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Modifikation von Stahloberflächen mit Metallionen vor Hartstoffbeschichtungen

Interfacemodifikation zwischen Stahl und Hartstoffbeschichtung durch selektiven Materialabtrag

Oberfläche eines Kobaltmartensits nach Chromionenätzung; Bild: MCL

Querschnitt durch einen Schnellarbeitsstahl nach Titanionenätzung; Bild: MCL

Verbesserte Performance und längere Lebensdauern von Metallbearbeitungswerkzeugen sind für eine an Nachhaltigkeit orientierten Produktion eine dringend benötigte Kernkompetenz. Um diese Performance zu verbessern arbeitet die Materials Center Leoben Forschung GmbH (MCL) in Kooperation mit Firmen die Bohr- und Fräswerkzeuge sowie die dafür verwendeten Stähle und Hartstoffbeschichtung herstellen. Gut haftende Verschleißschutzbeschich­tungen spielen eine zentrale Rolle für die Lebensdauer von Werkzeugen. Um die Schichthaftung zu verbessern, werden die Werkzeugoberflächen vor der Beschichtung einem Ionenätzprozess unterzogen. Neben Änderungen in der Topographie treten beim Metallionenätzprozess auf der Stahloberfläche auch chemische Veränderung auf, weil sich die verwendeten Metallionen an der Oberfläche des Stahls anreichern können. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden die Auswirkungen des Ätzens mit unterschiedlichen Metallionen wie z.B. Chrom und Titan auf die Veränderungen der Oberfläche hin untersucht. Hierbei wurde festgestellt, dass unterschiedliche Ionen unterschiedliche Strukturen auf der Stahloberfläche erzeugen. Durch die Ätzung werden Vertiefungen geschaffen, die es der Beschichtung ermöglichen sich mechanisch mit dem Stahlsubstrat zu verhaken bzw. für die Schichtatome während der Beschichtung günstige Anlagerungspositionen bieten. Durch selektives Ätzen von bestimmten Karbiden durch Titanionen kann man z.B. Gruben erzeugen, deren Kanten das mechanisches Verhaken zwischen Substrat und Beschichtung verbessern. Beim Chromionenätzen wird hingegen beobachtet, dass das Ätzverhalten von der Orientierung der einzelnen Martensitblöcke abhängt und so wieder günstige Anlagerungpositionen für Schichtmaterial bieten.

Wie stark die jeweilige Oberflächenstruktur ausgebildet wird, kann man über diverse Parameter lenken, wie z.B. die Achsenanzahl um die das Werkzeug sich in der Beschichtungskammer dreht, oder die Höhe der im Beschichtungsprozess angelegten elektrischen Spannung. Diese Parameter beeinflussen Abtragsraten und Implantationstiefen der Ionen.

Ein weiterer Parameter, der große Auswirkung hat, ist die Rauheit des Werkstücks. Diese beeinflusst im Oberflächenbereich die Martensitblockgrößen und Spannungen. Die Untersuchung des Rauheits-einflusses ist relevant, da viele Werkstücke unter Anderem aus Kostengründen nicht poliert werden, sondern eine bestimmte Rauheit aufweisen. Hier hat sich gezeigt, dass eine raue Oberfläche für manche Anwendungen eine positive Auswirkung haben kann, da sie zu einem gleichmäßigen Abtrag und einer homogenen Oberflächenstruktur führt.

Wirkungen und Effekte

Die Untersuchung des Metallionenätzprozesses im Rahmen des Projekts P2.7 „ISuCoSy“ führt zu einem besseren Verständnis industrieller Metallionen-ätzprozesse. Man kann mittels Verständnis für die oben genannten Parameter zielgerichtet Oberflächen einstellen um ein verbessertes Interface zwischen Substrat und Beschichtung für unterschiedlichste Anforderungen zu garantieren.

 

Projektkoordination (Story)
DI Juliane Kampichler
Junior Scientist Hard Metals
Department Materials
T +43 (0) 3842 45922-0
juliane.kampichler(at)mcl.at

 

Projektpartner

Gühring KG, Deutschland
voestalpine Böhler Edelstahl GmbH & Co KG, Österreich
voestalpine eifeler‑Vacotec GmbH, Deutschland
LMT Fette Werkzeugtechnik GmbH & Co.KG, Deutschland

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