite-Speed-Plus. In the respective machining application, the entire cutting edge length can thus be reliably used regardless of the cutting depth.
Kathrin Rehor, PR Project Manager at MAPAL

Contact

Kathrin Rehor Public Relations Kathrin.Rehor@mapal.com Phone: +49 7361 585 3342

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